Элементы интегральных микросхем.
Начало формы
ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА (ИС), микроэлектронная схема, сформированная на крошечной пластинке (кристаллике, или «чипе») полупроводникового материала, обычно кремния, которая используется для управления электрическим током и его усиления. Типичная ИС состоит из множества соединенных между собой микроэлектронных компонентов, таких, как транзисторы, резисторы, конденсаторы и диоды, изготовленные в поверхностном слое кристалла. Размеры кремниевых кристаллов лежат в пределах от примерно 1,31,3 мм до 1313 мм. Прогресс в области интегральных схем привел к разработке технологий больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). Эти технологии позволяют получать ИС, каждая из которых содержит многие тысячи схем: в одном чипе может насчитываться более 1 млн. компонентов.. Интегральные схемы обладают целым рядом преимуществ перед своими предшественниками – схемами, которые собирались из отдельных компонентов, монтируемых на шасси. ИС имеют меньшие размеры, более высокие быстродействие и надежность; они, кроме того, дешевле и в меньшей степени подвержены отказам, вызываемым воздействиями вибраций, влаги и старения. Миниатюризация электронных схем оказалась возможной благодаря особым свойствам полупроводников. Полупроводник – это материал, обладающий гораздо большей электропроводностью (проводимостью), чем такой диэлектрик, как стекло, но существенно меньшей, чем проводники, например, медь. В кристаллической решетке такого полупроводникового материала, как кремний, при комнатной температуре имеется слишком мало свободных электронов, чтобы обеспечить значительную проводимость. Поэтому чистые полупроводники обладают низкой проводимостью. Однако введение в кремний соответствующей примеси увеличивает его электрическую проводимость. Легирующие примеси вводят в кремний двумя методами. Для сильного легирования или в тех случаях, когда точное регулирование количества вводимой примеси необязательно, обычно пользуются методом диффузии. Диффузию фосфора или бора выполняют, как правило, в атмосфере легирующей примеси при температурах между 1000 и 1150 С в течение от получаса до нескольких часов. При ионной имплантации кремний бомбардируют высокоскоростными ионами легирующей примеси. Количество имплантируемой примеси можно регулировать с точностью до нескольких процентов; точность в ряде случаев важна, поскольку коэффициент усиления транзистора зависит от числа примесных атомов, имплантированных на 1 см2 базы .
В Производство. Изготовление интегральной схемы может занимать до двух месяцев, поскольку некоторые области полупроводника нужно легировать с высокой точностью. В ходе процесса, называемого выращиванием, или вытягиванием, кристалла, сначала получают цилиндрическую заготовку кремния высокой чистоты. Из этого цилиндра нарезают пластины толщиной, например, 0,5 мм. Пластину в конечном счете режут на сотни маленьких кусочков, называемых чипами, каждый из которых в результате проведения описываемого ниже технологического процесса превращается в интегральную схему. Процесс обработки чипов начинается с изготовления масок каждого слоя ИС. Выполняется крупномасштабный трафарет, имеющий форму квадрата площадью ок. 0,1 м2. На комплекте таких масок содержатся все составляющие части ИС: уровни диффузии, уровни межсоединений и т.п. Вся полученная структура фотографически уменьшается до размера кристаллика и воспроизводится послойно на стеклянной пластине. На поверхности кремниевой пластины выращивается тонкий слой двуокиси кремния. Каждая пластина покрывается светочувствительным материалом (фоторезистом) и экспонируется светом, пропускаемым через маски. Неэкспонированные участки светочувствительного покрытия удаляют растворителем, а с помощью другого химического реагента, растворяющего двуокись кремния, последний вытравливается с тех участков, где он теперь не защищен светочувствительным покрытием. Варианты этого базового технологического процесса используются в изготовлении двух основных типов транзисторных структур: биполярных и полевых (МОП). Транзисторы и другие схемные элементы, например резисторы, конденсаторы и индуктивности, вместе с соответствующими межсоединениями могут формироваться в пластине методами диффузии в ходе последовательности операций, создавая в итоге законченную электронную схему. Микропроцессоры и миникомпьютеры. Впервые представленные публично в 1971 микропроцессоры выполняли большинство основных функций компьютера на единственной кремниевой ИС, реализованной на кристалле размером 55 мм. Благодаря интегральным схемам стало возможным создание миникомпьютеров – малых ЭВМ, где все функции выполняются на одной или нескольких больших интегральных схемах. Такая впечатляющая миниатюризация привела к резкому снижению стоимости вычислений. Выпускаемые в настоящее время мини-ЭВМ ценой менее 1000 долл. по своей производительности не уступают первым очень большим вычислительным машинам, стоимость которых в начале 1960-х годов доходила до 20 млн. долл. Микропроцессоры находят применение в оборудовании для связи, карманных калькуляторах, наручных часах, селекторах телевизионных каналов, электронных играх, автоматизированном кухонном и банковском оборудовании, средствах автоматического регулирования подачи топлива и нейтрализации отработавших газов в легковых автомобилях, а также во многих других устройствах. Большая часть мировой электронной индустрии, оборот которой превышает 15 млрд. долл., так или иначе зависит от интегральных схем. В масштабах всего мира интегральные схемы находят применение в оборудовании, суммарная стоимость которого составляет многие десятки миллиардов долларов. Компьютерные запоминающие устройства. В электронике термин «память» обычно относится к какому-либо устройству, предназначенному для хранения информации в цифровой форме. Среди множества типов запоминающих устройств (ЗУ) рассмотрим ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ), приборы с зарядовой связью (ПЗС) и постоянные ЗУ (ПЗУ). У ЗУПВ время доступа к любой ячейке памяти, находящейся на кристалле, одинаково. Такие устройства могут запоминать 65 536 бит (двоичных единиц, обычно 0 и 1), по одному биту на ячейку, и представляют собой широко используемый тип электронной памяти; на каждом чипе у них насчитывается ок. 150 тыс. компонентов. Выпускаются ЗУПВ емкостью 256 Кбит (К = 210 = 1024; 256 К = 262 144). В устройствах памяти с последовательной выборкой циркуляция запомненных битов происходит как бы по замкнутому конвейеру (в ПЗС используется именно такой тип выборки). В ПЗС, представляющем собой ИС специальной конфигурации, пакеты электрических зарядов могут размещаться под расположенными на малых расстояниях друг от друга крошечными металлическими пластинками, электрически изолированными от чипа. Заряд (или его отсутствие) может, таким образом, перемещаться по полупроводниковому устройству от одной ячейки к другой. В результате появляется возможность запоминания информации в виде последовательности единиц и нулей (двоичного кода), а также доступа к ней, когда это требуется. Хотя ПЗС не могут конкурировать с ЗУПВ по быстродействию, они способны обрабатывать большие объемы информации при меньших затратах, и их используют там, где память с произвольной выборкой не требуется. ЗУПВ, выполненное на такой ИС, является энергозависимым, и записанная в нем информация теряется при отключении питания. В ПЗУ информация заносится в ходе производственного процесса и хранится постоянно. Классификация интегральных микросхем В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы могут быть полупроводниковыми, пленочными или гибридными. Полупроводниковая микросхема -микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Пленочная микросхема - микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены только в виде пленок проводящих и диэлектрических материалов. Вариантами пленочных являются тонкопленочные и толстопленочные микросхемы. Различие между тонкопленочными и толстопленочными микросхемами может быть количественным и качественным. К тонкопленочным условно относят микросхемы с толщиной пленок менее 1 мкм, а к толстопленочным - микросхемы с толщиной пленок свыше 1 мкм. Гибридная микросхема - микросхема, содержащая кроме элементов простые и сложные компоненты (например, кристаллы микросхемы полупроводниковых микросхем). Одним из видов гибридной микросхемы является многокристальная микросхема. В зависимости от функционального назначения интегральные 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. Минимальный состав комплекта интегральных микросхем, необходимый для решения определенного круга аппаратурных задач, называется базовым. После появления микропроцессоров были введены дополнительные термины. Микропроцессор определен как программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им. Это устройство изготовлено на основе одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). Микропроцессорной названа микросхема, выполняющая функцию МП или его часть. Совокупность этих и других микросхем, совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам, называется микропроцессорным комплектом. В последние годы в классификацию ИС вводятся новые понятия: микросхемы общего назначения, заказные и полузаказные. Заказная микросхема - микросхема, разработанная на основе стандартных и (или) специально созданных элементов узлов по функциональной схеме заказчика предназначена для определенной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Полузаказная интегральная микросхема - микросхема, разработанная на основе базовых кристаллов ( в том числе матричных).
Наноразмерные элементы интегральных микросхем КВАНТОВАЯ ЯМА Квантовая яма — двухмерный (2D) объект. Это тонкий слой кристалла, толщина которого d соизмерима с длиной волны де Бройля Система электронов в таком слое называется двухмерным (или 2D) электронным газом. Квантовая нить (проволока) одномерный (1D) объект. Движение электронов ограничено вдоль осей y и z размерами dy и dz соответственно и не ограничено вдоль оси x Сечение квантовой проволоки может быть и иным. Потенциальная яма для свободных электронов в нити двухмерна. Квантовая точка — нульмерный (0D) объект (рис.7.3а). Движение электронов ограничено в трех измерениях измерениях — x, y, z. Сверхрешетки — это кристаллические структуры,в которых кроме периодического потенциала кристаллической решетки имеется другой периодический потенциал, период которого значительно превышает постоянную решётки. |
|
ВЕДЕНИЕ
ПРИМЕСЕЙ В КРЕМНИЙ
методом диффузии – основа производства
ИС. Для получения области коллектора
с проводимостью n-типа добавляют
фосфор, затем для создания области
базы с проводимостью p-типа – бор и,
наконец, снова фосфор для создания
области эмиттера с проводимостью
n-типа. 1 – контакт коллектора; 2 –
контакт базы; 3 – контакт эмиттера; 4
– эмиттер (-); 5 – база (+); 6 – коллектор
(-); 7 – защитный слой двуокиси кремния.УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
Уже отмечалось , что углеродные нанотрубки рассматриваются как один из наиболее перспективных
материалов для нанотехнологий в различных областях техники. Углеродные нанотрубки представляют собой однослойные или многослойные полые наноскопические цилиндры диаметром от 0,5 нм (отсюда их название — нанотрубки). С момента открытия нанотрубок (1991 г.) внимание исследователей привлекают их необычные свойства—нанометровые размеры, высокая удельная поверхность, высокая электропроводность (выше, чем у графита), высокая механическая прочность, химическая стабильность, способность присоединять к своей поверхности атомы металлов и радикалы, что дает возможность целенаправленно изменять характеристики нанотрубок. Сейчас в лабораториях различных стран ведутся сотни разработок по применению нанотрубок в самых различных областях: электронике, химии, измерительной технике, производстве материалов, медицине, энергетике и др. Диапазон возможных применений нанотрубок весьма широк: это химические источники тока и экраны телевизоров, шестерни в наномеханизмах и сверхчувствительные химические сенсоры, искусственные мускулы и логические ячейки в процессорах, радиозащитные экраны и наноэлектронные схемы, «баки» с водородным топливом для двигателей автомобилей и весы (с чувствительностью 10–18 г), композитные материалы и ткани, и т. д. Некоторые применения уже реализованы на практике. Сюда относятся, например, телевизионные дисплеи на нанотрубках и разного рода композиционные материалы с особыми свойствами.
В настоящее время ведется широкий поиск альтернативных подходов для дальнейшей миниатюризации ИМС.
Углеродные нанотрубки, благодаря своим электронным свойствам, открывают новое перспективное направление электроники будущего. Уже продемонстрирована возможность создания диодов, полевых транзисторов, одноэлектронных транзисторов, логических цепей на основе полупроводниковых нанотрубок. Нанотрубки могут проявлять также металлическую проводимость и исполнять роль подводящих проводов. Таким образом, можно создавать элементную базу электроники целиком на основе нанотрубок(«углеродная наноэлектроника»). В компании IBM разрабатывается технология формирования массива транзисторов на основе нанотрубок, а также интеграции полупроводниковых и металлических нанотрубок на одной подложке