По физическим процессам и явлениям

В связи с более низкой температурой протекания процессов в приборах твердотельной электроники, по сравнению с вакуумной электроникой, долговременная надежность и ресурс первых существенно выше вторых. Условно можно выделить основные физические явления и процессы, на основе которых функционирует основная масса твердотельных приборов и интегральных схем.

1.Термоэлектронная эмиссия в твердом теле.

Используется в приборах на основе контакта метал полупроводник и гетеропереходах. Отличительная особенность: проводимость определяется основными носителями заряда, высокое быстродействие. К приборам данного типа относятся: детекторные и смесительные диоды СВЧ- диапазона, импульсные диоды повышенного быстродействия (10^-11 c), параметрические усилители и умножители частоты, быстродействующие выпрямительные диоды с малыми потерями мощности, полевые транзисторы с барьером Шоттки, ИС на основе биполярных транзисторов со встроенным барьером Шоттки (ТТЛШ, И²ЛШ, и так далее), низковольтные стабилитроны, фотоприемники на основе барьера Шоттки.

2. Инжекция и экстракция неравновесных носителей заряда в полупроводниках.

Используется в большинстве приборов с P-N переходами. Выпрямительные и импульсные диоды, биполярный транзистор, двухбазовый диод, тиристоры, симисторы, стабисторы, биполярные ИС (ТТЛ, И²Л, ЭСЛ и другие).

3. Эксклюзия и аккумуляция основных носителей заряда в полупроводниках.

Варикапы на основе P-N перехода (управляемая ёмкость), параметрические усилители и умножители частоты, полевые канальные транзисторы с управляющим P-N переходом и барьером Шоттки, полевые транзисторы со статической индукцией (SIT), полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT).

4. Эффект поля в полупроводниках.

Стационарный эффект поля используется в МДП транзисторах, МДП – варактор (управляемая емкость), распределенный RC – фильтр, МДП ИС (90% СБИС), энергонезависимая память на основе МДОП- структур и структур с плавающим затвором. FLASH, EEPROM. Нестационарный эффект поля используется в приборах с зарядовой связью (ПЗС), аналоговые линии задержки, рекурсивные фильтры, аналоговые процессоры.

5. Ударная ионизация и эффекты сильных полей.

Стабилитроны, туннельные диоды, лавинно–пролетные диоды, диод Ганна, лавинный транзистор, варисторы.

6. Фотоэлектрические явления.

Фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фотоМДП-транзистор, фототиристор, лавинный фотодиод, солнечные элементы, оптроны, фотоПЗС, оптические ЗУ, твердотельный видикон (ФПЗС).

7. Люминесценция.

Светодиоды, лазеры на основе гетеропереходов, индикаторы: жидкокристаллические (ЖКИ), газоразрядные, пленочные, оптроны.

8. Термоэлектрические явления.

Термоэлектрический генератор, термоэлектрический холодильник, терморезисторы, термопары, болометры (измерители СВЧ мощности), пироэлектрические датчики температуры и излучений.

9. Гальваномагнитные явления.

Датчик Холла, магниторезистор, магнитодиод, магнитотранзистор, магнито-тиристор, ОЗУ на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), магнитооптические запоминающие устройства, ЗУ на блоховских линиях.

10. Тензо – пьезо – акустоэлектронные эффекты.

Тензорезисторы, тензодиод, тензотранзистор, полосовые пьезофильтры, трансформаторы, резонаторы, аналоговые линии задержки, усилители на поверхностных акустических волнах, конвольвер, дисперсионные фильтры, аналоговые процессоры.

11. Взаимодействие ядерных излучений с твёрдым телом.

Датчики излучений нейтронов, электронов, протонов, альфа-частиц и гамма-излучений; атомные батареи.

12. Криогенные эффекты (сверхпроводимость).

Криотрон, переходы Джозефсона, логические элементы и память на элементах Джозефсона, сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИД), одноэлектронный транзистор (SET), сверхпроводящие СВЧ- резонаторы и фильтры, криоэлектронные ИК-фотоприемники.

Явления 1-6, используются в монолитных полупроводниковых интегральных схемах. Все перечисленные явления и приборы на их основе реализуются в гибридных ИС.

1.3. Основные цели и содержание микроэлектроники

Термины и определения

Динамично развивающийся рынок интегральной микроэлектроники и электроники широкого назначения оценивался годовым объёмом продаж к началу 2000 г. в 220 и 990 млрд. долларов. При этом рост объема продаж рынка универсальных сверхбольших и ультрабольших интегральных схем (СБИС, УБИС), представленных схемами динамического ОЗУ, микро-контроллерами и микропроцессорами, СБИС с программируемой структурой, составляет 25%, что значительно превышает 8%-ный рост рынка электроники и прирост глобального мирового продукта (4,5%). Более того ожидается, что уже к 2020 г. объём продаж рынка микро- и наноэлектроники превысит триллион долларов и составит свыше 10% полного мирового продукта и далее произойдет прогнозируемое замедление темпов роста. За короткий исторический срок современная микроэлектроника стала одним из важнейших направлений научно-технического прогресса. Общее развитие микроэлектроники основывается на фундаментальных достижениях в ряде смежных областей науки и техники, к которым в первую очередь относятся физика, химия, математика, кибернетика, информатика, точное приборостроение и другие. В этой связи формулировка определения микроэлектроники носит достаточно условный характер.

Микроэлектроника – научно-техническое направление электроники, базирующееся на: элементной базе твердотельной электроники, использующей эффекты физики твердого тела; химии сверхчистых материалов; групповой технологии формирования микроэлементов на основе монокристаллических, поликристаллических, аморфных слоев полупроводников, диэлектриков и металлов с применением субмикронной оптической, электронной, рентгеновской и ионной литографий; автоматизации и интеграции групповой технологии изготовления твердотельных и гибридных интегральных схем; микросхемотехнике и системотехнике, ориентированных на применение универсальных аппаратных и программных средств, решающее задачу создания:

· высоконадёжных,

· экономически выгодных,

· малогабаритных,

· низкоэнергоёмких

электронных устройств и систем.

На наш взгляд, это определение охватывает основное содержание и цели микроэлектроники. Научной задачей микроэлектроники является обеспечение возможности создания сложнейших кибернетических систем для использования в информационных технологиях, при освоении космоса, в области биологии, медицины и так далее.

Экономическая задача микроэлектроники заключается в существенном сокращении потребляемых материалов, трудоёмкости и капитальных вложений в производство электронной аппаратуры и приборов, а также в снижении энергетических затрат при производстве и эксплуатации, то есть в существенном удешевлении выпуска продукции и её использования.

Техническая задача микроэлектроники сводится к сокращению размеров и массы электронной аппаратуры при одновременном увеличении её надёжности и долговечности. Осуществить это можно только за счет минимизации энергетических процессов в электронных схемах. Для решения данной задачи существуют различные пути: уменьшение размеров деталей и элементов, создание новых элементов (полупроводников, активных диэлектриков, ферритов), рациональное размещение элементов, замена навесных соединений печатным монтажом (методами фотолитографии, вакуумным напылением и тому подобными), придания элементам одинаковой формы и размеров (поверхностный монтаж), создание элементов, узлов и целых (интегральных) схем на основе новых принципов пленочной технологии или путем обработки полупроводникового материала – получение твердой схемы.

Исторически возникнув как направление микро-миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры в военной технике, микроэлектроника привела к развитию таких важнейших облас-тей человеческой деятельности, как информатика, автоматика и технология управления [1].

Интегральная микросхема (ИМС) (микросхема) – это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации, имеющее высокую
плотность упаковки электрически соединенных элементов (или эле-
ментов и компонентов); которое с точки зрения требований к испыта-
ниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое
целое.

Элемент – это часть ИМС, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая не может быть выделена как са-
мостоятельное изделие; под электрорадиоэлементом понимают тран-
зистор, диод, резистор, конденсатор и др. Элементы могут выполнять
и более сложные функции, например, логические (логические элементы)
или запоминание информации (элементы памяти).

Компонент –это часть ИМС, реализующая функцию ка-
кого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как
самостоятельное изделие. Компоненты устанавливаются на подложке
микросхемы при выполнении сборочно-монтажных операций. К про-
стым компонентам относятся бескорпусные диоды и транзисторы, спе-
циальные типы конденсаторов, малогабаритные катушки индуктив-
ности и др. Сложные компоненты содержат несколько элементов, на-
пример, диодные сборки.

Плотность упаковки – это отношение числа простых компонентов
и элементов, в том числе содержащихся в составе сложных компонен-
тов, к объему микросхемы без учета объема выводов.

С точки зрения внутреннего устройства микросхема представляет собой совокупность большого числа элементов и компонентов, размещенных на поверхности или в объеме общей диэлектрической или полупроводниковой подложки. Термин «интегральная» отражает конструктивное объединение элементов и компонентов, а также полное или
частичное объединение технологических процессов их изготовления.

При использовании в радиоэлектронной аппаратуре сами ИМС являются элементами, т. е. простейшими неделимыми единицами. В
этом смысле они составляют элементную базу электронной aппa-
ратуры.

Критерием оценки сложности микросхемы, т. е. числа N содержа-
щихся в ней элементов и простых компонентов является степень
интеграции. Она определяется коэффициентом К=lgN, значение ко-
торого округляется до ближайшего большего целого числа. Так, мик-
pocхема первой степенн интеграцнн (К=1) содержит до 10 элемен-
тов и простых компонентов, второй степени интеграции (К=2) -
свыше 10 до 100, третьей степени интеграции (К=3) - свыше 100
до 1000 и т.д. В настоящее время микросхему, содержащую 500 и бо-
лее элементов, изготовленных по биполярной технология, или 1000-и
более элементов, изготовленных по МДП- технологии, называют боль-
шой интегральной микросхемой (БИС). Если число элемепов превы
шает 10 000, то микросхему называют сверхбольшой (СБИС).

Различия в уровне интеграции делят ИС на несколъко категорий: МИС, БИС, СБИС, УБИС (соответственно малые, средние, большие, сверхбольшие и ультрабольшие -
ИС). Практическое использование находят все категории.

МИС реализуют простейшие логические преобразования и обладают универсальностью - даже с помощью одного типа логического элемента (например, И-НЕ) можно построить любое ЦУ (цифровое устройство). В виде СИС выпускаются в готовом виде такие схемы, как малоразрядные регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры и т.п. Номенклатура СИС должна быть более широкой и разнообразной, так как их универсальность снижается. В развитых сериях стандартн
ых ИС насчитываются сотни типов СИС.

С появлением БИС и СБИС схемы с тысячами и даже миллионами логических-
элементов стали размещаться на одном кристалле. При этом проблема снижения универсальности для ИС с жесткой структурой обострилась бы чрезвычай
но - пришлось бы производить огромное число типов ИС при снижении
объема производства каждого из типов. Что непомерно увеличило бы их стоимость, так как высокие затраты на проектирование БИС/СБИС относились бы к небольшому объему их выпуска.

Выход из возникшего противоречия был найден на пути переноса специализации -
микросхем в область программирования. Появились микропроцессоры и БИ-
С/СБИС с программируемой структурой.

Микропроцессор способен выполнять команды, входящие в его систему команд. -
Меняя последовательность команд (программу), можно решать различные -
задачи на одном и том же микропроцессоре. Иначе говоря, в этом случае
структура аппаратных средств не связана с характером решаемой задачи. -
Это обеспечивает микропроцессорам массовое производство с соот-
ветствующим сниженнем стоимости.

В виде БИС/CБИC с программируемой структурой потребителю предлагается кристалл
, содержащий множество логических блоков, межсоединения для которых назначает сам системотехник. Промышленность получает возможность
производить кристаллы массовым тиражом, не адресуясь к отдельным потребителям. Системотехник сам программирует структуру ИС соответст-
венно своему проекту. Разработан целый спектр методов программирования связей
между блоками и злементами кристалла.

Два указанных метода имеют большие различия. Микропроцессоры реализуют
последовательную обработку информации, выполняя большое число отдель-
ных действий, соответствующих командам, что может не обеспечить требуе-
мого быстродействия. В БИС/СБИС с программируемой структурой -
обработка информации происходит без разбиения этого процесса на последовательно
выполняемые элементарные действия. Задача решается в соответствии с заданным алгоритмом, ее характер
определяет структуру устройства. Преобразование данных происходит одно-
временно во многих частях устройства Сложность устройства зависит от
сложности решаемой задачи, чего нет в микропроцессорных системах, где
сложность задачи влияет лишь на программу, а не на аппаратные средства ее
выполнения.

Таким образом, БИС/СБИС с программируемой структурой могут быстрее
решать задачи, сложность которых ограничена уровнем интеграции микро
схем, а микропроцессорные средства – задачи неограниченной сложности, но с меньшим быстродействием. Оба направления открывают новые перспективы дальнейшего улучшения технико-экономических показателей создаваемой на них аппаратуры.

С ростом уровня интеграции ИС в проектировании на их основе все больше
усиливается аспект, который можно назвать интерфейсным проектировани-
ем. Задачей разработки становится составление блоков из субблоков стан-
дартного вида путем правильного их соединення. Успешное проектирование
требует хорошего знания номенклатуры и параметров элементов, узлов и
устройств цифровой аппаратуры и привлечения систем автоматизирован-
ного проектирования (CAПP) для создания сложных систем.

Микросхемотехника (интегральная cxeмотехника ) как одна из основ микроэлектроники охватывает исследования и разработку оптимальных
схем. Многие современные микросхемы являются очень сложными
электронными устройствами, поэтому при их описании и анализе -
используются по меньшей мере два уровня схемотехнического представ-
ления. Первый наиболее детальный уровень
- это электрическая схема. Она определяет электрические соединения элементов (транзис-
торов, диодов резисторов и др.); на этом уровне устанавливается связь,
между электрическими параметрами схемы и параметрами входящих
в нее элементов. Второй уровень - это структурная схема. Она
определяет функциональное соединение отдельных каскадов, описываемых
электрическими cхемами.

По функциональному назначению ИМС подразделяются на
цифровые и аналоговые. Цифровая микросхема предназначена для пре-
образования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискрет-
ной функции. В аналоговых сигналы изменяются по зако
ну непрерывной функции. Самый распространенный тип аналоговых
микросхем – это операционные усилители, аналого- цифровые преобразователи (АЦП) и цифро- аналоговые преобразователи (ЦАП).

Поиск по сайту: