159

1. Состав элементной базы ЭОС. Требования к элементной базе ЭОС. Тенденции развития элементной базы ЭОС. Интегральные микросхемы и устройства функциональной электроники, как основные составляющие изделий интегральной электроники. Статические неоднородности. Динамические неоднородности.

Под схемотехнической элементной базой понимают электрорадиоизделия (ЭРИ), которые входят в перечень элементов принципиальной электрической схемы устройства. ЭРИ включает следующие классы:

       электрорадиоэлементы (ЭРЭ) — дискретные резисторы, конденсаторы, моточные изделия (катушки индуктивности, трансформа­торы и др.), изделия функциональной электроники (пьезоэлектрические, пьезокерамические, электромеханические фильтры, фильтры на ПАВ, варикапные матрицы и т. п.);

       электровакуумные приборы (ЭВП) — электронно-лучевые труб­ки, радиолампы, электрические сигнальные лампы и т. д.; полупро­водниковые приборы (ППП) — транзисторы, диоды, тиристоры и т. д.;

       интегральные микросхемы (ИС) — конструктивно законченные изделия микроэлектронной техники общего применения, выполня­ющие определенные функции обработки информации и содержащие совокупность электрически связанных между собой элементов, обладающие высокой плотностью упаковки и изготовленные в едином технологическом процессе. По способу изготовления различают пленочные, полупроводниковые и гибридные ИС. У пленочных ИС все элементы и соединения между ними выполнены в виде пленок (тонкопленочные, с толщиной пленки до 1 мкм, изготавливаются преимущественно методами вакуумного напыления и осаждения; толстопленочные, g толщиной пленки 10—50 мкм, изготавливаются методами трафаретной печати). У полупроводниковых ИС все элементы и соединения между ними выполнены в объеме и на по­верхности полупроводника. Гибридные ИС представляют собой ком­бинацию пленочных пассивных ЭРЭ с миниатюрными бескорпусными дискретными активными приборами (полупроводниковыми ИС, транзисторами, диодами), которые расположены на общей диэлектрической подложке;

микросборки (МСБ) — конструктивно законченные изделия микроэлектронной техники определенного функционального назна­чения частного применения, содержащие совокупность электрически связанных между собой ИС и их элементов, разрабатываемые и изготавливаемые производителями конкретной РЭА с целью улуч­шения показателей ее микроминиатюризации;

       микропроцессорные  комплексы;  контрольно-измерительные приборы; изделия электропривода и автоматики; коммутационные изделия (соединители, переключатели и т. д.); волоконно-оптиче­ские кабели и соединители.

1 поколение - создание РЭА на основе электровакуумных приборов и дискретных ЭРЭ;

2 поколение - использование дискретных транзисторов и миниатюрных ЭРЭ;

3 поколение - применение ИС и микроминиатюрных дискретных ЭРЭ;

4 поколение - комплексное использование ЭРЭ, БИС и СБИС, УФЭ и микропроцессорных комплектов.

   РЭА пятого поколения— аппаратура, выполненная на основе сверхбольших сверхбыстродействующих интегральных микро­схем (СБИС, ИС-5, k= 5, Nэ = 100000), гибридно-интегральных модулей (ГИМ) и волоконно-оптических кабелей и соединителей (ВОКС).В РЭС пятого поколения находят применения приборы функциональной микроэлектроники. Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, используя физические явления в твердых телах. При этом локальному объему твердого придаются такие свойства, которые необходимы для выполнения данной функции, и промежуточной этап представления этой функции в виде эквивалентной электрической схемы не требуется .

Общие тенденции развития конструкций РЭС, которые характерны для перехода от одного поколение к другому и являются движущей силой этого прогресса:

1) миниатюризация элементной базы РЭС (как простая геометриче­ская, так и с использованием законов микроэлектроники — микромини­атюризация);

2) неуклонное стремление к повышению надежности элементов и компонентов конструкций РЭС;

3) уменьшение массы и объема монтажа и коммутационных цепей, повышение их надежности;

4) унификация и стандартизация функциональных узлов;

5) внедрение автоматизации разработок конструкций РЭС и автома­тизированных способов их изготовления;

6) непрерывный рост интеграции конструкций как за счет интегра­ции элементной базы, так и благодаря новым методам компоновки;

7) внедрение элементов и узлов функциональной электроники.

Схемотехническая интеграция – интеграция функционально простых элементов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и т. п.), которые локализованы в различных местах твердого тела и способны выполнять сложные схемотехнические функции лишь в совокупности, например, в составе ИС, включающей в себя также эле-

менты связи (межсоединения).

При функциональной интеграции сложные схемотехнические функции и их комбинации могут реализовываться физическими процессами, протекающими во всем

рабочем объеме твердого тела.

Схемотехническая интеграция – это технологическая интеграция.

Функциональная интеграция – это физическая интеграция.

В ИС обработка сигналов осуществляется продвижением носителей из области одной статической неоднородности в область другой. При этом происходит непрерывное изменение физических величин – носителей информации:

- тока,

- потенциала,

- концентрации носителей и т.д.

Статические неоднородности:

- Создаются в ходе необратимых технологических процессов в процессе производства;

- В основном сохраняют характеристики в течение всего срока эксплуатации;

- Жестко связаны с определенными координатами и не могут перемещаться в объеме прибора.

В функциональной электронике использованы новые физические принципы и эффекты, характерной особенностью которых является наличие и использование для обработки и хранения информации динамических неоднородностей в однородном объеме твердого тела.

Примеры динамических неоднородностей:

- цилиндрические магнитные домены,

- пакеты зарядов в приборах с зарядовой связью,

- волны деформации кристаллической решетки в приборах на ПАВ.

Динамические неоднородности создаются физическими методами. Их появление, перемещение и исчезновение в объеме твердого тела не связано с процессом изготовления устройства:

- создаются физическими средствами в ходе эксплуатации прибора, а не технологическими в процессе производства;

- могут возникать и исчезать, а также изменять свои характеристики во времени;

- могут существовать длительное время, и эта длительность определяется функциональными задачами устройства;

- не связаны жестко с координатами;

- являются непосредственными носителями информации, которая может быть представлена как в цифровой, так и в ана логовой форме.

2. Основные этапы конструирования ЭОС. Взаимосвязи процессов проектирования ЭОС и интегральных микросхем. Упрощенная схема и десять укрупненных этапов автоматизированного проектирования изделий интегральной электроники. Требования к специалистам, осуществляющим проектирование. . Общее и частное техническое задания на автоматизированное проектирование изделий интегральной электроники и основные требования к ним.

Основные этапы конструирования РЭС и ЭОС

1. Системотехническое проектирование.

2. Схемотехническое (функциональное) проектирование.

3. Техническое (конструкторское) проектирование.

4. Проектирование технологических процессов

Системотехническое проектирование. На данном этапе:

- выбираются и формулируются цели проек-тирования,

- формируется структура будущего изделия,

- определяется состав будущего изделия,

- определяются основные технико-экономические характеристики.

Схемотехническое (функциональное) проектирование. В ходе данного этапа:

- выбирается функционально-логическая база,

- разрабатываются принципиальные логические схемы ИЭТ в целом и его составных частей,

- оптимизируются параметры ИЭТ.

Техническое (конструкторское) проектирование. Решает задачи:

- синтеза конструкции изделия (ИЭТ, элемента, компонента, дискретного прибора, ИС, БИС, СБИС, УФЭ и т.д.),

- компоновки и размещения элементов, компонентов и т.д. в изделии,

- разработки схемы электрических соединений изделия в целом, т.е. на всех уровнях (дискретных приборов, микросхем, ячеек, микроблоков и т.д.).

В ходе данного этапа:

- проводится анализ тепловых режимов ИЭТ и их электромагнитной совместимости,

-оформляется внешний вид изделия.

Этап технического проектирования заканчивается созданием полного комплекта конструкторской документации на изделие (в виде таблиц, чертежей, сигналограмм на носителях данных).

Проектирование технологических процессов. Данный этап предусматривает:

- определение состава технологического оборудования для производства конкретного вида ИЭТ,

- поиск готовых унифицированных средств технологического оснащения или проектирование специального технологического оборудования,

- изготовление комплекта технологической документации.

10 укрупненных этапов проектирования РЭС и ИС

1 — составление технического задания ТЗ на проектируемую аппаратуру и его согласование с заказчиком;

2 — синтез функциональной схемы аппаратуры;

3 — выбор физических методов реализации функциональных преобразований;

4 — выбор оптимальной сложности ИС и других компонентов аппаратуры;

5 — синтез электрических схем ИС и узлов РЭА, а также схем электрических соединений компонентов РЭА между собой;

6 — конструктивная разработка ИС и других типов узлов РЭА;

7 — технологическая разработка ИС и узлов РЭА;

8 — конструктивная разработка аппаратуры;

9 — технологическая разработка аппаратуры;

10 — разработка методики испытаний ИС и РЭА в целом.

Взаимосвязь процессов проектирования РЭС и ИС

Ф — группа специалистов по функциональному моделированию и синтезу аппаратуры;

К-Т — группа конструкторов и технологов РЭА;

М.Э.— группа специалистов по микроэлектронике;

О — этапы, выполняемые совместно всеми тремя группами специалистов.

ОБЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

При формулировке ТЗ на разработку ИС выбирают:

а) физические принципы и типы электрических схем (аналоговые, дискретные, смешанные и т.п.);

• б) класс и принципы конструирования ИС;

• в) основные исходные материалы (кремний, германий, арсенид галлия, сапфир, феррит, ситалл, стекло и т. п.);

• г) основные технологические методы и операции изготовления ИС (эпитаксия, диффузия, напыление в вакууме, электрохимическое осаждение, элионная обработка и т.п.).

При составлении технического задания стремятся унифицировать конструкции и технологические процессы и ограничить перечень исходных материалов.

ЧАСТНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ

В процессе конструирования ИС, помимо общего технического задания, которым руководствуются почти на всех этапах данного процесса, полезно выделять и формулировать частные технические задания (ЧТЗ), предназначенные для выполнения отдельных этапов.

ЧТЗ могут составляться на:

- синтез и оптимизацию наиболее важных моделей ИС,

- главных технологических операций ее изготовления,

- основных испытаний ИС и т. п.

Роль и значение ЧТЗ возрастают по мере:

- усложнения ИС и процесса их проектирования;

- вовлечения в этот процесс все более широкого круга специалистов разного профиля.

Наиболее важной частью ТЗ является определение функциональной задачи ИС, вытекающей из назначения системы (кибернетическая часть ТЗ).

Правильному формированию этой части ТЗ на конструирование ИС придается первостепенное значение.

основные требования к ЧТЗ

1) задание должно быть четким и лаконичным, чтобы конструктор мог, как говорится, «одним взглядом» охватить суть решаемой задачи;

2) задание должно быть построено по схеме, которая сама по себе непосредственно помогала бы проводить структурный синтез последующих моделей ИС;

3) форма составления задания должна быть относительно универсальной и в равной степени применимой к широкому классу проектируемых ИС.

В свете вышеизложенных требований кибернетическую часть ЧТЗ на ИС удобно формулировать в виде требований к схеме, отразив в них:

- число входов ИС, входные параметры и характеристики;

- число выходов ИС, выходные параметры и характеристики;

- алгоритм преобразования сигналов в ИС.

При этом под входными и выходными сигналами понимают как рабочие сигналы, так и возмущения паразитного характера.

3.Взаимосвязи информационных, функциональных и электрических преобразований сигналов. Сигналы и их виды, основные характеристики. Детерминированные и вероятностные преобразования сигналов. Особенности аналоговых, импульсных и логических преобразований сигналов.

Информационная радиоэлектронная система создается с целью обработки, хранения и передачи определенных информационных сообщений. Такие сообщения формируются с помощью физического носителя сигнала, отражающего возмущение соответствующей материальной среды. Наиболее распространенными физическими носителем являются:

- электрический ток,

- оптические, акустические, магнитные явления, которые, как правило, в последствии преобразуются в электрический ток.

Таким образом, в работающей ИС протекают два взаимосвязанных процесса:

- электрическое преобразование сигналов;

- обработка информационных сообщений.

Виды преобразований сигналов

• Аналоговые преобразования – состояние входных и выходных сигналов изменяется непрерывно.

• Дискретные преобразования - одно слово сообщения формируется путем составления определенных комбинаций из многих сигналов, которые имеют ограниченное число состояний (чаще всего используются два состояния: «нуль» и «единица»), а их параметры изменяются, как правило, скачкообразно.

• Смешанные преобразования - состояние входных сигналов может изменяться непрерывно (как во времени, так и по уровню), а состояние выходных сигналов — дискретно и наоборот. Возможно совместное преобразование аналоговых и дискретных сигналов. С помощью теоремы В.А. Котельникова аналоговые сигналы можно преобразовывать в смешанные или полностью дискретные, почти не искажая их информационного содержания.

- Детерминированные ФП - каждому состоянию или кодовой комбинации входных сигналов однозначно соответствует только одно состояние или одна кодовая комбинация выходных сигналов из множества возможных.

- Вероятностные ФП - соответствие между состояниями и кодовыми комбинациями входных и выходных сигналов задается вероятностными законами.

Дискретные функциональные преобразования

Импульсные - широко применяются в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, телевидении и т.п.; Логические - используются в устройствах кодирования и декодирования в радиотехнических системах, цифровой телеметрии, вычислительной технике и автоматических устройствах управления. Аргументы логических функций и сами функции принимают только два значения: «ноль» или «единица» (0 или 1). Эти преобразования (логические операции) подчиняются законам математической логики.

4.Основные классы электрических элементарных функциональных преобразователей. Аналоговые, импульсные, логические элементарные функциональные преобразователи, принципиальные схемы и типы выполняемых ими преобразований.

Электрические ЭФП делят на четыре класса:

- аналоговые (АЭФП) - АЭПФ генерирования, усиления и трансформации, формирования сигналов;

- импульсные (ИЭФП) - ИЭПФ генерирования, усиления и трансформации, формирования сигналов;

- смешанные (СЭФП) – СЭФП видеосигналов и СЭФП радио-сигналов;

- логические (ЛЭФП) - ЛЭФП с запоминанием (управляемые и неуправляемые) и ЛЭФП без запоминания (статические и динамические).

ЭФП формирования сигналов:

- ЭФП индивидуального формирования сигнала (ограничение, умножение и деление частоты, дифференцирование и интегрирование, задержка во времени и т.п.)

- ЭФП группового формирования сигналов (модуляция и детектирование, смешение и фильтрация, различение сигналов и т.п.).

Аналоговые ЭФП

Генерирование синусоидального сигнала: f₀- частота автоколебаний; Δf- нестабильность частоты; Um- амплитуда выходного напряжения.

Усиление:Uвх(Iвх)- амплитуда входного напряжения (тока); К – коэффициент усиления по напряжению (току), Δf- полоса пропускания.

Двустороннее ограничение напряжения (тока):Uв(Iв) и Uн(Iн) – соответственно верхний и нижний пороги ограничения; К— коэффициент изменения величины сигнала после ограничения.

Умножение частоты:Uвх(Iвх)- амплитуда входного сигнала; f – частота входного сигнала; n - коэффициент умножения частоты; К – коэффициентизменения амплитуды (мощности) сигнала.

Деление частоты: Uвх(Iвх)- амплитуда входного сигнала; fвх- частота входного сигнала;

n – коэффициент деления

Фильтрация: fв- верхняя частота среза; fн- нижняя частота среза; Па— коэффициент прямоугольности на уровне а; Кп- коэффициент передачи

Смешение: Uвх1- амплитуда первого входного сигнала; Uвх1- амплитуда второго входного сигнала; f1 иf2 — частоты первого и второго сигналов; К— коэффициент пропорциональности между входными сигналами

Амплитудная модуляция: Um(Im)- амплитуда несущего сигнала; U_Ω(I_Ω)- амплитуда модулирующего сигнала; m - коэффициент, характеризующий глубину модуляции; f – частота несущего сигнала; Ω- частота модулирующего сигнала.

Импульсные ЭФП

Генерирование прямоугольных импульсов: τ - длительность импульса, U(I) – величинаимпульсного напряжения (тока), F - частота повторения импульсов, τ_ф1- длительность переднего фронта импульса, τ_ф2- длительность заднего фронта импульса;

Генерирование линейно изменяющего (пилообразного) сигнала: Тпр(Тобр) - время прямого (обратного) хода сигнала, Um(Im) – максимальная величина сигнала, δ1 и δ2 – коэффициенты нестабильности амплитуды и скорости нарастания сигнала, ε - коэффициент нелинейности прямого хода сигнала;

Дифференцирование прямоугольного импульса:Uвх(Iвх) - напряжение (ток) входного

Импульса, τ - длительность выходных импульсов (на уровне 0,5), Кп - коэффициент передачи;

Интегрирование прямоугольного импульса: Uвх(Iвх) - напряжение (ток) входного импульса, τ - длительность выходного импульса (на уровне 0,5),Кп - коэффициент передачи;

Разделение импульсов по амплитуде: U(I) - напряжение (ток) выделяемых импульсов, ΔU(ΔI) - допустимый разброс селекции, τ - длительность выделяемых импульсов;

Разделение импульсов по длительности: U(I) - напряжение (ток) выделяемых импульсов, τ -длительность выделяемых импульсов; Δτ— допустимый разброс.

СМЕШАННЫЕ ЭФП

Различение амплитуды (АР):Umax-Umin - диапазон изменения величины аналогового сигнала, Т - период сигнала, ΔU – допустимыйразброс чувствительности амплитудного различения;

Амплитудное детектирование радиоимпульсов:Um(Im) - амплитуда несущего сигнала; f- частота несущего сигнала; τ - длительность радиоимпульсов; Uвых(Iвых) – величина выходного сигнала после детектирования.

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭПФ

Сложение сигналов (дизъюнкция). Символически записывается c=aVбVв или c=a+б+в (сигнал на выходе существует, если на входы подан хотя бы один сигнал)

Умножение сигналов (конъюнкция). Символически записывается c=aΛбΛв или c=a∙б∙в(сигнал на выходе существует, если на все входы поданы сигналы)

Отрицание сигнала (инверсия). Символически записывается c=a+б+в;

или c=a∙б.

5.Синтез логической функциональной схемы автоматического устройства. Входы, выходы, алгоритм работы схемы. 9. синтез аналоговой функциональной схемы распределителя сигналов. Входы, выходы, алгоритм работы схемы. Полная функциональная схема распределителя сигналов.

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭПФ

Сложение сигналов (дизъюнкция). Символически записывается c=aVбVв или c=a+б+в (сигнал на выходе существует, если на входы подан хотя бы одинсигнал)

Умножение сигналов (конъюнкция). Символически записывается c=aΛбΛв или c=a∙б∙в(сигнал на выходе существует, если на все входы поданы сигналы)

Отрицание сигнала (инверсия).Символически записывается c=a+б+в;или c=a∙б.

СИНТЕЗ ЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Задача: Синтезировать логическую функциональную схему автоматического устройства.

Входы: Схема имеет четыре входа, на которые подаются потенциальные сигналы (логические «нуль» и «единица»).

Выходы: Схема имеет один сигнальный выход.

Алгоритм работы схемы имеет вид:

ШАГ 1: ВЫБОР БАЗИСА

1. В качестве базиса выберем схемы: И, ИЛИ, НЕ.

2. Выразим алгоритм через эти три типа ЛЭФП (избавимся от ЛЭФП импликации и эквивалентности):

- Замена импликации: A → B = A V B;

Замена эквивалентности: A B = (A V B)Λ(B V A)

ШАГ 2: РАЗБИВКА АЛГОРИТМА НА ПРОСТЫЕ ФУНКЦИИ

ЛОГИЧЕСКАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА С ЭЛЕМЕНТАМИ УРОВНЯ φ_i

Логическая функциональная схема с компонентами уровня ЛЭФП

синтез аналоговой функциональной схемы распределителя сигналов. Входы, выходы, алгоритм работы схемы. Полная функциональная схема распределителя сигналов.

ЭТО ПРИМЕР ЗАДАЧИ – ПАРАМЕТРЫ ТОЛЬКО ДЛЯ ПРИМЕРА

Входы: Схема имеет один сигнальный вход. На него подается ВЧ ЧИМ/АМ сигнал, представляющий серию импульсных посылок.

Частоты: несущего сигнала f₀=10 МГц, заполнения импульсов f₁=40 кГц; f₂=50 кГц; f₃=60 кГц. Длительность импульсов — 100 мкс.

Величина входного сигнала Uвх=0,5 В.

Выходы: Схема имеет три выхода. С каждого из них снимаются видеоимпульсы, соответствующие частотам заполнения: выход 1 — f₁; выход 2 — f₂ и выход 3 — f₃. Амплитуды выходных сигналов должны быть равны 1 В.

Алгоритм работы схемы:

Первая основная задача алгоритма: выделить из ВЧ ЧИМ/АМ сигнала импульсы посылки и разделить их по трем каналам.

Вторая основная задача: обеспечить заданные параметры выходных сигналов.

ФС реализации 1-й основной задачи

Параметры фильтров:

Ф₁: fв=42 кГц; fн=38 кГц;

Кп=0,3; П₀=1,5.

Ф₂: fв=52,5 кГц; fн=47,5 кГц;

Кп=0,3; П₀=1,5.

Ф₃: fв=63 кГц; fн=57 кГц;

Кп=0,3; П₀=1,5.

Полная аналоговая ФС

6.Этап электрического моделирования. Синтез и оптимизация алгоритма процессов преобразования электрических сигналов будущей микросхемы. Классификация типов электрических моделей, принципиальная электрическая схема–модель, эквивалентная электрическая схема–модель. Классификация преобразовательных схемных компонентов микросхемы.

Основная задача: синтез и оптимизация алгоритма процессов преобразования электрических сигналов создаваемой ИС. Данный алгоритм неразрывно связан со структурой электрической модели ИС, синтезируемой одновременно с его разработкой. Электрическое моделирование ИС может быть как расчетно-теоретическим, так и натурным (экспериментальным) (последнее обычно дополняет первое). Расчетно-теоретическое моделирование в свою очередь подразделяется на аналитическое и машинное. В основе аналитического моделирования лежат известные аналитические преобразования, используемые в теории цепей. При машинном моделировании на ЦВМ используются арифметические операции сравнения, перебора. При расчетно-теоретическом моделировании в качестве исследуемого объекта применяются как принципиальная, так и эквивалентная схемы. При натурном моделировании используется только принципиальная схема.

принципиальная электрическая схема — графическое изображение (модель) с помощью условных графических и буквенно-цифровых обозначений (пиктограмм) связей между элементами электрического устройства. В отличие от разводки печатной платы не показывает взаимного (физического) расположения элементов, а лишь указывает на то, какие элементы с какими соединяются. Обычно при разработке радиоэлектронного устройства процесс создания является промежуточным звеном между стадиями разработки функциональной схемы и проектированием печатной платы.

Эквивалентная электрическая схема–модель - электрическая схема, в которой все реальные элементы заменены максимально близкими по функциональности цепями из идеальных элементов. Одной из основных задач электроники является расчет электрических схем, то есть получение детальной количественной информации о процессах, происходящих в этой схеме. Однако рассчитать произвольную схему, состоящую из реальных электронных компонент, практически невозможно. Мешает расчету то обстоятельство, что попросту не существует методик математического описания поведения реальных электронных компонент (например, транзистора) как единого целого. Имеются значения отдельных параметров и экспериментально снятые зависимости, но связать их в единую точную формулу, полностью описывающую поведение компоненты, в большинстве случаев не представляется возможным. С другой стороны, исключительно простым математическим аппаратом описываются идеализированные базовые элементы электронных схем (например, идеальный резистор). Однако они не существуют в реальном мире. Так, любой резистор имеет множество паразитных параметров: индуктивность, емкость, температурные зависимости и т.п. Введение понятия эквивалентная схема позволяет «связать» мир реальных компонент и мир их идеальных приближений. Эквивалентная схема представляет собой цепь только из идеальных компонент, которая функционирует примерно также, как и исходная схема. В эквивалентной схеме могут быть отражены, при необходимости, различные паразитные эффекты: утечки, внутренние сопротивления и т.д. Эквивалентная схема может составляться как для одного элемента, так и для сложной цепи.

Синтез и оптимизация алгоритма процессов преобразования электрических сигналов будущей микросхемы.

Понятие структурный синтез в аналоговой электронике тесно связано с общесистемной проблемой структурной оптимизации. Утверждение об оптимальности структуры электронной схемы или цепи подразумевает предположение, что реализуемое электронное устройство воспроизводит заданное функциональное преобразование сигнала (например, имеет необходимый набор передаточных функций) при удовлетворении некоторых дополнительных ограничений. Именно в этих ограничениях и состоит содержательная сторона проблемы. Во-первых, формирование таких и, в первую очередь разумных, ограничений во многом искусство, которое базируется на опыте решения аналогичных задач и понимании доминирующих общесистемных факторах, определяющих успешное решение общей проектной процедуры. Во-вторых, эти ограничения практически всегда связаны с базовыми свойствами полупроводниковой или иной технологии. Схемотехник не может требовать от технологии пусть и одного, но идеального компонента. Наконец, и это самое главное, многообразие ограничений может оказаться противоречивым для конкретной задачи и в конечном итоге не дает положительного эффекта. Низкая эффективность решения такой задачи, как правило, свидетельствует о недостаточно глубоком изучении проблемы. Именно поэтому задачи структурного синтеза и оптимизации в электронике можно решать только со схемотехниками, в совершенстве владеющими богатым, но достаточно своеобразным языком и набором понятий в этой предметной области.

И, если указанные проблемы преодолены, неизбежно возникает вопрос о способе решения задачи – совмещение задач структурной и параметрической оптимизации, этапность формирования критериев и т.п. С точки зрения исходной посылки ответ на сформулированный вопрос можно дать практически однозначный. Структурный синтез и соответствующая оптимизация могут и должны пополнять богатство языка схемотехники и расширять ее понятийный аппарат посредством формирования на каждом этапе развития микроэлектроники фундаментальных ограничений, правил и принципов в каждой предметной области (фильтры, корректоры, усилители и т.п.).

Именно общность выводов и рекомендаций при решении конкретных задач схемотехнического проектирования позволяет сформировать непротиворечивые критерии соответствующей оптимизации и уже поэтому обеспечить их эффективное решение. В этой связи доведение проекта до уровня цифр (номиналы элементов) целесообразно оставить на завершающий этап или этап параметрической оптимизации, когда следует учитывать множество специфических ограничений, а также подвергать исходную схему «попятной» модернизации. Следовательно, конечной целью структурного синтеза является получение такой структуры (упрощенной принципиальной схемы), в рамках которой существуют такие степени параметрической свободы, которые без изменения заданного вида функционального преобразования (набора передаточных функций) позволяют минимизировать, максимизировать или существенно улучшить заданный показатель качества. Типичным примером такого показателя качества может служить степень влияния (параметрическая чувствительность) частоты единичного усиления (площади усиления) на характеристики и параметры избирательного усилителя. Если удается минимизировать эту чувствительность (степень влияния), то при решении конкретной задачи проектировании можно будет рассматривать, по крайней мере, следующие области компромисса и непротиворечивые критерии:

• использование энергоэкономичных режимов работы не только входных, но и выходных каскадов усилителя;

• уменьшение требуемой точности изготовления пассивных частотозадающих элементов;

• интеграцию в единой схеме функций частотной селекции и усиления сигнала;

• повышение динамического диапазона устройства;

• за счет уменьшения требований к усилителю применение иной технологии (производства) и т.п.

Классификация преобразовательных схемных компонентов микросхемы.

Классификация преобразовательных схемных элементов (компонентов) ИС.

Эти элементы прежде всего характеризуются числом полюсов (входов и выходов электрического тока). Существуют двухполюсные (резисторы, конденсаторы, диоды), трехполюсные (транзисторы, RC-структуры), четырёхполюсные (трансформаторы, тиристоры) и в общем случае n-полюсные элементы. С ростом числа полюсов конструктивная сложность элемента и его возможности преобразования сигнала, как правило, существенно возрастают; одновременно увеличивается гибкость управления режимом работы. Элементы делятся на пассивные и активные. Пассивные элементы, обладающие положительным сопротивлением (), расходуют мощность полезного сигнала, чаще всего рассеивая ее в виде тепловых потерь. Активные элементы усиливают мощность полезного сигнала, преобразуя энергию источников питания в энергию полезного сигнала. Знак и величина угласдвига фаз между током и напряжением сигнала на каждом полюсе элемента определяют его импеданс. В общем случае он будет комплексным. Приимпеданс будет носить индуктивный, при— емкостной, а при— омический характер. Придвухполюсники вырождаются в резисторные, индуктивные и емкостные элементы соответственно. Зависимость тока сигнала от его напряжения на каждом полюсе элемента может быть как линейной, так и нелинейной. Нелинейными зависимостями обычно обладают активные элементы. Наиболее часто встречаются нелинейностиN- и S-вида.

По режиму работы элементы можно подразделить на аналоговые и ключевые (спусковые). Первые характеризуются сравнительно плавным изменением параметров во времени, вторые — скачкообразным (в идеале — мгновенным). Закономерности изменения параметров аналоговых элементов, во многом определяющие форму и спектральный состав сигнала, существенно влияют на информационную часть последнего. Изменения параметров ключевых элементов, как правило, не влияют на формирование информационной части сигнала, которая определяется правилами кодирования

Последний признак рассматриваемой классификации характеризует степень пространственного распределения параметров элемента. С этой точки зрения элементы подразделяются на элементы с сосредоточенными параметрами и элементы с распределеннымипараметрами.

7.Микросхемы на биполярных и полевых транзисторах. Типы схем на биполярных транзисторах, логические микросхемы на МОП- и КМОП-транзисторах. Микросхемы с перестраиваемой структурой. Перестройка формированием недостающих соединений печатного монтажа микросхемы, перестройка с помощью электрического управления.

Различают три основные группы логических элементов ИС на биполярных транзисторах:

- логические элементы с передачей выходного тока

или напряжения на вход нагрузочного элемента (ТЛНС, РТЛ, РЕТЛ, И²Л логика);

- интегральные схемы с логикой на входе (конъюнкция и дизъюнкция) и с передачей входного тока на выход управляющего элемента (ДТЛ, ТТЛ, ТТЛШ, ДСДТЛ, МДТЛ, ППТЛ);

- логические ИС с эмиттерной связью и токовым переключением (ЭСЛ, ЭЭСЛ, ДСЭЛ).

Транзисторная логика с непосредственными связями (ТЛНС)основана на параллельном (или последовательном) соединении транзисторных ключей и использовании общей коллекторной нагрузки.

Достоинство: - простота; Недостатки: - зависимость процессов от характеритик транзисторов (изменение уровней сигналов с изменением числа входов и нагрузки, неравномерное распределение токов коллекторов)

Резисторно-транзисторная логика (РТЛ) (рис.то же самое,что и для тлнс только на базы транзисторов вешают резисторы)Для улучшения надежности схем ТЛНС в базовые цепи транзисторов включают резисторы сопротивлением порядка 10² Ом, что позволяет выравнивать входные характеристики. Недостаток: введение резисторов уменьшает быстродействие схемы из-за возрастания длительности фронта.

Резисторно-емкосная транзисторная логика (РЕТЛ) (рис.то же самое, что и для тлнс только на базы транзисторов вешают резисторы и 3 входных резистора шунтируют конденсатором)Для ослабления влияния сопротивления на быстродействие элемента его шунтируют конденсатором небольшой емкости.Недостаток: большая площадь, занимаемая интегральными резисторами и конденсаторами.

Интегральная-инжекционная логика(И²Л)

В основе И²Л лежат функционально

интегрированные структуры. Горизонтальный р₁-n₁-p₂ транзистор называют токозадающим (Ти). Многоколлекторный инвертирующий транзистор (Т) n₂-p₂-n₁ типа расположен вертикально и имеет общий эмиттер (сильнолегированное основание подложки). Эмиттерная область транзистораТ одновременно служит базой транзистора Ти. Инвертор включается когда ток инжектора Ти отбирается из базыТв другую цепь (например предшествующей структуре схеме), т.е. за счет уменьшения входного напряжения Uвх. Это напряжение одновременно управляет смещением на эмиттерном переходе инвертора Т.Логические уровни и логический перепад в схеме И²Л описывается как в ТЛНС и имеют подобные характеристики. Оригинальность схемотехнического решения сочетается с оригинальностью технологического решения. Преимущества И²Л:

- Отсутствие изолирующих карманов и резисторов (экономия площади, уменьшение напряжения питания, мощности и времени задержки);

- Малая емкость коллектора, малое остаточное напряжение на насыщенных транзисторах;

- Универсальность структур (возможность использования для арифметических устройств, устройств памяти, логики, хорошее согласование с ТТЛ и ДТЛ- схемами).

В ДТЛ число логических входов не связано с количеством

транзисторов. Логическая функция осуществляется диодами Д1, Д2 и Д3, а транзистор выполняет функцию инверсии. Т.е. резко сокращается количество транзисторов, отсутствует эффект перехвата тока, входные диоды обеспечивают развязку цепей друг от друга.

Модифицированная диодно-транзисторная логика (МДТЛ) – входом служат эмиттерные повторители. Эмиттерные повторители способны усиливать входной ток и, следовательно, улучшить параметры ДТЛ.

Диодно-транзисторная логика с дополнительной симметрией (ДСДТЛ), диодно-транзисторная логика с переменным порогом (ПНТЛ). На входе данных схем расположены инверторы. Данные схемы отличаются высокой помехоустойчивостью.

Недостатки ДТЛ:

Большое количество диодов требует создания изолирующих карманов (увеличивается площадь, занимаемая диодами, падает степень интеграции).

В ТТЛ- элементе функцию входных диодов выполняет многоэмиттерный транзистор, а функцию диодов смещения выполняет коллекторный переход многоэмиттерного транзистора. Недостатком ТТЛ-схем является малая нагрузочная способность из-за насыщения транзисторов.

ТТЛШ - Шунтирование перехода «коллектор-база» диодом Шоттки позволяет избежать насыщения, что приводит к увеличению падения напряжения на переходе «база-эмиттер». Это уменьшает ток потребления в статическом режиме и, соответственно, потребляемую схемой мощность.

В настоящее время применяются МДП-транзисторы с окисным диэлектриком SiO₂ (МОП-транзисторы). Различают:

- схемы на МОП - транзисторах с каналами одного типа проводимости;

- схемы на комплементарных транзисторах.

Достоинства кмоп схем:- Малая мощность потребления в статическом режиме (~10^-9 Вт), т.к. КМОП-ключи практически не потребляют тока;

- Высокое быстродействие (~10 МГц);Большая помехоустойчивость;

- Высокая эффективность использования источников питания.

ИС с перестраиваемой структурой. Разработка каждой новой ИС сопряжена со значительными затратами. В силу известных трудностей унификации аналоговых и импульсных ИС все же велико. Поэтому в настоящее время разрабатываются схемы с перестраиваемой структурой. Перестройку можно осуществлять двумя методами: с помощью форми­рования недостающих соединений печатного монтажа ИС и с по­мощью электрического управления.

1. Сущность первого метода проиллюстрируем на примере логи­ческих монолитных ИС марки ХС-157, выпускаемой фирмой «Мото­рола» [1.55].

В кремниевой подложке сформированы 12 одинаковых ДТЛ, принципи­альная схема которых приведена на рис. 1.17. ДТЛ-схема выполняет операцию НЕ-ИЛИ. В каждой ДТЛ-схеме отсутствуют соединения диодов с выходными нагрузочными резисторами. Все 12 схем электрически изолированы друг от друга. Все межэлементные соединения, указанные на рис. 1, выполняются фирмой-изготовителем ИС. Они формируются в виде однослойного печатного монтажа. Сверху наносится изоляционная маска из стекла или SiO₂ таким образом, чтобы через ее «окна» были открыты контактные площадки ДТЛ-схем. Второй слой межэлементных соединений проектирует и наносит фирма-потребитель ИС.

Рисунок 1 - Не полностью «собранная» логическая схема.

Сущность второго метода сводится к переключению отдельных участков схемы с помощью электронных ключей. Внешние выводы ключей всегда находится под управляющим потенциалом. Этот метод еще не доведен до промышленного применения. Проиллюстрируем его на примере схемы детектора уровня, изображенной на рис. 2.

В схеме предусмотрены четыре p—n—p—n-переключателя, подключающих или отключающих Основные элементы и участки схемы. Сигналы на управляю­щие электроды переключателей подаются от внешних цепей. При включении только переключателя Кл1 схема работает следующим образом. Положитель­ный входной сигнал вместе с опорным напряжением, снимаемым с делителя П1, подается на затвор полевого транзистора 77. При достижении потенциала на­сыщения полевой транзистор открывается и включает в работу обычный бипо­лярный транзистор Т2, который в свою очередь открывает диод Д1. В результате на вход схемы через цепь о. с. подается небольшой по величине синфазный сиг­нал. Величину этого сигнала (коэффициент обратной связи) и запаздывание схемы можно регулировать, изменяя сопротивление цепи обратной связи, в частности R2. Выбирая это сопротивление достаточно большим, мы устанавливаем режим работы детектора уровня. Транзистор ТЗ согласует схему с нагрузкой. При включении только переключателя КлЗ (вместо цепочки R2, R3, Д1 включается R1) схема работает как бистабильный мультивибратор, запускаемый знако­переменной последовательностью импульсов. При включении только переклю­чателя Кл2 (вместо R1 включается С1) и подаче на вход стробирующих сигналов схема работает как генератор стробов. При одновременном включении Кл2 и Kл4 (вход заземляется), а также при определенном подборе опорного напря­жения U_оп схема работает как мультивибратор.

На этапе анализа параметров электрическая схема — модель исследуется как аналитически, так и экспериментально. В процессе анализа уточняются ее внешние параметры и характеристики и опре­деляются количественные зависимости изменений этих параметров и характеристик от вариации параметров элементов схемы^*. Анализ обычно проводится методами граничных испытаний, час­тичных испытаний, наихудшего случая , математического моде­лирования па ЭВМ [1.48, 1.49] и другими методами.

Рисунок 2. Схема с перестраиваемой структурой.

8.Особенности экспериментального моделирования, моделирование пассивных и активных элементов. Эквивалентная схема биполярного транзистора. Математическое моделирование, модель и система дифференциальных уравнений. Общая структура программ анализа электрических схем. Оптимизация схемы (модели). Зона разброса передаточной характеристики логической микросхемы

Особенности экспериментального моделирования

1. Трудоемкость и низкая гибкость эксперимента.

Вызывает затруднение практическая ограниченность вариации параметров cхемных элементов. Если резисторы, емкости и индуктивности можно отразить в схеме соответственно потенциометрами, конденсаторами переменной емкости и вариометрами, то транзистор с переменными параметрами не имеет практического аналога. Поэтому в процессе эксперимента одни транзисторы (а также другие элементы с нерегулируемыми

параметрами) постоянно заменяются в схеме на другие.

2. Низкая точность отражения моделью реальной ИС.

- элементы схемы-модели должны быть точными аналогами соответствующих элемен­тов ИС;

- электрические связи в схеме-модели должны точно отражать связи соответствующих элементов ИС.

Реально оба требования полностью не удовлетворяются, особенно для монолитных (полупроводниковых) ИС.

Математическое моделирование

Теоретический анализ или моделирование схем обычно производится с помощью ЭВМ. Анализ состоит из следующих последовательных этапов:

- формализация схемы,

- составление ее математической модели,

- разработка алгоритма и программы моделирования,

- процесс моделирования работы схемы на ЭВМ,

- исследование полученных данных.

При формализации реальную схему заменяют ее более упрощенным эквивалентом, отражающим главные исследуемые свойства реальной схемы.

Математическая модель схемы, как правило, отражает систему дифференциальных уравнений, описывающих протекающие в схеме электрические процессы, а также ограничения, выраженные в виде равенств, неравенств, числовых коэффициентов и т. п.

СИСТЕМА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ

Общая структура ПАЭС

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ТРАНЗИСТОРА

Индексы «э», «к» и «п» относят соответствующую величину к переходу эмиттер-база, коллектор-база и подложка-коллектор; U - падение напряжения на переходе; i-выходной ток транзистора; i_АКТ- активная составляющая тока через переход; С –ёмкость перехода, включающая зарядную и диффузионную составляющие; i_ТЭ, i_ТК, i_ТП - тепловые токи переходов; i_ТЭ, i_ТК, i_ТП– температурные потенциалы переходов; C_Э, С_К, С_П, — зарядные ёмкости переходов; В, В’, В_П, В’_П-коэффициенты передачи тока соответственно от эмиттера к коллектору, от коллектора к эмиттеру, от базы к подложке и от подложки к базе; τ_Э,τ_К,τ_Б - постоянные времени переходов; r_Б и r_К- объемные сопротивления базы

и коллектора.

При численном интегрировании системы уравнений токи определяются на каждом шаге интегрирования из уравнений, описывающих схему, в состав которой входит транзистор.

Ёмкости и активные составляющие токов переходов зависят от напряжений на переходах, вычисленных на предыдущем шаге и от параметров транзистора.

Эквивалентная схема транзистора при включении по схеме с общей базой в следующем виде. Основные пассивные элементы (сопротивления rэ, rк, rб , емкости коллекторного СБ и эмиттерного СД переходов), активные элементы (генератор тока aIэ в коллекторной цепи, источник ЭДС mэкUк в эмиттерной цепи, отражающей обратную связь между эмиттером и коллектором) изображены на эквивалентной схеме (рис. 11).

Рис 11. Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общей базой

Рис 11. Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общим эммитером

Оптимизация схемы (модели).

На основании анализа результатов моделирования схему оптимизируют. В нашем распоряжении имеется семейство зависимостей выходных характеристик схемы от вариации параметров ее элементов. В качестве примера на рис. 8 показано изменение зоны разброса передаточной характеристики типовой логической схемы в зависимости от вариации параметров ее элементов, где U’_min — минимальное напряжение логической "единицы";  U⁰_max — максимальное напряжение логического "нуля"; U⁰_пор — максимально допустимое напряжение логического "нуля" на входе, при котором на выходе сохраняется логический "нуль". Величина управляющего напряжения ограничена полушириной запрещённой зоны 0,6 эВ (Si); 0,7 эв (GaAs); 0,4 эВ (Ga) из-за протекания прямого тока через затвор в область канала.

Рис. 8. Зона разброса передаточной характеристики логической схемы.

Границы зоны разброса передаточной характеристики соответствуют наихудшему случаю вариации параметров (величина, знак, вероятность распределения) элементов схем, изменить который мы не можем, так как нам заданы технологический разброс, диапазон изменения параметров внешней среды (температуры), зависимости старения материалов. Предположим, что полученный разброс параметров передаточной характеристики нас не удовлетворяет (не соответствует техническому заданию). Тогда мы вынуждены последовательно изменять номинал элементов схемы, в отдельных случаях и ее структуру для достижения удовлетворительного разброса. Каждое указанное изменение сопровождается циклом расчетного моделирования на машине. Результаты расчетов непрерывно сравниваются с контрольными параметрами (в данном случае — с величиной разброса напряжений), и при достижении удовлетворительного решения оптимизация схемы прекращается. На рис. 1.24, б показан такой случай. Однако в результате оптимизации схемы увеличилась ее нелинейность. Следует отметить, что при проектировании ИС любых типов стремятся построить их таким образом, чтобы они работали с максимально возможным разбросом параметров элементов при сохранении внешних характеристик в допустимых пределах. Выполнение этого условия тесно связано с величиной производственного брака при изготовлении ИС: чем больше допустимый разброс параметров элементов, тем меньше брака и ниже стоимость ИС^*.

Однако улучшение выходных характеристик системы с помощью ее оптимизации не всегда связано с проблемой допусков. В ряде случаев необходимо улучшить такие параметры схемы, как надежность, чувствительность, избирательность, устойчивость, помехозащищенность и др. Из-за сложности решения задач оптимизации обычно выбирают один или два таких критерия, придавая неопределенные весовые (удельные) значения. Одновременно с этим выбирают ограничения оптимизации (допустимый разброс параметров элементов, напряжения питания, однородность схемы и др.). На основе математической модели схемы составляют так называемую целевую функцию, представляющую зависимость оптимизируемого внешнего параметра схемы от параметров ее элементов. Целевая функция моделируется на ЭВМ. Как и при расчете допусков, последовательно изменяются сначала параметры элементов схемы, а затем в случае необходимости и сама структура схемы.

9.Основные приближения зонной теории. Возможные случаи зонной структуры твёрдых тел. Металлы, полупроводники, диэлектрики. Характеристика электропроводности металлов, полупроводников и диэлектриков. Понятие о донорных и акцепторных уровнях. Элементы, создающие донорные и акцепторные уровни в германии и кремнии. Основныедиффузанты для кремния: газообразные, жидкие, твердые. Основные материалы для изделий интегральной электроники. Простые вещества с полупроводниковыми свойствами. Соединения и твердые растворы типа А^ХB^8-Х, А^ХВ₁^8-ХВ₂^8-Х, А₁^ХА₂^ХВ^8-Х, А₁^хА₂^хВ₁^8-хВ₂^8-х.

Зонная теория твердого тела — это теория валентных электронов, движущихся в периодическом потенциальном поле кристаллической решетки.

Часть этих уровней заполнена при нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться только тогда, когда атом подвергнется внешнему энергетическому воздействию, т.е. когда он возбужден. Стремясь к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент перехода электронов с возбужденных уровней на уровни, на которых его энергия минимальна. Сказанное характеризуется энергетической диаграммой (рис. 1.2, а).

Если имеется система из N одинаковых атомов, достаточно удаленных друг от друга, то взаимодействие между атомами практически отсутствует и энергетические уровни электронов остаются без изменений.

Схема расположения энергетических уровней: а) уединенного атома б) неметаллического твердого тела.

При конденсации газообразного вещества в жидкость, а затем при образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у атомов данною типа электронные уровни (как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. В частности, притяжение электронов одного атома ядром соседнего снижает высоту потенциального барьера, разделяющего электроны в уединенных атомах. Главное состоит в том, что при сближении атомов происходит перекрытие электронных оболочек, а это в свою очередь существенно изменяет характер движения электронов. Благодаря перекрытию оболочек электроны могут без изменения энергии посредством обмена переходить от одного атома к другому, т.е. перемещаться но кристаллу. Данное явление носит название обменного взаимодействия. Обменное взаимодействие имеет чисто квантовую природу и не является следствием неразличимости электронов. В этом случае уже нельзя говорить о принадлежности того или иного электрона определенному атому — каждый валентный электрон принадлежит всем атомам кристаллической решетки одновременно. Т.е., при перекрытии электронных оболочек происходит обобществление электронов.

Вследствие обменного взаимодействия дискретные энергетические уровни изолированного атома расщепляются в энергетические зоны, как это показано для неметаллического твердого тела на (рис. 1.2, б). Разрешенные энергетические зоны разделены запрещенными интервалами энергии. Ширина разрешенных энергетических зон не зависит от размеров кристалла, а определяется лишь природой атомов, образующих твердое тело, и симметрией кристаллической решетки. Обозначим через Е_А энергию обменного взаимодействия между двумя соседними атомами. Поскольку обменная энергия Е_А зависит от степени перекрытия электронных оболочек, то уровни энергии внутренних оболочек, которые сильнее локализованы вблизи ядра, расщеп­ляются меньше, чем уровни валентных электронов. Расщеплению в зону подвержены не только нормальные (стационарные), но и возбужденные энергетические уровни. Ширина разрешенных зон при перемещении вверх по энергетической шкале возрастает, а величина запрещенных энергетических зазоров соответственно уменьшается.

Каждая зона состоит из множества энергетических уровней. Очевидно, их количество определяется числом атомов, составляющих твердое тело. А это значит, что в кристалле конечных размеров расстояние между уровнями обратно пропорционально числу атомов. В кристалле объемом в 1 см³ содержится 10²³ атомов. Экспериментальные данные показывают, что энергетическая протяженность зоны валентных электронов не превышает единиц электрон-вольт. Отсюда можно сделать вывод, что уровни в зоне отстоят друг от друга по энергии на ~10^-23эВ, т.е. энергетическая зона характеризуется квазинепрерывным спектром. Достаточно ничтожно малого энергетического воздействия, чтобы вызвать переход электронов с одного уровня на другой, если там имеются свободные состояния.

В соответствии с принципом Паули на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, причем с противоположным направлением спинового магнитного момента. Поэтому число электронных состояний в зоне оказывается конечным и равным числу соответствующих атомных состояний. Конечным оказывается и число электронов, заполняющих данную энергетическую зону, что играет важную роль в формирования энергетического спектра кристалла.

Подобно энергетическим уровням в изолированных атомах энергетические зоны могут быть полностью заполненными, частично заполненными и свободными. Внутренние оболочки в изолированных атомах заполнены, поэтому соответствующие им зоны также оказываются заполненными.

Самую верхнюю из заполненных электронами зон называют валентной зоной (Е_V). Эта зона соответствует энергетическим уровням электронов внешней оболочки в изолированных атомах. Ближайшую к ней свободную, незаполненную электронами зону называют зоной проводимости (Е_C). Взаимное положение этих двух зон определяет большинство процессов, происходящих в твердом теле.

В металлических проводниках валентная зона заполнена полностью. В некоторых веществах орбитали связаны между собой так сильно, что зоны перекрываются. В этом случае энергия возбуждения исчезает (говорят, что Е_g становится равной нулю или отрицательной). В этих веществах уже при Т=0 име­ется конечная концентрация подвижных электронов проводимости. Поэтому такие вещества называют полуметаллами. Примером может служить висмут (Bi). Поскольку валентная зона по-прежнему целиком заполнена, валентные электроны локализованы между атомами и образуют там пространственно направленные связи. Концентрация электронов в зоне проводимости, как и в по­лупроводниках, сильно зависит от температуры.

В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости и валентная зона разделены некоторым энергетическим зазором, называемым запрещенной зоной (Е_g). Формально к полупроводникам относят вещества, у которых запрещенная зона меньше 3 эВ. Вещества с более широкой запрещенной зоной относят к диэлектрикам. У реальных диэлектриков ширина запрещенной зоны может достигать 10 эВ. Различие в положении энергетических зон у диэлектриков, полупро­водников и металлических проводников

Согласно зонной теории, электроны валентной зоны имеют практически одинаковую свободу движения во всех твердых телах независимо от того, являются ли они металлами или диэлектриками. Движение осуществля­ется путем туннельного перехода электронов от атома к атому. Для объяснения различий в электрических свойствах материалов надо принять во внимание различную реакцию на внешнее электрическое поле электронов заполненной и незаполненной зон.

В металлах, где зона не полностью укомплектована электронами, даже слабое ноле способно сообщить электронам достаточный импульс, чтобы вызвать их переход на близлежащие свободные уровни. По этой причине металлы являются хорошими проводниками электрического тока.

В полупроводниках и диэлектриках при температуре Т=0 К все электроны находятся в валентной зоне, а зона проводимости абсолютно свободна. Электроны полностью заполненной зоны не могут принимать участия в создании электрического тока. Для появления электропроводности необходимо часть электронов перевести из валентной зоны в зону проводимости. Энергии электрического ноля недостаточно для осуществления такого перехода, требуется более сильное энергетическое воздействие, например, нагревание твердого тела.

При каждом акте возбуждения и перехода электронов в зону проводимости появляются энергетические вакансии в распределении электронов но состояниям валентной зоны, называемые «дырками». При наличии дырок электроны валентной зоны могут совершать эстафетные переходы с уровня на уровень. Во внешнем электрическом поле дырка движется противоположно движению электрона, т.е. ведет себя как некоторый положительный заряд с отрицательной эффективной массой. Таким образом, дырки обеспечивают участие валентных электронов в процессе электропроводности.

Процесс перехода электронов в свободное состояние сопровождается и обратным явлением, т.е. возвратом электронов в нормальное состояние. В результате в веществе при любой температуре наступает динамическое равновесие, т.е. количество электронов, переходящих в свободную зону, становится равным количеству электронов, возвращающихся обратно в нормальное состояние. С повышением температуры число свободных электронов в полупроводнике возрастает, а с понижением температуры до абсолютного нуля — убывает вплоть до нуля. Значит, вещество, представляющее собой при одних температурах диэлектрик, при других, более высоких приобретает проводи­мость, т.е. наступает новое качественное состояние вещества.

Различие между проводимостями двух типов материалов − металлов и неметаллов − наиболее значительно при температурах, приближающихся к абсолютному нулю; различие же между двумя классами неметаллов − полупроводниками и диэлектриками − исчезает но мере приближения температуры к абсолютному нулю.

Электроны, находящиеся в зоне проводимости, нельзя считать абсо­лютно свободными. Такие электроны неизбежно, будут взаимодействовать с периодическим потенциальным нолем кристаллической решетки.

Ширина запрещенной зоны меняется с изменением температуры. Это происходит по двум основным причинам: из-за изменения амплитуды тепловых колебаний атомов решетки и из-за изменения межатомных расстояний, т.е. объема тела. С ростом температуры возрастает амплитуда тепловых ко­лебаний атомов, увеличивается степень их взаимодействия и степень расщепления энергетических уровней. Поэтому разрешенные зоны становятся шире, а запрещенные — соответственно уже.

При изменении межатомных расстояний в зависимости от характера расщепления уровней. Ширина запрещенной зоны может, как увеличиваться, так и уменьшаться. Аналогичные изменения ширины зоны происходят под действием давления на кристалл, поскольку при этом изменяются межатомные расстояния.

Энергию, необходимую для перевода электрона в свободное состояние или для образования дырки, может дать не только тепловое движение, но и другие источники энергии. Например, поглощенная материалом энергия света, энергия потока электронов и ядерных частиц, энергия электрических и магнитных полей, механическая энергия и т.д. Увеличение же числа свободных электронов или дырок под воздействием какого-либо вида энергии способствует повышению электропроводности, увеличению тока, появлению электродвижущих сил.

Электрические свойства определяются условиями взаимодействия и расстояниями между атомами вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Как было показано, углерод в виде алмаза является диэлектриком, а в виде графита он обладает большой проводимостью.

Примеси и точечные дефекты, нарушающие строгую периодичность структуры, создают особые энергетические уровни, которые располагаются в запрещенной зоне идеального кристалла. Если примесные атомы или дефекты расположены достаточно далеко друг от друга, то взаимодействие между ними отсутствует, а соответствующие им энергетические уровни оказываются дискретными. Поскольку туннельные переходы электронов между удаленными примесными атомами практически невозможны, то дополнительные электронные состояния локализованы в определенном месте решетки, т. е. на дефекте структуры. При достаточно высокой концентрации примесных атомов расстояния между ними сравнимы с размерами атомов, благодаря чему возможно перекрытие электронных оболочек ближайших атомов примеси. В этом случае дискретные энергетические уровни примесей расщепляются в энергетическую зону примесных состояний, способную обеспечить про­водимость, если не все уровни в этой зоне заполнены электронами.

Понятие о донорных и акцепторных уровнях. Элементы, создающие донорные и акцепторные уровни в германии и кремнии. Основныедиффузанты для кремния: газообразные, жидкие, твердые.

Примесную проводимость полупроводников рассмотрим на примере Ge и Si, в которые вводятся атомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов на единицу. Например, при замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка (рис. 319, а) один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может быть легко при тепловых колебаниях решетки отщеплен от атома, т. е. стать свободным. Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи; следовательно дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может.

С точки зрения зонной теории рассмотренный процесс можно представить следующим образом (рис. 319, б). Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем. В случае германия с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии DED=0,013 эВ. Так как DED<kT, то уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости; образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в проводимости не участвуют.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны; возникает электронная примесная проводимость (проводимость n-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками n-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями.

Предположим, что в решетку кремния введен примесный атом с тремя валентными электронами, например бор (рис. 320, а). Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона, одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнего атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т. е. дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке кремния как свободные положительные заряды. Избыточный же отрицательный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и по решетке перемещаться не может.

По зонной теории, введение трехвалентной примеси в решетку кремния приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня А, не занятого электронами. В случае кремния с примесью бора этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии DEA=0,08 эВ (рис. 320, б). Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атомами бора, теряют способность перемещаться по решетке кремния, т. е. в проводимости не участвуют. Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки; возникает дырочная проводимость (проворность p-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводниками p-типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей — акцепторными уровнями.

В отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость полупроводников обусловлена в основном носителями одного знака: электронами — в случае донорной примеси, дырками — в случае акцепторной. Эти носители тока называются основными. Кроме основных носителей в полупроводнике имеются и неосновные носители: в полупроводниках n-типа — дырки, в полупроводниках p-типа — электроны.

Доноры в кремнии и германии- элементы V группы таблицы Менделеева – сурьма, фосфор, мышьяк и висмут.

К акцепторам в германии и кремнии относятся элементы третьей группы периодической системы: галлий, таллий, бор, алюминий.

Диффузанты для кремния- бор и фосфор в виде веществ

Жидкие:PCl3, POCl3, PBr3, BBr3 и борнометиловый эфир

Газообразные:фосфин PH3, диборан B2H6 и арсин AsH3, а также BCl3

Твердые:окись бора B2O3 и борная кислота H3BO3безводная пятиокись фосфора P2O5

Основные материалы для изделий интегральной электроники. Простые вещества с полупроводниковыми свойствами. Соединения и твердые растворы типа А^ХB^8-Х, А^ХВ₁^8-ХВ₂^8-Х, А₁^ХА₂^ХВ^8-Х, А₁^хА₂^хВ₁^8-хВ₂^8-х.

Бурное развитие радиоэлектронной аппаратуры не могло происходить без существенного улучшения её параметров. В радиоэлектронике и электронной технике появилось новое, успешно развивающееся направление – микроэлектроника. За сравнительно короткий исторический отрезок времени (первый транзистор был изготовлен в 1948 году, первая интегральная схема – в 1958 году) микроэлектроника стала ведущим направлением, определяющим прогресс в развитии радиоэлектронной аппаратуры. Твердотельная электроника – это новое научно-техническое направление, которое посредством физических, химических, схемотехнических и технологических методов и приёмов решает проблему создания высоконадёжных электронных устройств.

В качестве основных конструкционных материалов в микроэлектронике используются полупроводники, металлы и диэлектрики. Исторически различия между металлами, полупроводниками и диэлектриками связывалось с особенностями электропроводности этих тел. К металлам относили вещества имеющие удельную проводимость, измеряемую величинами порядка 104 (Ом·см)-1 .

Вещества, имеющие удельную проводимость в пределах 10-7 (Ом·см)-1 и меньшую, относили к диэлектрикам. Все материалы, которые имели удельную проводимость в пределах 104 ÷ 10-7 (Ом·см)-1, считались полупроводниками. С физической точки зрения такое определение не является достаточно точным. Например, с помощью введения примесей можно увеличить электропроводимость полупроводников на несколько порядков, сделав её по величине соизмеримой с проводимостью металлов, но при этом они не станут металлами. От металлов полупроводники отличаются не величиной, а характером зависимости удельной электрической проводимости, прежде всего, от температуры. В природе существует два типа полупроводниковых веществ: ионные полупроводники и электронные полупроводники.

Сегодня ионные полупроводники не получили широкого распространения в технике, так как при прохождении через них электрического тока изменяется их состав, структура и форма.

К электронным полупроводникам относятся огромное количество самых различных веществ. Так как в этих веществах ток переносится электронами, то при прохождении не происходит переноса вещества и приборы могу эксплуатироваться длительное время. К числу этих полупроводников относятся 13 простых веществ: бор B, углерод C, кремний Si, фосфор P, сера S, германий Ge, мышьяк As, серое олово Sn, сурьма Sb, висмут Bi, селен Se, теллур Te, йод J. К ним относятся и ряд бинарных соединений типа AXBVIII-X, где A – элемент группы X, а B – элемент группы VIII-X (рис. 1.1). Такие соединения как AgCl, CuBr, KBr, LiF и др. типа AIBVII ещё не нашли широкого применения.

В ближайшее время будут применены соединения типа AIIBVI, среди которых в первую очередь CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnO, ZnSe, HgTe, HgSe. Их свойства сейчас интенсивно изучаются. Наряду с сульфатами, теллуридами и селенидами очень перспективными материалами являются антимониды, арсениды, фосфиды, нитриды алюминия, галлия, индия, бора, относящиеся к типу AIIIBV. Эти элементы уже сегодня являются одними из важнейших полупроводниковых материалов. Полупроводниковыми свойствами обладают SiC и SiGe, относящиеся к типу AIVBIV. Полупроводниковые свойства обнаружены у соединений типа AIVBVI, среди которых PbS, PbSe, PbTe, соединений типа AIBVI, среди которых CuS, CuO, Cu2O и др.

Перспективными представляются сложные соединения и твердые растворы типа AXB1VIII-XB2VIII-X; A1XA2XBVIII-X; A1XA2XB1VIII-XB2VIII-X, например, GaAsP, JnGaSb, ZnCdSeTe. Кроме этих соединений полупроводниковыми свойствами обладает большое количество более сложных соединений. Наряду с неорганическими материалами к полупроводникам относятся и органические материалы, такие как антрацен, фталоцианин, коронен и целый рад других.

В науке и технике ведётся целенаправленный поиск материалов, обладающих новыми свойствами. В последние годы учёными интенсивно изучались структура и свойства таких материалов как серое олово, теллурид ртути, сплав висмута с сурьмой. Наиболее интенсивные свойства серого олова и теллурида ртути – это отсутствие запрещённой зоны. Эти материалы относят к бесщелевым полупроводникам. Запрещённая зона в них отсутствует при любых воздействиях, не меняющих симметрию кристаллической решётки: нагрев и охлаждение в определенном температурном интервале, всестороннее сжатие, введение примесей.

Сплавы висмута с сурьмой, наоборот, приобретают новые свойства при различных внешних воздействиях. Так, например, под действием всестороннего давления, магнитного поля, при изменении химического состава этот материал может перейти в состояние, не имеющее запрещённой зоны. В некоторых сплавах системы висмут-сурьма под действием мощного магнитного поля образуются экситонные фазы, которые представляют собой электроны и дырки, объединенные в устойчивые комплексы, напоминающие атомы водорода и обладающие исключительно интересными свойствами. Эти свойства сейчас интенсивно изучаются с целью практического использования.

10.Фаза – в термодинамике, правило фаз. Однофазная диаграмма состояний. Тройная точка. Критические точки. Двухфазная диаграмма состояний. Двухфазная диаграмма состояний и процессы отвердевания сплава, количество вещества А, присутствующего в любой из фаз. Правило уровня.

Однофазовые диаграммы состояний – это графики, на которых в зависимости от давления, объем и температуры изображают фазовое состояние только одного материала. Обычно не принято рисовать трехмерный график на двумерной плоскости – изображают его проекцию на плоскость температура – давление. Пример однофазной диаграммы состояний дан на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Однофазная диаграмма состояний

На диаграмме четко разграничены области, в которых материал может существовать только в одном фазовом состоянии – как твердое тело, жидкость или газ. Вдоль разграниченных линий вещество может иметь два фазовых состояния (две фазы), находящихся в контексте друг с другом. Имеет место любая из комбинаций: твердое тело – жидкость, твердое тело – пар, жидкость – пар. В точке пересечения линий диаграммы, так называемой тройной точке, могут одновременно существовать все три фазы. Причем это возможно при одной единственной температуре, поэтому тройная точка служит хорошей точкой отсчета температур. Обычно в качестве точки отсчета выступает тройная точка воды (например, в прецизионных измерениях с использованием термопар, где опорный спай контактирует с системой лед – вода – пар).

Двойная фазовая диаграмма (диаграмма состояния двойной системы)

представляет состояние системы с двумя компонентами. На таких диаграммах по

оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс – процентное соотношение

компонент смеси (обычно это или процент от общей массы (вес. %), или процент от

общего числа атомов (ат. %)). Давление обычно полагается равным 1 атм. Если

рассматривается жидкая и твердая фазы, измерением объема пренебрегают. На

рис. 2.2. представлена типичная двухфазная диаграмма состояний для компонент A

и B с использованием весового или атомного процента.

Буквой α обозначена фаза вещества A с растворенным веществом B, β означает фазу вещества B с растворенным в нем веществом A, а α + β означает смесь этих фаз. Буква (от liquid - жидкий) означает жидкую фазу, а L+α и L+β означают жидкую фазу плюс фаза или соответственно. Линии, разделяющие фазы, т. е. линии, на которых могут существовать различные фазы вещества, имеют следующие названия: солидус – линия, на которой одновременно существуют фазы α или β с фазами L+α и L+β соответственно; сольвус– линия, на которой одновременно сосуществуют фазы α и α + β или β и α + β, и ликвидус – линия, на которой одновременно существует фаза L с фазой L+α или L+β.

Точка пересечения двух линий ликвидуса часто является точкой наименьшей температуры плавления для всех возможных комбинаций веществ A и B и называется эвтектической точкой. Смесь с соотношением компонент в эвтектической точке называется эвтектической смесью (или просто эвтектикой)

Правило уровня:

Это выражение известно как “правило уровня”. С помощью этого правила, зная начальный состав расплава и общую его массу, можно определить массы обеих фаз и количество вещества B в любой фазе для любого участка двухфазной диаграммы.

На рис. 2.5. приведен еще одни пример отвердения расплава. Снижение температуры от T1 до T2 приводит к смешиванию фаз L и β с составом соответственно CM и Cβ. По мере дальнейшего охлаждения состав L меняется вдоль ликвидуса, а состав β - вдоль солидуса, как было описано ранее. При достижении температуры T3 состав β станет равным CМ, и, как следует из правила уровня, при температуре, меньшей T3, жидкая фаза существовать не может. При температуре, меньшей T4, фазы α и β существуют как агрегаты фаз α и β. Например, при температуре T5 агрегаты фазы β будут иметь состав, определяемый пересечением изотермы T5 и сольвусаβ. Состав α определяется аналогично – пересечением изотермы и сольвусаα.

Участки двухфазной диаграммы, называемые до сих пор α и β, – это участки твердой растворимости: в области β растворено A и B. Максимальное количество A, которое может быть растворено в B при данной температуре, находятся в зависимости от температуры. При эвтектической или более высокой температуре может иметь место быстрое сплавливаниеA и B. Если полученный при этом сплав резко охладить, то атомы A могут быть “пойманы” в решетке B. Но если твердая растворимость при комнатной температуре намного ниже (это говорит о том, что при этой температуре рассматриваемый подход не слишком пригоден), то в сплаве могут возникать сильнейшие напряжения, существенно влияющие на его свойства

(при наличии значительных напряжений возникают пересыщенные твердые растворы, и система находится не в равновесном состоянии, а диаграмма дает информацию только о равновесных состояниях). Иногда, такой эффект является желательным, например при упрочнении стали закалкой с получением мартенсита.

Но в микроэлектронике его результат будет разрушительным. Поэтому легирование, т. е. внесение добавок в кремний до диффузии, проводится при повышенных температурах с таким расчетом, чтобы предупредить повреждение поверхности из-за избыточного сплавления. Если же количество легирующей примеси в подложке окажется выше предела твердой растворимости при любой температуре, то появляется вторая фаза и связанная с ней деформация.

11.Интегральная технология, технологическая совместимость. Базовые технологии. Общая характеристика технологического процесса. Три основных группы технологических процессов. Технология получения кремния и изготовления пластин. Технология очистки полупроводниковых пластин.

Интегральная технология представляет собой совокупность методов обработки, позволяющую при наличии структурного подобия (технологической совместимости) различных элементов ИМС формировать их одновременно в едином технологическом процессе. Важно отметить, что выпускаемые в составе той или иной серии ИМС различного функционального назначения имеют единую структуру и, следовательно, единую базовую технологию. Для базовой технологии характерны не только определенная технологическая последовательность обработки и определенный комплект оборудования, но и постоянная, отработанная настройка оборудования, т. е. жесткие технологические режимы. Последнее является существенным для экономичности и эффективности процесса производства ИМС. Очевидно, что базовая технология не зависит от размеров элементов в плане, их взаимного расположения и рисунка межсоединений. Все эти свойства конкретной ИМС определяются в процессе топологического проектирования, а обеспечиваются фотолитографией — процессом избирательного травления поверхностных слоев с применением защитной фотомаски. Особенности производства ИМС. В зависимости от структуры ИМС и конструкции корпуса общее количество операций технологического процесса может достигать 200. Процесс охватывает разнообразные по физическим принципам, методам контроля и технологическому оснащению методы обработки, причем характер связей между отдельными операциями во времени и пространстве также весьма различен. Таким образом, процесс производства ИМС представляет собой систему, оптимальная организация которой имеет первостепенное значение для ее эффективного функционирования. Изменения в процессе производства, связанные, например, с изменением структуры ИМС, увеличением диаметра полупроводниковых пластин, увеличением выхода годных ИМС, изменением объема выпуска ИМС и т. д., различным образом влияют на отдельные стадии производства ИМС. При этом с учетом непрерывного прогресса микроэлектроники организация производства ИМС по предметно-замкнутому микроэлектроники организация производства ИМС по предметно-замкнутому принципу не является эффективной даже в условиях массового производства. По своему назначению и месту, занимаемому в общем процессе производства ИМС, все операции объединяются в самостоятельные (частные) технологические процессы, которые, в свою очередь, могут быть подразделены на три группы (рис. 9).Из схемы видно, что первая группа процессов является обеспечивающей для процессов второй и третьей групп и по своему характеру близка к приборостроительному производству. Специфичность методов обработки и оборудования этой группы, а также независимость их от конкретной структуры ИМС делает целесообразным передачу заготовительных процессов специализированным предприятиям, связанным с предприятиями, составляющими вторую и третью группы процессов, по линии кооперации. Третья группа процессов также характеризуется специфическими методами обработки и оборудованием, но имеет более тесную связь с процессами второй группы. В большинстве случаев целесообразной формой организации процессов третьей группы является создание специализированных цехов или участков (в зависимости от масштабов производства) в пределах одного предприятия. Наиболее полно особенности структуры ИМС и главные черты интегральной технологии отражаются второй группой процессов.

Технология получения кремния и изготовления пластин.

Кремний — элемент главной подгруппы четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14. Обозначается символом Si (лат.Silicium).В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 °C в руднотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы).

Получение монокристаллического кремния

1. Получение металлургического кремния;

2. Синтез трихлорсилана;

1. Измельчение металлургического кремния;

2. Обработка в парах соляной кислоты при температуре 300°С;

3. Конденсация и фракционная дистилляция SiHCl₃

3. Получение электронного кремния;

Осуществляется осаждением из парогазовой смеси трихлорсилана и водорода при температуре 1200 °С:

4. Выращивание монокристаллов.

Осуществляется вытягиванием слитков из расплава

электронного кремния по методу Чохральского.

Изготовление пластин

Калибровка слитка;

-Ориентация и резка слитка;

4 – слиток;

5 – подающий ролик;

6 – тонкая проволока;

7 – направляющие ролики;

8 – форсунки для подачи суспензии;

9 – приемный ролик.

1 – цилиндрический барабан;

2 – алмазный круг с внутренней режущей кромкой;

3 – оправка;

4 – слиток;

- Снятие фаски;

- Двухстороннее шлифование;

Финишная полировка планарной стороны;

Особенности химико-механической полировки

- Выполняется специальными полирующимисоставами из частиц абразива размером 0,1 мкм, взвешенных в растворе КОН илиNaOH;

- Высота микронеровностей менее 0,025мкм,

- Толщина нарушенного слоя менее 1,0 мкм;

- Обработка осуществляется за счёт реакции щелочной компоненты с полируемым веществом с образованием соединений, механически разрушаемых абразивными частицами.

Контроль качества поверхности

1. Внешний вид поверхности

2. Совершенство геометрической формы:

– толщина;

– разброс толщины в партии и в пределах одной пластины;

– непараллельность;

– неплоскостность;

– прогиб.

3. Шероховатость

4. Толщина нарушенного слоя

Технология очистки полупроводниковых пластин.

Классификация загрязнений кремниевых подложек

Классификация методов очистки полупроводниковых пластин

Классификацияметодов химической обработки проспособу реализации:

1. Объёмная химическая обработка: погружение кассет с пластинами в ванну, заполненную технологическим раствором;

2. Химическая обработка в аэрозолях: обработка пластин в специальной ванне в виде центрифуги.

Отличительные особенности объёмной химобработки

1. Для каждого технологического раствора, используемого в техпроцессе, должна быть своя ванна;

2. Для каждого технологического раствора устанавливается регламент замены, исходя из количества обработанных в одном объёме раствора пластин и срока службы раствора;

3. Нагрев технологического раствора осуществляется непосредственно в ванне;

4. Отмывка пластин от технологического раствора производится в специальных ваннах с проточной деионизованной водой;

5. Сушка пластин после промывки осуществляется на специальном оборудовании, чаще всего в центрифугах

Отличительные особенности химобработки в аэрозолях

1. Каждая загрузка пластин проходит обработку в новой порции технологического раствора;

2. В одной ванне реализуются все стадии процесса химической обработки.

Основные технологические растворы, используемые для химической очистки поверхности: -Смесь серной кислоты и перекиси водорода (КАРО);

-Растворы фтористоводородной кислоты;

-Перекисно-аммиачные растворы (ПАР);

-Растворы перекиси водорода.

Последовательность операций химической очистки

1.Удаление органических загрязнений; 2.Удаление слоев оксида; 3.Удаление механических загрязнений;4.Удаление металлических и ионных примесей

Классификация методов интенсификации очистки

Стадии процесса химической обработки

1. Обработка пластин в технологическом растворе;

2. Промывка обработанных пластин в деионизованной воде;

3. Сушка отмытых пластин.

Состав установок для химической обработки:

1 Ванны для химической обработки; 2 Ванны промывки; 3 Устройство сушки.

Способы промывки пластин в проточной деионизованной воде

1. Отмывка пластин в трёхкаскадной ванне;

2. Отмывка пластин в однокаскадной ванне;

3. Отмывка пластин в стоп-ванне с последующей отмывкой в однокаскадной ванне.

12.Газофазная эпитаксия кремния: кинетика процесса, устройство установки для газофазной эпитаксии. Реагенты для газофазной эпитаксии кремния. Легирование и автолегирование эпитаксиальных слоев. Контроль параметров эпитаксиальных слоев. Гетероэпитаксия кремния на сапфире. Молекулярно-лучевая эпитаксия.

Эпитаксией называют процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.

В настоящее время эпитаксия обычно используется для получения тонких рабочих слоев однородного полупроводника на сравнительно толстой подложке ,играющей роль несущей конструкции. Типовой — хлоридный процесс эпитаксии применительно к кремнию состоит в следующем (рис. 6.2). Монокристаллические кремниевые пластины загружают в тигель «лодочку» и помещают в кварцевую трубу. Через трубу пропускают поток водорода, содержащий небольшую примесь тетрахлорида кремния 4 SiCl. При высокой температуре (около 1200 °С), которая обеспечивается высокочастотным нагревом тигля, на поверхности пластин ходит реакция

SiCl₄+ 2H₂= Si+ 4HCl.

В результате реакции на подложке постепенно осаждается слой чистого кремния, а пары HClуносятся потоком водорода. Эпитаксиальный слой осажденного кремния монокристалличен и имеет ту же кристаллографическую ориентацию, что и подложка. Химическая реакция, благодаря подбору температуры, происходит только на поверхности пластины, а не в окружающем пространстве. Процесс, проходящий в потоке газа, называют газотранспортной реакцией, а основной газ (в данном случае водород), переносящий примесь в зону реакции, —газом-носителем.

Если к парам тетрахлорида кремния добавить пары соединений бора ( 2 6 B H )или фосфора ( 3 PH ), то эпитаксиальный слой будет иметь уже не собственную, а соответственно дырочную или электронную проводимость, поскольку в ходе реакции в осаждающийся кремний будут внедряться акцепторные атомы бора или донорные атомы фосфора.

В установке, показанной на рис. 6.2, предусмотрены некоторые дополнительные операции: продувка трубы азотом и неглубокое травление поверхности кремния в парах HCl(с целью очистки). Эти операции проводятся до основных.

Таким образом, эпитаксия позволяет выращивать монокристаллические слои любого типа проводимости и любого удельного сопротивления на подложке, обладающей тоже любым типом и величиной проводимости (рис. 6.3).

Эпитаксиальная пленка может отличаться от подложки по химическому составу. Способ получения таких пленок называют гетероэпитаксией, в отличие от гомоэпитаксии, описанной выше. Конечно, при гетероэпитаксии материалы пленки и подложки должны по-прежнему иметь одинаковую кристаллическую решетку. Например, можно выращивать кремниевую пленку на сапфировой подложке. Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается идеально резкой, так как примеси в процессе эпитаксии частично диффундируют из одного слоя в другой. Это обстоятельство затрудняет создание сверхтонких (менее 1 мкм) и многослойных эпитаксиальных структур. Основную роль в настоящее время играет однослойная эпитаксия. Она существенно пополнила арсенал полупроводниковой технологии; получение таких тонких однородных слоев (1—10 мкм), какие обеспечивает эпитаксия, невозможно иными средствами. В заключение заметим, что помимо описанной газовой эпитаксии, существует жидкостная эпитаксия, при которой наращивание монокристаллического слоя осуществляется из жидкой фазы, т. е. из раствора, содержащего необходимые компоненты.

Еще одна установка, то же самое, но чуть более полно.

Реагенты для газофазной эпитаксии кремния. Легирование и автолегирование эпитаксиальных слоев.