Материал: Расчет тонкопленочных элементов (резистора и конденсатора)

Рис. 5. Устройство резонистора

Рис. 6. Ультразвуковая линия задержки: 1 - входной преобразователь; 2 - звукопровод; 3 - выходной преобразователь

1.3.2 Магнетоэлектроника

Магнетоэлектроника - направление функциональной микроэлектроники, связанное с появлением новых магнитных материалов, обладающих малой намагниченностью насыщения, и с разработкой технологических методов получения тонких магнитных пленок.

На перемагничивание тонкопленочного элемента, толщина которого обычно не превышает толщины одного домена, требуется энергии в 10-20 раз и времени в 10-30 раз меньше, чем на перемагничивание ферритового сердечника.

Наибольший интерес представляет использование тонкопленочных металлических магнитных материалов в микроэлектронных запоминающих устройствах (ЗУ), где в качестве элемента памяти применяются тонкие магнитные пленки. Эти пленки позволяют создавать надежные быстродействующие ЗУ с малой мощностью управления. Весьма перспективны устройства, памяти на цилиндрических магнитных доменах. Плотность записи таких устройств достигает 10⁵ бит/см² при скорости обработки информации 310⁶ бит/с. Преимущество этих устройств заключается также в том, что магнитные домены могут составить систему идентичных элементов, реализующих функции логики, памяти и коммутации без нарушения однородности структуры материала носителя информации. Следовательно, кристалл на магнитных доменах является вычислительной средой, на поверхности которой посредством системы внешних аппликаций можно размещать схемы, реализующие различные комбинации логических и переключающих функций и функций памяти.

Применение тонких магнитных пленок в качестве носителей информации основано на том, что они обладают двумя устойчивыми состояниями. Эти состояния пленки обеспечиваются благодаря одноосной магнитной анизотропии - предпочтительной ориентации вектора намагниченности, которая создается в процессе изготовления пленки или при ее последующей термической обработке с помощью внешнего магнитного поля.

Это свойство используется в двух видах интегральной памяти: элементе памяти с плоскими магнитными пленками (рис.7, б) и элементе памяти с электролитическим магнитным покрытием, нанесенным на проволоку (рис.7, в).

Рис. 7. Использование тонких магнитных пленок для элементов памяти ЭВМ: а - петля гистерезиса тонкой магнитной пленки; б - элемент памяти с плоскими магнитными пленками; в - элемент памяти с электролитическим магнитным покрытием, нанесенным на проволоку

При хранении информации пермаллойные элементы намагничены в одном или другом направлении оси легкого намагничивания, которое совпадает с продольным направлением в пленке и является окружностью для проволоки с электролитическим покрытием. При записи ток слов делает направление намагниченности почти совпадающим с направлением оси трудного намагничивания. Ток чисел отклоняет направление намагниченности в ту или другую сторону, так что после прохождения импульсов намагниченность устанавливается в направлении ОЛН.

Третьим типом интегральной памяти на магнитных пленках является плоская проволочная память (рис.8). Ее изготовляют путем электролитического нанесения пленки пермаллоя на медно-бериллиевую проволоку. Прямые параллельные отрезки такой проволоки образуют линии чисел; проводящие ленты, протянутые в поперечном направлении, служат линиями слов. Запоминание осуществляется намагничиванием по окружности пленки, нанесенной электролизом на проволоку, причем это соответствует направлению оси легкого намагничивания, которое устанавливается при электролизе за счет пропускания постоянного тока через проволоку. Ток слов направляет поле по оси проволоки, т.е. в направлении оси трудного намагничивания. Это индуцирует напряжения в линиях чисел, причем небольшие токи чисел направляют поля вдоль оси легкого намагничивания.

Рис .8. Плоская проволочная память

На тонких магнитных пленках могут быть выполнены не только элементы памяти ЭВМ, но также логические микросхемы, магнитные усилители и другие приборы.

Широкие перспективы построения разнообразных функциональных устройств открывают новые материалы - магнитные полупроводники. К ним относятся магнетики, не обладающие металлической природой электропроводности и представляющие собой соединения магнитных и немагнитных элементов. В настоящее время известны такие магнитные полупроводники, как халькогениды европия, халькогенидные шпинели хрома, сильно легированные ферриты (например, железоиттриевый гранат, легированный кремнием) и т.д.

2. Расчет курсовой работы

2.1 Расчет тонкопленочного резистора (ТПР)

Исходными данными для расчета пленочных резисторов являются:

·   номинальное значение сопротивления R =4кОм. =4000Ом.

с допустимой относительной погрешностью g_R (20%)

·   значения рассеиваемой мощности Р =20 mBт=0,02Вт.

·   максимальная рабочая температура T_max =60°С

минимальная рабочая температура Т=-20С;

время работы 10000 ч.;

1. В данном расчете предлагается в качестве материала пленки использовать хром с удельным поверхностным сопротивлением r_s=500 Ом

Рассчитать коэффициент формы К_ф= =4000/500=8 и определить его конструкцию.

1<K_ф<10 рекомендуется резистор прямоугольной формы

. Определить допустимую относительную погрешность коэффициента формы

Полная относительная погрешность ТПР состоит из суммы из суммы относительных погрешностей:

g_R = g_Кф + g_rs + g_Rт + g_Rст+ g_Rк=0,1+0,05+0,0096+0,02+0,02=0, 20

где g_R - относительная погрешность сопротивления (20%=0, 20);

g_Кф - относительная погрешность коэффициента формы (10%=0,1);

g_rs - относительная погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления, не превышает (5%=0,05);

g_Rт=a_R (Т_{мах -} Т₀) = 1,2  (60- (-20)) =0,00012*80=0,0096;

a_{R -} температурный коэффициент сопротивления (для хрома 1,2 );

g_Rст == 2*10000=0,02=2%

 - относительная погрешность старения резистора (для хрома 2);

g_Rк - относительная погрешность переходного сопротивления контактов,равна (2%=0,02).

. Найти относительную погрешность коэффициента формы:

g_Кф = g_R - (g_rs + g_Rт + g_Rст + g_Rк) =0, 20- (0,05+0,0096+0,02+0,02) = 0,15-0,0896=0,104

Если значение g_кф <0, то это значит, что изготовление резистора заданной точности из выбранного материала не возможно. Нужно выбрать другой материал, имеющий другие значения g_Rт, g_Rст,

Расчет резистора прямоугольной формы

1. Определить расчетное значение ширины резистора, которое удовлетворяет условию:

b_расч ³ max (b₀, b_т, b_p),

где b₀ - минимальная ширина резистора, определяемая технологическими ограничениями (100 мкм);

b_p - минимальная ширина резистора, определяемая допустимой мощностью рассеяния, которая рассчитывается по формуле:

b_р=

Ро - максимальная удельная мощность рассеяния для выбранного материала резистора (для хрома 10 мВт/мм=0,01 Вт/мм);

b_т - минимальная ширина резистора, обеспечивающая заданную точность его изготовления, определяемая выражением:

где =10мкм=0,01км абсолютная погрешность линейных размеров резистора.

За расчетное значение b принимаем наибольшее из трех (b₀, b_т, b_p).

2. Определить длину резистора  из выражения:

=500*8=4000мкм=4 мм

2.2 Расчёт тонкоплёночного конденсатора

Рисунок 2. Основные конструкции пленочных конденсаторов

1 подложка, 2 - нижняя обкладка, 3 - диэлектрик, 4 - верхняя обкладка, 5 - вывод верхней обкладки, 6 - вывод нижней обкладки.

а) конденсатор 20-2000 пФ, б) конденсатор 10-90 пФ

Исходными данными для расчёта МДМ-конденсаторов являются:

Номинальное значение ёмкости С=320пФ;

относительная погрешность ёмкости γ_с (15%=0,15)

рабочее напряжение U_р =20В;

максимальная рабочая температура Т_max=60°С;

время работы t =1000 часов;

минимальная рабочая температура Т=-20С;

.        Рассчитываем минимальную толщину диэлектрика из условия электрической прочности:

d_min ≥ K_пр

где K_пр= (2-3) - коэффициент запаса прочности;

Е_пр - электрическая прочность диэлектрика.

Если d_min лежит за пределами (0,1-1) мкм, то следует выбрать другой материал. Оптимальной считается толщина (0,3-0,5) мкм.

2.      Определяем максимальную удельную ёмкость С_{0 max1}, которая обеспечит необходимую электрическую прочность:

С_{0 max1}=εε₀/d_min=

определяем максимальную удельную ёмкость С_{0 max2}, которая обеспечит требуемую точность изготовления конденсатора:

Где

K_ф=L/B - коэффициент формы конденсатора (L и B-размеры обкладки конденсатора. Обычно K_ф =L=B=1, Т.о. K_ф принимается равным единице.); ∆L=10 мкм, абсолютная погрешность линейных размеров конденсатора g_Sдоп - допустимая относительная погрешность активной площади конденсатора, которая определяется как

g_Sдоп=γ_с- (γ_с0+γ_т+γ_ст) =0,15- (0,05+0,008+0,01) =0,08

здесь γ_с0=0,05 относительная погрешность удельной ёмкости, которая характеризует воспроизводимость технологического процесса формирования диэлектрической плёнки и составляет 3-5%;

γ_т - относительная температурная погрешность

γ_т=a_с (Т_max-Т₀) =  (60- (-20)) =0,008

где a_{с -} температурный коэффициент материала диэлектрика;

γ_ст=0,01 относительная погрешность, обусловленная старением диэлектрика γ_ст=a , где a _- коэффициент старения, t-время работы.

γ_ст =

3.      Из двух значений С_{0 max} выбрать наименьшее С_0.

4.      Рассчитываем активную площадь конденсатора:

S=C/C_0max1=_B=_B= L_B/К_ф=0,95/1=0,95мм

5.      Рассчитываем размеры нижней обкладки конденсатора и размеры диэлектрика:

L_н= L_B+2q =0,95+0,4=1,35мм = B_н, L_Д= L_Н+2f =1,35+0,2=1,55 = B_Д

где q - расстояние между краями верхней и нижней обкладки

f - расстояние между краями диэлектрика и нижней обкладки

q=200мкм=0,2мм f=100мкм=0,1мм

Заключение

В ходе выполнения настоящей курсовой работы были произведены расчеты тонкопленочного резистора (ТПР) и тонкопленочного конденсатора, а так же закреплены теоретические знания и практические навыки расчетов по дисциплине "Основы микроэлектроники".

Список литературы

1.      Основы микроэлектроники: учебник / И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь. - Изд.3-е, стер. - СПб.: Лань, 2008. - 383 с (46 экз)

2.      Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: [Учеб. пособие для вузов] / Игорь Павлович Степаненко. - 2-е изд. - М.: Лаб. базовых знаний, 2005. - 488 с.: a-ил. - (Технический университет)

.        Технология материалов микро - и наноэлектроники / Л.В. Кожитов [и др.]. - М.: МИСИС, 2007. - 542с.

.        Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: [Учеб. пособие для вузов] / Петров К.С. - СПб.: Питер, 2003. - 512 с.