Электроника

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Московский технический университет связи и информатики

В.П. Власов, В.Н. Каравашкина

ЭЛЕКТРОНИКА

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Для всех технических направлений

Москва 2019

УДК 621.38

В.П. Власов, В.Н. Каравашкина.Электроника: учебное пособие / МТУСИ. – М., 2019. – 66 с.

Данное учебное пособие содержит наиболее общие сведения о современной электронике. Его объём и содержание соответствуют программе и задачам курса «Электроника», изучаемого бакалаврами всех технических специальностей, проходящих обучение в МТУСИ.

Ил. 57, список лит. 6 назв.

Издание утверждено Методическим советом университета в качестве учебного пособия. Протокол № 4 от 16.04.19 г.

Рецензенты: Т.Б. Асеева, к.т.н., доцент (МТУСИ)

Н.П. Кравченко, к.т.н., доцент (НИУ ВШЭ)

©Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), 2019

5

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее пособие призвано восполнить острую нехватку учебной литературы по дисциплине «Электроника», связанную со значительными изменениями в содержании курса и в количестве часов, отведённых всем видам учебной работы студентов. Теперь главной задачей вуза является подготовка бакалавров с широкой и гибкой общей эрудицией. Потребность в разработчиках с узкой специализацией хотя и актуальна, но единична и требует намного более высокого уровня школьной, вузовской и послевузовской подготовки.

Немногочисленные общедоступные издания, которые можно рекомендовать для изучения отдельных вопросов курса «Электроника», крайне неудобны в целом и не отвечают чрезвычайно быстрым и радикальным изменениям в современной электронике. Достаточно сказать, что едва ли не главным рекомендуемым источником остаётся учебник, подготовленный на кафедре «Электроника» МТУСИ и выпущенный в 1998 году.

Данное учебное пособие существенно актуализирует учебную работу. Оно не только отражает сегодняшнее состояние электроники, но и обладает немедленной доступностью в электронном виде. Работа над ним не будет прекращена и после издания для поддержания желаемого уровня соответствия современности.

В условиях крайне ограниченных объёмов лекционного курса и данного пособия авторы сочли нужным избежать излишней детализации и сосредоточиться на главном – принципах, концепциях, проблемах и важнейших технологических и схемотехнических решениях в современной электронике.

6

1. ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 1.1. Электроника. Основные задачи и определения

Непрерывно растущие требования к электронным устройствам привели

котказу от использования дискретных (отдельных) электронных элементов и

кначалу эпохи интегральных схем (ИС). В ИС все элементы и соединения межу ними изготавливаются на общем кристалле полупроводника и надежно защищены от внешних воздействий прочным герметичным корпусом. При такой технологии изготовления успешно решаются важнейшие задачи электроники. Основные из них - обеспечение следующих свойств устройств:

-высокая надежность при практически неограниченном и непрерывно растущем количестве элементов;

-малые размеры и масса;

-низкая себестоимость;

-низкое энергопотребление.

Хотя на первом месте по значимости может казаться любое из указанных свойств, именно требования к надёжности привели в своё время к отказу от дискретных элементов. При большом количестве таких элементов надёжность оказывалась недопустимо низкой из-за большого количества соединений, использования ручного труда и связанными с этим ошибками, недостаточной защищённостью элементов и соединений.

Первоначально всё, что связано с применением ИС, называлось «микроэлектроника». В настоящее время утвердилось название «электроника», которое охватывает области микроэлектроники, традиционной радиоэлектроники и уже появившейся наноэлектроники.

1.2. Основные понятия и числовые характеристики надёжности

Основным понятием теории надёжности является «отказ». Наступление отказов является случайной функцией времени, в связи с чем теория надёжности в значительной степени базируется на теории вероятности.

Одной из главных числовых характеристик надёжности является

интенсивность отказов λ:

где n – количество отказов при испытании или эксплуатации объектов; N – количество объектов; t – время испытания или эксплуатации. В качестве

8

Участок 1 соответствует первому времени испытания или эксплуатации. Повышенная λ в первые часы (дни, недели) работы связана с незамеченными при изготовлении неочевидными, так называемыми скрытыми дефектами. Это могут быть, например, недостаточно качественные элементы или соединения ИС, погрешности изготовления ИС. Затем, когда все скрытые дефекты уже себя проявили, наступает наиболее благоприятный и продолжительный период надёжной работы, участок 2. Однако любым объектам свойственны старение или износ, приводящие к увеличению числа отказов (участок 3).

Данная зависимость носит фундаментальный характер и распространяется на любые виды объектов. В частности, она относится к человеку, которому свойственны частые заболевания (отказы организма) в детстве, наилучшее состояние здоровья в зрелом возрасте и нездоровья в старости.

Повышение надёжности ИС достигается тщательным выявлением скрытых дефектов. ИС с такими дефектами считаются браком и отбрасываются. Длительная надёжная работа ИС обеспечивается в основном, высококачественным корпусом, который защищает ИС от действия кислорода, влаги и агрессивных примесей воздуха, от света и некоторых других видов радиации, от механических повреждений, от насекомых, пыли. В результате отбраковки потенциально ненадёжных ИС и помещения ИС в прочный герметичный корпус надёжность ИС удаётся значительно увеличить (штриховая линия на рис. 1).

1.3. Основные принципы современной электроники

Основополагающими принципами, обеспечивающими высокие функциональные возможности и общедоступность изделий электроники,

являются принцип интеграции и принцип группового изготовления.

Принцип интеграции заключается в объединении на кристалле ИС возможно большего количества элементов и необходимых соединений между ними. Увеличение степени интеграции, т.е. количества элементов в ИС обеспечивает максимальную защиту элементов и соединений между ними и тем самым максимальную надёжность. Сегодня (2018 г.) ИС содержат уже миллиарды элементов. Такие ИС называют сверхбольшими, СБИС. При этом имеется в виду степень интеграции, а не размеры, которые составляют без

корпуса не более 1 - 2 см2. Площадь кристалла ИС не может быть значительно увеличена из-за увеличения вероятности проявления его дефектов. Изготовление больших бездефектных кристаллов кремния оказалось невозможным, поэтому увеличение степени интеграции возможно

9

только за счёт уменьшения размеров элементов. Сегодня размеры основного типа элементов СБИС–транзисторов не превышают нескольких десятков нм2.

Темп роста степени интеграции уже несколько десятков лет определяется законом Мура, согласно которому количество элементов ИС возрастает на порядок примерно каждые пять лет (по другой трактовке – удваивается примерно за полтора года). На рис. 2 эта зависимость приближённо отображена графически в виде прямой при логарифмическом масштабе предельного количества транзисторов ИС.

Рисунок 2

Если такой темп роста сохранится, уже через несколько лет размеры транзисторов приблизятся к размерам атома, что сделает изготовление транзисторов невозможным. Это означает неизбежность перехода к совершенно другой элементной базе на основе нанотехнологий.

Принцип группового изготовления заключается в таком построении процесса изготовления ИС, при котором на каждом этапе изготовления обрабатываются одновременно десятки и даже сотни тысяч будущих ИС. Это обеспечивает высочайшую производительность труда и, следовательно, низкую себестоимость. Следует заметить, что снижение себестоимости ИС возможно только при их массовом выпуске. Эту зависимость, иногда называемую «законом кремниевой долины», отражает рис. 3.