Микроэлектроника.-2

1

Федеральное агентство по образованию

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

П.Е. Троян

Микроэлектроника

Учебное пособие

2

Рецензент:

доктор технических наук, профессор С.В.Смирнов

Троян П.Е.

Микроэлектроника: Учебное пособие. – Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектрони-

ки, 2007. - 346 с.

В учебном пособии рассмотрены вопросы в соответствии ГОС ВПО и рабочей программой по дисциплине«Микроэлектроника» для студентов, обучающихся в ТУСУР по специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника» и бакалавров по направлению210100 «Электроника и микроэлектроника». Дано описание физических процессов в основных элементах интегральных схем – биполярных и полевых транзисторах, их особенностей в интегральном исполнении. Рассмотрены интегральные схемы на биполярных и полевых транзисторах, и основные схемотехнические решения интегральных схем цифровой и аналоговой электроники. Рассмотрены перспективные элементы интегральных схем и их предельные возможности, а также вопросы, связанные с функциональной электроникой.

@Троян П.Е., 2007

@Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2007

6

1. ВВЕДЕНИЕ

Одна из основных проблем, стоящих перед электроникой, связана с требованием улучшения технических параметров электронных систем с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Решение проблемы миниатюризации электронной аппаратуры связано с современным этапом развития электроники - микроэлектроникой.

Микроэлектроника – это область электроники, охватывающая исследование, конструирование, производство и применение электронных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении.

В соответствии с используемыми -конструктив технологическими и физическими принципами в микроэлектронике может быть выделено несколько взаимно перекрывающихся и дополняющих друг друга направлений: интегральная электроника, вакуумная микроэлектроника, оптоэлектроника и функциональная электроника и др. Наибольшее развитие получила интегральная электроника.

Дальнейшее развитие микроэлектроники идёт главным образом в двух направлениях: повышение уровня интеграции и плотности упаковки в интегральных микросхемах, ставших традиционными; изыскание новых физических принципов и явлений для создания электронных устройств со схемотехническим или даже системотехническим функциональным назначением.

Первое направление привело к уровням интеграции, характеризующимся многими тысячами элементов в одном корпусе интегральной микросхемы с микронными и субмикронными размерами отдельных элементов. Дальнейшее уменьшение размеров на несколько порядков превращает элементы в наноэлементы и сопровождается изменением физических основ их работы. В наноэлементах используются уже не электроны, как частицы, переносящие электрический заряд, а их волновые функции.

Изучение физических явлений и процессов взаимодействия электронов с электромагнитными полями, а также разработка нанотехнологии создания приборов и устройств, в которых данное взаимодействие используется для передачи, обработки и хранения информации, связано с появлением нового направления электроники - наноэлектроники, которая является логиче-

7

ским развитием микроэлектроники. В микроэлектронике функциональный элемент представляет собой совокупность структурных компонентов – резисторов, конденсаторов, диодов и транзисторов, тогда как в наноэлектронике структурированные компоненты обладают свойством многофункциональности и способны выполнять сложные динамические функции.

Второе направление микроэлектроники может позволить отказаться от дальнейшего повышения уровня интеграции -инте гральных микросхем, снизить рассеиваемую мощность, увеличить быстродействие аппаратуры и др. Это новое направление в целом приобретает название функциональной микроэлектроники - электроники комбинированных сред с использованием таких явлений, как оптические явления в твёрдом теле(оптоэлектроника) и взаимодействие потока электронов с акустическими волнами в твёрдом теле (акустоэлектроника), а также с использованием свойств сверхпроводников, свойств магнетиков и полупроводников в магнитных полупроводниках (магнетоэлектроника) и др.

В учебном пособии рассмотрены вопросы, предусмотренные требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению “Электроника и микроэлектроника” к содержанию дисциплины “Микроэлектроника”: активные и пассивные элементы интегральных микросхем, схемотехнические структуры интегральной микроэлектроники, полупроводниковые и гибридные, цифровые и аналоговые интегральные микросхемы, микросхемы на биполярных и МДП-элементах, микросхемы малой, средней, большой и сверхбольшой степени интеграции, а также элементы функциональной электроники.

8

2. ПРЕДМЕТ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

2.1. Основные положения микроэлектроники

Развитие современной электронной техники направлено на расширение функциональных возможностей и улучшение технических параметров электронных систем с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Решение проблемы миниатюризации электронной аппаратуры определяется достижениями одного из наиболее быстро развивающихся -на правлений науки и техники – микроэлектроники. Микроэлектроника – это область электроники, охватывающая исследование, конструирование, производство и применение микроэлектронных изделий, основной разновидностью которых являются интегральные микросхемы.

Интегральная микросхема (ИМС) – микроэлектронное изделие,

выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигналов и (или) накопления информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов), которое с точки зрения требованиям к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.

Элемент – это часть ИМС, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента (транзистора, диода, резистора, конденсатора, катушки индуктивности), которая не может быть выделена как самостоятельное изделие.

Компонент – это часть ИМС, реализующая функцию какоголибо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие. Компоненты изготавливаются -от дельно от ИМС и устанавливаются на подложку при изготовлении ИМС.

В составе микроэлектроники выделяют три основных раздела – физику электронных процессов, технологию и микросхемотехнику.

Микросхемотехника (интегральная схемотехника) – раздел микроэлектроники, охватывающий исследования и разработку электрических и структурных схем, используемых в ИМС и электронной аппаратуре на их основе.

9

Микросхемотехника является самостоятельной ветвью схемотехники, в которой используются оригинальные схемные и структурные решения, эффективно использующие специфические особенности интегральных микросхем с целью улучшения их основных характеристик. Эти особенности обусловлены интегральной технологией изготовления, которая накладывает определенные ограничения на параметры элементов и компонентов ИМС и в то же время открывает новые возможности их использования.

Принципы микросхемотехники являются результатом интенсивных исследований, направленных на выявление принципиальных различий между интегральными микросхемами и схемами на дискретных компонентах, и отражают специфику технологии производства ИМС и тенденцию роста степени интеграции их функциональных узлов. Таких принципа два: принцип взаимного согласования цепей и принцип схемотехнической избыточности при ограничении размеров полезной площади подложки или кристалла.

Принцип согласования цепей заключается в такой их конструк- торско-технологической реализации, при которой требуемые электрические параметры оказываются пропорциональными друг другу в широком интервале внешних воздействий.

Взаимное согласование схемотехнических структур осуществляется за счёт близкого расположения соответствующих -эле ментов их топологии на подложке. Достигаемая при этом идентичность (или строгая пропорциональность) параметров обусловлена тем, что исходные материалы и процессы технологической обработки для таких элементов (или структур) практически одинаковы. Возможность изготовления схемных элементов с идентичными характеристиками и весьма близкими тепловыми режимами позволила создать прецизионные структуры с параметрами, не реализуемыми схемами на дискретных компонентах.

Принцип схемотехнической избыточности заключается в ус-

ложнении схемотехники ИМС для улучшения их качества, минимизации площади кристалла и повышения технологичности. Принципы микросхемотехники обусловлены ограничениями и возможностями технологии изготовления.