Badanie monolitycznych układów scalonych II

1
Wydział Elektroniki
Mikrosystemów i Fotoniki
Politechniki Wrocławskiej
STUDIA DZIENNE
LABORATORIUM
PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH
Ćwiczenie nr 14
Badanie elementów składowych monolitycznych
układów scalonych – II
I. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania
- podstawowe pojęcia dotyczące celowości i efektów scalania układów w formie
monolitycznej,
- konstrukcja elementów czynnych (tranzystory npn, pnp) oraz rezystorów w bipolarnych
układach scalonych,
- polaryzacja złącz w tranzystorze dla różnych rodzajów pracy,
- punkt pracy tranzystora w układzie WE,
- parametry dopuszczalne tranzystorów,
- parametry czwórnikowe typu [h] tranzystorów,
- wpływ temperatury na parametry złącza p-n,
- wykorzystanie diody jako termometru elektronicznego
II. Program zajęć
-
pomiar parametrów tranzystorów w monolitycznym układzie scalonym
pomiary temperatury i badanie właściwości cieplnych układu scalonego
III. Literatura
1. Notatki z wykładu
2. W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, Warszawa 1989
3. B. W. Wilamowski, Układy scalone, WKiŁ, Warszawa 1989
4. R. Ćwirko, M. Rusek, W. Marciniak, Układy scalone w pytaniach i odpowiedziach,
WNT, Warszawa 1987
Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ przepisów BHP związanych z obsługą
urządzeń elektrycznych.
2
1. Wiadomości wstępne
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z budową i działaniem monolitycznego układu
scalonego ale również ugruntowanie wiadomości z poprzednich zajęć laboratoryjnych
związanych z pracą tranzystorów bipolarnych oraz efektów wpływu zmian temperatury na
pracę elementów półprzewodnikowych. Układ scalony UL 1111N (od polskiej nazwy typu:
Układ Liniowy) nie jest skomplikowany i składa się z pięciu tranzystorów npn wykonanych w
niewielkiej odległości od siebie, w małej objętości półprzewodnikowego czipa. Wszystkie
tranzystory powstają w tym samym cyklu procesów technologicznych obróbki płytki
krzemowej. Dzięki temu można zrealizować bardzo ważne wymagania jeśli chodzi
o prawidłową pracę układu elektronicznego. Po pierwsze, parametry wszystkich elementów
(tu tranzystorów) są prawie identyczne; po drugie, temperatura pracy wszystkich elementów
jest zbliżona, a więc zmiany parametrów pod wpływem temperatury będą zachodziły w ten
sam sposób dla wszystkich elementów układu. Dotyczy to także ewentualnych zmian
parametrów małosygnałowych hije , których wartości katalogowe przedstawiono w tabeli 1.
Wszystkie tranzystory znajdujące się w danym układzie powinny charakteryzować się takimi
parametrami. Zadaniem ćwiczących jest ocena ewentualnego rozrzutów wartości tych
parametrów w badanym układzie scalonym w porównaniu z danymi katalogowymi. Badany
układ scalony, UL 1111N wykonany jest w krzemowej technologii bipolarnej z izolacją
złączową (dyfuzyjną) pomiędzy elementami. Schemat elektryczny wraz z oznaczeniem
wyprowadzeń pokazano na rys. 1, a parametry elektryczne zestawiono w tabeli 1.
W drugiej części zajęć zadaniem ćwiczących jest sprawdzenie jak zmienia się temperatura
układu na skutek pracy tranzystorów, które wydzielają moc. Każdy spolaryzowany tranzystor
wydziela moc zależną od aktualnej wartości płynącego prądu i odkładanego na nim napięcia.
Do pomiaru zmian temperatury można zastosować poznaną w jednym z poprzednich ćwiczeń
metodę i wykorzystać złącze p-n jako termometr elektroniczny. W tym wypadku
wykorzystamy spolaryzowane w kierunku przewodzenia złącze E-B jednego z tranzystorów.
Jeśli jeden z tranzystorów będzie spolaryzowany w układzie pracy aktywnej WE to
zmieniając jego polaryzację (punkt pracy UCE*, IC*) można będzie regulować moc wydzielaną
w tranzystorze zgodnie ze znaną zależnością:
PWY = UCE* IC *
(1)
Moc ta będzie wydzielana w postaci ciepła w objętości chipu i w konsekwencji
doprowadzi do wzrostu temperatury układu. Należy zwrócić uwagę, by nie przekroczyć
dopuszczalnej mocy tranzystora podanej w danych producenta. Zmiany temperatury będą
mierzone pośrednio przez pomiar napięcia UEB na złączu emiter-baza innego, wybranego
3
tranzystora w układzie. Jak wiadomo, definiuje się temperaturowy współczynnik zmian
napięcia dla krzemowego złącza p-n spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. Dla
ustalonej wartości prądu w złączu wynosi on
dU
 2mV / K
dT
(2)
Zmieniając wartość mocy traconej w wybranym tranzystorze i odczytując wartość napięcia
UEB na innym tranzystorze można uzyskać zależność UEB = f(PWY) a następnie zależność
Tukładu = f(PWY).
Tabela 1. Parametry katalogowe układu
Rys. 1. Schemat ideowy UL 1111 N
WAŻNE: Należy zwrócić uwagę na to,
że emiter tranzystora T2 jest połączony
galwanicznie z podłożem (oznaczanym
w katalogu literą S-substrate). Między
kolektorem każdego tranzystora a podłożem
występuje złącze p-n izolacji złączowej
(wyspa typu-n – podłoże typu-p).
Wielkość Wartość
Warunki pomiaru
UCB
 20V
UCE
 15V
UCS
 20V
UEB
 5V
IC
 50mA
Pd
 300mW
(w jednym tranzystorze)
 750mW (w całym układzie scalonym)
 15V
U(BR)CEo
IC = 1mA , IB = 0
 20V
U(BR)CEo
IC = 10A , IE = 0
U(BR)CS
 20V
ICS = 10A
U(BR) EBo
 5V
IE = 10A , IC = 0
ICBo
 40nA
UCB = 10V , IE = 0
ICEo
UCE = 10V , IB = 0
 0,5A
h21E
UCE = 3V , IC = 1mA
 40A/A
UBE
UCE = 3V , IC = 1mA
 0,8V
UIO
UCE = 3V , IC = 1mA
 5mV
fT
UCE = 3V , IC = 3mA
 300MHz
f = 100MHz
3,5k
h11e
UCE = 3V , IC = 1mA
f = 1kHz
110A/A
h21e
UCE = 3V , IC = 1mA
f = 1kHz
210-4V/V
h12e
UCE = 3V , IC = 1mA
f = 1kHz
h22e
15S
UCE = 3V , IC = 1mA
f = 1kHz
F
4 dB
UCE = 3V , IC = 100A
f = 1kHz , Rg = 1k
CEBo
1pF
UEB = 3V , IE = 0 , f = 5MHz
CCBo
1pF
UCB = 3V , IC = 0 , f = 5MHz
CCS
2,8pF
UCS = 3V , IC = 0 , f = 5MHz
4
2. Pomiary
2.1. Pomiar parametrów małosygnałowych hije
Układ UL1111N składa się z pięciu tranzystorów npn, z których jeden ma emiter
podłączony (zacisk 13) na stałe z podłożem (płytka Si typu–p). Zadaniem ćwiczących jest
pomiar parametrów małosygnałowych hije przy pomocy miernika parametrów [h] (zwanego
popularnie h-metrem) wszystkich tranzystorów w układzie i porównanie ich z danymi z
Tab.1. Można pominąć pomiar współczynnika oddziaływania wstecznego h12e, natomiast
najważniejszy jest pomiar parametrów h11e oraz h21e. Zdjęcie stosowanego miernika P561
przedstawia rys.2.
Rys.2. Przyrząd do pomiaru parametrów tranzystorów
Wartości parametrów [h] zależą od punktu pracy (zdecydowanie najbardziej parametr
h11), dlatego pomiar wykonuje się dla zadanych wartości prądu kolektora IC oraz napięcia
UCE. Na wstępie konieczne jest odpowiednie zdefiniowanie typu tranzystora NPN lub PNP.
Korzystając ze wskazań wskaźnika analogowego „TEST POINT” ustawiamy najpierw
przyciskami zakresu i pokrętłem „UCE” – wartość napięcia UCE, a następnie wartość prądu
kolektora IC wybierając odpowiedni zakres oraz regulując pokrętłem prądu bazy „IB” prąd w
punkcie pracy. Wskaźnik analogowy „PARAMETER” służy do odczytu wartości parametru
[h] wybranego przyciskiem przełącznika po prawej stronie panelu czołowego miernika.
Odczytane wartości wpisujemy do tabeli w sprawozdaniu.
5
2.2. Pomiar zmian temperatury układu podczas jego pracy.
Pomiar zależności temperatury czipa układu scalonego UL 1111N w funkcji mocy
wydzielanej w układzie należy dokonać w układzie pomiarowym pokazanym na rys. 3. Przed
pomiarami należy odczytać dopuszczalne parametry tranzystorów w układzie i nie
przekraczać tych wartości.
Rys.3. Układ pomiarowy do pomiaru temperatury układu.
Wykorzystując wiadomości zdobyte podczas wykonywania Ćw. nr 7: „Wpływ
temperatury na półprzewodniki oraz na złącze p-n”, dokonujemy pomiaru temperatury układu
stosując jeden z tranzystorów (np. T4) jako czujnik temperatury, korzystając z zależności
UBET4 = f(T). Do pomiaru UBET4 należy wykorzystać multimetr cyfrowy, który w trybie pracy
testera złącz p-n jest źródłem prądu stałego (IBT4=1 mA), a wartość UBET4 odczytuje się
w [mV] bezpośrednio z wyświetlacza multimetru. Jeden z pozostałych tranzystorów układu
UL 1111N (np. T3) polaryzujemy z zasilacza dc napięciem UCET3 = 10V. Na wejście
tranzystora podajemy prąd bazy IBT3 stosując zasilacz napięciowy i dzielnik napięciowy
10kΏ/330Ώ. Zmiana prądu bazy powoduje zmianę prądu kolektora IC (odczyt na
amperomierzu), a to pozwala określić moc PT3 wydzielaną w układzie zgodnie z równaniem
(1). Dla wyznaczenia zależności można zastosować wartości mocy: 50, 100, 150, 200, 250,
300 mW. Moc wydzielana w jednym tranzystorze nie może przekroczyć 300mW (Tabela 1).
Wynik pomiarów należy przedstawić na wykresie w układzie współrzędnych
U BET 4  f PT 3  oraz korzystając ze wzoru (2) wyznaczyć graficznie zależność Tchip  f PT 3  .
3. Podsumowanie
W tym punkcie należy podsumować uzyskane wyniki oraz objaśnić sporządzone wykresy
zależności temperaturowych.