2. Виконання роботи
1. Використовуючи оптичний мікроскоп типа МБС-10 зобразити зовнішній вигляд мікросхем запропонованих викладачем.
2. Визначити технологічні розміри конструктивних елементів мікросхем.
3. На підставі даних одержаних в пункті 2 оцінити основні електричні параметри мікросхем (паразитні місткості між струмопровідними доріжками, значення максимально допустимих прямих струмів і т.д.)
4. Класифікувати досліджені напівпровідникові мікросхеми по їх конструктивному виконанню.
3. Контрольні питання
1. Перерахувати основні етапи виробництва інтегральних схем.
2. Перерахувати матеріали вживані для виготовлення ІМС.
3. Дати опис типової конструкції ІМС.
Лабораторна робота № 4 Фізичні обмеження на зменшення розмірів іс
Мета: вивчення питання збільшення ступеня інтеграції, що зводиться до зменшення розмірів елементів конструкції ІС.
Теоретична частина Перед мікроелектронікою стоять задачі:
1. Підвищувати якість виробів, що вже випускаються, – надійність, зниження вартості, зростання % виходу.
2. Удосконалювати параметри виробів.
Для цього потрібно:
Збільшувати ступінь інтеграції
Збільшувати швидкодію
Знижувати розсіювану потужність
Це дозволить збільшити об'єм оброблюваної інформації.
Найважливіше питання – збільшення ступеня інтеграції, що зводиться до зменшення розмірів елементів конструкції ІС.
Існує два види обмежень :
а) фізичні
б) технологічні
4.1. Мінімально допустимі напруги і струми в ІС.
При фіксованій напрузі мінімальний розмір елемента (товщина діелектрика підзатвора, товщина збідненого шару, товщина бази і т.п.) визначається пробоєм матеріалу. Пробивна напруженість поля фіксована 100 –1000 кВ/см . Бажано знижувати напругу, прикладену до елемента ІС.
Може грати роль дрейф порогової напруги транзистора. Але це усунена неприємність. Стабілізація технологічного процесу може зробити дрейф Uпорог скільки завгодно малим. неусувними є теплові флуктуації.
Знайдемо мінімально допустиму напругу живлення напівпровідникової ІС.
Хай E енергія, яку носії заряду повинні подолати, щоб перемкнути ланцюг (відкрити транзистор, перемкнути стан трігера і т.п.). Покладемо, що E=eU, де U – напруга джерела живлення схеми.
Носії заряду знаходяться в тепловому русі.
Вірогідність того, що вони наберуть в процесі теплового руху енергію En, визначається розподілом Гиббса :
(*)
Покладемо, приблизно, що стан з En = 0 здійснюється з вірогідністю, рівній одиниці. Тому An = 1
Таким чином, вірогідність, того, що ланцюг перемкнеться в результаті теплового руху :
при T = 300 К одержуємо: Т = 0.025 В.
Хай в ІС 106 елементів, кожний з них може переходити в нові стани 109 разів в секунду. Зажадаємо тепер, щоб протягом 103 секунд (20 мін) в середньому тільки в одному елементі при одному перемиканні може відбутися збій. Тоді :
Повертаємося до розподілу Гиббса (*):
.
Звідси витікає вимога до напруги живлення:
U = Т 2.318 40Т
При Т = 300 К Т= 0.025 В, отже Uпит = 1В
При криогенних температурах Uпит може бути знижене.
T = 78 К Uпит = 0.25 В (250мВ)
T = 4 К Uпит = 0.013 В (13мВ)
У разі хорошого діелектрика напруженість поля пробою визначається як:
Eпроб = 107 – 108 В/м
Тоді, на приклад, товщина шару діелектрика підзатвора:
Середня товщина діелектрика, стійкого до пробою при U = 1 В 30 – 300 нм (тобто частки мікрометра).
Помітимо, що при t = 3нм заряд стікатиме не за рахунок пробою, а за рахунок тунельного ефекту.
Проведемо оцінку мінімально допустимого струму в ІС.
Мінімальний струм, також визначається флуктуаціями струму.
Флуктуації струму – ефект дробу.
n – число електронів
- тривалість імпульсу струму
Середньоквадратичне відхилення числа електронів в імпульсі від їх середнього числа :
Для статистично незалежного руху числа частинок :
Звідси одержуємо :
Для того, щоб I/I не перевищувало 1 % потрібно мати nср = 104 .
Хай = 310-10 с fтакт = 1000 МГц
Якщо це струм в ланцюзі бази, то в ланцюзі колектора може бути в 100 разів більше.
Iимп = 10-3 А = 1 мА.
Тому звичайна величина струму імпульсів в ІС – частки або одиниці мА.
Ще один критерій – перезарядка місткостей (у тому числі і паразитних місткостей в схемі )
Хай С = 1 пФ
U = 1 В
= 10-10 с
