ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ИССЛЕДОВАНИЕ ИДЕАЛИЗИРОВАННОГО Р-N ПЕРЕХОДА

1. Вызвать программу лабораторной работы, для чего кликнуть мышью на ярлыке ЛАБ1 на рабочем столе.

2. Ввести исходные данные согласно заданному преподавателем номеру варианта 1...12 и данным таблицы 1. При вводе чисел пользоваться экспоненциальной формой записи. Например, число 3×10¹⁷ следует записать, как 3E17, число 10^-6 – как 1Е–6. После набора каждого числа нажимать ENTER.

3. Перенести в отчёт рисунок p-n перехода с экрана.

4. Перенести в таблицу 2 результаты расчёта (числа следует округлять).

5. Исходя из теоретических сведений, предложить вариант конструкции p-n перехода с увеличенным напряжением пробоя U_проб. Внести исходные данные и результаты в таблицу 2.

6. Исходя из теоретических сведений, предложить вариант конструкции p-n перехода с уменьшенной барьерной емкостью C_б0. Внести исходные данные и результаты в таблицу 2.

7. Исходя из теоретических сведений, предложить вариант конструкции p-n перехода с уменьшенным тепловым током I₀. Внести исходные данные и результаты в таблицу 2.

Содержание отчета

Отчёт должен содержать название и цель работы, рисунок р-n перехода с поясняющими надписями, согласующимися с заданным вариантом (как на экране), заполненную таблицу и выводы.

Выводы нужно сделать по каждой пункту задания.

Выводы должны содержать информацию об изменениях параметров, (например, для уменьшения барьерной емкости p-n перехода, уменьшили …). В выводах, также, нужно пояснить практический смысл решения каждого задания (например, уменьшение барьерной емкости позволяет …)

Таблица 1. Данные исходных вариантов

Таблица 2. Результаты исследований

Таблица 3. Параметры полупроводников при T = 300 К

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЕРЕХОДОВ

1. Вызвать программу лабораторной работы, для чего кликнуть мышью на ярлыке ЛАБ2 на рабочем столе.

2. Ввести исходные данные согласно заданному преподавателем номеру варианта и данным таблицы 1. При вводе чисел пользоваться экспоненциальной формой записи, например, число 3×10¹⁵ вводится как 3Е15, а число 10^-4 как 1Е-4. Результаты расчета занести в табл. 2.

3. Изменить исходные данные так, чтобы сопротивление омического контакта уменьшилось. Измененные исходные данные и результаты занести в табл. 2.

4. Изменить исходные данные так, чтобы толщина перехода увеличилась (что увеличивает напряжение пробоя). Измененные исходные данные и результаты занести в табл. 2.

5. Изменить исходные данные так, чтобы уменьшилась барьерная емкость перехода. Измененные исходные данные и результаты занести в табл. 2.

Содержание отчета

Отчёт должен содержать название и цель работы, рисунок обоих вариантов m-n перехода (с экрана), заполненную таблицу и выводы.

Выводы нужно сделать по каждому пункту задания. Выводы должны объяснять, какие соотношения использованы при решении поставленных задач и каков практических смысл в решении этих задач.

Таблица 1. Данные исходных вариантов

Таблица 2. Результаты исследования

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ И ИХ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ

1. Открыть программу Microcap 10, щелкнув дважды по ее значку на рабочем столе.

2. В меню File программы выбрать пункт Save as.. и сохранить файл в папку «Студент» на диске D:\ под именем, содержащим номер группы и слово «диод» (например, БИН0101диод).

3. Щелкнуть на иконку с изображением диода в верхней части окна на панели инструментов. Курсор примет вид условного графического обозначения диода на рабочем столе окна программы. Так же можно выбрать пункт «Diode» в каталоге Analog primitives/Passive components.

4. Установить диод на рабочий стол окна программы. Появится окно со свойствами диода (так же его можно вызвать, щелкнув на изображении диода на рабочем столе). В правой части окна в перечне, начинающемся с «$Generic» выбрать название модели, соответствующей заданному варианту. Модель диода определяется по таблице 1.

Таблица 1.

После выбора модели диода станут доступными численные значения ее параметров ( см. Примечания )

5. Определить и записать в отчет тип перехода, используемого в заданном диоде. Для кремниевых p-n переходов характерна ширина запрещенной зоны EG = 1,11 эВ, для арсенид-галлиевых – EG = 1,3 эВ, для переходов Шотки – EG = 0,6 эВ и менее.

6. Записать в отчет численные значения BV, RS, CJ0, TT, M. Проанализировать эти значения, определить и записать в отчет назначение диода. Для этого использовать следующие рекомендации:

- Высоковольтные диоды имеют BV ~ 1000 В и более;

- Сильноточные диоды имеют RS ~ 10^-2 Ом и менее;

- Стабилитроны с лавинным пробоем имеют BV от 6 до 30 В;

- Стабилитроны с туннельным пробоем имеют BV ~ 6 В и менее;

- Высокочастотные диоды имеют CJ0 ~ 2 пФ и менее;

- Импульсные диоды имеют ТТ ~ 1 нс;

- Варикапы имеют коэффициент влияния М ~ 1 и более

- Если М=0,5 или 0,3 то это, обычно, плавные p-n переходы

- Диоды Шотки могут одновременно допускать большие токи (малое RS), обладают малыми тепловыми потерями (за счёт малого напряжения открытого состояния) и обладать хорошими импульсными свойствами (малое ТТ).

7. Вызвать на экран прямую ветвь ВАХ диода. Для этого в окне над перечнем диодов выбрать «If vs. Vf» и нажать «plot». В левой части экрана появится график прямой ветви ВАХ. Чтобы график охватывал возможно больший диапазон токов, используется логарифмический масштаб тока. При таком масштабе экспоненциальная зависимость отображается в виде прямой линии, в отличие от экспоненты при линейном масштабе (рис. 1). И только в верхней части, в области больших прямых токов, рост тока уменьшается из-за влияния RS (сопротивления базы).

8. Нажать клавишу F8. В жёлтом верхнем окне появятся максимальные для представленного графика значения напряжения и тока. Перемножив их, получить тепловую мощность Р_расс, выделяющуюся в диоде в этом режиме. Определить и записать в отчет, к какому классу по мощности относится исследуемый диод: для микромощных диодов характерна Р_расс 1 мВт и менее, для среднемощных до 1 Вт, Р_расс мощных диодов может достигать десятков и сотен Вт.

9. Нажать клавишу F9. В появившемся окне к значению исходной температуры в градусах Цельсия 27 через запятую добавить повышенную температуру 57 (27,57). Нажать «plot». Схематично зарисовать обе ВАХ, указав на графиках минимальные, максимальные значения токов и напряжений и два- три промежуточных. Сделать вывод о влиянии температуры на ток открытого диода. Закрыть диалоговое окно и окно с построенными зависимостями тока от прямого напряжения.

10. Вызвать на экран обратную ветвь ВАХ диода. Для этого в окне над перечнем диодов выбрать «Ir vs. Vr» и нажать «plot». В левой части экрана появится часть обратной ветви ВАХ, соответствующая участку пробоя.

11. Нажать клавишу F9. В появившемся окне к значению исходной температуры в градусах Цельсия 27 через запятую добавить повышенную температуру 57 (27,57). Нажать «plot». Схематично зарисовать обе ВАХ, используя минимальные, максимальные значения токов и напряжений и два-три промежуточных, и сделать вывод влиянии температуры на напряжение пробоя.

Содержание отчёта

Отчёт должен содержать:

- название, цель работы;

- условное обозначение заданного диода;

- тип перехода заданного диода;

- назначение заданного диода;

- максимальную величину Р_расс и мощностную категорию диода ;

- рисунки прямых и обратных ветвей ВАХ с указанием на осях величин и их размерностей и с указанием исходной и повышенной температуры.

- выводы по определению назначения диода и его класса мощности, характера температурных зависимостей прямого тока и напряжения пробоя.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ МДП–СТРУКТУРЫ

1. Вызвать программу, ярлык которой LAB4 находится на рабочем столе.

2. Пользуясь данными табл. 1, для заданного преподавателем варианта, ввести исходные данные. Большие и малые числа вводятся в экспоненциальной форме. Например, концентрацию примесей N = 0,5×10¹⁷ см ^–3 следует ввести как 0.5Е17.

3. Полученные результаты занести в табл. 2.

4. Самостоятельно изменить исходные данные так, чтобы было достигнуто уменьшение порогового значения напряжения. Результат занести в табл. 2.

5. Самостоятельно изменить исходные данные так, чтобы было достигнуто увеличение удельной крутизны. Результат занести в табл. 2.

6. Самостоятельно изменить исходные данные так, чтобы было достигнуто уменьшение ёмкости затвор-канал МДП - транзистора. Результат занести в табл. 2.

Содержание отчёта

Отчет должен содержать название и цель работы, рисунки, поясняющие устройство МДП–структуры и МДП–транзистора, полностью заполненную табл. 2 с результатами расчетов и выводы.

Таблица 1. Исходные данные для расчетов

Таблица 2. Результаты расчетов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

1. Вызвать программу, ярлык которой LAB5, находится на рабочем столе.

2. Ввести исходные данные согласно заданному преподавателем номеру варианта 1–6 и данным табл. 1. При вводе больших и малых чисел пользоваться экспоненциальной формой записи. Например, число 0.5×10¹⁷ следует ввести как 0.5Е17. После набора каждого числа нажимать ENTER.

3. Перенести в отчёт рисунок БТ с экрана.

4. Перенести в табл. 2. результаты расчёта исходного варианта.

5.  Повторить расчёт для случая однородной базы (диффузионный транзистор), результаты занести в табл. 2. Все не указанные в п.п. 3.5–3.8 параметры оставлять равными исходным.

6. Повторить расчёт для случая повышенной концентрации примесей в эмиттере N_Э, увеличив её на порядок. Результаты занести в табл. 2.

7. Повторить расчёт для случая повышенной концентрации примесей в базе N_Б, увеличив её на порядок. Результаты занести в табл. 2.

8. Повторить расчёт для случая увеличенной толщины базы w, увеличив её вдвое. Результаты занести в табл. 2.

Таблица 1. Исходные данные (дрейфовый кремниевый n-p-n БТ)

Таблица 2. Результаты исследований

Содержание отчёта

– название и цель работы;

– рисунок схемы ОБ с поясняющими подписями;

– полностью заполненная табл. 2.

– выводы, поясняющие действия при выполнении заданий, их результаты и их практическое значение.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 ИЗУЧЕНИЕ ПЛАНАРНО-ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

В режиме «обучение», предусмотренном в выполняемой лабораторной работе, изучить последовательность применения основных технологических операций при изготовлении ИС на биполярных транзисторах. В режиме «зачет» ответить на десять вопросов по технологии изготовления. Удовлетворительным результатом можно считать не более 1 ошибки при времени выполнения задания не более нескольких минут.

Результат выполнения задания представляется преподавателю.

Настоящая лабораторная работа не нуждается в подробных методических указаниях. Для её выполнения достаточно по любому учебнику [2,3], лекциям или данному описанию ознакомиться с основными технологическими операциями технологии изготовления интегральных схем – фотолитографией, диффузией примесей, эпитаксией и напылением. Порядок применения этих операций при изготовлении биполярного транзистора можно изучить при выполнении лабораторной работы, войдя в меню в раздел «обучение». Рекомендуется работать в этом разделе до тех пор, пока не будет освоен порядок этапов изготовления. Порядок операций изготовления МДП транзистора намного проще и может быть установлен по аналогии самостоятельно.

Если это предлагается сделать преподавателем, перейдите к режиму «формирование структуры». Здесь можно самостоятельно изготовить интегральную схему, причём программа будет указывать на допущенные ошибки.

Завершается работа сдачей «зачёта» в режиме «зачёт».

Содержание отчета

1. Название лабораторной работы.

2. Рисунок сформированной в результате выполнения лабораторной работы структуры с указанием, какие интегральные электронные элементы она содержит.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 ИССЛЕДОВАНИЕ КЛЮЧА НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ МДП ТРАНЗИСТОРАХ

1. Два раза щелкнуть на ярлык CMOS на рабочем столе. На экране появится исходная исследуемая схема рис. 3. Войти в меню file / save as и к имени файла добавить номер группы. Сохранить файл в папке «студент». Если при выполнении работы будет допущена ошибка, закрыть программу и начать работу заново.

2. Получить передаточную характеристику U_вых = f(U_вх), для чего в главном меню выбрать Analysis, затем DC и в появившемся окне – Run. Зарисовать характеристику. Указать на ней значения выходного напряжения в вольтах для логической 1 U_{вых макс}, для логического 0 U_{вых мин}, для входного напряжения, при котором изменяется состояние ключа (порогового напряжения U₀). Для этого достаточно навести курсор на интересующую точку графика.

3. Закрыть окно с характеристикой кликом на нижнем кресте в правом верхнем углу. Точно совместить курсор с батареей питания V1. Выписать из появившегося окна значение потребляемого тока статического состояния ISource. Так как это общий ток всех трех ключей, поделить это значение на 3, что будет соответствовать потребляемому одним ключом току I_стат. Рассчитать потребляемую ключом мощность статического состояния

4. Перейти к режиму переключений, выбрав Analysis, Transient, Run. На появившихся временных диаграммах выходной диаграммой исследуемого среднего ключа является зеленая диаграмма V4. Определить по ней, как это показано на рис. 4, t₀₁ и t₁₀ и рассчитать согласно формуле (2) среднее время переключения t.

5. Действуя, как в п.3, закрыть окно с временными диаграммами и определить средний потребляемый ток исследуемого ключа в режиме переключений Iдин = ISource/3. Рассчитать среднюю потребляемую ключом при этом мощность

6. Рассчитать Pt по найденным в п. 5 и п. 4 значениям P и t. Рассчитать Pрасс ЦИС по формуле (4). Принять количество ключей m = 10⁸. Тактовая частота (количество переключений в секунду), согласно временным диаграммам, составляет f = 200 МГц. Считать, что на каждом такте происходит переключение всех m ключей.

7. Двойным кликом на любом из нижних транзисторов (это одинаковые n- канальные МДП модели Q1) вызвать окно с параметрами модели Q1. Согласно заданному преподавателем варианту, уменьшить в n раз (табл. 1) все три основные ёмкости транзистора:

CGSO – ёмкость затвор-исток;

CGDO – ёмкость затвор-сток; CGBO – ёмкость затвор-подложка.

Записать в отчет значения указанных емкостей до и после изменения.

Таблица 1

Это достигается исправлением величин в трёх окошках с указанными названиями. Исправления подтвердить, кликнув ОК. Тем самым приближённо моделируется уменьшение размеров транзистора, достигаемое уменьшением минимального топологического размера w. Из этого же окна выписать значение длины канала L. В дальнейшем считать w = L.

6. Повторить действия п. 8 для модели Q4 верхних р-канальных транзисторов.

7. При изменённых параметрах вновь получить временные диаграммы (Analysis, Transient, Run), повторить действия п.п. 4, 5, 6, найти изменившуюся величину Pизмtизм.

8. Рассчитать минимальный топологический размер видоизмененной схемы wизм. Так как площадь и ёмкость пропорциональны квадрату линейного размера, c учётом (3) формула для этого расчёта имеет вид: wизм = w(Pизмtизм/Pt)^1/2.

Содержание отчета

1. Название и цель работы. Рисунки из домашнего задания. Исследуемую схему.

2. Рисунок передаточной характеристики с указанием напряжения логической 1: Uвых макс; логического 0: Uвых мин; входного напряжения, при котором изменяется состояние ключа (порогового напряжения U₀).

3. Значения:

- потребляемого тока статического состояния ключа Iстат;

- потребляемой мощности статического состояния ключа Рстат ;

- времен t₀₁ и t₁₀ и среднего времени переключения ключа t;

- средней потребляемой ключом мощности в процессе переключения ключа Р;

- средней работы переключения ключа Pt;

- емкостей транзисторов до и после изменения;

- времен t₀₁ и t₁₀ и среднее время переключения t_изм видоизменённого ключа в режиме переключений;

- средней потребляемой ключом мощности в режиме переключений видоизменённого ключа Ризм;

- средней работы переключения видоизменённого ключа Pизмtизм;

- исходного w и изменённого wизм значений минимального топологического размера.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8 ИССЛЕДОВАНИЕ ТТЛ-ЭЛЕМЕНТА

1. Дважды щелкнуть на ярлыке ttlinv на рабочем столе. На экране появится исследуемая схема рис.4. Войти в меню file / save as и к имени файла добавить номер группы. Сохранить файл в папке «студент». Если при выполнении работы будет допущена ошибка, закрыть программу и начать работу заново.

2. Получить и зарисовать передаточную характеристику, выбрав Analysis, DC, и в появившемся окне – Run (рис. 5). Определить основные параметры выходного сигнала

3. Определить потенциалы узлов, состояния переходов транзисторов и режимы транзисторов при входном сигнале высокого уровня 1. Для подачи такого сигнала достаточно вернуться к схеме, закрыв передаточную характеристику. Для этого найти на панели инструментов пиктограмму в виде квадрата с числом 13 внутри. Клик на ней вызывает появление окошек со значениями потенциалов узлов. В результате будут заполнены три строки в табл. 1 со значениями потенциалов узлов. Определить режимы транзисторов, помня, что открытому состоянию p-n перехода соответствует прямое напряжение около 0.7 В, а при меньшем и обратном напряжении переход закрыт (для интегральных схем, где рабочие токи не превышают единиц мА, это значение может составлять 0.5 В и менее) . В режиме отсечки оба перехода закрыты, в режиме насыщения оба открыты, в активном режиме эмиттерный переход открыт, а коллекторный – закрыт. В инверсном режиме эмиттерный переход закрыт, коллекторный – открыт.

Таблица 1

4. Получить временную диаграмму при воздействии на входе прямоугольного отпирающего импульса, выбрав Analysis, Transient, Run. На экране появятся несколько временных диаграмм вида рис. 6. Главными являются диаграмма прямоугольного входного импульса (красная v(in)) и диаграмма выходного импульса (синяя v(4)). Определить по диаграммам, как это показано на рис. 6, времена t₁₀, t_01. Временем переключения считать промежуток от начала переключения входного сигнала до момента, когда выходная диаграмма достигнет установившегося значения (закончится процесс переключения). Рассчитать среднее время переключения t = (t₁₀+ t₀₁)/2. Для точного определения времени начала и завершения переходного процесса в соответствующие точки направлять курсор. В появляющемся окошке через запятую будут показаны время и напряжение.

Рис. 5

Рис. 6

5. Изменить параметры модели транзисторов элемента, определяющие их частотные и импульсные свойства. Для этого двойным кликом на любом из транзисторов вызвать окно с параметрами модели и изменить следующие из них:

CJE – барьерная ёмкость эмиттерного перехода; CJC – барьерная ёмкость коллекторного перехода; TF – время пролета.

Параметры умножить на n, согласно данным табл. 2.

Записать в отчет значения указанных параметров до и после изменения.

Таблица 2

6. Определить, как это сделано в п. 4, среднее время переключения tизм схемы с изменёнными параметрами транзисторов.

Содержание отчета

Отчёт должен содержать:

- название, цель работы, рисунки домашнего задания и исследуемую схему;

- передаточную характеристику исследуемой схемы;

- выходное напряжение логической единицы U₁вых, В;

- выходное напряжение логического нуля U₀вых, В;

- выходное напряжение логического перепада Uл , В;

- полностью заполненную табл. 1 с указанием режимов всех транзисторов;

- времена t₁₀, t₀₁ и среднее время переключения t исходной схемы;

- значение среднего времени переключения tизм с  изменёнными параметрами транзисторов;

- значения параметров транзисторов до и после изменения.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

1. Дважды щелкнуть на ярлыке DIFFAMP на рабочем столе. На экране появится исследуемая схема рис. 2. Войти в меню file / save as и к имени файла добавить номер группы. Сохранить файл в папке «студент». Если при выполнении работы будет допущена ошибка, закрыть программу и начать работу заново.

2. Получить передаточную характеристику Uвых = f(Uвх), для чего в главном меню выбрать Analysis, затем DC и в появившемся окне – Run. Зарисовать передаточную характеристику с указанием масштабов по осям и необходимыми построениями, как это показано на рис. 3.

Рис. 3

3. Пользуясь курсором (при наведении курсора на интересующую точку графика появится окно с координатами точки), определить:

- приблизительную протяжённость линейного участка (неискаженного выходного напряжения) ΔUвых;

- приблизительную протяжённость линейного участка входного напряжения ΔUвх;

- малосигнальный (дифференциальный) коэффициент усиления по напряжению К_U =ΔUвых /ΔUвх ;

- характер включения усилителя (инвертирующий, неинвертирующий).

4. Получить временные диаграммы отдельного, второго дифференциального каскада выбрав Analysis, Transient, Run. На экране при этом верхняя синяя диаграмма – входное напряжение дифференциального каскада, нижняя – выходное напряжение. Определить:

- коэффициент усиления второго каскада К_U2, как отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала;

- фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением (обратите внимание на знаки входного и выходного напряжения).

Оценить коэффициент нелинейных искажений КНИ. Считается, что если отличия формы выходного и входного сигнала на глаз незаметны, то КНИ < 5%.

5. Получить амплитудно- и фазочастотные характеристики исследуемого усилителя (Analysis, AC, Run). По АЧХ определить значение предельной частоты, на которой выходное напряжение уменьшается в 1,4 раза по отношению к максимальному значению на низких частотах. Зарисовать АЧХ с необходимыми для определения предельной частоты построениями.

6. Изменить следующие величины, определяющие частотные свойства БТ: CJE – барьерная ёмкость эмиттерного перехода; CJC – барьерная ёмкость коллекторного перехода; TF – время пролёта.

Записать значения указанных параметров до и после изменения.

Все четыре БТ обоих дифференциальных каскадов одинаковые и описываются моделью N1. Вызов окна с параметрами модели осуществляется двойным кликом на любом из БТ дифференциальных каскадов Q1, Q3, Q4, Q5. Все три перечисленных параметра умножить в число раз, указанное в табл. 1, в соответствии с заданным вариантом.

Таблица 1

7. Определить предельную частоту усилителя после изменения параметров транзисторов.

Содержание отчета

Отчёт должен содержать:

1. Название и цель работы.

2. Схему простейшего дифференциального каскада. Исследуемую схему.

3. Рисунок передаточной характеристики Uвых = f(Uвх).

4. Рисунок АЧХ с построениями для определения предельной частоты.

5. Отдельно записанные значения:

- протяжённости линейного участка выходного напряжения ΔUвых;

- протяжённости линейного участка входного напряжения ΔUвх;

- малосигнального коэффициента усиления по напряжению К_U;

- коэффициента усиления второго каскада К_U2;

- фазового сдвига между входным и выходным напряжениями;

- предельной частоты усилителя;

- предельной частоты усилителя при изменённых параметрах БТ.

6. Заключение – является ли применённое во втором каскаде включение инвертирующим или неинвертирующим.

7. Оценку КНИ.