Особенности и перспективы развития интегральных схем.

Особенности ИМС.

Как уже отмечалось, интегральная схема относится к разряду электронных приборов, поскольку она, как транзистор, диод и др., представляет единое целое, выполняет определенную функцию и должна удовлетворять определенным требованиям при поставках и эксплуатации. Однако ИМС является качественно новым типом прибора (по сравнению с транзистором), обладающих рядом важных особенностей [1]:

- 1. Главная особенность – она самостоятельно может выполнять законченную, часто очень сложную функцию: она может быть усилителем, запоминающим устройством, даже – микропроцессором. Транзистор же может выполнять какие-либо функции (усиления, генерации, запоминания и т.д.) только в составе собранной (спаянной) схемы (иногда очень сложной), включающей в себя другие компоненты (резисторы, конденсаторы, и др.).

- 2. Повышение функциональной сложности этого прибора (по сравнению с дискретными) не приводит к ухудшению основных показателей – надежности, сложности и др. Более того, все эти показатели улучшаются.

-  3. В ИМС отдается предпочтение активным элементам перед пассивными. В дискретной электронике, наоборот, оптимален вариант схемы при минимальном количестве активных элементов (транзисторов), т. к. транзистор является наиболее дорогим компонентом схемы. В ИМС задается стоимость кристалла, а не компонента. Поэтому выгоднее размещать на кристалле (чипе) больше элементов с минимальной площадью. Активные элементы в ИМС минимальную площадь, пассивные (резисторы) – максимальную. Поэтому в ИМС стараются свести к минимуму количество резисторов и их номиналы.

- 4. Параметры смежных элементов взаимосвязаны (коррелированны). Эта корреляция сохраняется и при изменении температуры, т. к. у смежных элементов температурные коэффициенты параметров (например, ТКН, b(t), I₀(t) и др.) практически одинаковы. Эта особенность обусловлена близостью расположения: смежных элементов друг от друга расположены, не дали 50¸100 мкм. На таких малых расстояниях различия электрофизических свойств материала маловероятны (исходные пластины изготовляются однородными). Значит маловероятен и значительный разброс параметров смежных элементов.

- 5. В ИМС не используют индуктивности, т. к. индуктивности занимают большую площадь на кристалле.

- 6. В ИМС по той же причине ограничено применение конденсаторов. В пастве конденсаторов (емкостей) используют барьерные емкости p – n переходов.

 

Перспективы развития.

Как уже указывалось, фотолитография исчерпала свои возможности из-за волновых свойств света (дифракции). Дальнейшее уменьшение размеров элементов обеспечивает рентгенолитография и электронная литография. Но и они имеют ограничения, обусловленные тем, что происходит существенные разупорядочение материалов за пределами окон фоторезиста. По прогнозам к 2010¸2015 развитие микроэлектроники достигнет вершин своего развития. Степень интеграции N при этом достигнет 20¸30 миллионов и более. Что же далее? Далее по прогнозам специалистов на схему микроэлектронике прейдет наноэлектроника [1]. Уже разработаны нанотехнологические установки, при помощи которых можно «сортировать» атомы: удалять атомы, заменять атомы, формировать из атомов трехмерные элементы. При этом создаются квантовые проводники с поперечными размера порядка 20Å (ангстрем), в которых, кроме всего прочего, еще значительно сокращается расстояние энергии и, следовательно, резко увеличивается быстродействие. Например, изготовленный по нанотехнологии полевой транзистор (с размерами в пределах 40¸80 нм) имеет быстродействие терагерцовом диапазоне (1 ТГц = 10¹² Гц). Уже в ближайшие годы будет достигнута сверхвысокая плотность записи информации – 10¹² бит/см², а длительность фронта изменения электрического сигнала будет достигать 10^-14 с [1]. По оценкам специалистов уже к 2005 году удастся разработать технологические установки, обеспечивающие «сборку» атомов со скоростью в один кубический дециметр вещества в час.

 

Другие альтернативы микроэлектроники.

Одновременно с развитием микроэлектроники постоянно велись и ведутся исследования по созданию альтернативной базы. Уже шесть лет предсказывается, что на смену микроэлектронике прейдет функциональная электроника, оптоэлектроника, квантовая электроника и биоэлектроника. Во всех этих направлениях к настоящему времени достигнуты обнадеживающие результаты. Но ни в одном из упомянутых направлений не создано технологической базы, обеспечивающей экономически конкурентное производство высоконадежной элементной базы [1]. Ведь бурное развитие микроэлектроники обусловлено именно высокоэффективными технологиями.  

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М.; Советское paдио, 1980.

2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1973.

3. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987.

4. Ситник Н.Х., Шурупов Г.Н. Силовые кремниевые вентильные блоки. М.: Энергия, 1972.

5. Полупроводниковые приборы: Справочник / Под ред. Н.Н. Горюнова. М.: Энергоатомиздат, 1985.

 ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение ………………………………………………………………………. 3
Развитие электроники ………………………………………………………... 3
Основные свойства электронных приборов ………………………………... 6
Глава 1. Физические основы проводимости полупроводников …………… 7
1.1. Общие сведения о полупроводниковых материалах ………………….. 7
1.1.1. Энергетические зонные диаграммы кристаллов …………………….. 8
1.1.2. Прохождение тока через металлы ………………………………… 10
1.2. Собственная проводимость полупроводников ……………………… 10
1.3. Примесная проводимость полупроводников …………………………. 13
1.3.1. Электронная проводимость.Полупроводник n -типа ……………….. 14
1.3.2. Дырочная проводимость. Полупроводник p -типа ………………… 17
1.4. Однородный и неоднородный полупроводник ………………………. 20
1.5. Неравновееная концентрация носителей ……………………………... 21
1.6. Прохождение тока через полупроводники …………………………… 22
1.7. Уточнение понятий "собственные" и "примесные" полупроводники 24
Глава 2. Количественные соотношения в физике полупроводников ……. 25
2.1. Распределение Ферми. Плотность квантовых состояний …………… 25
2.2. Функция распределения Ферми – Дирака …………………………..… 25
2.3. Плотность квантовых состояний ……………………………………… 26
2.4. Концентрация носителей в зонах ……………………………………… 26
2.5. Собственный полупроводник ………………………………………….. 28
2.6. Примесный полупроводник. Смещение уровня Ферми …………….. 30
Глава 3. Электронно-дырочный переход ………………………………….. 32
3.1. Образование и их свойства р-п перехода.………………………… 33
3.1.1. Виды р-п переходов …………………………………………….…….. 34
3.1.2. Потенциальный барьер ……………………………………………… 35
3.1.3. Токи р-п перехода в равновесии …………………………………..… 36
3.1.4. Электронно-дырочный переход при внешнем смещении ……….… 38
3.2. Вольт-амперная характеристика p - n перехода …………………...… 41
3.3. Влияние температуры на характеристику и свойства р-п- перехода... 47
3.4. Емкость р-п перехода …………………………………………………... 48
Глава 4. Полупроводниковые диоды ………………………………………. 49
4.1. Диоды ……………………………………………………………………. 49
4.1.1. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода …………………...… 49
4.1.2. Параметры диода ……………………………………………………... 52
4.2. Разновидности диодов ……………………………………………….… 53
4.2.1. Выпрямительные и силовые диоды ……………………………….… 55
4.2.2. Тепловой расчет полупроводниковых приборов …………………... 57
4.2.3. Кремниевые стабилитроны (опорные диоды) ……………………… 58
4.2.4. Импульсные диоды ………………………………………………...… 60
4.2.5. Туннельные и обращенные диоды ………………………………… 62
4.2.6. Варикапы ……………………………………………………………… 65
4.4. Обозначение (маркировка) маломощных диодов ………………….… 71
Глава 5. Биполярный бездрейфовый транзистор ……………………….… 3
5.1. Устройство и принцип действия …………………………………….… 3
5.2. Основные соотношения для токов. Коэффициент передачи токов.… 8
5.2.1. Возможность усиления тока транзистором ………………………… 9
5.3. Три схемы включения транзистора …………………………………… 10
5.4. Статические характеристики транзистора ……………………………. 13
5.5. Предельные режимы (параметры) по постоянному току транзистора 18
5.6. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы транзистора... 19
5.6.1. Зависимость внутренних параметров транзистора от

режима и от температуры …………………………………………………... 23
5.6.2. Четырехполюсные h -параметры транзистора и

эквивалентная схема с h -параметрами.………………………...………….. 25

5.6.2.1. Определение h -параметров по статическим характеристикам..… 29
5.6.2.2. Связь между внутренними параметрами и h -параметрами ……… 30
5.7. Частотные свойства транзисторов. Дрейфовый транзистор ………… 32
5.7.1. Частотно-зависимые параметры …………………………………..… 32
5.7.2. Дрейфовый транзистор ……………………………………………... 35
Глава 6. Полевые (униполярные) транзисторы ………………………… 37
6.1. Унитрон ………………………………………...……………………… 38
6.2. МОП-транзистор …………………………………………………….… 41
6.2.1. МОП-транзистор со встроенным каналом ………………………… 41
6.2.2. МОП-транзистор с индуцированным каналом n -типа ………….… 43
6.3. Параметры и эквивалентная схема полевого транзистора ……….… 44

6.4. Обозначение (маркировка) и типы выпускаемых транзисторов...… 47
Глава 7. Тиристоры ……………………………………………………...… 49
7.1. Устройство и принцип действия тиристоров ……………………….. 50
7.2. Закрытое и открытое состояние тиристора ………………………….. 52
7.2.1. Закрытое состояние тиристора (ключ отключен) ………………… 52
7.2.2. Открытое состояние тиристора (ключ включен) …………………. 53
7.3. Включение и выключение тиристора ………………………………... 54
7.4. Параметры тиристора …………………………………………………. 57
7.5. Типы и обозначения силовых тиристоров …………………………... 59

Глава 8. Интегральные микросхемы ……………………………………… 61
Библиографический список ……………………………………………….. 78