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 ввиду 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 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.
Рис. 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.
Рис. 3
Технология изготовления ИС на основе принципа группового изготовления хорошо согласуется с потребностями рынка. Они исчисляются десятками миллионов штук (например, ИС запоминающих устройств и процессоров цифровых электронных устройств).
1.4. Классификация ис
Классификация ИС предполагает принятие во внимание большое количество разнообразных признаков:
‑ по типу действующих в них сигналов – цифровые и аналоговые ИС;
‑ по технологии изготовления – полупроводниковые и гибридные. В п/п ИС все элементы изготовлены в кристалле полупроводника, в гибридной ИС частично используются дискретные (навесные) элементы, изготовленные отдельно;
‑ по функциональному назначению – процессоры, ИС памяти, логические, усилители и преобразователи сигналов и т.д.;
‑ по способности сохранять информацию в отсутствие энергии питания – энергозависимые и энергонезависимые;
‑ по способности к изменению хранящейся в ИС информации – перепрограммируемые и неперепрограммируемые;
‑ по типу используемых элементов – МДП, КМДП, биполярные и т.д.;
‑ по способу изоляции элементов ИС друг от друга – с изоляцией p-n переходами, диэлектрической изоляцией.
ИС классифицируются также по типу физических явлений. В основном, используются явления и процессы, наблюдающиеся в электронных элементах и цепях. Однако существуют ИС, использующие явление поверхностной акустической волны, эффект Холла, пьезоэффект, другие физические процессы. Особый подкласс образуют оптоэлектронные ИС, в которых используется фотоэффект и излучательная рекомбинация (оптоэлектроника).