Материал курса "Интегральные устройства радиоэлектроники"

Какие бывают интегральные устройства РЭ и как их использовать

Интегральные устройства радиоэлектроники: ГОС.

Основные структуры полупроводниковых интегральных схем (ИС); структуры биполярных ИС, структуры ИС на полевых транзисторах; структуры сверхбольших ИС на полупроводниках группы А^IIIВ^V; элементы Джозефсона; элементы интегральной оптики; лазерные источники в интегральной оптике; акустооптическое взаимодействие и устройства на его основе; типы акустических поверхностных волн; устройства для обработки сигналов: линии задержки, резонаторы, фильтры, ответвители

Составил: Налькин М.Е.

Общий объем 72 ч (36 лекций).

План курса

1 Основные положения, принципы и направления микроэлектроники

1.1 Этапы миниатюризации элементов электронной аппаратуры

1.2 Терминология по микроэлектронике

1.3 Классификация и общая характеристика изделий микроэлектроники

2 Гибридные интегральные схемы

2.1 Конструктивные особенности тонкопленочных и толстопленочных ГИС

2.2 Методы получения толстых пленок

2.3 Методы получения тонких пленок

2.4 Методы получения конфигураций тонкопленочных структур

2.5 Ограничения, накладываемые тонкопленочной технологией

2.6 Реализация и основные параметры пленочных резисторов

2.7 Реализация и основные параметры пленочных конденсаторов

2.8 Реализация и основные параметры индуктивностей

2.9 Монтаж навесных компонентов ГИС

2.10. Основные принципы разработки и этапы проектирования ГИС.

3 Полупроводниковые (монолитные) интегральные схемы

3.1 Типовые структуры монолитных ИС

3.2 Реализация и основные параметры диодов

3.3 Реализация и основные параметры резисторов

3.4 Реализация и основные параметры конденсаторов

3.5 Разновидности транзисторных структур для построения ИС

3.6 Планарно-эпитаксиальные транзисторы

3.7 Биполярные транзисторы с барьером Шотки

3.8 Транзисторные структуры с инжекционным питанием

3.8 Многоэмиттерные транзисторы

3.9 Транзисторы на основе структуры МДП и КМДП

4 Основы применения ИМС

Корпуса ИМС

Требования по монтажу ИМС

5 Особенности микросхем диапазона СВЧ

ГИС СВЧ на сосредоточенных элементах

Распределенные элементы ГИС СВЧ

Монолитные микросхемы СВЧ

Объемные интегральные схемы СВЧ

6 Особенности быстродействующих цифровых ИС и ИС с высокой степенью интеграции

Пути и проблемы повышения быстродействия цифровых ИС

Технология и САПР СБИС

7 Оценки качества, надежности и стоимости изделий микроэлектроники

Понятие качества и критерии оценки качества ИС

Понятие надежности и критерии оценки надежности ИС

Производственный контроль качества и надежности ИС

Понятие стоимости ИС, удельной стоимости, основные факторы, влияющие на стоимость

8 Элементы функциональной микроэлектроники

Элементы и устройства интегральной оптики

Акустоэлектрические преобразователи

Диэлектрическая электроника

Датчики на основе эффекта Холла

Химические элементы в электронике

Элементы Джозефсона

Биоэлектроника

Полупроводниковые структуры типа КНС

Полупроводниковые структуры на основе алмаза

______________________________________________________________________

1 Основные положения, принципы и направления микроэлектроники

1.1 Этапы миниатюризации элементов электронной аппаратуры

Современные радиосистемы характеризуются высокой функцилнальной сложностью и большим числом компонентов, входящих в их состав, что приводит к высоким требованиям по надежности как самих элементов, так и соединений между ними (радиотехника – наука о контактах!). Кроме того, важно обеспечить снижение массы, габаритов, снизить потребляемую мощность и стоимость. Эти задачи решаются применением современной элементной базы микроэлектроники.

Микроэлектроника – область электроники, охватывающая проблемы исследования, разработки, изготовления и применения микроэлектронных изделий. Основной отличительной чертой микроэлектроники является интеграция: технологическая (использование групповых методов изготовления), конструктивная (объединение элементов на одной подложке), научно-техническая (использование достижений, полученных на стыке наук).

Первые значительные успехи в миниатюризации РЭА были достигнуты в 50 – 60-е годы 20 в. всвязи с переходом от вакуумных на твердотельные активные приборы и внедрением технологии печатного монтажа. Это позволило перейти на модульный принцип построения сложных систем. Модули являлись первичными элементами электронных устройств и выполнялись как типовые унифицированные функциональные узлы. Элементная база модулей представляла собой дискретные корпусные элементы (транзисторы, диоды, резисторы, и т.п.).

Следующим этапом был переход на микромодули. Микромодули имели стандартную конструкцию независимо от входящих в него элементов и схемы соединений. Микромодули выполнялись на керамических микроплатах, установленных в несколько этажей. Межплатные соединения обеспечиваются жесткими проводниками, которые монтируются по периметру плат. На микроплатах монтируются микроэлементы, соединяемые печатными проводниками. После сборки микромодуль герметизируется эпоксидным компаундом.

Первые разработки интегральных микросхем относятся к 1958 – 1960 гг. В 1961 – 1963 гг. начали серийно выпускаться первые простейшие пленочные микросхемы. Проблемы, связанные с разработкой стабильных активных пленочных элементов, привели к преимущественному использованию гибридных интегральных схем, в которых пассивные элементы выполняются по пленочной технологии, а активные – на полупроводниковых кристаллах, которые монтируются на подложку. Первая половина 60-х гг. считается датой рождения микроэлектроники. Выпускаемые в это время микросхемы характеризуются степенью интеграции 10 – 100 элементов/кристалл, минимальным размером элемента порядка 100 мкм.

Второй этап относится ко второй половине 1960-х гг. и характеризуется степенью интеграции 100 – 10000 элементов/кристалл с минимальным размером элемента порядка 3 мкм. С первой половины 1970-х гг. осваивается производство БИС.

Третий этап, относимый ко второй половине 1970-х гг., характеризуется разработкой микросхем со степенью интеграции 10 тыс. – 1 млн элементов/кристалл и минимальным размером элементов 1 – 0.1 мкм. В этот период интенсивно разрабатываются СБИС и микропроцессоры.

Дальнейшее развитие микроэлектроники характеризуется все большим использованием цифровых методов обработки данных, всвязи с чем растет быстродействие, степень интеграции, надежность, снижается стоимость цифровых микросхем. Также увеличивается роль устройств функциональной электроники.

В настоящее время характерно достижение предельных характеристик по степени интеграции и достигаемому быстродействию цифровых микросхем, широкое использование микросборок, интенсивное развитие технологии монолитных ИС для СВЧ диапазона, усиление роли устройств оптической- и акустоэлектроники.

1.2 Принятая терминилогия по микроэлектронике в соответствии с ГОСТ

Микросхема – микроэлектронное изделие, имеющее эквивалентную плотность монтажа не менее пяти элементов в одном кубическом сантиметре объема, занимаемого схемой, и рассматриваемое как единое конструктивное целое.

Интегральная микросхема (ИМС) – микросхема, все или часть элементов которой нераздельно связаны и электрически соединены между собой так, что устройство рассматривается как единое целое.

Полупроводниковая ИМС – ИМС, элементы которой выполнены в объеме и (или) на поверхности полупроводникового материала.

Пленочная ИМС – ИМС, элементы которой выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлектрического материала.

Тонкопленочная ИМС – пленочная ИМС с толщиной пленок до 1 мкм.

Гибридная интегральная микросхема – ИМС, часть элементов которой имеет самостоятельное конструктивное исполнение.

Микросборка – микросхема, состоящая из различных элементов и (или) интегральных микросхем, которые имеют конструктивное оформление и могут быть испытаны до сборки и монтажа.

Подложка ИС – основание, на поверхности или в объеме которого формируются элементы ИМС.

Базовый кристалл – подложка из полупроводникового материала с набором сформированных в ней не соединенных между собой элементов, используемая для создания ИМС путем изготовления избирательных внутрисхемных соединений.

Эпитаксия – процесс выращивания слоев с упорядоченной кристаллической структурой путем реализации ориентирующего действия подложки.

Маска – трафарет, обеспечивающий избирательную защиту отдельных участков подложки при технологической обработке.

Элемент ИМС – часть ИМС, реализующая функции какого-либо радиоэлемента, выполненная нераздельно от кристалла или подложки. Элемент не может быть отделен от ИМС как самостоятельное изделие.

Компонент ИМС - часть ИМС, реализующая функции какого-либо радиоэлемента, и являющейся перед монтажом самостоятельным изделием в специальной упаковке.