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
Москва 2019
План УМД на 2017/2018 уч. г.
В.П. Власов, В.Н. Каравашкина. Учебное пособие: Электроника / МТУСИ. – М., 2017. 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., список лит. назв.
утверждено заседанием кафедры «Электроника»
протокол № от
утверждено советом факультета Р и Т
протокол № от
Рецензенты:
CОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………… 4
1. ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ……………………….......... 5
1.1. Электроника. Основные задачи и определения……………………. 5
1.2. Основные понятия и числовые характеристики надёжности……... 5
1.3. Основные принципы современной электроники.………………..…. 7
1.4. Классификация ИС…………………………………………………… 9
2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ…...….........10
2.1. Технологические разновидности ИС...……..………………….……10
2.2. Изготовление подложек ИС…………...……………………….……10
2.3. Фотолитография………..…………………………………………….11
2.4. Диффузия примесей………………………………………………….15
2.5. Эпитаксия………………………………………………………..……15
2.6. Напыление……………………………….……………………………15
3. ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ…………………………………….16
3.1. Интегральный МДП-транзистор…………………………………….16
3.2. Комплементарные интегральные МДП-транзисторы……………..17
3.3. Интегральный биполярный транзистор…....……………………….18
3.4. Пассивные элементы ИС…………………………………………….19
3.5. Изоляция элементов ИС……….…………………………….............21
3.6. Корреляция параметров элементов ИС……………………………..22
4. ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ…………………………………..23
4.1. Особенности схемотехники цифровых ИС…………..…………….23
4.2. Ключ на одинаковых МДП-транзисторах…………………………..25
4.3. Ключ на комплементарных МДП-транзисторах…………………...28
4.4. Принципы построения логических элементов……………………..30
4.5. Логические элементы на КМДП-ключах……………………….…..32
4.6. Логические элементы на биполярных транзисторах………………34
4.7. Принципы построения ИС запоминающих устройств…………….38
4.8. Ячейки памяти ИС запоминающих устройств..................................41
4.9. SSD память……………………………………………………………43
5. АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ……………………….….......44
5.1. Особенности схемотехники аналоговых ИС……………….………44
5.2. Генератор стабильного тока…………………………………………45
5.3. Токовое зеркало………………………………………………………46
5.4. Цепь сдвига уровня…………………………………………………..47
5.5. Дифференциальный усилительный каскад………………………....49
5.6. Операционный усилитель………………………………….………...51
6. ЭЛЕКТРОНИКА ВИДЕОТЕХНИКИ…………………………………..........56
6.1. Электроника фото- и видео- камер…………………………….........56
6.2. Электроника информационных дисплеев…………………………..57
7. ДИСКРЕТНО-АНАЛОГОВЫЕ ИС………………………………………….59
7.1. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи………..59
7.2. ИС на переключаемых конденсаторах..………………………….…62
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, поддерживая желаемый уровень 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.
1. Основы современной электроники
1.1. Электроника. Основные задачи и определения
Непрерывно растущие требования к электронным устройствам привели к отказу от использования дискретных (отдельных) электронных элементов и к началу 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. Основными из них являются 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:
λ = n / Nt , (1)
где n – количество отказов при испытании или эксплуатации объектов; N – количество объектов; t – время испытания или эксплуатации. В качестве единицы времени используется не принятая в СИ секунда, а более естественная в данном случае единица – час. Для наиболее совершенных ИС λ может составлять 10-6 ч-1 и менее.
Первый отказ при испытании партии объектов может наступить очень быстро или, напротив, спустя очень большое время. Поэтому необходимо дождаться, по крайней мере, нескольких отказов (достоверной выборки). При определении λ большой проблемой является необходимость наблюдения за отказами большого количества объектов в течение большого времени. Ускорению появления отказов помогает увеличение температуры (ускоренные испытания). Согласно закону Аррениуса, скорость всех физических и химических процессов экспоненциально, т.е. очень быстро растёт с увеличением температуры. Именно такие процессы, например, коррозия, приводят к отказам.
Наряду с λ часто используется среднее время наработки на отказ tср:
tср = 1 / λ , (2)
а также вероятность безотказной работы за время наработки на отказ p:
p = e - λ/t , (3)
где t - заданное время наработки на отказ.
Для интенсивности отказов любого объекта характерна зависимость от времени вида рис. 1.
Рис. 1
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).