Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Mikroskhemotekhnika_Mindeeva.pdf
Скачиваний:
484
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
1.26 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

А.А. Миндеева

Микросхемотехника

Учебное пособие

Москва 2004

ББК 32.844.1я73 М57

УДК 621.382(075.8)

Рецензенты: канд. техн. наук, доц. О.А. Изумрудов; канд. техн. наук, доц. Е.А. Колгин

Миндеева А.А.

М57 Микросхемотехника: Уч. пособие. - М.: МИЭТ, 2004. - 184 с.: ил.

ISBN 5-7256-0385-7

Рассмотрены теоретические вопросы проектирования цифровых ИС на биполярной и полевой элементной базе. Приведены расчеты характеристик логических элементов, методы определения параметров, а также эквивалентные модели и технологические структуры элементов.

Предназначено для студентов 4-го курса факультетов ЭКТ и ЭТМО.

1

ISBN 5-7256-0385-7

© МИЭТ, 2004

Учебное пособие

Миндеева Алла Алексеевна

Микросхемотехника

Редактор Е.Г. Кузнецова. Технический редактор Л.Г. Лосякова.

Компьютерная верстка М.В. Гергель.

Подписано в печать с оригинал-макета 28.12.04. Формат 60×84 1/16. Печать

офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 10,67. Уч.-изд. л. 9,2. Тираж 200 экз. Заказ 56.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ.

2

1. Основы микросхемотехники ИС

Микроэлектроника (микроминиатюризация + электроника) - область науки, техники и производства, связанная с созданием электронных систем заданной высокой надежности при одновременном достижении оптимально-малых значений:

веса;

габаритов;

потребляемой мощности;

стоимости аппаратуры.

Это наиболее употребимое определение микроэлектроники (МЭ), не обладающее, однако, необходимой полнотой, так как, с одной стороны, существуют схемы, использующие не только явления упорядоченного движения электронов, например, изделия оптоэлектроники или функциональные твердотельные приборы, основанные на распространении тепла; с другой стороны - малые размеры аппаратуры являются следствием применения новых технологических достижений и степени интеграции кристаллов. Тем не менее другие определения МЭ (например "интегроника" - интегральная электроника) не получили распространения.

МЭ - одна из наиболее быстро развивающихся областей науки. Технические характеристики микроэлектронных изделий (МЭ изделий) непрерывно улучшаются, расширяя их функциональные возможности.

Итак, МЭ - область инженерной, производственной и научной деятельности, охватывающая все этапы создания электронных систем (исследование, конструирование и производство) на основе МЭ изделий.

МЭ изделиями называются электронные устройства, обладающие высокой степенью миниатюризации. Различают следующие основные типы МЭ изделий:

1)интегральные схемы (ИС);

2)функциональные компоненты (оптоэлектронные, ионные, тепловые, акустические и т.п.), допускающие последующую интеграцию. Функциональные компоненты не имеют физического

3

подобия с общепринятыми электрическими цепями, поэтому их, как правило, замещают электронными моделями и описывают уравнениями Кирхгофа. В основе функциональных компонентов лежат самые различные свойства веществ:

оптические явления в полупроводниковых твердых телах;

электролиз в жидких электролитах;

механические колебания;

распространение тепла;

эффект Холла;

электрические явления в диэлектриках;

магнитные свойства твердых тел;

доменные свойства полупроводников - эффект Ганна. Развитие техники функциональных компонентов - весьма

перспективное направление, которое приведет к комплексному использованию средств МЭ в схемах, а также к созданию аппаратуры с более высоким уровнем характеристик;

3) сопутствующие изделия:

многослойные печатные платы;

микроразъемы;

индикаторы;

кнопки;

кабели;

элементы конструкций.

Совершенствование МЭ достигается благодаря прогрессу в трех основных областях:

физике;

технологии;

схемотехнике.

1.1.Основные термины и определения

Микросхемотехника (МСХТ) или интегральная схемотехника - раздел МЭ, охватывающий исследование и разработку схемотехнических решений (электрических и структурных схем), используемых в ИС и радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) на их

4

основе.

ИС - это МЭ изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которое с точки зрения испытаний, приемки, поставки и эксплуатации рассматривается как единое целое. Термин "ИС" имеет два подчиненных понятия: элемент и компонент.

Элемент ИС - часть микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения испытаний, приемки, поставки и эксплуатации. Под элементом понимают транзистор, диод, резистор, конденсатор и др. Элементы могут выполнять и более сложные функции, например логические (логический элемент) или запоминание информации (элементы памяти).

Компонент ИС - часть микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие. Компоненты устанавливаются на подложке микросхемы при выполнении сборочномонтажных операций. К простым компонентам относятся бескорпусные диоды и транзисторы, специальные типы конденсаторов, малогабаритные катушки индуктивности и др. Сложные компоненты содержат несколько элементов, например диодные сборки.

Корпус - это часть конструкции ИС, которая защищает кристалл от внешних воздействий и соединяет его с внешними электрическими цепями. Типы и размеры корпусов ИС, а также расположение и число выводов стандартизованы.

Подложка ИС - заготовка, предназначенная для размещения на ней компонентов гибридных и полупроводниковых ИС, межэлементных и (или) межкомпонентных соединений, а также контактных площадок.

Для полупроводниковых ИС используют подложку из полупроводникового материала (обычно это круглый тонкий диск).

Полупроводниковая пластина - это полупроводниковая

5

подложка, на которой матричным способом реализуются кристаллы ИС.

Кристалл ИС - часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой ИС, межэлементные соединения и контактные площадки. Обычно кристаллы имеют форму прямоугольника.

Контактные площадки - это металлизированные участки на поверхности кристалла, предназначенные для присоединения к выводам корпуса ИС, чтобы принимать и передавать сигналы, а также для контроля ее электрических параметров и режимов.

Современные ИС достаточно сложны, поэтому используются два уровня их схемотехнического представления.

Первый, наиболее детальный уровень, - это электрическая схема, представляющая собой соединение отдельных элементов: транзисторов, диодов, резисторов и пр.

Второй, более общий уровень, - это структурная схема, представляющая собой соединение отдельных логических элементов и (или) триггеров и (или) аналоговых каскадов. Эти элементы и каскады выполняют логические (И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.) или аналоговые (усиление, фильтрация и др.) операции, с помощью которых можно реализовать любую цифровую, аналоговую, аналого-цифровую или цифро-аналоговую функцию.

1.2.Этапы и направления развития ИС

В современной науке все большее значение приобретают цифровые методы обработки информации. В связи с этим быстро расширяется область применения цифровых систем. Цифровые системы - это технические средства, реализующие прием, хранение, необходимые преобразования и выдачу информации в цифровом виде. Можно выделить несколько этапов их развития.

1.В 40-е годы созданы первые цифровые вычислительные машины (ЭВМ 1-го поколения) на электромагнитных реле, а затем на электронных лампах.

2.В 50-е годы благодаря открытию новых полупроводниковых приборов - транзисторов - на их основе разработаны ЭВМ 2-

6

го поколения, обладающие:

существенно расширенными функциональными возможностями;

повышенным быстродействием;

надежностью.

Возникла самостоятельная отрасль науки и техники - цифровая техника, изучающая методы проектирования, принципы построения и способы реализации цифровых систем.

3.Мощный толчок для дальнейшего развития цифровой техники дала МЭ. В 60 – 70-е годы ИС стали технической базой современных электронных цифровых систем, в том числе ЭВМ 3-го поколения.

Новые технологические решения, обеспечивающие непрерывное повышение степени интеграции ИС, позволили создать на одном кристалле полупроводника цифровые устройства, по сложности и выполняемым функциям превосходящие ЭВМ на дискретных компонентах.

4.В 90-х годах на базе больших и сверхбольших ИС началась разработка ЭВМ 4-го поколения.

На стыке МЭ и цифровой техники возникла новая область науки и техники - цифровая микросхемотехника, предметом которой стали принципы и методы схемотехнического проектирования цифровых ИС, включающие:

разработку логической структуры (структурное проектирование);

разработку электрической схемы (схемное проектирова-

ние).

Основными направлениями развития ИС являются:

1) повышение уровня сложности реализуемой функции; 2) увеличение степени интеграции, т.е. количества элемен-

тов на кристалле; 3) снижение потребляемой мощности;

4) повышение быстродействия преобразования, приема, хранения сигнала;

5) уменьшение габаритов изделия;

7

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]