Введение к работе
Актуальность работы. Полупроводниковые структуры с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) обладают рядом уникальных свойств, стимулирующих поиск конструктивно-технологических и схемотехнических решений при разработке новых полупроводниковых приборов, функциональных и микроэлектронных устройств на их основе. В последнее время весьма перспективным становится применение приборов с S- и N-образными вольт-амперными характеристиками (ВАХ) различного уровня мощности в средствах телекоммуникаций, устройствах отображения и преобразования информации, нейроинформатики, слаботочной автоматики из-за значительного упрощения многих схемных решений, снижения массогабаритных показателей, повышения качества и надежности.
Анализ существующей литературы по вопросам применения приборов с ОДС S- и N-типов позволил определить два основных направления их разработки, моделирования и исследования.
Первое из этих направлений касается моделирования и исследования полупроводниковых приборов с симметричными ВАХ S-типа - симисторов, МДП-симисторов и симисторных оптопар малой и средней мощности. Такие приборы обладают планарной структурой, и, как следствие, простотой управления параметрами ВАХ с помощью электрического поля и светового воздействия, высоким быстродействием и возможностью обработки биполярных сигналов, что значительно расширяет их функциональные возможности и позволяет использовании в различных узлах электронной аппаратуры.
Второе направление связано с разработкой приборов большой мощности, имеющих ВАХ N-типа. Широкие перспективы применения подобных приборов для создания мощных низко- и среднечастотных генераторов, элементов защиты узлов электронной аппаратуры и электробытовой техники (самовосстанавливающихся предохранителей), а также для создания мощных комбинированных полупроводниковых приборов с защитой от пробоя определяют необходимость решения задачи их моделирования и исследования.
Таким образом,'задача разработки, моделирования и исследования структур с ВАХ S- и N-типов, приборов и устройств на их основе является актуальной, имеющей важное значение для твердотельной электроники и микроэлектроники.
Целью работы является реализация моделей и исследование основных параметров многослойных полупроводниковых структур с ОДС S- и N-типов, а также приборов и устройств на их основе.
Для достижения указанной цели в работе решались задачи:
-
Реализация моделей и получение аналитических выражений для основных статических и динамических параметров планарно-диффузионных симисторов (ПДС) и приборов на их основе.
-
Схемотехническое проектирование ПДС.
-
Реализация физических и математических моделей формирования участк; ОДС на ВАХ у биполярно-полевых N-приборов.
-
Поиск эффективных методов повышения мощности биполярно-полевых N приборов.
-
Создание на базе биполярно-полевых структур мощных приборов защитой от перенапряжений.
-
Реализация моделей N-приборов с симметричными ВАХ.
-
Исследование механизмов объемной связи в линейках и модуля; интегральных тиристоров и симисторов и реализация адекватных моделеі протекающих в них процессов при различных режимах работы.
-
Расширение функциональных возможностей устройств на основе приборої с объемной связью за счет поиска новых режимов работы и методо] управления.
Научная новизна.
-
Получены аналитические соотношения, пригодные для расчета основны; статических параметров ПДС - напряжения переключения, рабочего тока і остаточного напряжения.
-
Разработана математическая модель процессов включения и выключенш оптопар на основе ПДС, учитывающая инерционность излучающего диода обусловленную нелинейным характером его работы, и динамически* свойства ПДС.
-
Предложена новая модель ПДС на основе трехтранзисторной схемь замещения, позволяющая адекватно описать интегральные структурь симисторов, а также управляемых приборов симисторного типа.
-
Разработаны и исследованы трехтранзисторные схемы замещенш управляемых приборов с симметричными S-образными ВАХ: МДП симисторов и симисторных оптопар с одноканальным і дифференциальным управлением, позволяющие облегчить физико топологическое моделирование и проектирование интегральных вариантої структур данных приборов.
-
На базе моделей биполярного и полевого транзисторов полученс аналитическое выражение для ВАХ биполярно-полевого N-прибора позволяющее определить его основные параметры и оценить степені влияния на них физико-топологических и конструктивно-технологически? особенностей составляющих транзисторов.
-
Разработаны схемотехнические модели и структуры N-прибороі повышенной мощности, способные работать на значительнук индуктивную нагрузку.
-
Предложены новые схемотехнические модели полупроводниковые приборов с симметричными ВАХ N-типа, отличающиеся от известные разработок малым числом элементов и простотой реализации і интегральном исполнении.
-
Получены аналитические соотношения, отражающие специфику объемной связи между тиристорами и симисторами, а также характеризующие работ) функциональных устройств на их основе.
-
Предложен шунтирующий метод управления работой полупроводниковых устройств с самосканированием на основе приборов с S-образной ВАХ,
Получено математическое описание данного метода на примере нейристора и сдвигового регистра с объемной связью. Практическая ценность.
-
Полученные модели для статических и динамических характеристик ПДС и приборов на их основе (МДП-симистора и симисторных оптопар) позволяют проводить инженерный расчет параметров многослойных полупроводниковых структур симисторного типа малой мощности при проектировании и использовании в конкретных узлах электронной аппаратуры.
-
Аналитическое выражение ВАХ биполярно-полевого N-прибора, полученное на основе синтеза моделей биполярного и полевого транзисторов, позволяет проводить расчеты основных параметров таких приборов и оценивать влияние различных конструктивно-технологических факторов на их работу.
-
С использованием схемотехнического подхода разработаны методы
ПҐЧ>Х_ТГТТАиТ.ЇСТ »* ГЧЇТТІХЛ Г^т "КТ,ГТТ>*»^ГЧ'Г*Г»та ППІОЛТКПЛШІІА ЧП»ЛТТ"ТТ1*ТЧ. lUQITUIITfa
рабочих токов в 10-100 раз.
-
Разработана структура биполярно-полевого N-прибора с встроенной защитой от перенапряжений, отличающаяся от известных конструкций эффективным использованием активных областей кристалла и повышенной мощностью.
-
Предложены схемы замещения N-приборов с симметричными ВАХ, на базе которых возможна реализация оригинальных эквивалентных интегральных структур, работающих при биполярном напряжении питания.
-
Предложен шунтирующий метод управления устройствами с самосканированием на базе интегральных линеек тиристоров и симисторов, предназначенный для расширения функциональных возможностей таких устройств, способный найти широкое применение при реализации электрических аналогов элементов нейронов.
Результаты исследования ПДС и N-приборов повышенной мощности использованы ООО АБЭП УРЛЗ и АООТ ОКБ "Искра" при проектировании биполярно-полевых структур с защитой от перенапряжений. Основные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанные модели статических и динамических параметров ПДС малой и средней' мощности и оптопар на их основе обеспечивают эффективный инженерный расчет и оперативную оценку диапазона рабочих напряжений и токов, а также динамического диапазона их работы, необходимые при проектировании приборов данного типа.
-
Новые схемотехнические модели на основе трехтранзисторной схемы замещения позволяют облегчить физико-топологическое моделирование и проектирование ПДС и реализовать на их базе оптимальные структуры интегральных симисторов, а также управляемые приборы симисторного типа.
-
Математические и схемотехнические модели, а также структуры N-приборов большой мощности, в которых достигнуто повышение рабочих токов в 10 - 100 раз по сравнению с известными разработками, пригодны
для реализации эффективных элементов защиты различных узлов электронной техники.
-
Новые схемотехнические модели двух- и трехэлектродных приборов с симметричными N-образными характеристиками, отличающиеся от известных моделей малым числом схемных элементов упрощают реализацию эквивалентных интегральных структур.
-
Математическое описание механизма объемной связи в интегральных тиристорных и симисторных линейках позволяет проводить оценку и оптимизацию статических и динамических параметров режимов питания функциональных устройств на их основе.
-
Предложенный шунтирующий метод управления работой устройств с самосканированием, заключающийся в изменении чувствительности элементов с ОДС S-типа за счет выбора сопротивления шунтирующих резисторов, обеспечивает создание таких устройств со стабильной и регулируемой скоростью распространения возбуждения, расширение частотного диапазона их работы и увеличение амплитуды питающих напряжений в 4 раза.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были
доложены на: научно-технической конференции "Актуальные проблемы
материаловедения в электронной технике" (Ставрополь, 1995); 2-й
Международной конференции "Распознавание-95" (Курск, 1995); 5-й научно-
практической конференции молодых ученых Ульяновского государственного
университета (Ульяновск, 1996); 5-й Международной конференции
"Моделирование приборов и технологий" (Обнинск, 1996); Международной
научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и
обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза,
1996); 3-й Всероссийской научно-технической конференции с международным
участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и
микроэлектроники" (Таганрог, 1996); 3-й Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96" (Новосибирск, 1996); Международной конференции "Физика и промышленность ФИЗПРОМ-96" (Голицино, 1996); Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах DC-97" (Ульяновск, 1997); Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза, 1997); Второй Международной школе-конференции "Физические проблемы полупроводниковых материалов" (Черновцы, 1997); 4-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 1997); Всероссийском семинаре "Нейроинформатика и ее приложения" (Красноярск, 1997); Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза, 1998); Научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика" (Москва, 1998).
Методы исследования и достоверность результатов. При выполнении работы использованы электрические методы исследования характеристик эквивалентных схем и структур с помощью стандартных электро- и радиоизмерительных приборов и оборудования, погрешность измерения которых обеспечивает достоверность полученных в диссертационной работе результатов. Достоверность результатов диссертации основана также на согласовании теоретических расчетов, выполненных на основе предложенных моделей с использованием стандартных пакетов прикладных программ для ЭВМ,с результатами экспериментальных исследований.
Личное участие автора. В диссертационной работе изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве. В работах, выполненных автором в соавторстве, автор разрабатывал методики исследований, принимал участие в изготовлении измерительных установок и оборудования, проводил теоретические расчеты и эксперименты, осуществлял обработку, анализ и обобщение получаемых результатов.
Публикации. По результатам выполненных в диссертационной работе исследований опубликовано 23 печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 181 странице машинописного текста и состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 61 рисунок, 9 таблиц и список использованных литературных источников из 185 наименований.
