Терморезистори

Напівпровідникові терморезистори – це надійні термочутливі резистори, принцип дії яких ґрунтується на значній залежності електричного опору напівпровідника від температури. Така залежність визначається температурним коефіцієнтом опору , який показує відносну зміну опору резистора у разі зміни температури на 1 ⁰С.

Якщо із збільшенням температури опір збільшується, температурний коефіцієнт опору має позитивний знак, якщо опір зменшується – негативний знак.

Використовують два типи терморезисторів: термістори та позистори. Термістори характеризуються негативним температурним коефіцієнтом опору, а позистори – позитивним. Розрізняють термістори прямого підігріву і термістори посереднього підігріву.

У термісторах прямого підігріву опір змінюється або під впливом теплоти, яка виділяється під час проходження електричного струму, або в результаті зміни температури термістора через зміну його теплового випромінення (через зміну температури навколишнього середовища). Термістори виготовляють з оксидів металів (від титану до цинку). На електричних схемах термістори позначають RK або RС (рис. 5.36).

Рис. 5.36 Умовне позначення та схема вмикання термістора

Напівпровідниковий болометр – це прилад, призначений для індикації та вимірювання теплового випромінювання.

Болометр складається з двох плівкових термісторів, розміщених в спільному герметичному корпусі. Один з термісторів є активним, тобто безпосередньо підпадає під дію випромінювання, яке треба виміряти. Другий термістор – компенсаційний (для компенсації можливих змін температури навколишнього середовища). Компенсаційний термістор екрановано від досліджуваного випромінювання. Болометри використовують в різних системах орієнтації, для безконтактного та дистанційного вимірювання температури.

Термістори посереднього підігріву – це термістори, які мають додаткове джерело тепла – підігрівник.

Позистор – це напівпровідниковий терморезисор з позитивним температурним коефіцієнтом опору.В масовому виробництві їх виготовляють на основі кераміки із титанату барію. Позистори використовуються для температурної компенсації елементів електричних кіл, у схемах пожежної сигналізації, теплового захисту та у приладах запобіганя перегріву електричних машин.

Варистори – це нелінійні напівпровідникові резистори, опір яких залежить від прикладеної напруги.Їх виготовляють з карбіду кремнію і глини методом високотемпературного випалювання. Варистори використовують для захисту приладів і елементів схем від перенапруг, стабілізації напруги та струму, регулювання та перетворення електричних сигналів.

Питання для самоперевірки знань

1. Тиристор

2. Класифікація тиристорів

3. Принцип дії диністора

4. Принцип дії триністора

5. Світлодіод

6. Фізичний принцип роботи світлодіоду

7. Структуру та схему вмикання світло діоду

8. Використання світлодіодів

9. Напівпровідниковий лазер

10. Інверсна заселеність

11. Лазерне підсилювання

12. Будова напівпровідникового лазера

13. Використання лазерів

14. Фотоелементи

15. Фотодіод

16. Сонячна батарея

17. Використання фотодіодів

18. Фоторезистор

19. Фототранзистор

20. Оптопара

21. Фототиристор

22. Терморезистор

23. Температурний коефіцієнт опору

24. Термістор прямого підігріву

25. Термістор посереднього підігріву

26. Позистор

27. Болометр

28. Варистор

Теми рефератів

1. Спеціальні види тиристорів

2. Використання світлодіодів

3. Види лазерів

4. Відкриття лазерів

5. Використання лазерів

6. Використання фотоелектричних приладів

7. Використання фоторезисторів

8. Використання оптронів

Питання для самостійного опрацювання

1. Електролюмінісцентні індикатори

2. Фоторезистивний ефект

3. Фотогальванічний ефект

ТЕМА 5.4 ТЕХНІЧНІ ОСНОВИ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ. ІНТЕГРАЛЬНІ МІКРОСХЕМИ

План лекції

5.4.1 Основні терміни і визначення в мікроелектроніці

5.4.2 Особливості інтегральних схем

5.4.3 Класифікація інтегральних схем

5.4.1 ОСНОВНІ ТЕРМІНИ І ВИЗНАЧЕННЯ У МІКРОЕЛЕКТРОНІЦІ

Мікроелектроніка – це науково-технічний напрям електроніки, який охоплює проблеми дослідження, конструювання і виготовлення високо надійних і економічних мікромініатюрних електронних схем та пристроїв фізичними, хімічними, схемотехнічними та іншими методами.

Першим завданням мікроелектроніки є створення максимально надійних електронних схем та пристроїв.

Другим завданням мікроелектроніки є зниження вартості електронних схем та пристроїв.

Інтегральна мікросхема (ІМС) – це електронний пристрій, який виконує певну функцію перетворення, обробки та накопичення інформації і має високу щільність розміщення неподільно виконаних елементів чи компонентів, які електрично зв’язані між собою таким чином, що з огляду технічних вимог, випробувань, торгівлі та експлуатації пристрій розглядається як єдиний виріб. ІМС виготовляють в єдиному технологічному циклі (одночасно) на одній і тій самій несучій конструкції (підкладці або напівпровідниковій пластині).

Елемент ІМС – це сформована в єдиному технологічному процесі частина ІМС, яка реалізує функцію одного з електрорадіоелементів (транзистора, конденсатора), виконана неподільно від кристала або підкладки і не може бути виділена як самостійний виріб з вимогами до випробувань, приймання, поставки та експлуатації.

Компонент ІМС – це частина ІМС, яка реалізує функцію одного з електрорадіоелементів або їх сукупності і за вимогами до випробувань, приймання, поставки та експлуатації може бути виділена як самостійний виріб. Підкладка ІМС – це конструктивна та функціональна частина ІМС, виготовлене з напівпровідникового або діелектричного матеріалу і призначена для формування на її поверхні елементів ІМС, між елементних та між компонентних з'єднань та контактних площинок.

Напівпровідникова пластина – це заготовка з напівпровідникового матеріалу (круглий диск), яку використовують для виготовлення ІМС.

Кристал ІМС – це конструктивно виділена частина напівпровідникової пластини, в об’ємі та на поверхні якої сформовані елементи напівпровідникової ІМС, між елементні з’єднання, а по периметру – контактні площинки. Кристали ІМС одержують після закінчення повного технологічного циклу формування елементів та різання напівпровідникової пластини, яка складається із сотень однотипних кристалів. У кристалі формуються функціонально закінчені напівпровідникові ІМС. В іноземній літературі їх називають чипами.

Контактна площинка – це металізована ділянка на кристалі, яка служить для приєднання зовнішніх виводів ІМС, контактів навісних компонентів, а також для контролю її електричних параметрів та режимів.

Корпус ІМС – це частина конструкції, яка захищає кристал від зовнішнього впливу і забезпечує з’єднання ІМС із зовнішніми електричними колами за допомогою виводів.

Мікроскладанням називають мікроелектронні вироби, які складаються з елементів, компонентів, ІМС та інших електрорадіоелементів, з’єднаних між собою певним способом для виконання певної функції, і розробляються з метою поліпшення її показників і мініатюризації. З мікро складань формують мікроблоки.

Мікроблок – мікроелектронний виріб, який, крім мікро складань, може мати ІМС та інші компоненти у різних поєднаннях.

Тип ІМС – ІМС конкретного функціонального призначення і певного конструктивно-технологічного та схемно-технічного вирішення, що має своє умовне позначення.

Типономінал ІМС – ІМС конкретного типу, що відрізняються від інших мікросхем того ж типу одним або кілкома параметрами та вимогами до зовнішніх діючих факторів.

Серія ІМС – сукупність типів ІМС, які виконують різні функції, але мають єдину конструктивно-технологічну та електричну будову, а у разі потреби – інформаційну та програмну сумісність, і призначені для сумісного застосування. Усі ІМС однієї серії мають однаковий корпус.

Група типів ІМС – це сукупність типів ІМС у межах однієї серії, які мають аналогічне функціональне призначення та принцип дії, властивості яких описуються однаковими за складом електричними параметрами.

5.4.2 ОСОБЛИВОСТІ ІНТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ

Головна особливість ІМС як електронного приладу полягає в тому, що вона самостійно виконує закінчену функцію, тоді як елементарні (дискретні) електроні прилади виконують аналогічну функцію тільки в ансамблі з іншими компонентами.

Другою важливою особливістю ІМС є те, що підвищення функціональної складності цього приладу порівняно з дискретними компонентами не супроводжується погіршенням якого0небуть з основних показників (надійності, вартості). Всі ці показники поліпшуються.

Третя особливість ІМС полягає в широкому використанні структур активних елементів для формування пасивних. Принцип протилежний тому, який притаманний дискретній транзисторній техніці, в якій активні елементи особливо транзистори, є найдорожчими і тому оптимізація схем за інших умов досягається зменшенням кількості активних компонентів. В ІМС задається вартість е елемента, акри сала, тому доцільно розміщувати на кристалі якомога більше елементів з мінімальною площею. Мінімальну площу мають активні елементи (транзистори, діоди), а максимальну – пасивні (резистори, конденсатори).

Створення функціональних вузлів на базі ІМС не потребують порівняно з традиційними методами виробництва апаратури на дискретних компонентах великої кількості технологічних операцій (особливо таких ненадійних і трудомістких, як складання і монтаж елементів).Крім того низько надійні з'єднання компонентів вилучаються і замінюються високо надійними з'єднаннями елементів методом металізації.

В ІМС формують деякі типи елементів, які не мають дискретних аналогів (багатоемітерні транзистори, прилади із зарядовим зв’язком). З їх використанням відкриваються додаткові схемотехнічні можливості для побудови мікроелектронної апаратури з поліпшенням показників надійності, габаритних розмірів, швидкодії.

5.4.3 КЛАСИФІКАЦІЯ ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ

ІМС поділяють на різні типи за принципами будови та технологією виготовлення, ступенем інтеграції, функціональним призначенням.

За принципами будови та технологією виготовлення ІМС поділяють на такі основні типи напівпровідникові, плівкові, гібридні і суміщені.

Напівпровідниковою називають ІМС, яка має один кристал напівпровідника, в об’ємі і на поверхні якого спеціальними технологічними методами сформовані всі елементи, між елементні з'єднання і контактні площинки. Розрізняють біполярні та МДН-інтегральні схеми.

Усі елементи напівпровідникової ІМС зв’язані між собою паразитними емностями та провідностями, що зумовлено щільним упакуванням елементів і недосконалістю методів ізоляції. Перевагами напівпровідникових ІМС є вища надійність (менше контактних з'єднань), більша механічна міцність, зумовлена меншими розмірами елементів, менша собівартість завдяки ефективному використанню переваг групових технологій.

Напівпровідникові ІМС з біполярними транзисторами вирізняються високою швидкодією, а з МДН-транзисторами – високою щільністю упакування, мінімальною потужністю споживання і низькою вартістю виготовлення.

Виробництво напівпровідникових ІМС потребує особливих приміщень, складного обладнання, строгого виконання технологічних операцій. Тому виготовлення таких ІМС стає економічно доцільним за умови масового виробництва.

Плівкова ІМС – це мікросхема, елементи та між елементні з'єднання якої виготовлено за допомогою плівок необхідної форми з різними електрофізичними властивостями на поверхні діелектричної підкладки. Залежно від способу формування плівок і відповідно їхніх товщини розрізняють тонко плівкові ІМС (1…2 мкм) та товсто плівкові ІМС (10…20 мкм). Плівкова технологія не дозволяє одержувати активні елементи із задовільними параметрами. Суто плівкові схеми є пасивними ІМС (резистивні подільники напруги, набір резисторів та конденсаторів, резистивно-ємнісні схеми. Плівкові інтегральні елементи найчастіше використовуються разом з мініатюрними дискретними електрорадіоелементами – компонентами.

Гібридною ІМС (ГІС) називають ІМС, яка має діелектричну основу, пасивні елементи на її поверхні формують у вигляді одношарових або багатошарових плівкових структур, з’єднаних нерозривними плівковими провідниками, а активні елементи розміщені на основі у вигляді дискретних навісних деталей.

Гібридні ІМС поступаються напівпровідниковим за надійністю, щільністю упакування та собівартістю, але мають в ряді випадків особливі схемотехнічні переваги завдяки широкі номенклатурі навісних компонентів.

Гібридна технологія дуже гнучка. Вона дозволяє порівняно швидко створювати електронні пристрої, які виконують досить складні функції. Комплект обладнання для виготовлення ГІС дешевші, а сам технологічний процес набагато простіший, тому освоєння гібридної технології посильне для будь-якого радіоелектронного підприємства.

Перевагою гібридної технології є більший відсоток виходу придатних ІМС (60…80 % порівняно з 5…30 % для напівпровідникових). Завдяки мали м паразитним ємностям та надійній ізоляції між елементами та компонентами ГІС має кращі електричні властивості.

У суміщених ІМС активні елементи виконано в поверхневому шарі напівпровідникового кристала (як у напівпровідниковій ІМС), а пасивні елементи нанесено за допомогою плівок на попередньо ізольовану поверхню того самого кристала. Таку технологію використовують для створення ІМС високими номіналами і високою стабільністю опорів та ємностей, що легше забезпечити плівковими елементами, ніж напівпровідниковими.

За характером виконуваних функцій ІМС поділяють на аналогові та цифрові.

Аналогові ІМС виконують функції перетворення та обробки електричних сигналів, які змінюються за законом неперервної функції. Їх застосовують як підсилювачі, генератори гармонічних сигналів, детектори, стабілізатори напруги, фільтри

Цифрові ІСМ призначені для обробки та перетворення електричних сигналів, що змінюються за законом дискретної функції. Активні елементи такої ІМС праюють у ключовому режимі і забезпечують два стани схем: “відкрито” і “закрито” (насичення та відсікання).

Кількісно рівень розвитку інтегральної техніки та складності ІМС визначають показником, який називається ступенем інтеграції (К). Він враховує сумарну кількість елементів і компонентів N, які знаходяться в ІМС і визначається за формулою:

. (5.3)

При цьому ІМС з кількістю елементів близько 10 – це мікросхеми першого ступеня інтеграції, з кількістю 11…100 – другого ступеня, з кількістю 101…1000 – третього ступеня, 1001…10000, 10001…100000 – це мікросхеми четвертого і п'ятого ступеня інтеграції відповідно.

Широко вживають також терміни: мала ІМС (МІС), середня ІМС (СІС), велика ІМС (ВІС), і надвелика ІМС (НВІС).

Мала ІМС має до 100 елементів включно. До СІС належать цифрові ІМС з кількістю елементів 101…1000 включно і аналогові ІМС з кількістю 101…500 включно.

Велика ІМС має 1000…10000 елементів включно: для ЦІС з регулярною структурою побудови, 501…50000 елементів включно для ЦІС з нерегулярною структурою побудови та 501…1000 включно для аналогових ІМС.

До ЦІС з регулярною структурою побудови належать схеми запам'ятовувачів та схеми на основі базових матричних кристалів, а до ЦІС з нерегулярною структурою побудови – схеми обчислювачів.

До НВІС належать: ЦІС з регулярною структурою з кількістю елементів понад 100000, ЦІС з нерегулярною структурою побудови з кількістю елементів понад 50000 та аналогові ІМС із кількістю елементів понад 10000.

Більшість аналогових ІМС належать до МІС та СІС, але виготовляють гібридні БІС, а також надвеликі ГІС.

Досягнення мініатюризації ІМС оцінюють щільністю упакування. Цей показник визначають відношенням сумарної кількості елементі ІМС та елементів, які є у складі компонентів, до об’єму ІМС.

Питання для самоперевірки знань

1. Мікроелектроніка

2. Завдання мікроелектроніки

3. ІМС

4. Елемент ІМС

5. Компонент ІМС

6. Напівпровідникова пластина

7. Кристал ІМС

8. Контактна площинка

9. Корпус ІМС

10. Мікроскладання

11. Мікроблок

12. Тип ІМС

13. Типономінал ІМС

14. Серія ІМС

15. Група типів ІМС

16. Головна особливість ІМС

17. Дискретні елементи

18. Особливості ІМС

19. Напівпровідникова ІМС

20. Плівкова ІМС

21. Гібридна ІМС

22. Суміщена ІМС

23. Аналогова ІМС

24. Цифрова ІМС

25. Ступінь інтеграції

26. Мала ІМС

27. Середня ІМС

28. Велика ІМС

29. Надвелика ІМС

Теми рефератів

1. ІМС та мікропроцесори

2. Логічні елементи

3. Основні технологічні процеси виготовлення ІМС

Питання для самостійного опрацювання

1. Система умовних позначень і корпуси ІМС

2. Прилади із зарядовим зв'язком

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Титаренко М.В. Електротехніка / М.В. Титаренко – К.: Кондор, 2004. – 240 с.

2. Л.Д. Васильєва, Б.І. Медведенко, Ю.І. Якименко Напівпровідникові прилади / Л.Д. Васильєва – К.: – Політехніка, 2003. – 388 с.

3. Малинівський С.М. Загальна електротехніка / С.М. Малинівський – Л.: Видавництво національного університету “Львівська політехніка”, 2001. – 596 с.

3. Шихин А.Я. Электротехника / А.Я. Шихин – М.: Высшая школа, 1989. -336 с.

4. Попов B.C. Теоретическая электротехника / В.С. Попов – М.: Энергия, 1971. – 608с.

5. Атабеков Г.И. Основы теории цепей / Г.И. Атабеков – М.: Энергия, 1990. – 689 с.

6. Зернов Н.В.Теория радиотехнических цепей / Н.В. Зернов – М.: Наука,
1985. –507 с.

ПРО АВТОРА

Рубан Ганна Яківна – викладач Черкаського державного бізнес-коледжу. Закінчила радіофізичний факультет Київського університету ім. Т.Г. Шевченка (1994 р.). Викладає предмет „Теорія електричних та магнітних кіл” з 2000 року. Спеціаліст вищої категорії, старший викладач. Автор навчальних видань „Фізика. Збірник задач” (2003 р.), „Фізика. Збірник задач для ЕОМ” (2005 р.), „Теорія електричних та магнітних кіл” (2008 р.), „Фізика. Курс лекцій” (2010 р.).

Навчальне видання

РУБАН ГАННА ЯКІВНА

ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ТА МАГНІТНИХ КІЛ

КУРС ЛЕКЦІЙ

Редактор Н.А. Азьмук

Комп’ютерний набір Г.Я. Рубан

Корректор

Підписано до друку 05.05.13. Формат 60х80¹/₈

Папір офсет. Гарнітура Times New Roman. Друк офсетний.

Умов. друк. арк. 5,3. Тираж 60 прим. Зам. № 184

Видавництво ТОВ „Інтеграл-техноімпекс”

18000, м. Черкаси, вул. Смілянська, 2

За довідками з питань реалізації

звертатись за тел. [phone]

Дата добавления: 2014-12-07