МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ

КАЗАХСТАН

Некоммерческое акционерное общество

«Алматинский институт энергетики и связи»

Т.М.Жолшараева

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Учебное пособие

Алматы 2007

Содержание

Введение 4

1 Интегральные микросхемы и их элементы 5

1.1 Общие сведения о микроэлектронике 5

1.2 Классификация интегральных микросхем (ИМС) 6

1.3 Плёночные, гибридные и совмещенные ИС 7

1.3.1 Плёночные ИС 7

1.3.2 Технология изготовления плёночных ИМС 8

1.3.3 Изготовление маски (трафарета) 9

1.3.4 Гибридные ИМС 9

1.3.5 Совмещённые ИМС 10

1.4 Полупроводниковые ИМС 10

1.4.1 Транзисторы биполярные 10

1.4.2 Планарная технология изготовления ИМС 11

1.4.3 Планарно-эпитаксиальная технология изготовления ИМС 11

1.4.4 Диоды 11

1.4.5 Резисторы 12

1.4.6 Конденсаторы 12

1.4.7 Индуктивности 12

1.4.8 Изоляция элементов ИМС. 13

1.4.9 Корпуса для ИМС 14

1.4.10 МДП-структуры 14

1.4.11 Внутрисхемные соединения 17

1.5 Разновидности транзисторов 17

1.5.1 Транзистор с барьером Шоттки. 17

1.5.2 Многоэмиттерный транзистор 18

1.5.3 Составные транзисторы 18

1.5.4 Биполярные транзисторы с инжекционным питанием 20

1.5.5 Приборы с зарядовой связью 22

1.5.6 Монокристалл 26

1.6 Функциональные устройства 27

2 Цифровые интегральные схемы 28

2.1 Основные логические операции и логические элементы. 28

2.1.1 Основные аксиомы и теоремы алгебры логики 34

2.1.2 Основные параметры логических интегральных микросхем 36

2.2 Логические интегральные схемы 36

2.2.1 Схема РТЛ ‑ резисторно-транзисторной логики 37

2.2.2 Схема ДТЛ ‑ диодно-транзисторной логики 38

2.2.3 Схемы ТТЛ ‑ транзисторно-транзисторной логики 39

2.2.4 Схемы ЭСЛ ‑ эмиттерно-связанной логики 46

2.2.5 Логические элементы на полевых транзисторах 54

2.2.6 Логические элементы интегрально-инжекционной логики (ИИЛ) 57

3 Аналоговые интегральные схемы 60

3.1 Дифференциальный усилитель. Режимы работы 60

3.1.1 Дифференциальный усилитель с генератором стабильного тока 62

3.1.2 Разновидности схем дифференциальных усилителей 63

3.1.3 Дифференциальный усилитель с динамической нагрузкой 63

3.2 Интегральные операционные усилители 65

3.2.1 Назначение и основные параметры операционных усилителей 65

4 Цифровые запоминающие устройства 70

4.1. Оперативные запоминающие устройства 72

4.2. Динамические ОЗУ 75

4.3 Постоянные запоминающие устройства 77

Список литературы 80

Введение

В настоящее время интегральные микросхемы широко применяются в радиоэлектронной аппаратуре, в вычислительных устройствах, устройствах автоматики, телекоммуникаций и т.д.

1 Интегральные микросхемы и их элементы

1.1 Общие сведения о микроэлектронике

Микроэлектроника – это отрасль электроники, занимающаяся микроминиатюризацией электронной аппаратуры с целью уменьшения её веса, объема, стоимости, увеличения надёжности и экономичности на основе комплекса конструктивных, технологических и схемных методов.

Развитие современной науки и техники связано с интенсивным внедрением электронной аппаратуры. Первым микроминиатюрным прибором был транзистор. Затем были разработаны модули и микромодули, представляющие функционально законченные узлы, выполненные на дискретных элементах. Но это не привело к увеличению надёжности аппаратуры, а стоимость ее оставалась высокой.

Существенное повышение надежности при одновременном уменьшении ее стоимости оказалось возможным при использовании интегральных схем (ИС), изготавливаемых по интегральной технологии. Бурное развитие интегральной технологии послужило основой нового направления в электронике – микроэлектроники (МЭ).

Можно выделить два основных направления развития микроэлектроники:

а) интегральная микроэлектроника – в виде интегральных микросхем;

б) функциональная микроэлектроника – в виде функциональных прибо-ров.

В интегральной МЭ, так же как и на дискретных элементах соблюдается четырехзвенный принцип построения устройств:

1) физические явления (например, сопротивление проходящему току);

2) отдельный элемент (например, резистор);

3) электрическая схема (например, усилитель);

4) функция (например, усиление).

В функциональной МЭ используется двухзвенный принцип построения устройств:

1) физические явления;

2) функция.

Например, кварцевый резонатор – пластина кварца – используется в качестве колебательного контура с высокой добротностью. Здесь нельзя выделить участок, реализующий отдельно емкость или индуктивность обычного LC-контура. Общим для кварцевой пластины и LC-контура является лишь конечный эффект – резонансное явление на определенных частотах.

1.2 Классификация интегральных микросхем (имс)

ИМС – это неделимый функциональный узел, выполненный по интегральной технологии. Содержит активные (транзистор, диод), пассивные (резистор, конденсатор) элементы и соединения между ними, заключённые в герметичный круглый или прямоугольный миниатюрный корпус с ограниченным числом выводов.

Интегральная технология – одновременное изготовление элементов в едином технологическом процессе в объёме или на поверхности полупроводника (подложки).

Интегральные микросхемы делятся:

а) по конструктивно – технологическим признакам на:

1. плёночные;

2. гибридные;

3. полупроводниковые или монолитные;

4. совмещенные.

б) в зависимости от функционального назначения микросхемы делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Частным случаем этих микросхем является микросхема с линейной характеристикой, линейная микросхема. С помощью цифровых микросхем преобразуются, обрабатываются сигналы, изменяющиеся по закону дискретной функции. Частным случаем цифровых микросхем являются логические микросхемы, выполняющие операции с двоичным кодом, которые описываются законами логической алгебры.

в) по степени интеграции классификация приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Интегральные схемы	Число элементов на кристалле	Минимальный размер элемента (мкм)
Малые ИС (МИС)	До 100	10
Средние ИС (СИС)	102-103	5
Большие ИС (БИС)	103-105	3 – 1
Сверхбольшие ИС (СБИС)	105-107	1
Ультрабольшие ИС (УБИС)	107-109	0,01
ГИГАБИС	109-1011	0,001

Степень K интеграции характеризует степень сложности ИС K=lgN, где N – число элементов на одной ИМС.

Уровень технологичности характеризуется плотностью упаковки – количеством элементов в единице объёма.