Научная статья на тему 'РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ БИПОЛЯРНЫХ СТАТИЧЕСКИХ ИНДУКЦИОННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ'

РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ БИПОЛЯРНЫХ СТАТИЧЕСКИХ ИНДУКЦИОННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
79
6
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ / СИНХРОННЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ / БИПОЛЯРНЫЙ СТАТИЧЕСКИЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ТРАНЗИСТОР / БСИТ МИКРОЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Шахмаева Айшат Расуловна, Букашев Федор Игоревич

Предложены структурная и принципиальная схемы управляемого выпрямителя на основе биполярного статического индукционного транзистора (БСИТ), а также критерий эффективности управляемых выпрямителей - эквивалентное падение напряжения. Представлены результаты исследований макета управляемого выпрямителя на БСИТ КТ698И. Проведена оптимизация технологического маршрута изготовления микроэлектронного управляемого выпрямителя, включающего БСИТ и интегральные биполярные элементы схемы управления.The structural and the principal circuits of the controlled rectifier based on the bipolar transistor bipolar static induction transistor (BSIT) and, also, the efficiency criterion for the controlled rectifiers - an equivalent voltage drop, have been proposed. The results of the study on the model of the controlled rectifier based on BSIT KT698I have been presented. The technological route of fabrication of the microelectronic controlled rectifier, involving BSIT and the integral bipolar elements of the control circuit, has been optimized.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Шахмаева Айшат Расуловна, Букашев Федор Игоревич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ БИПОЛЯРНЫХ СТАТИЧЕСКИХ ИНДУКЦИОННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ»

Разработка управляемых выпрямителей.

Вариант микроэлектронной реализации управляемого выпрямителя. Исследованный макет (см. рис.1) может быть реализован в виде интегральной микросхемы. Схема, показанная на рис.4, является развитием схемы рассматриваемого макета.

Вход

ton

VT1 "XJT

=bC1

I R2

VT2

VT3

Нагрузка

'VD1

■VD2

VT4

Общий

Рис.4. Вариант микроэлектронной реализации управляемого выпрямителя на основе БСИТ

В данном макете резистор R3 отсутствует, требуемая величина тока коллектора VT4 достигается выбором отношения токов насыщения транзисторов VT3 и VT4. Источник тока I1 может иметь различную природу, например это может быть резистор или источник тока на биполярных транзисторах. Конденсатор C1 может подключаться извне или быть в составе микросхемы. При проектировании управляемого выпрямителя также желательно увеличить рабочее обратное напряжение база-эмиттер БСИТ.

На основе оптимизации технологических процессов очистки поверхности пластин, диффузии бора, диффузии фосфора из твердого планарного источника, процесса пиро-генного окисления, процессов получения и травления пленки нитрида кремния, металлизации обратной стороны формируемых структур разработан технологический маршрут изготовления структур, состоящий из 70 основных технологических операций. Одна из особенностей технологического маршрута - оптимальный процесс металлизации обратной стороны интегральной структуры. Металлизация обратной стороны интегральной структуры известными способами может привести к некачественной посадке кристалла на основание корпуса и потере процента выхода годных изделий. В процессе работы выбрана оптимальная технология металлизации, состоящая из последовательного напыления четырех слоев (хром-никель-олово-серебро) в едином технологическом цикле и обеспечивающая качественную посадку кристалла на основание корпуса, а также увеличение процента выхода годных изделий на 5-6% [8, 9].

В результате проведенных измерений характеристик макета управляемого выпрямителя на основе БСИТ КТ698И с пропорционально-насыщенным управлением установлена работоспособность макета при входном напряжении от 2,0 В на частоте до 750 кГц. Коэффициент полезного действия исследованных макетов при средних плотностях тока достигает 90%, а эквивалентное падение напряжения достигает 100-200 мВ.

Предложенный критерий - эквивалентное падение напряжения управляемого выпрямителя, равное падению напряжения на выпрямительном элементе, выделяющем при равном среднем выходном токе равную тепловую мощность, удобен для оценки энергетической эффективности использования управляемых выпрямителей по сравнению с диодами в зависимости от выходного тока и выходного напряжения.

Литература

1. Байтурсунов В., Иванов В., Панфилов Д. Повышение КПД понижающих конвертеров при синхронном выпрямлении // ChipNews - 1999. - № 2. - С. 2-10.

2. IR1176. Synchronous Rectifier Driver [Электронный ресурс]. - URL: http://www.platan.ru/pdf/1dist/ir/ir1176.pdf / - 10.11.2008.

3. SG6203 Synchronous Rectifier Controller for Flyback Converter [Электронный ресурс]. - URL: http://www.fairchildsemi.com/ds/ SG/SG6203.pdf / - 10.11.2008.

А.Р.Шахмаева, Ф.И.Букашев

4. А1 124565 SU МПК6 Н02М7/217. Управляемый выпрямитель на полупроводниковых триодах / К.П.Нефедов. - № 601528. - Опубл. 1959.

5. А1 1612362 SU МПК5 Н02М7/217. Преобразователь переменного напряжения в постоянное / Д.В.Игумнов, В.А.Масловский, И.С.Громов. - № 4638572. - Опубл. 1990.

6. Свидетельство на полезную модель РФ № 25818. Преобразователь переменного напряжения в постоянное / Ф.И.Букашев, Р.В.Петров, А.Ю.Смирнов. - № 200 2107569/20. - Опубл. 2002.

7. Букашев Ф.И., Фомин О.Г., Байбузов А.В., Смирнов А.Ю. Биполярные транзисторы со статической индукцией с пропорционально-насыщенным управлением в устройствах силовой электроники // Вестник Новг. гос. ун-та. - 2006. - № 39. - С. 5-8.

8. Шахмаева А.Р., Шангереева Б.А., Алиев Ш.Д. Биполярные со статической индукцией транзисторы и некоторые пути совершенствования технологии их изготовления // Вестник ДНЦ РАН. - 2007. -Вып. № 27. - С. 23-25.

9. Шахмаева А.Р. Оптимизация технологии сборки биполярных транзисторов со статической индукцией // Петербургский журнал электроники. - 2007. - № 3. - С. 68-71.

Статья поступила 25 мая 2009 г.

Шахмаева Айшат Расуловна - кандидат технических наук, декан ФПКиП, доцент кафедры вычислительной техники Дагестанского государственного технического университета. Область научных интересов: технология полупроводниковых приборов и ИМС.

Букашев Федор Игоревич - соискатель, кафедра проектирования и технологии радиоаппаратуры НовГУ. Область научных интересов: аналоговая схемотехника, системы автоматизированного схемотехнического проектирования, разработка моделей приборов и систем. E-mail: [email protected]

Издательско-полиграфический комплекс Московского государственного института электронной техники

информирует

Вышло в свет учебное пособие

Лялин К.С., Приходько Д.В. Электродинамика СВЧ. - М.: МИЭТ, 2009.

К.С. Ляля нг Д.В. Приходько Электродинамика СВЧ

Часть 1 Учсйнос н ootftae

Москва 21909

В учебном пособии отражена тематика лекционного курса "Электродинамика СВЧ", читаемого для студентов дневного отделения факультета МП и ТК МИЭТ. Изложены основы классической электродинамики сплошных сред и распространения радиоволн в природных условиях, электродинамики линий передачи, даны азы теории СВЧ-цепей.

Предназначено для студентов факультета МП и ТК, а также для студентов вечернего факультета, обучающихся по специальности 20.16.00 "Радиоэлектронные системы".

ISBN 978-5-7256-0533-4 Формат 60 х 84 1/16, ^ объем 192 е.: ил.

УДК 621.382

Моделирование электрических параметров каналов кремниевых МОП-транзисторов на деформированной подложке

В.В. Филиппов Липецкий государственный педагогический университет

Б.К.Петров, Ю.М.Мяснянкин Воронежский государственный университет

Рассмотрено влияние деформации на электрофизические параметры кремниевых слоистых структур. Учтено влияние отношения толщин пленки кремния и подложки германия на смещение энергетических зон и изменение подвижности свободных носителей зарядов. Получено и проанализировано распределение потенциала в области анизотропного канала МОП-транзистора. Показано, что сопротивление напряженного кремниевого канала полевого транзистора в открытом состоянии определяется не только его размерами и электрофизическими параметрами, но и толщиной деформированной подложки, а также размерами токовых контактов.

В современной электронике широкое распространение получили различного типа пленки на диэлектрических или полупроводниковых подложках. Особый интерес у исследователей вызывают напряженные полупроводниковые слоистые структуры [1, 2], что обусловлено возможностью управлять широким спектром физических свойств пленки изменением величины деформации и толщин контактирующих полупроводников.

В настоящее время в полупроводниковой микро- и наноэлектронике все больше используются пленки растянутого кремния на германиевой подложке [1, 2]. Несоответ-

o o

ствие постоянных решеток пленки и подложки (aSi = 5,431 A, aGe = 5,658 A) вызывает деформации растяжения в кремнии и значительные изменения электрофизических свойств напряженных кремниевых каналов в МОП-транзисторах. На данный момент в литературе отсутствует достаточно полная модель, описывающая влияние деформации растяжения в кремнии на проводимость канала в МОП-структурах.

В настоящей работе вычислены величины механических напряжений в слоистых полупроводниковых структурах, изучено влияние деформации на электронный спектр, концентрацию и подвижность носителей заряда в кристаллическом кремнии на германиевой подложке, выполнено моделирование электрического поля в анизотропном канале МОП-транзистора.

Расчет деформаций в пленках на подложке. Кристаллическая решетка большинства полупроводников обладает кубической симметрией. Если полупроводник подвергнут действию деформации, то его симметрия в общем случае понижается и спектр электронов изменяется [3, 4]. Для малых деформаций тензор деформации sik равен:

_ 1 (dui + duk ) 1 2 dxk dxi

где ui - составляющая вектора смещения точки кристаллической решетки при деформации.

© В.В.Филиппов, Б.К.Петров, Ю.М.Мяснянкин, 2009

В.В. Филиппов, Б.К.Петров, Ю.М.Мяснянкин

Определим величины деформаций в слоистой структуре из N слоев. В рассматриваемом случае слоистая полупроводниковая структура образуется путем сращивания по направлению [001]. Будем считать, что деформации в каждой пленке однородны по всей ее толщине. Ввиду несоответствия постоянных решеток слоев возникают напряжения. Симметрия кристалла понижается и необходимо вводить два параметра решетки. Постоянные решеток в направлениях [100], [010] обозначим ап (общую для всех слоев), в направлении [001] - а± г (различную в каждом слое).

Условие равновесия механических напряжений дает следующее равенство:

N

IТ = 0,

г=1

где тг - механическое напряжение в г-м слое на единицу толщины.

Согласно теории упругости [5] величина механического напряжения в однородной кристаллической пленке с первоначальной постоянной решетки аг и толщиной кг определяется выражением

тг = ХгЛ

К - аг)

а

Хг = ^ 1 -V,

где Ег и V, - модуль Юнга и коэффициент Пуассона соответственно.

Отсюда получаем следующие выражения для постоянных решеток пленки вдоль плоскости контакта ап и перпендикулярной ей а±г:

атт =

N

ЕХгЛ

г =1

(

II " N

ХгЛ

а± г = аг +

2у,

1 -V,

~ аг

N

!ХгЛ

а -

г=1

г N

I

хЛ

г=1 аг У

Величины относительных деформаций в каждом из слоев определяются равенствами:

(^г )12 = )23 = (^г )13 = 0, & )11 = & )22 =

ап - аг

аг

(^г)33 =

а± - аг

аг

(1)

В случае пленки на подложке Ое -[100] (рис.1) выражения (1), определяющие деформацию в пленке кремния, удобно представить в виде

)ц = ^22 =

Рис.1. Пленка кристаллического кремния на деформированной подложке германия

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(% )33 = 1

аОе аН1

2Vsi аГе - а,

ЛОе

Si

- VSi аSi +^аОе

Здесь безразмерный параметр Е, определяется соотношением механических свойств (Esi = 130 ГПа, Уа = 0,28; ЕОе = 103 ГПа, уОе = 0,26) и толщин (И1 и к2) контактирую-

щих полупроводниковых пленок:

£= ESi 1 Ое

ЕОе 1 -VSi к2

Моделирование электрических параметров каналов.

Необходимо отметить, что в случае к2 >> к1 величины деформаций определя-

Е

0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005

£1 I. -

и

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 И2/И1

Зависимости относительных деформаций пленки кремния на германиевой подложке в плоскости контакта пленки с подложкой и перпендикулярной ей

ются только упругими константами кремния и разницей постоянных решеток кубических кристаллов пленки и подложки.

На рис.2 показаны зависимости величин деформаций от отношения толщин подложки и пленки кремния. В направлениях [100], [010] величина относительной деформации вп положительна (пленка растя- Рис.2. нута), в направлении [001] деформация в± отрицательна (пленка сжата). Видно, что наибольшее изменение параметра постоянной решетки происходит при 0 < к2/к1 < 10, поэтому при дальнейших вычислениях рассматривается только данный интервал.

Расчет электрических свойств напряженных пленок кремния. Изменение спектра электронов в деформированном кристалле кремния согласно теории возмущений определяется следующим образом [3, 4]:

АЕ = ^(£11 + £22 + £33) + Еи.

Константа Е^ характеризует влияние всестороннего сжатия, а Еи - одноосной деформации (для кристаллического кремния при Т = 300 К = -5,2 эВ, Еи = 8,5 эВ).

В кремнии энергетические минимумы зоны проводимости расположены по направлениям [100], [010] и [001] и их смещения под действием деформации определяются равенствами:

А£1[100] = ^ А + Еи вп;

АЕ2 [010]= Е „ А + Еи822;

АЕ3 [001] = Е^ А + Еиб33,

где А = в11 + в22 + £33 - изменение объема при деформации.

Изменение валентной зоны под действием деформации носит сложный характер. Для рассматриваемых однородных деформаций выражение для расщепления валентной зоны представляется в виде [3, 4]

АЕУ = аА± Ь|(е п - в± )|,

где а, Ь - константы деформационного потенциала (для кристаллического кремния при Т = 300 К а = -3,9 эВ, Ь = -1,36 эВ), «+» соответствует сжатию, «-» деформации растяжения.

На рис.3 представлена рассчитанная зависимость смещения положения дна зоны проводимости и потолка валентной зоны от отношения толщин кремниевой пленки и германиевой подложки. Видно, что максимальное значение смещения

-II

АЕ, эВ

0,08 0,06

0,04

0,02

АЕУ

/'у /,' //

// // !

!

0

4

6

8 к2/к

Рис.3. Смещения дна зоны проводимости АЕ1 и потолка валентной зоны АЕУ кремния при Т = 300 К

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.