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.
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).