1 Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE Ćwiczenie nr 14 LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH 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 h ije, 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 U * CE, I * C ) można będzie regulować moc wydzielaną w tranzystorze zgodnie ze znaną zależnością: P WY = U * * CE I C (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 U EB 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 dt 2mV / K (2) Zmieniając wartość mocy traconej w wybranym tranzystorze i odczytując wartość napięcia U EB na innym tranzystorze można uzyskać zależność U EB = f(p WY ) a następnie zależność T układu = f(p WY ). Tabela 1. Parametry katalogowe układu Rys. 1. Schemat ideowy UL 1111 N WAŻNE: Należy zwrócić uwagę na to, że emiter tranzystora T 2 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 U CB U CE U CS U EB I C P d U (BR)CEo U (BR)CEo U (BR)CS U (BR) EBo I CBo I CEo h 21E U BE U IO f T h 11e h 21e h 12e h 22e F C EBo C CBo C CS 15V 5V 50mA 300mW 750mW 15V 5V 40nA 0,5 A 40A/A 0,8V 5mV 300MHz 3,5k 110A/A 2 10-4 V/V 15 S 4 db 1pF 1pF 2,8pF Warunki pomiaru (w jednym tranzystorze) (w całym układzie scalonym) I C = 1mA, I B = 0 I C = 10 A, I E = 0 I CS = 10 A I E = 10 A, I C = 0 U CB = 10V, I E = 0 U CE = 10V, I B = 0 U CE = 3V, I C = 3mA f = 100MHz U CE = 3V, I C = 100 A, R g = 1k U EB = 3V, I E = 0, f = 5MHz U CB = 3V, I C = 0, f = 5MHz U CS = 3V, I C = 0, f = 5MHz
4 2. Pomiary 2.1. Pomiar parametrów małosygnałowych h ije 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 h ije 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 h 12e, natomiast najważniejszy jest pomiar parametrów h 11e oraz h 21e. Zdjęcie stosowanego miernika P561 przedstawia rys.2. Rys.2. Przyrząd do pomiaru parametrów tranzystorów Wartości parametrów [h] zależą od punktu pracy (zdecydowanie najbardziej parametr h 11 ), dlatego pomiar wykonuje się dla zadanych wartości prądu kolektora I C oraz napięcia U CE. Na wstępie konieczne jest odpowiednie zdefiniowanie typu tranzystora NPN lub PNP. Korzystając ze wskazań wskaźnika analogowego TEST POINT ustawiamy najpierw przyciskami zakresu i pokrętłem U CE wartość napięcia U CE, a następnie wartość prądu kolektora I C wybierając odpowiedni zakres oraz regulując pokrętłem prądu bazy I B 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. T 4 ) jako czujnik temperatury, korzystając z zależności U BET4 = f(t). Do pomiaru U BET4 należy wykorzystać multimetr cyfrowy, który w trybie pracy testera złącz p-n jest źródłem prądu stałego (I BT4 =1 ma), a wartość U BET4 odczytuje się w [mv] bezpośrednio z wyświetlacza multimetru. Jeden z pozostałych tranzystorów układu UL 1111N (np. T 3 ) polaryzujemy z zasilacza dc napięciem U CET3 = 10V. Na wejście tranzystora podajemy prąd bazy I BT3 stosując zasilacz napięciowy i dzielnik napięciowy 10kΏ/330Ώ. Zmiana prądu bazy powoduje zmianę prądu kolektora I C (odczyt na amperomierzu), a to pozwala określić moc P T3 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 f P T f. U oraz korzystając ze wzoru (2) wyznaczyć graficznie zależność BET 4 T 3 chip P T 3 3. Podsumowanie W tym punkcie należy podsumować uzyskane wyniki oraz objaśnić sporządzone wykresy zależności temperaturowych.