41-50

Question 1

41. Tendencje rozwojowe współczesnej technologii półprzewodnikowej, przegląd podstawowych procesów mikro- i nanotechnologicznych.

Answer 1

Trendy we współczesnej technologii półprzewodnikowej:

• Miniaturyzacja – zmniejszenie wymiarów samego tranzystora (22nm, 16nm, 14nm, 10nm), jak i izolacji pomiędzy kolejnymi elementami półprzewodnikowymi, która jest niezbędna do poprawnego działania całego układu.
• Zmniejszenie poboru energii elektrycznej– w miarę zmniejszania samych tranzystorów, pobór energii spada (mniejsze pojemności złączowe potrzebne do przeładowania podczas przełączania się tranzystorów, napięcie zasilania również się obniża).
• Zmniejszenie strat mocy w układzie, polepszenie sprawności – duża gęstość upakowania elementów półprzewodnikowych w nowoczesnych procesach wymusza ograniczenie strat energii (brak miejsca na jej rozproszenie), jest to bardzo wymagające dla materiałów używanych jako metalizacje (duża gęstość prądu, wymagana możliwie najniższa rezystancja).
• Obniżenie kosztów produkcji – zwiększenie gęstości upakowania, ograniczenie błędów produkcyjnych oraz ograniczenie odpadów produkcyjnych.
• Uproszczenie produkcji – przy zachowaniu jakości lub nieznacznym jej obniżeniu, dzięki czemu obniżamy koszty produkcji.

Podstawowe procesy mikro i nanotechnologiczne:

• Nanotechnologie:
  o Fotolitografia UV, DUV i EUV – najszerzej stosowana metoda, zwłaszcza w produkcji komercyjnie używanych mikroprocesorów, pamięci półprzewodnikowej itp.
  o CVD (MOCVD,VPE) – metody chemicznego osadzania warstw z fazy gazowej, jej różne rodzaje zapewniają różne dokładności i precyzję nanoszonych warstw, często wykorzystywana w produkcji na niewielką skale lub laboratoryjnie.
  o PVD– wykorzystanie zjawisk fizycznych do osadzania warstw, również z fazy gazowej, metoda opiera się na krystalizacji, istnieje wiele rodzajów metody PVD (PAPVD, EBPVD itd.)
• Mikrotechnologie:
  o Sitodruk – metoda polegająca na użyciu rakli, sita oraz odpowiedniej pasty, a następnie wypaleniu całości. W zależności od użytej pasty i jej objętości, różnią się parametry samej warstwy. Sitodruk może być wykorzystywany do wytwarzania np. ceramicznych rezystorów grubowarstwowych, które są używane w praktycznie każdym projekcie elektronicznym.
  o LTCC, HTCC – układy ceramiczne, wypalane w niskiej lub wysokiej temperaturze, za pomocą tej technologii możemy realizować niewielkie wielowarstwowe układy scalone.
  o Top-down lub Bottom-up– są to metody składania układów scalonych.
  o Roll to roll– proces tworzenia płytek lub/i elementów elektronicznych w postaci zwijanych rolek metalicznej bądź plastikowej elastycznej folii, w skład tego procesu wchodzi wiele zaawansowanych technik produkcyjnych takich jak np. druk strumieniowy, metody nanoszenia warstw z obszaru CVD (PEVCVD), a także procesy litograficzne.

Question 2

42. Tranzystor bipolarny - wyjaśnić istotę właściwości wzmacniających przyrząd. Porównanie podstawowych parametrów tranzystorów bipolarnych i polowych oraz wynikających z nich możliwości zastosowania.

Answer 2

Tranzystor bipolarny jest podstawowym elementem elektronicznym zdolnym do wzmacniania prądu i napięcia.

Jego właściwości wzmacniające wynikają z możliwości sterowania dużym prądem kolektora przez mały prąd bazy, co jest kluczowe dla jego szerokiego zastosowania w układach wzmacniających, oscylatorach, przełącznikach i wielu innych urządzeniach elektronicznych.

Tranzystory Bipolarne

Budowa - Asymetryczna, składa się z trzech złącz: kolektora, bazy i emitera (CBE).

Sterowanie - Sterowanie prądowe - prąd bazy kontroluje prąd kolektora.

Transkonduktancja - zależna od budowy

Napięcie nasycenia - Niskie, około 0,1 V.

Napięcie maksymalne - Wysokie, około 200 V

Szumy - Więcej niż w tranzystorach polowych.

Zastosowania - Wykorzystywane jako wzmacniacze sygnału i przełączniki w różnych układach analogowych i cyfrowych.

             **Tranzystory polowe**

Budowa - Symetryczna, składa się z bramy, źródła i drenu (GSD).

Sterowanie napięciowe - napięcie bramy kontroluje prąd drenu.

Transkonduktancja - Zależy od rozmiarów struktury, ruchliwości nośników i właściwości dielektryka.

Napięcie nasycenia - Wyższe, kilka V
Napięcie maksymalne - Zazwyczaj mniejsze, kilkadziesiąt V.

Szumy - Mniej niż w tranzystorach bipolarnych.

Zastosowanie - Stosowane głównie jako wzmacniacze i przełączniki w układach cyfrowych, ze względu na swoje właściwości sterowania napięciowego i mniejszy pobór energii.

Question 3

43. Tranzystory polowe - systematyka, budowa i zastosowania. Porównanie podstawowych parametrów tranzystorów bipolarnych i polowych oraz wynikających z nich możliwości zastosowania.

Answer 3

Tranzystor polowy (JFET i MOSFET) – składają się z trzech warstw: źródła (source), drenu (drain) oraz bramki (gate).
JFETy (sterowane przez napięcie przyłożone do złącza pn) są preferowane w zastosowaniach wymagających niskich szumów i wysokiej impedancji wejściowej.
MOSFETy (sterowane przez napięcie przyłożone do izolowanej bramki) dominują w układach cyfrowych i aplikacjach wymagających szybkiego przełączania oraz wysokiej wydajności energetycznej.

Budowa - Symetryczna, składa się z bramy, źródła i drenu (GSD).

Sterowanie napięciowe - napięcie bramy kontroluje prąd drenu.

Transkonduktancja - Zależy od rozmiarów struktury, ruchliwości nośników i właściwości dielektryka.

Napięcie nasycenia - Wyższe, kilka V
Napięcie maksymalne - Zazwyczaj mniejsze, kilkadziesiąt V.

Szumy - Mniej niż w tranzystorach bipolarnych.

Zastosowanie - Stosowane głównie jako wzmacniacze i przełączniki w układach cyfrowych, ze względu na swoje właściwości sterowania napięciowego i mniejszy pobór energii.

Tranzystory Bipolarne

Budowa - Asymetryczna, składa się z trzech złącz: kolektora, bazy i emitera (CBE).

Sterowanie - Sterowanie prądowe - prąd bazy kontroluje prąd kolektora.

Transkonduktancja - zależna od budowy

Napięcie nasycenia - Niskie, około 0,1 V.

Napięcie maksymalne - Wysokie, około 200 V

Szumy - Więcej niż w tranzystorach polowych.

Zastosowania - Wykorzystywane jako wzmacniacze sygnału i przełączniki w różnych układach analogowych i cyfrowych.

Question 4

44. Typy sieci neuronowych i ich zastosowania.

Answer 4

• Sieci jednokierunkowe (Feedforward Neural Networks):
  o Składają się z warstw neuronów, gdzie sygnał przepływa tylko w jednym kierunku: od warstwy wejściowej, przez warstwy ukryte, do warstwy wyjściowej.
  o Zastosowania: rozpoznawanie wzorców, klasyfikacja danych, predykcja szeregów czasowych.
• Sieci rekurencyjne (Recurrent Neural Networks - RNNs):
  o Posiadają przynajmniej jedno sprzężenie zwrotne, co pozwala na pamiętanie poprzednich informacji i uwzględnianie ich w przetwarzaniu.
  o Zastosowania: analiza sekwencji danych, tłumaczenie maszynowe, generowanie tekstu, analiza danych czasowych.
• Sieci komórkowe (Cellular Neural Networks):
  o Elementy przetwarzające mają sprzężenia wzajemne tylko z najbliższymi sąsiadami, co pozwala na lokalne przetwarzanie informacji.
  o Zastosowania: przetwarzanie obrazów, rozpoznawanie wzorców w dynamicznie zmieniających się środowiskach.

Zastosowania sieci neuronowych:
* Rozpoznawanie i klasyfikacja wzorców.
* Predykcja szeregów czasowych.
* Analiza danych statystycznych.
* Odszumianie i kompresja dźwięku oraz obrazu.
* Sterowanie i automatyzacja.

Każdy rodzaj sieci neuronowej ma swoje specyficzne zastosowania, które wynikają z ich struktury i sposobu przetwarzania danych.

Sieci neuronowe są wykorzystywane w wielu dziedzinach, od rozpoznawania obrazów po sterowanie zaawansowanymi procesami przemysłowym.

Question 5

45. Układy MMIC - zarys budowy, wykorzystane w ich konstrukcji przyrządy półprzewodnikowe, zastosowania.

Answer 5

Układy MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits):

Budowa:
* Układy MMIC są monolitycznymi układami scalonymi, gdzie na jednym chipie łączone są elementy aktywne (tranzystory) oraz bierne (rezystory, kondensatory, cewki).

• Materiały konstrukcyjne najczęściej używane to krzem i arsenek galu.
• W konstrukcji wykorzystuje się tranzystory polowe ze złączem m-s (MESFET) oraz tranzystory HEMT (High Electron Mobility Transistor).
• Dodatkowo stosuje się diody półprzewodnikowe oraz mikropaskowe linie transmisyjne.

Zastosowania:
* Stosowane są głównie w technice mikrofalowej, obsługując sygnały o częstotliwości od 300 MHz do 300 GHz.
* Zastosowania obejmują: mieszacze (mixery), wzmacniacze mocy, niskoszumne wzmacniacze, przełączniki wysokiej częstotliwości, oscylatory, oraz rozproszone linie przesyłowe.

Układy MMIC są kluczowe w zaawansowanych aplikacjach telekomunikacyjnych oraz technice mikrofalowej, gdzie wysokie częstotliwości i wymagania dotyczące małych rozmiarów są kluczowe.

Question 6

46. Układy scalone - cele i zalety integracji układów, rodzaje technologii układów scalonych.

Answer 6

Cele i zalety integracji układów scalonych:

• Miniaturyzacja sprzętu elektronicznego: Układy scalone pozwalają umieścić dużą liczbę elementów na małej powierzchni, co znacznie redukuje rozmiary urządzeń.
• Wzrost niezawodności: Integracja elementów na jednym chipie zmniejsza liczbę połączeń między nimi, co redukuje ryzyko uszkodzeń mechanicznych oraz problemów związanych z jakością połączeń.
• Ekonomia: Produkcja układów scalonych masowo jest tańsza niż produkcja i montaż wielu pojedynczych elementów.
• Zwiększenie szybkości działania: Krótsze połączenia między elementami na chipie prowadzą do szybszej transmisji sygnałów.

Rodzaje technologii układów scalonych:

• Monolityczne: Wszystkie elementy (aktywne i bierne) są wykonane w monokrystalicznej strukturze półprzewodnika.
  Jest to najbardziej powszechna technologia z powodu niskiego kosztu produkcji masowej.
• Hybrydowe: Na izolacyjnej płytce nanoszone są warstwy przewodzące i rezystywne, które są następnie wytrawiane, tworząc układ połączeń elektrycznych i rezystorów.
  Technologia hybrydowa jest stosowana w zastosowaniach specjalnych, małoseryjnych i wymagających dużej niezawodności.

Podział ze względu na grubość warstw:
* Cienkowarstwowe (1 um)
* Grubowarstwowe (1-50 um)

Podział ze względu na technologię wytwarzania:

• TTL (Transistor-Transistor Logic) – elementy diodowe zastąpiono bipolarnymi tranzystorami wieloemiterowymi (najpopularniejsza obecnie).
• MOS (Metal-Oxide-Semiconductor)– wykorzystujące tranzystory unipolarne z kanałem typu P (PMSO) i z kanałem typu N (NMOS).
  W technice PMOS i NMOS wykonuje się układy MSI i LSI zawierające całe bloki funkcyjne.
• CMOS (Complementary MOS) – wykorzystujące unipolarne tranzystory komplementarne (również popularna jak TTL)
• ECL (Emiter-Coupled Logic) – najszybsze układy wykorzystujące tranzystory bipolarne.
• CTD (Charge Transfer Device) – oparte na technologii MOS, wykorzystują zjawisko magazynowania i transportu ładunku, reprezentującego informacje, stosowane do budowy pamięci półprzewodnikowych.
• I2L (Integrated Injection Logic) – wykorzystujące tranzystory bipolarne, charakteryzują się dużą gęstością upakowania w strukturze scalonej.

Question 7

47. Wpływ dołączenia przyrządu pomiarowego na wartość mierzonej wielkości. (Problem przedstawić na wybranym przykładzie pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych).

Answer 7

Przyrządy pomiarowe mają wpływ na obwód, do którego są podłączone ze względu na swoje wewnętrzne rezystancje.

W przypadku pomiaru napięcia:

• Woltomierz: Dołączony równolegle do obciążenia.
  Idealnie powinien mieć nieskończenie wysoką rezystancję, aby nie wpływać na obwód mierzony.
  W praktyce jego rezystancja wynosi od kilkudziesięciu kiloohmów do gigaoomów, co może wpłynąć na dokładność pomiaru, szczególnie przy wysokich rezystancjach obciążenia.
• Amperomierz: Dołączony szeregowo z obciążeniem.
  Mierzy prąd płynący przez obciążenie, ale jego własna rezystancja może wpływać na prąd w obwodzie, szczególnie gdy jest ona znacząca w porównaniu do rezystancji obciążenia.
  Idealnie powinien mieć niską rezystancję, aby nie wprowadzać znacznego spadku napięcia i zmian prądu w obwodzie.

Na rysunku a i b
a) przedstawiono układ poprawnego pomiaru napięcia.
Woltomierz jest wpięty równolegle do obciążenia, a więc mierzone jest napięcie na obciążeniu. Amperomierz jednak mierzy prąd obwodu, który przepływa następnie tak przez obciążenie, jak i przez woltomierz.

b) przedstawiono układ poprawnego pomiaru prądu.
Amperomierz jest wpięty szeregowo tylko z obciążeniem, a więc mierzy prąd przez nie przepływający. Woltomierz natomiast mierzy napięcie na szeregowym układzie amperomierz-obciążenie.

Question 8

48. Wpływ temperatury na półprzewodniki i wykorzystanie tego efektu w przyrządach półprzewodnikowych.

Answer 8

Konduktywność (przewodność elektryczna właściwa) półprzewodników jest silnie uzależniona od temperatury.

Główne zjawiska to:
1. Półprzewodniki samoistne:

• Przy wzroście temperatury rośnie prawdopodobieństwo termicznego wzbudzenia elektronów do pasma przewodnictwa, co zwiększa koncentrację nośników prądu.
• Mimo że ruchliwość nośników prądu maleje przy wzroście temperatury, to wzrost koncentracji nośników prądu powoduje, że opór elektryczny półprzewodnika maleje.

2. Półprzewodniki domieszkowane:

• Zależność konduktywności od temperatury dzieli się na trzy zakresy:

 Zakres I (niskie temperatury): Wzrost koncentracji nośników prądu wskutek generacji termicznej par elektron-dziura oraz zjonizowania atomów domieszek.

 Zakres II (średnie temperatury): Stabilizacja koncentracji nośników prądu, gdzie konduktywność zależy od stałej koncentracji nośników pochodzących z domieszek.

 Zakres III (wysokie temperatury): Przewaga generacji termicznej par elektron-dziura, prowadząca do wzrostu koncentracji nośników prądu i wykładniczego wzrostu konduktywności.

Zależności konduktywności różnych rodzajów materiałów w funkcji temperatury, przedstawione w różnych układach. Dla półprzewodników domieszkowanych i samoistnych – zależność σ(1/T), dla materiałów amorficznych ln σ (1/T1/4)

Wykorzystanie tego efektu w przyrządach półprzewodnikowych:

• Termistory: Rezystory półprzewodnikowe, których rezystancja jest silnie zależna od temperatury.
• NTC (Negatice Temperature Coefficient) - TWR<0, czyli rezystancja maleje ze wzrostem temperatury (najczęściej stosowane).
• PTC (Positive Temperature Coefficient) – TWR>0, w ograniczonym zakresie temperatur rezystancja rośnie, gdy rośnie temperatura.
• CTR (Critical Temperature Resistor) – TWR<0 o dużej wartości bezwzględnej w wąskim zakresie temperatur.
  o Wykorzystywane są w układach pomiarowych, stabilizatorach temperatury, układach zabezpieczających obwody elektryczne, układach opóźniających.
• Czujniki temperatury: Wykorzystujące zmiany konduktywności półprzewodników w zależności od temperatury, na przykład tranzystory.

Question 9

49. Wykorzystanie właściwości złączą p-n; omówić na przykładzie różnych typów diod półprzewodnikowych

Answer 9

Złączem PN nazywamy bryłę półprzewodnika utworzoną przez dwa graniczące ze sobą obszary typu P oraz N

W obszarze typu N

• nośnikami większościowymi są elektrony (-).
• Atomy domieszek nazywane są donorami.

W obszarze typu P

• nośnikami większościowymi są dziury (+).
• Atomy domieszek nazywane są akceptorami.

Róże typy diod półprzewodnikowych:

• Dioda prostownicza - zjawisko zmiany szerokości bariery potencjału w zależności od wartości i kierunku przyłożonego napięcia zewnętrznego.

Zbudowana z dwóch warstw półprzewodnika odmiennie domieszkowanych – typu n i typu p. Przewodzi w jednym kierunku od anody do katody. Stosowana jako prostownik prądu.

• Dioda pojemnościowa– zjawisko zmian pojemności warstwy zaporowej złącza PN pod wpływem polaryzacji w kierunku wstecznym.
  Złącze pn spolaryzowane w kierunku zaporowym charakteryzuje pewna pojemność elektryczna, która (nieliniowo) zależy od szerokości obszaru zubożonego. Wykonywane zazwyczaj z krzemu lub arsenku galu.
• Fotodioda – pracuje przy polaryzacji złącza w kierunku wstecznym, przez nieoświetloną fotodiodę przy E=0 płynie prąd ciemny.
  Oświetlenie powoduje generację dodatkowych nośników i wzrost prądu wstecznego.
  Charakteryzuje się dużą szybkością działania (znacznie większa niż fotorezystor).
• Fotoogniwo– pracuje w układzie bez polaryzacji zewnętrznej.
  Oświetlenie złącza powoduje powstanie siły elektromotorycznej.
• Dioda LED – opera się na zjawisku elektroluminescencji, czyli wydzielaniu światła pod wpływem pola elektrycznego w obszarze złącza p-n.
  Emituje światło przy rekombinacji elektronów i dziur w obszarze złącza. Stosowana jako oświetlenie, latarki, sygnalizatory, telewizory.

Question 10

50. Wymienić przykładowe elementy elektroniczne oraz przyrządy półprzewodnikowe i wyjaśnić od czego zależą ich właściwości.

Answer 10

Rezystor - Rezystancja elementu zależy od jego wymiarów geometrycznych
oraz od materiału z jakiego jest wykonany – jego rezystywności, która to z kolei zależna jest od temperatury.
Wpływ na rezystancję R rezystora mają:

• Rodzaj materiału z którego jest wykonany,
• Wymiary,
• Technologia i dokładność produkcji
  temperatura, której wpływ określa TWR (temperaturowy współczynnik rezystancji).

Kondensator– stanowi układ dwóch lub więcej przewodników rozdzielonych od siebie dielektrykiem.
Elementy metaliczne zwane okładkami gromadzą ładunki elektryczne równe co do wartości, lecz o przeciwnych znakach. Cechy które wpływają na ich właściwości:

• Pojemność znamionowa – określa granice w jakich zawiera się pojemność kondensatora
• Napięcie znamionowe– najwyższe napięcie jakie może być doprowadzone w sposób ciągły
• Moc bierna
• Temperaturowy współczynnik pojemności

Cewka – dwukońcówkowy element bierny zdolny do gromadzenia energii w polu magnetycznym, podstawowy parametr to indukcyjność. Dla cewki napięcie jest proporcjonalne do szybkości zmian prądu.

przykładowe przyrządy półprzewodnikowe
Dioda półprzewodnikowa:

• Prostownicza– wykorzystuje kierunek przewodzenia i kierunek zaporowy do prostowania napięcia sinusoidalnego.
• Stabilizacyjna (Zenera) – wykorzystuje zjawisko Zenera, objawia się gwałtownym wzrostem prądu gdy napięcie polaryzujące przekroczy charakterystyczną wartość.
• Pojemnościowa – wykorzystuje pojemność złączową diody, regulacja pojemności przyłożonym napięciem.
• Fotodioda – przy braku polaryzacji oraz oświetleniu zachowuje się jak źródło prądu, do diody podłączone jest napięcie w kierunku zaporowy, dioda pełni rolę rezystora którego opór zależy od oświetlenia.

Tranzystor:

• Bipolarny -wzmacnianie sygnału elektronicznego, charakteryzuje się tym, że niewielki prąd płynący pomiędzy dwiema jego elektrodami (baza i emiterem) steruje większym prądem płynącym między innymi elektrodami (kolektor i emiter).
• Unipolarny –prąd płynie przez półprzewodnik o jednym typie przewodnictwa.
  Prąd wyjściowy jest w nich funkcją napięcia sterującego. Napięcie przyłożone do bramki zmienia przewodnictwo kanału, wpływając w ten sposób na płynący prąd.