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