Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Основные этапы развития твердотельной электроники



Глава 1. Приборы твердотельной электроники – элементная база

Микроэлектроники

 

Основные этапы развития твердотельной электроники

 

Твердотельная электроника (ТЭ) - как научная дисциплина охватывает широкий круг вопросов по изучению принципа действия, физическому и математическому моделированию, проектированию, изготовлению и применению активных и пассивных приборов и интегральных схем, работа которых основана на эффектах физики твердого тела.

Условно эра ТЭ отсчитывается с момента появления биполярного транзистора в 1948 г, изобретенного американскими учеными Дж. Бардином, В. Брэттейном и В. Шокли.

Хронология основных этапов развития ТЭ отражена в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Год События
  1947-48                       Теория выпрямления на контакте металл-полупроводник. В. Шоттки. Изобретение биполярного транзистора. В. Шокли, Дж. Бардин, В. Брэттейн. Голография объектов с помощью когерентных излучений. Денис Гарбор. Теория плоскостного P-N перехода. В. Шокли. Канальный полевой транзистор. В. Шокли. Метод зонной очистки. Пфан. P-N-P-N динистор. В. Шокли. Лазерно-мазерный эффект. Н. Басов, А. Прохоров, Ч. Таунс. Кремниевый тиристор. Дж. Молл. Светодиод на основе GaAs. Р. Браунштейн. Разработка маскирования окислом. Разработка метода фотолитографии. Разработка интегральной микросхемы. Дж. Килби и Р. Нойс. Туннельный диод Эсаки. Разработка кремниевого планарного транзистора и РТЛ схемы. Кремниевый симистор или триак. Лавинно-пролетный диод. А. Тагер, В. Рид. Разработка эпитаксиального транзистора и ДТЛ – схемы. Пьезокерамические полосовые фильтры, резонаторы,трансформаторы. Твердотельный лазер на рубине. Т. Мейман. Создание ЭСЛ – схемы. Фирма Моторола. Разработка ТСТЛ ИС. Инжекционный лазер на P-N переходе. Р. Холл. Джозефсоновские переходы (сверхпроводимость). Выпуск ТТЛ ИС фирмой Sylvania и исследование МДП транзистора Хофстейном (фирма RCA). Диод Ганна. Разработка МДП ИС на Р-МДП транзисторах. Аналоговые линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Динамические МДП ИС. ТТЛИС с транзисторами Шоттки. Полевой канальный транзистор с барьером Шоттки. У. Таруи. Разработка КМОП ИС. Гетеролазер. Жорес Алферов. Полосовые дисперсионные фильтры на ПАВ. Приборы с зарядовой связью (ПЗС). В. Бойл, Дж. Смит. Создание ИС памяти на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД). А. Боубек (фирма Bell Lab). Элементы криогенной логики и памяти. Световолокно « Корнинг глас». Создание микропроцессора 4004, содержащего 2250 МОП- транзисторов. М. Хофф, М. Шима (Intel). Выпуск динамических ОЗУ объемом 1 Кбит (Intel).

 

Продолжение таблицы 1.1

 

Год События
            1975-80     Разработка инжекционной интегральной логики (И2Л)- Фирмы IBM и Philips. Ионная имплантация примесей. Разработка 8-разрядного микропроцессора 8080 (Intel). Разработка энергонезависимой памяти на МДП транзисторах. Разработка технологии поверхностного монтажа. Разработка метода электронной литографии. Фирма RCA создала первый микропроцессор на КМОП – структурах. Фирма National Semiconductor объявила о выпуске первого 16 – разрядного однокристального микропроцессора PACE. Акустоэлектронные конвольверы и процессоры аналоговых сигналов. Фото-ПЗС, твердотельный видикон. Разработано динамическое ОЗУ объемом 16 К. Трансверсальные и рекурсивные фильтры на ПЗС, процессоры аналоговых сигналов. Динамическое ОЗУ 64 К. Фирма Intel создала 32-разрядный микропроцессор iAPX 432. Одноэлектронный транзистор (SET). Магнитооптические запоминающие устройства. Динамическое ОЗУ 1 М. СБИС с перепрограммируемой структурой, Altera. Динамическое ОЗУ 128 М, Hitachi. Технология Si-SiGe цифровых СБИС и аналоговых ИС, IBM.

 

 

Ранее электронная промышленность представляла собой отрасль техники, целиком основанную на операциях сборки и позволяющую реализовать весьма сложные функции путем объединения множества элементов в одном изделии. При этом значительная часть прироста стоимости изделий электронной техники была связана с процессом сборки.

Для оценки развития твердотельной электроники и микроэлектроники в последовательности от ИС к БИС и далее к СБИС и УБИС разработаны некоторые теоретические положения, позволяющие осмыслить этот процесс с различных точек зрения.

Исторически сложилось так, что первоначально внимание к ИС привлекли такие их особенности, как малые размеры и масса, а затем развитие техники ИС, позволяющей скопоновать на поверхности кристалла значительное количество элементов, включая межсоединения, постепенно привело к возможности создания БИС, то есть стало возможным не только «повышение экономичности “электронных схем”, но и “улучшение их характеристик”, и “повышение надёжности”.

Развитие техники ИС обуславливает весьма существенные изменения в специфике электронной промышленности. Появление изделий, содержащих также и готовые межсоединения, привело к изменению стоимости производства за счет использования новых средств аппаратного обеспечения, а также к сдвигу линии раздела между уровнем компонентов и уровнем систем. Кроме того, оно открыло путь для “экономичной” реализации более сложных устройств с более эффективными характеристиками.

В связи с этим особое внимание привлекает скорость, с которой происходит научно-техническая революция в области БИС и которая характеризуется законом Мура (ежегодное удвоение степени интеграции до 1980 г. и удвоение за 18 месяцев после 1985 г.). Все эффекты, обусловленные появлением БИС, оказывают настолько большое влияние, что даже сравнительно большие капиталовложения в научно-исследовательские работы (по отношению к производственным задачам) вполне окупаются. Кроме того, резко возрос
объем производства ИС в связи с увеличением спроса,
сопровождающего научно-техническую революцию. На рисунке 1.1
представлены данные об изменениях уровня интеграции БИС,
а также минимальной ширины их соединительных проводников
в период 1970 - 2000 гг. Данные по надежности и экономичности БИС на рисунке 1.1 не приведены, однако, как показывает опыт,
они также улучшаются с ростом интеграции [5].

В качестве факторов, обусловливающих научно-техническую революцию, можно назвать совершенствование технологии процесса изготовления ИС и совершенствование методов их проектирования. Типичным фактором первой группы является совершенствование микротехнологии. Уменьшение размеров полупроводниковых приборов позволяет одновременно добиться как улучшения характеристик ИС, формально определяемого законом пропорциональности размеров, так и улучшения их экономических показателей, связанных с уменьшением площади кристалла.

 

 

Рисунок 1.1 - Динамика развития техники БИС. 1-степень интеграции; 2- минимальные размеры

 

 

Основная масса СБИС предназначена для обработки цифровых, а не аналоговых сигналов. Это обстоятельство обусловлено тем, что СБИС более пригодны для обработки именно цифровых сигналов. Хотя для обработки цифрового сигнала требуются большее количество функциональных узлов и более широкая полоса пропускания сигнала, чем в случае аналогового сигнала, цифровые схемы обладают рядом преимуществ, к числу
которых относятся: 1) возможность построения схемы на однотипных устройствах; 2) возможность создания схем с универсальными функциями; 3) простота запоминания сигнала и т. п. В случае аналоговых сигналов, напротив, схему приходится строить в соответствии с требуемыми от неё функциями и видом обрабатываемого сигнала.

Такие признаки СБИС, как характерная для них ориентация на массовое производство, возможность размещения множества элементов на одном кристалле при хороших экономических показателях, использование универсальных функций за счет органической связи со средствами программного обеспечения, типичной, например, для микропроцессоров, говорят об их выраженной близости к цифровым ИС.

Исходя из требования ориентации на массовое производство СБИС, представляется желательным, чтобы СБИС были по мере возможности универсальными и собственно затраты на их производство составляли значительную часть их стоимости. С другой стороны, если размеры схемы, размещенной на одном кристалле, возрастают и её сложность увеличивается, то кристалл становится структурной единицей, почти равнозначной системе в целом, а систему желательно проектировать по специальным требованиям. Другими словами, требования к СБИС противоречивы: она должна быть и универсальной и специализированной, и способы её реализации зависят от того, какое из этих качеств превалирует.

В качестве СБИС преимущественно универсального характера можно назвать микропроцессоры и ЗУ. В этих СБИС в пределах одного кристалла реализуются функции, общие для различных систем, или же функции, которые могут быть сделаны общими. Методы проектирования и производства в большей степени определяются технологией СБИС. СБИС этого типа изготавливаются крупными сериями, имеют низкую стоимость (в пересчете на одну функцию), и их сбыт происходит в условиях жесткой конкуренции.

Вместе с тем требования к универсальным изделиям не всегда совпадают с требованием к системе и во многих случаях необходимо использовать изделия, специально спроектированные для данной системы. Такие СБИС называются специальными, или заказными.

В зависимости от способа реализации заказные СБИС делятся на собственно заказные и полузаказные. Проектирование собственно заказных СБИС каждый раз производится заново. Следовательно, можно ожидать, что затраты на производство таких СБИС, компонуемых на кристаллах малой площади, обладающих хорошими характеристиками и вполне отвечающих системным требованиям, окажутся вполне удовлетворительными. Однако этапы их проектирования и экспериментального изготовления характеризуются очень большой трудоёмкостью и соответственно большими затратами времени. Полузаказные СБИС более просты в изготовлении; начальные этапы их технологии являются общими, а последующие этапы – различными. К числу СБИС этой группы относятся вентильные матрицы, ПЛМ (программируемые логические матрицы), ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) и т. п. ПЗУ реализуют функцию долговременной памяти и в сочетании с микропроцессором могут реализовать функции, требуемые от системы вцелом. ПЛМ, как известно, несколько напоминают ПЗУ, но в ней производят специализацию исходной структуры с регулярным расположением логических вентилей. Структуры ПЗУ и ПЛМ формируют вплоть до соединительных проводников, а затем производят надлежащие соединения в точках пересечения этих проводников. С другой стороны, изготовление вентильных и транзисторных матриц предусматривает проведение общих технологических процессов вплоть до этапа формирования полупроводниковых приборов на кристалле, а затем формирование надлежащих соединений между ними. В любом случае проектирование подобных полузаказных СБИС, хотя и характеризуется небольшим числом степеней свободы, предполагает незначительные первоначальные капиталовложения, и период от завершения процесса проектирования до получения готовых изделий сравнительно невелик. Ввиду регулярного характера структуры её проектирование может вестись машинными методами, т.е. с применением ЭВМ. С другой стороны, проектирование заказных СБИС позволяет получить гораздо лучшие результаты, чем проектирование полузаказных, в первую очередь в отношении электрических характеристик схемы, площади кристалла и т.п. Однако время проектирования при этом возрастает и к методам машинного проектирования СБИС предъявляются более высокие требования. В таблице 1.2 указаны некоторые особенности СБИС, обусловленные их специализацией.

 

Таблица 1.2 - Методы специализации СБИС

 

Классы СБИС Метод специа- лизации Возможность использования существующих приборов, длительность периода проектирования Стоимость Технические характеристики
Универса- льные СБИС (микропро- цессоры и т. д.) В микропроцессорах с использованием средств программного обеспечения Возможно использование существующих полупроводниковых приборов. Средства программного обеспечения - индивидуальные Низкая стоимость средств аппаратного обеспечения Значительные затраты на средства программного обеспечения На уровне средних

 

 

Продолжение таблицы 1.2

      Первоначаль-ные затраты Стоимость производства  
  Полузаказ-ные ПЗУ, ПЛМ Общий процесс- до уровня соединительных проводников Специализация- за счет соединений в точках пересечения   Возможность быстрого изготовления         Низкие     Средняя     Средние
Транзистор-ные матрицы Вентильные матрицы Реконфигу-рируемые СБИС Размещение транзисторов- стандартное Специализация – на уровне межсоединений Перепрограммируемая структура системы
    Заказные Специализация – с уровня размещения транзисторов Длительный период проектирования и создания опытных образцов     Высокие     Низкая     Высокие

 

Способ реализации СБИС обычно выбирают в соответствии с назначением устройства, в котором она будет применена. Исходя лишь из соображений стоимости, можно считать, что при больших объемах производства этого устройства наиболее эффективно проектировать собственно заказные БИС с малой
площадью кристалла, при средних объемах - полузаказные
БИС, характеризующиеся низкими первоначальными затратами, а при малых объемах более низкие стоимостные показателя будут получены при использовании стандартных потребительских БИC. Однако это чисто теоретические соображения, и на прак
тике решение принимается в целом с учетом и других показа-
телей, а не только стоимости. Так, например, один из методов
организация производства предполагает использование на пер-
вом этапе производства данного изделия (в целях ускорения его
создания) стандартных БИС, а затем по достижении заданного
объема производства - полузаказных и заказных БИС. Такой
подход, видимо, можно считать вполне целесообразным с точки
зрения как стоимости, так и времени проектирования

 

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.