ФГБОУВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Л.Н. Коротков О.И. Сысоев

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА:

КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2011

УДК 621.3.049.77

Коротков Л.Н. Микроэлектроника: курсовое проектирование: учеб. пособие /Л.Н. Коротков, О.И. Сысоев. Воронеж: ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. 124 с.

В учебном пособии кратко изложены физические основы твердотельной электроники. Основной акцент сделан на анализе работы биполярных и полевых транзисторов. Приведены методы расчета их электрических параметров. Рассмотрены статические характеристики полевых и биполярных транзисторов. Описаны принципиальные электрические схемы базовых логических элементов для современных интегральных схем на их основе. Отдельные разделы посвящены конструированию и технологии полупроводниковых интегральных схем. Даны методические рекомендации и предложена примерная схема для выполнения курсового проекта по дисциплине «Микроэлектроника».

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 223200.62 «Техническая физика», профилю «Физическая электроника», дисциплине «Микроэлектроника». Предназначено для студентов третьего курса очной формы обучения.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержится в файле микроэлектроника.doc.

Ил. 68. Библиогр.: 17 назв.

Рецензенты: кафедра экспериментальной физики Воронежского государственного университета (д-р физ.-мат. наук, проф. А.С. Сидоркин);

д-р физ.-мат. наук, проф. С.И. Рембеза

© Коротков Л.Н., Сысоев О.И., 2011

© Оформление. ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011

Ведение

Последние 40-50 лет характеризуются колоссальным прогрессом в области радиоэлектроники, в основе которого лежит развитие ее элементной базы. На данном этапе эволюции фундаментальной базой для всех современных систем радиоэлектронной аппаратуры являются интегральные микроэлектронные приборы. По сути, это качественно новый вид радиоаппаратуры. Без преувеличения можно сказать, что уровень развития микроэлектроники сегодня определяет уровень научно-технического прогресса страны.

Существует несколько разновидностей интегральных схем, однако наибольшие достижения были получены при разработке полупроводниковых интегральных схем (ИС), о которых ниже и пойдет речь.

Интегральная микросхема — это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, представляющих единое целое. В полупроводниковой микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Структура, содержащая элементы, межэлементные соединения и контактные площадки (металлизированные участки, служащие для присоединения внешних выводов), называется кристаллом интегральной микросхемы. В большинстве полупроводниковых микросхем элементы располагаются в тонком (толщиной 0,5 ... 10 мкм) приповерхностном слое полупроводника.

При разработке и анализе ИС используются по меньшей мере два уровня схемотехнического представления. Первый уровень — это электрическая схема, которая определяет электрические соединения элементов. На этом уровне устанавливается связь между электрическими параметрами схемы и параметрами входящих в нее элементов. Второй уровень—это структурная схема. Она определяет функциональное соединение отдельных каскадов.

Основные тенденции развития ИС — увеличение степени интеграции (количества элементов на кристалле) и быстродействия. Рост числа элементов происходил в основном за счет уменьшения их топологических размеров и в меньшей степени — за счет разработки новых конструкций элементов и совершенствования схемотехники, а также увеличения размеров кристалла.

Уменьшение топологических размеров элементов приводит к улучшению электрических параметров ИС, в частности к повышению быстродействия из-за снижения емкостей р - п переходов, увеличению крутизны характеристики полевых транзисторов и др.

Одна из проблем при разработке интегральных микросхем — обеспечение конструктивно-технологической совместимости различных элементов, создаваемых внутри одного полупроводникового слоя. Он характеризуется строго определенными электрофизическими параметрами, оптимальными для одних элементов и малопригодными для других. Кроме того, для изготовления различных элементов, например биполярных и полевых (МДП-транзисторов, необходимы свои технологические операции, так что одновременное формирование этих элементов на одном кристалле затруднено. Поэтому для полупроводниковых микросхем характерен крайне ограниченный набор типов элементов в кристалле. Этим же объясняется их разделение по типу применяемых активных элементов (транзисторов) на два основных вида: микросхемы на биполярных транзисторах и микросхемы на МДП-транзисторах (МДП-микросхемы).

Основным активным элементом биполярных микросхем является гранзистор типа п-р-п. Кроме того, используются диоды на основе р-п переходов и переходов металл — полупроводник (диоды Шотки), полупроводниковые резисторы. Транзисторы типа р-п-р применяют значительно реже, чем п-р-п.

Основными элементами современных МДП-микросхем являются МДП-транзисторы с каналом n-типа. Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому для микроcхем на n-канальных МДП-транзисторах достигается самая высокая степень интеграции, но они уступают биполярным по быстродействию. В комплементарных МДП-микросхемах применяют МДП-транзисторы с индуцированными каналами п- и р-типа, для этих ИС характерна очень малая потребляемая мощность.

В данном пособии рассмотрены устройство, принцип действия активных элементов ИС – биполярных и полевых транзисторов, описаны их электрофизические характеристики. Изложены методы проектирования транзисторов и полупроводниковых резисторов. Затронуты вопросы, касающиеся разработки топологии простейших интегральных схем и технологии их изготовления.