CC BY
26
При построении модульных многофункциональных систем следует учитывать свойства, как самой системы, так и входящих в неё модулей. Это довольно обширная тема и ей будет посвящена отдельная статья: «Основные свойства модульных многофункциональных систем».
Выводы
Подводя итоги, можно сделать следующие выводы:
1) Концепция построения модульных многофункциональных систем имеет базовые принципы и их составляющие, проиллюстрированные на рисунке 2;
2) При разработке многофункциональных систем модульная концепция построения занимает свое отдельное положение, требующее особого внимания.
Список литературы
1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Высшая школа, 2000.
2. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. СПб.: Издательство "Питер", 2000. - 816 c.
3. Давыдов А.В. Модульный принцип конструирования радиоэлектронной аппаратуры. http://geoin.org
4. Ивченко В.Г. Конструирование и технология ЭВМ. Конспект лекций. - /Таганрог: ТГРУ, Кафедра конструирования электронных средств. - 2001.
5. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов под общ. ред. В.А. Шахнова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. — 568 с:
6. Скляр А.В., Мережин Н.И. Модульная концепция в мультиметрах. — Межотраслевой институт «Наука и образование». Ежемесячный научный журнал № 2 (9) / 2015, с. 44 - 47.
7. Скляр А.В., Мережин Н.И. Модульные многофункциональные системы. Модульный климатический мультиметр. — Международный независимый институт Математики и Систем "МиС". Ежемесячный научный журнал № 2 (13) / 2015.
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ АЮаАв^аАв - ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНОЙ ЭПТАКСИАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ
Сурайкин Александр Иванович
Канд. техн. наук, доцент кафедры электроники и наноэлектроники Мордовского национального
исследовательского университета им. Н.П. Огарёва, г. Саранск
Учитывая потребности огромного и постоянно увеличивающегося парка вторичных источников питания, где всё более доминируют импульсные преобразователи, то можно отметить, что одной из актуальных задач является снижение мощности потерь, то есть повышение КПД.
Для решения данной задачи многие зарубежные и ряд отечественных предприятий осуществляют разработку новых полупроводниковых приборов, как на основе кремния, так и на основе других известных полупроводниковых материалов, например, таких, как арсенид галлия, нитрид галлия, карбид кремния.
Причины ограниченных возможностей кремниевой элементной базы заключаются в свойствах исходного материала - кремния, технологических и электрофизических параметрах приборных структур, сильно выраженной зависимости быстродействия от температуры при эксплуатации.
Одним из возможных материалов для разработки и изготовления быстродействующих приборов может выступать арсенид галлия. GaAs - материал, сочетающий
преимущества Si (технология получения, формирование приборных структур) и SiC - широкий диапазон рабочих температур (до 250 оС), широкий диапазон рабочих частот - десятки и сотни ГГц, вполне оправданно занимает нишу между Si и SiC. Не претендуя на замену ни Si, ни SiC, GaAs позволяет достаточно технологично и относительно недорого изготавливать широкую гамму полупроводниковых приборов, начиная от маломощных [1] и, заканчивая, силовыми полупроводниковыми приборами [2].
В этой связи, перспективным направлением является разработка и иизготовление высоковольтных быстродействующих транзисторов на основе AlGaAs/GaAs - ге-тероэпитаксиальных структур, ориентированных на применение во вторичных источниках питания.
На основе требований к элементной базе импульсной техники можно сформулировать основные требования к высоковольтным гетероструктурным транзисторам (Таблица 1).
_Таблица 1
Параметр Значение
Статический коэффициент передачи тока в схеме ОЭ при иКБ = 5 В, 1Э = 2 А > 20
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме ОЭ при иКБ = 5 В, 1К = 50 мА > 4 МГц
Граничное напряжение при 1Э = 0,1 А > 200 В
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при 1К = 2 А, 1Б = 0,08 А < 0,5 В
Напряжение насыщения база-эмиттер при 1К = 2 А, 1Б = 0,08 А < 1,2 В
Время включения при ИКЭ = 200 В, 1К = 2 А, 1Б = 0,08 А < 0,6 мкс
Время выключения при ИКЭ = 200 В, 1К = 2 А, 1Б = 0,08 А < 1,6 мкс
Рабочий диапазон температур -60 - +200 oC
Достижения в области разработки, производства и применения быстродействующих полупроводниковых приборов, в том числе силовых биполярных транзисторов
связаны не только с достижениями кремниевой технологии, но с использованием ряда других полупроводниковых материалов. Особенно, как говорилось ранее, это касается арсенида галлия [3]. Научные и технологические
достижения в области получения многослойных эпитак-сиальных гетероструктур с применением процессов жид-кофазной (ЖФЭ), газофазной (ГФЭ) и молекулярно-луче-вой (МЛЭ) эпитаксий позволяют практически реализовать преимущества этого материала.
Наиболее универсальными, технологичными и относительно недорогими методами получения ваЛБ-гете-роструктур являются методы ЖФЭ и ГФЭ. Доступность данных методов заключается в том, что такие процессы имеется на ряде Российских предприятий. Комбинацией методов ЖФЭ и ГФЭ можно получить многослойные эпи-таксиальные гетероструктуры с разным типом проводимости и толщинами от нескольких десятков нанометров
до нескольких десятков микрометров. Это даёт возможность исследования и последующей разработки биполярных транзисторов в широком диапазоне рабочих напряжений, начиная от единиц вольт и заканчивая несколькими сотнями вольт.
В данной работе исследована возможность разработки и изготовления высоковольтного ЛЮаЛБ/ваЛБ-ге-героструктурного п-р-п - транзистора [4].
Характерной особенностью таких приборов является наличие слаболегированной эпитаксиальной плёнки, выращенной методом ЖФЭ на низкоомной подложке. Далее методами ГФЭ выращены базовые слои. В завершение, методами ГФЭ наращивается ЛЮаЛБ/ваЛБ - гетеро-структурный эмиттер (рис. 1).
E
GaAs; p+ слой; d = 0,5 мкм
GaAs; p- слой; d = 1,0 мкм
GaAs; n+ слой; d = 3 мкм
AlGaAs; n+ слой; d = 1,5 мкм
B
GaAs; n- слой; d = 20 мкм
GaAs; n+ слой; d = 25 мкм
C
Рис. 1 - Послойная структура n-p-n - AlGaAs/GaAs гетеротранзистора
В таком транзисторе с высокоомным коллектором, базу необходимо сделать в виде двух эпитаксиальных слоёв. Первый слой, со стороны коллектора - высокоом-ный, для обеспечения максимального напряжения «коллектор-эмиттер» и второй слой - низкоомный, для компенсации эффекта вытеснения эмиттерного тока при высокой его плотности, а также для уменьшения модуляции базы (эффекта Эрли). Такое решение позволяет предотвратить прокол базы и даёт возможность реализовать преимущества уменьшения размеров р-области для повышения быстродействия приборов и коэффициента передачи эмиттерного тока. Однако концентрация дырок в базе для транзисторов с однородными р-п - переходами принципиально ограничена уровнем порядка 51017 см-3, что определяется границей легирования эмиттера (ЫБ=5 1018^1019 см-3). Для преодоления данной проблемы собственно и применяют гетеропереходы.
В гетероструктурном п-р-п - транзисторе ширину базы и ширину эмиттера в первом приближении можно оценить исходя из соотношения, связывающего коэффициент усиления тока с уровнями легирования базовой и эмиттерной областей, а также с размерами данных областей [5].
ЛЕ
ЖЕ ■ Бп(Т) • ехр(^)
N
DE
Р =
kT
Nab • WB • Dp (T)
, (1)
где NDE и NAB - концентрации легирующих примесей в эмиттерной и базовой областях соответственно, WE и WB - ширина эмиттера и базы соответственно, Dn и Dp - коэффициенты диффузии электронов и дырок соотвтет-свенно, AEG - разность между шириной запрещённой
зоны эмиттера (ЛЮаЛБ) и шириной запрещенной зоны базы (ваЛБ).
Для учёта влияния подвижности носителей заряда необходимо использовать известные соотношения Эйнштейна (Бп=(кТ^)цп, Бр=(кТ^)цр).
Динамические характеристики транзистора будут определяться временем пролёта подвижными носителями заряда эмиттера и базы. Время пролёта в прямом включении транзистора можно выразить как сумму времени пролёта эмиттера и базы [6]:
ТF ТE ^ ТB
(2)
где,
W2
2 • Dp (T)р
- время пролёта эмиттера,
2 ■ А, (Т) .. _
п - время пролёта базы.
Соотношение (1), конкретизируя для гетерострук-
туры Л1хОа1-хЛБ/ОаЛБ, запишем следующим образом:
ЛЕ
^БЕ ■ ^Е ■ Бп,ОаАч
(Т) ■ ехр(—^)
Р=- кТ
NAB • WB • Dp,.AlGaAs (T)
(3)
Температурную зависимость подвижности электронов в базе можно выразить эмпирическим соотношением [7]:
№п,ОаА = К1 ■ Т (4)
ТЕ =
где К1 - коэффициент пропорциональности, нормируемый как подвижность 8500 см2/В с при температуре Т=300 К.
Подвижность дырок в гетероэмиттере AlxGa1-xAs при Т=300 К выражают в виде числового ряда [7]:
МР, люаА = 370 - 970х + 740х2, (5)
где х - мольная доля А1 в соединении AlxGa1-xAs.
При малых значениях x, соотношение (5) можно записать следующим образом:
Mp,AlGaAs ~ K2 ' T
-1
(6)
AEg = 1,25
X
(7)
Присутствующая в соотношениях (1) и (3) величина AEG связана с мольной долей Al соотношением:
для x<0,4.
Все приведённые в данном разделе соотношения носят приближённый характер и позволяют синтезировать исходную многослойную эпитаксиальную транзисторную гетероструктуру, приведённую на рис. 1.
Точный расчёт был проведён с применением компьютерных вычислительных средств. В дальнейшем, результаты расчёты были сопоставлены с данными исследования экспериментальных образцов транзисторов.
Концентрационный профиль примеси в структуре транзистора показан на рис. 2.
Рис. 2 - Результирующий концентрационный профиль примеси в структуре транзистора
На рис. 3 показана выходная ВАХ транзистора, на рис. 4 показана выходная ВАХ в области малых напряжений при базовом токе 1Б = 80 мА. По горизонтальной оси отложено напряжение коллектор-эмиттер ИКЭ в вольтах, по вертикальной оси - ток коллектора 1К в амперах.
Переход из режима насыщения в активный режим осуществляется при напряжении ИКЭ порядка 1,2 В. Резкое нарастание коллекторного тока и, соответственно, переход транзистора в режим пробоя осуществляется при напряжении ИКЭ порядка 200 В. Коэффициент усиления р И 50.
На рис. 5 показаны графики напряжений переходного процесса включения и выключения транзистора. По горизонтальной оси отложено время в секундах, по вертикальной оси - напряжение в вольтах. На рис. 6 показаны графики токов процесса включения и выключения транзистора. По горизонтальной оси отложено время в секундах, по вертикальной оси - ток в амперах. Из этих графиков можно определить граничное напряжение, напряжения насыщения и временные параметры транзистора.
Граничное напряжение ИКЭ0,гр = 300 В. Таким образом, граничное напряжение ИКЭ0гр выше указанного в табл. 1.
О 100 200
Рис. 3 - Выходная ВАХ транзистора при базовом токе 1Б = 80 мА
I I I I | I I I I
О 5 10
Рис. 4 - Выходная ВАХ транзистора в области малых напряжений при базовом токе 1Б = 80 мА
2
- 1
- 1
1 1 1 | 1 1 1 1 | 1 1 1 1 | 1 1 1 1 | 1 1 1 1 н
0 2е-07 4е-07 6е-С7 8е-07 1 е-0В
1 - график напряжения на базе транзистора; 2 - график напряжения на коллекторе транзистора. График напряжения на базе транзистора имеет масштаб 100:1 для определения напряжения насыщения база-эмиттер Рис. 5 - Графики напряжений переходного процесса включения и выключения транзистора
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер ИКЭнас = 0,22 В, что более чем в 2 раза меньше максимального значения, указанного в табл. 1. Напряжение насыщения база-эмиттер ИБЭнас = 1,21 В, т.е. немного больше максимального значения, указанного в табл. 1. Связано это с тем, что падение напряжения на арсенидгал-лиевом р-п переходе превышает падение напряжения на
кремниевом р-п - переходе при одинаковых плотностях тока.
Время включения 1вкл = 0,062 мкс, время выключения 1выкл = 0,093 мкс. Как видно, эти значения в несколько раз меньше значений, указанных в табл. 1.
1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г
О ге-07 4е-07 6е-07 8е-С7 1е-06
1 - график базового тока транзистора; 2 - график коллекторного тока транзистора. Рис. 6 - Графики токов переходного процесса включения и выключения транзистора
На рис. 7 показаны результаты расчёта и измерения коэффициента передачи тока в схеме ОЭ от частоты. По горизонтальной оси отложен логарифм частоты f в герцах, по вертикальной оси - коэффициент передачи тока в
схеме ОЭ Ь21Э в децибелах. Как видно из графика, частота единичного усиления - & = 98 МГц. Таким образом, граничная частота существенно превышает значение, указанное в табл. 1.
Рис. 7 - Зависимость коэффициента передачи тока в схеме ОЭ от частоты
Таким образом, в выполненной работе показан результат расчёта и исследования экспериментальных образцов высоковольтных, быстродействующих биполярных п-р-п транзисторов на основе многослойной эпитаксиальной ОаАБ/АЮаАБ гетероструктуры.
Параметры структуры: п+ подложка КБ = 1019 см-3; d = 300 мкм;
эпитаксиальные слои:
1) п слой N0 = 1017 см-3; d = 25 мкм;
2) п- слой N0 = 5x1014 см-3; d = 20 мкм;
3) р- слой КА = 1017 см-3; d = 0,5 мкм;
4) р+ слой КА = 1018 см-3; d = 0,4 мкм;
5) п+ слой (АЮ,30а0,7А8/ваА8); N0 = 5x1017 см-3; d = 1,5 мкм;
6) п+ слой N0 = 1019 см-3; d = 3 мкм.
Список литературы
1. А.И. Сурайкин. Быстродействующие GaAs диоды для импульсной преобразовательной техники // IX Международная научно-практическая конференция Евразийского Союза Учёных «Современные концепции исследований», Часть 2, Москва 27-30 декабря 2014 г., Сборник научных работ, № 9, 2014, С. 77-80.
2. А.И. Сурайкин, Е.Н. Федотов. Быстродействующие, высоковольтные GaAs диоды для силовой электроники // Электронное периодическое издание «Огарев-online», Технические науки, вып. 22. Режим доступа: http ://appmath. mrsu. ru/ogarev_onlain.
3. Арсенид галлия. Получение, свойства, применение / Под ред.
4. Ф.П. Кесаманлы, Д.Н. Наследова. - М.: Наука, 1973. С. 36-47.
5. А.И. Сурайкин, Ю.В. Горячкин. Разработка высоковольтного
6. ЛЮаЛБ/ваЛБ - гетероструктурного биполярного транзистора // Электроника и электрооборудование транспорта. № 3, 2014. - с. 44-47.
7. S.M. Sze, Semiconductor Devices, Physics and Technology, John Wiley and sons, Inc. p. 151, 2005.
8. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с англ.- 2-е перераб. и доп. изд.-М.: Мир, 1984.
9. Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия: Пер. с англ. - М.: Мир, 1991
ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ ГИС
Татарникова Татьяна Михайловна
Докт. техн. наук, проф. Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения
Яготинцева Наталья Владимировна
Аспирант Российского государственного гидрометеорологического университета, г. Санкт-Петербург
Введение. Обеспечение информационной безопасности ГИС, как и для любой неоднородной сложной информационной системы, решается с применением комплексного подхода, который в соответствии с общей концепцией информационной безопасности включает вопросы конфиденциальности, доступности и целостности информации [5,9].
Для различных ГИС, решающих определенные задачи требуется соответствующая стратегия по защите данных. В ситуации, когда ГИС используется для решения корпоративных задач, карты и их содержание обладают коммерческой ценностью. Поэтому необходимо обеспечить как конфиденциальность хранимой и передаваемой информации, так и разграничение доступа к ней. В ситуации же с ГИС массового использования, больший упор должен быть сделан в сторону защиты информации от повторного использования. В свою очередь, при организации защиты ГИС государственного значения помимо разработки технических и программных средств согласно требованиям федеральной службы по техническому и экспортному контролю необходима сертификация систем и средств защиты информации и аттестация объектов информатизации по требованиям безопасности [1].
1. Структурно-функциональные элементы ГИС, подверженные угрозам информационной безопасности.
ГИС, как систему в целом, можно разделить на несколько структурно-функциональных элементов, среди которых выделим следующие [6]:
- автоматизированное рабочее место пользователя (АРМ), которое включает в себя системное и прикладное программное обеспечение (ПО), а именно: средства хранения, ввода и вывода информации;
- сетевой сервер, содержащий специализированное программное обеспечение, используемое для хранения данных ГИС. Сервер содержит средства хранения, ввода и вывода информации, а также системное и прикладное ПО. Помимо перечисленного неотъемлемой частью является система управления базами данных (СУБД);
- телекоммуникационная система, обеспечивающая передачу информации по каналам связи (Internet, выделенные каналы). Составляющими, снабженными специальным программным обеспечением, являются модем и маршрутизатор, который пересылает пакеты данных между различными сегментами сети, и в случае необходимости принимает решения о пересылке [3].
Также в состав ГИС помимо АРМ пользователя входят и иные служебные рабочие места. Речь идет о программистах, техническом персонале, администраторе сети
и администраторе безопасности - все они важны при организации любой значительной структуры ГИС.
Ниже на рис. 1 схематически отображена модель
ГИС.
Во время информационного взаимодействия структурно-функциональных элементов ГИС между собой и с внешней средой возникает вероятность возникновения угрозы. Наиболее характерными видами угроз для ГИС являются [7,9]:
- кража информации и носителей информации, несанкционированное копирование. Данный вид угроз возникает на этапах первоначального сбора информации средствами ввода, получение доступа к которым и является причиной возникновения угрозы;
- перехват информации по линиям электропитания и по посторонним проводникам за счет побочного электромагнитного излучения или по акустическому каналу. Такие угрозы возникают во время доставки или обмена информацией между различными АРМами и сервером с применением телекоммуникационной системы [5];
- подмена данных. Данный вид угроз возможен на этапе вывода информации при получении злоумышленником несанкционированного доступа вследствие слабой системы аутентификации и идентификации, в том числе разграничения прав доступа [2];
- уничтожение программного обеспечения, данных ГИС, файлов, в том числе паролей и ключевой информации. Данному виду угроз подвержены средства хранения информации;
- ошибки при установке различного программного обеспечения (ПО), операционной системы и базы данных, а также при написании и эксплуатации ПО. Угрозы этого вида характерны для сервера ГИС при получении несанкционированного доступа к нему;
- подмена или модификация операционных систем, систем управления базами данных, прикладных программ, различных данных, ключевой информации и правил доступа. Такой вид угроз направлен на сервер ГИС;
- нарушение правил доступа, иными словами, взлом. Угроза направлена на сервер ГИС после успешной реализации предыдущей угрозы;
- уменьшение скорости обработки информации, пропускной способности каналов связи, объемов свободной оперативной памяти и дискового пространства, нарушение электропитания. Эта угроза является некоторым следствием реализации выше перечисленных угроз.
