шпора

57. Реализация запоминающих устройств.

Ассоциативное запоминающее устройство, запоминающее устройство цифровых вычислительных машин, в котором выборка (запись) производится не по конкретному адресу, а по заданному сочетанию (ассоциации) признаков, свойственных искомой информации. Такими признаками могут быть: часть слова (числа), приданная ему для обнаружения среди других слов, некоторые особенности самого слова (например, наличие определённых кодов в его разрядах), абсолютная величина слова, нахождение его в заданных пределах и др.

Действие Ассоциативного запоминающего устройства основано на представлении всей информации в виде ряда зон в зависимости от свойств и характерных признаков. При этом поиск информации сводится к определению зоны по заданным признакам путём просмотра и сравнения их с признаками, хранимыми в ассоциативном запоминающем устройстве Существуют 2 основных способа реализации ассоциативного запоминающего устройства Первый — построение памяти, запоминающие ячейки которой обладают свойством одновременно выполнять функции хранения, неразрушающего считывания и сравнения. Такой способ реализации ассоциативного запоминающего устройства называется схемным параллельно-ассоциативным, т. е. необходимые наборы признаков хранятся во всех ячейках памяти, и информация, обладающая заданным набором признаков, ищется одновременно и независимо по всему объёму. Второй способ реализации— программная организация (моделирование) ассоциативного запоминающего устройства, заключающаяся в том, что ассоциативные связи между хранящейся в памяти информацией устанавливаются путём упорядоченного расположения её в виде последовательных цепочек или групп (списков), связанных адресами связи, коды которых хранятся в тех же ячейках памяти. Этот способ наиболее удобен для практической реализации при больших объёмах информации, т. к. обеспечивает применение обычных накопителей с адресным обращением.

Применение ассоциативное запоминающего устройства значительно облегчает программирование и решение информационно-логических задач, в сотни (тысячи) раз ускоряет поиск, анализ, классификацию и обработку данных.

58. Микропроцессоры. Принципы работы.

Микропроцессор характеризуется:

1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;

2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

Разрядностть МП обозначается m/n/k/ и включает:

m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства.

3) архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали. Макроархитектура - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

Структура типового микропроцессора

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ. Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации.

Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу. Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.

59.Транзисторы

Возможность реализовывать математическую логику в современных ПК дают транзисторы. Транзистор представляет собой двухпереходной прибор. Переходы образуются на границах трех слоев, из которых состоит транзистор. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы n-p-n и p-n-p. Переход, работающий в прямом направлении, называется эмиттерным, а соответствующий крайний слой - эмиттером. Средний слой называется базой. Второй переход, нормально смещенный в обратном направлении, называется коллекторным, а соответствующий крайний слой - коллектором. Транзистор представляет собой обратимый прибор, то есть эмиттер и коллектор можно поменять местами, сохранив в той или иной мере работоспособность прибора. Такой вывод вытекает из однотипности крайних слоев. Однако в связи с несимметричностью реальной структуры (рис. 2.1), а также различием материалов эмиттера и коллектора в большинстве типов транзисторов нормальное и инверсное включение неравноценны.

Рис. 2.1. Реальная структура сплавного диффузионного транзистора.

Транзистор является системой двух взаимодействующих p-n переходов непременным

Условием такого взаимодействия является достаточно малая толщина базы (w). Основные свойства транзистора определяются процессами в базе. Характер движения инжектированных носителей в базе в общем случае заключается в сочетании диффузии и дрейфа. Электрическое поле, в котором происходит дрейф, может быть результатом высокого уровня инжекции, а также результатом неоднородности слоя. Последний случай имеет особенно большое значение, так как собственное поле неоднородного полупроводника обуславливает дрейфовый механизм движения носителей независимо от уровня инжекции. Транзисторы без собственного поля базы называются бездрейфовыми или дифуззионными, а с собственным полем - дрейфовыми. На рис. 2.1 показан разрез бездрейфового транзистора со сплавными переходами, имеющего дисковую структуру. База этого тразистора однородна, поэтому механизм движения носителей - диффузионный. Фактором, обуславливающим асимметрию транзистора, является только различие площадей Sэ и Sк. Асимметрия транзистора преследует ту цель, чтобы дырки, инжектируемые эмиттером идиффундирующие под некоторым углом к оси транзистора, по возможности полнее собирались коллектором.

60.Структуры полупроводников. Ковалентные связи. Ковалентные связи. Энергетические зоны.

Модели структур полупроводников.

Модель ковалентной связи настолько проста, что ее применимость ограничена. Ценность заключается в том, что она позволяет описать процессы переноса заряда в полупроводнике на интуитивном уровне.

Модель ковалентной связи

В зависимости от структурных особенностей твердых тел принято различать:

1.аморфные вещества, не имеющие какой-либо определенной стру­ктуры;

2.поликристаллические вещества, состоящие из отдельных гранул или малых областей. Каждая гранула имеет четко выраженную структуру, однако размеры и ориентация гранул в соседних областях совершенно произвольны;

3.монокристаллические вещества, атомы которых пространственно упорядочены и образуют трехмерную периодическую структуру, называемую кристаллической решеткой.

Для обеспечения требуемых свойств полупроводниковые устройства и интегральные схемы выполняют из монокристаллов, среди которых наибольшее значение имеют монокристаллы кремния (Si); данный полупроводниковый материал в настоящее время используют чаще всего. Основную роль в процессе объединения атомов в кристалл играют электроны. Межатомная связь возникает благодаря тому, что атомы в веществе расположены близко друг к другу. Различают ионную, металлическую и ковалентную связи: При ионной связи электроны перемещаются от одних атомов к другим. Как следствие, в структуре возникают ионы. При металлической связи кристаллическая решетка из положительно заряженных ионов окружена «электронным газом». В случае ковалентной связи внешние, так называемые валентные, электроны становятся общими для ближайших соседних атомов.

Модель энергетических зон

Модель энергетических зон позволяет количественно изучать явления переноса в полупроводниковых устройствах. Используется как в графической, так и в аналитической формах. При элементарном рассмотрении обычно начинают с модели ковалентной связи, а затем переходят к модели энергетических зон. Это позволяет с разных сторон изучать физику движения электронов и дырок  носителей заряда в полупроводнике.

Согласно модели энергетических зон в кристаллической решетке типа углерода  алмаза существуют валентная зона, образованная четырьмя валентными электронами (два электрона на уровне 2s и два электрона на уровне 2p), зона проводимости с четырьмя свободными вакансиями и, наконец, запрещенная зона, где электронов быть не может. Наличие запрещенной зоны между двумя разрешенными зонами (зоной проводимости и валентной зоной) характерно для всех полупроводников. Этот факт имеет большое значение для физической электроники и для теории полупроводниковых устройств.

В соответствии с изложенным зонная модель кристаллической решетки углерода (алмаза) может быть представлена в упрощенной форме, изображенной на рис. 2.1. При этом считается, что каждый атом, входящий в состав кристалла, имеет четыре электрона в валентной зоне. Кроме того, каждому атому отвечает четыре вакантных уровня, находящихся в зоне проводимости. Ширину запрещенной зоны Е_g выражают в электрон-вольтах (эВ).

При нулевой абсолютной температуре зона проводимости пуста, а валентная зона заполнена целиком, так что электропроводность отсутствует. Единственная возможность создания электропроводности заключается в том, чтобы сообщить электрону некоторую энергию, большую или равную Е_g, за счет чего электрон попадет в зону проводимости. Этого можно достичь, например, путем нагрева или облучения.

В зависимости от того, как расположены энергетические зоны, твердые тела принято делить на диэлектрики, полупроводники и металлы.

Если ширина запрещенной зоны достаточно велика, то ни один из электронов, находящихся в валентной зоне, не может за счет теплового возбуждения получить порцию энергии, достаточную для перехода в зону проводимости. Такие вещества имеют высокое электрическое сопротивление и называют диэлектриками.Вещество называется полупроводником, если параметр Е_g достаточно мал. При этом имеется конечная вероятность того, что электрон, ранее занимающий некоторый уровень в верхней части валентной зоны, приобретет дополнительную энергию, достаточную для того, чтобы скачком преодолеть интервал Е_d и перейти в нижнюю часть зоны проводимости, которая до этого была пуста. В металлах из-за слабой связи валентных электронов со своими атомами валентная зона и зона проводимости перекрываются. Наложение внешнего электрического поля приводит к возникновению электро­про­водности даже при нулевой абсолютной температуре. Перемещаясь вдоль кристаллической решетки, электроны постоянно находятся в зоне проводимости.

61.p-n переход. Явление пробоя. Биполярные транзисторы.

Равновесное состояние р-пперехода

Примесный полупроводник, используемый для создания p-n  перехода кремния, должен содержать незначительную долю примесных атомов, например один примесный атом на сто миллионов атомов чистого вещества. Это нужно для того, чтобы носители, пересекающие p-n  переход, не испытывали реком­бинации. Переходы мощных дискретных приборов имеют квадратную форму со стороной примерно 3 мм; толщина переходов ИС не превышает 0,01 мм

В полупроводнике с областями р- и n-типов, образующими пе­реход, можно выделить следующие пространственные области: металлургический переход (ко­н­такт) (воображаемая плоскость, разделяющая р и n  об­ласти), область перехода, или об­ласть пространственного заряда, или обедненная область (располагается по обе стороны металлургического перехода и имеет толщину от 10-6 до 10-4 см в зависимости от технологии производства), нейтральные области (р и n  области), лежащие между областью пространственного заряда и границами полупроводников р и n  типов, и, наконец, омические контакты, которыми оканчиваются нейтральные области. Основные носители n  области диффундируют в р  область и рекомбинируют с дырками в р  области, вследствие чего и возникает в отрицательный пространственный заряд слева (на рис. 2.5) от металлургического перехода. Аналогичным образом справа от металлургического перехода образуется положительный заряд при диффузии основных носителей р  области в n  область.

Возникающее в условиях термодинамического равновесия напряжение в обедненных областях и ведет к прекращению диффузионного тока.

Прямо и обратно смещенный p-n – переход

изменение p-n – перехода при увеличении подаваемого напряжения к p  области плюс и к n  области минус источника на­пря­жения. При величине подаваемого напряжения меньше порогового значения ток через p-n переход (диод) не проходит. При величине подаваемого напряжения больше порогового обедненные области p-n  перехода исчезают. Начинается движение электронов и дырок навстречу друг другу и на границе металлургического перехода они уничтожают друг друга. Этот процесс называется аннигиляцией. Пополнение электронов и дырок происходит от источника подаваемого напряжения. Таким образом, ток через p-n-переход образован двумя типами частиц – электронами и дырками. Отсюда происходит слово биполярный.

Биполярные транзисторы

Б

а

Средняя область между двумя р-n  переходами называется базой. Толщина ее делается достаточно малой. Соседние области называются эмиттером и коллектором. Соответственно р-n  переход эмиттер  база называется эмиттерным, а переход база  коллектор  коллекторным. Биполярные транзис­торы, выпускаемые промышленностью, выполнены на основании кремния и германия. Наибольшее применение в современной аппаратуре получили кремниевые транзисторы n-p-n – типа как наиболее быстродействующие..

Различают следующие режимы транзистора:

• режим отсечки токов (режим закрытого транзистора), когда оба перехода смещены в обратном направлении (закрыты), токи в транзисторе малы;

• режим насыщения (режим открытого транзистора), когда оба перехода смещены в прямом направле­нии, токи в транзисторах максимальны и не зависят от его параметров;

• активный режим, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный  в обратном.

Наибольшее применение в вычислительной технике находит n-p-n транзистор как наиболее быстродействующий, работающий в активном режиме.

62. Полевые транзисторы.

Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют структуру металл (М)  диэлектрик (Д)  полупроводник (П) (сокращенно МДП).

На подложке р  типа создаются области n  типа, к которым подводятся внешние электроды истока И и стока С. Между металлическим затвором З и подложкой находится диэлектрик Д, чаще всего это диоксид кремния SiO₂. По этой причине МДП-структуры часто называют МОП-струк­турами (металл  оксид  полупроводник). Проводящий слой канала n-типа образуется в поверхностном слое подложки под диэлектриком. Этот канал может быть встроенным (результат технологического процесса) и индуцированным, возникающим под действием электрического поля, создаваемого положительным напряжением, приложенным между затвором и истоком. Это электрическое поле отталкивает носители положительного заряда р в глубь подложки и притягивает электроны п к ее поверхности.

Проводящий канал возникает только при некотором напряжении, называемом пороговым U_nop. Значение U_nop может быть как положительным (для транзистора с индуцированным каналом n-типа), так и отрицательным (длятранзистора с индуцированным каналом р-типа). Там же показаны полярности управляющего U_зи и питающего U_сu напряжений. Управляющее напряжение транзисторов с встроенным каналом может быть как положительным, так и отрицательным. Это обусловлено тем, что в этих транзисторах проводящий канал существует уже при U_зи = 0

63. Интегральные схемы.

Интегральная микросхема (или просто интегральная схема) есть совокупность большого количества взаимосвязанных компонентов (транзисторов,диодов,конденсаторо, резисторов и т.п.), изготовленная в едином технологическом цикле (т.е. одновременно), на одной и той же несущей конструкции  подложке  и выполняющая определенную функцию преобразования информации.

Компоненты, которые входят в состав ИС и не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий, называются элементами ИС или интегральными элементами. Они обладают некоторыми особенностями по сравнению с транзисторами и т.д., которые изготавливаются в виде конструктивно обособленных единиц и соединяются в схему путем пайки. Плюсы: надежность, габариты и масса, стоимость и мощность.

Особенности интегральных схем как нового типа электронных приборов.

• Особенность ИС как электронного прибора состоит в том, что она самостоятельно выполняет законченную, часто весьма сложную функцию.

В микроэлектронике же указанные функции выполняются одним прибором  интегральной схемой: она может быть усилителем, запоминающим устройством и т.п.

• повышение функциональной сложности этого прибора по сравнению с элементарными не сопровождается ухудшением какого-либо из основных показателей (надежность, стоимость и т.п.). Более того, все эти показатели улучшаются.

• предпочтительности активных элементов перед пассивными  принцип, противоположный тому, который свойствен дискретной транзисторной технике. В последней активные компоненты, особенно транзисторы, наиболее дорогие, и потому оптимизация схемы при прочих равных условиях состоит в уменьшении количества активных компонентов. В ИС дело обстоит иначе: у них задана стоимость не элемента, а кристалла; поэтому целесообразно размещать на кристалле как можно больше элементов с минимальной площадью. Минимальную площадь имеют активные элементы  транзисторы и диоды, а максимальную  пассивные. Следовательно, оптимальная ИС  это ИС, у которой сведены к минимуму количество и номиналы резисторов и, особенно, конденсаторов.

• ИС связана с тем, что смежные элементы расположены друг от друга на расстоянии, измеряемом в мкм или долях мкм. На таких малых расстояниях различие электрофизических свойств материала маловероятно, а, следовательно, маловероятен и значительный разброс параметров у смежных элементов. Иначе говоря, параметры смежных элементов взаимосвязаны  коррелированы. Эта корреляция сохраняется и при изменении температуры: у смежных элементов температурные коэффициенты параметров практически одинаковы. Корреляция между параметрами смежных элементов используется при проектировании некоторых ИС с целью снизить влияние разброса параметров и изменений температуры.

64. Изготовление микросхем.

Для изготовления интегральных схем используется:

Групповой метод производства заключается в том, что, во-первых, на одной пластине полупроводникового материала одновременно изготавливается большое количество интегральных схем; во-вторых, если позволяет технологический процесс, то одновременно обрабатываются десятки таких пластин. После завершения цикла изготовления ИС пластина разрезается в двух взаимно-перпендикулярных направлениях на отдельные кристаллы, каждый из которых представляет собой ИС. Планарная технология  это такая организация технологического процесса, когда все элементы и их составляющие создаются в интегральной схеме путем их формирования через плоскость.

Одна или несколько технологических операций при изготовлении ИС заключается в соединении отдельных элементов в схему и присоединении их к специальным контактным площадкам. Поэтому необходимо, чтобы выводы всех элементов и контактные площадки находились в одной плоскости. Такую возможность обеспечивает планарная технология.Финальная операция  корпусирование  это помещение ИС в корпус с присоединением контактных площадок к ножкам ИС

Классификация ИС. По способу изготовления и получаемой при этом структуре различают два принципиально разных типа интегральных схем: полупроводниковые и пленочные. Полупроводниковая ИС  это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники. Пленочная ИС  это микросхема, элементы которой выполнены в виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. В зависимости от способа нанесения пленок и связанной с этим их толщиной различают тонкопленочные ИС и толстопленочные ИС .

Пленочную ИС дополняют активными компонентами (отдельными транзисторами или ИС), располагая их на той же подложке и соединяя с пленочными элементами. Тогда получается ИС, которую называют гибридной.

Еще один тип «смешанных» ИС, в которых сочетаются полупроводниковые и пленочные интегральные элементы, называют совмещенными.

Во всех типах ИС межсоединения элементов осуществляются с помощью тонких металлических полосок, напыленных или нанесенных на поверхность подложки и в нужных местах контактирующих с соединяемыми элементами. Процесс нанесения этих соединительных полосок называют металлизацией, а сам «рисунок» межсоединений — металлической разводкой.

Полупроводниковые ИС. В настоящее время различают следующие полупроводниковые ИС: биполярные, МОП (металл-окисел-полупроводник) и БИМОП. Последние представляют собой сочетание первых двух, и в них комбинируются положительные их качества.

Технология полупроводниковых ИС основана на легировании полупроводниковой (кремниевой) пластины поочередно до-норными и акцепторными примесями, в результате чего под поверхностью образуются тонкие слои с разным типом проводимости р-n-переходы на границах слоев. Отдельные слои используются в качестве резисторов, а р-n-переходы  в диодных и транзисторных структурах.

Легирование пластины приходится осуществлять локально, т.е. на отдельных участках, разделенных достаточно большими расстояниями. Локальное легирование осуществляется с помощью специальных масок с отверстиями, через которые атомы примеси проникают в пластину на нужных участках. При изготовлении полупроводниковых ИС роль маски обычно играет пленка двуокиси кремния SiO₂, покрывающая поверхность кремниевой пластины. В этой пленке специальными методами гравируется необходимая совокупность отверстий различной формы. Отверстия в масках, в частности в окисной пленке, называют окнами.

Гибридные ИС: Толстопленочные ГИС изготавливаются весьма просто. На диэлектрическую пластинку-подложку наносят пасты разного состава. Проводящие пасты обеспечивают межсоединения элементов, обкладки конденсаторов и выводы к штырькам корпуса; резистивные — получение резисторов; диэлектрические  изоляцию между обкладками конденсаторов и общую защиту поверхности готовой ГИС. Каждый слой должен иметь свою конфигурацию, свой рисунок. Поэтому при изготовлении каждого слоя пасту наносят через свою маску  трафарет  с окнами в тех местах, куда должна попасть паста данного слоя. После этого приклеивают навесные компоненты и соединяют их выводы с контактными площадками. Тонкопленочные ГИС изготавливаются по более сложной технологии. Классическая тонкопленочная технология характерна тем, что пленки осаждаются на подложку из газовой фазы. Вырастив очередную пленку, меняют химический состав газа и тем самым электрофизические свойства следующей пленки. Таким образом, поочередно получают проводящие, резистивные и диэлектрические слои. Конфигурация (рисунок) каждого слоя определяется либо трафаретом.ГИС  это гибкий, дешевый, оперативно проектируемый тип ИС, хорошо приспособленный к решению специальных, частных задач.