- 2-

УДК621.382

Б72

Физические основы микроэлектроники. Курс лекций / И.И. Бобров, Г.В. Кропачев; Пермский государственный технический университет. Пермь, 2000. 130 c.

Курс лекций предназначен для студентов специальностей "Автоматизация технологических процессов", "Электронная вычислительная техника".

Печатается по решению редакционно-издательского совета Пермского государственного технического университета.

Табл. 10. Ил. 61. Библиогр.: 5 назв.

Рецензенты вице-президент Западно-Уральского филиала Международной академии информатизации, д-р техн. наук A.A. Южаков

доцент кафедры "Автоматика и телемеханика" Пермского государственного технического университета, канд. техн.наук Э.С. Заневский.

JSBN5-88151-173-5 ©

Пермский государственный технический университет, 2000

Введение

Электроника - это область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных приборов и принципов их использования //.

Микроэлектроника - это раздел электроники, охватывающий исследование и разработку качественно нового типа электронных приборов - интегральных микросхем - и принципов их применения.

Развитие электроники

Как самостоятельная область науки и техники электроника начала развиваться на границе XIX и XX вв., после открытия термоэлектронной эмиссии (1883 г.), фотоэлектронной эмиссии (1888 г.), разработки вакуумного диода (1903 г.) и вакуумного триода (1904 г.).

На становление и дальнейшее развитие электроники решающее влияние оказало изобретение радио (1885 г.). Вначале электроника развивалась только как радиоэлектроника, обслуживающая нужды радиотехники. Совершенствовались радиолампы. В 20-х годах XX в. в России в Нижегородской радиолаборатории под руководством М.Н. Бонч-Бруевича был освоен выпуск триодов с водяным охлаждением, которые позволили создать мощные передающие радиостанции. Большую роль в развитии электроники сыграла радиолокация в годы второй мировой войны.

Нерадиотехническое применение электроники долгое время развивалось под сильным влиянием радиоэлектроники, из которой заимствовались основные элементы, схемы и методы. Однако дальнейшее развитие нерадиотехнических применений электроники пошло по самостоятельному пути, прежде всего в области ядерных исследований (с 1943 г.), вычислительной техники (с 1949 г.) и массовой автоматизации производственных процессов. Особенно важным этапом в развитии электроники является послевоенный период.

Типичной конструкцией электронного устройства в конце войны было металлическое шасси с закрепленными на нем различными элементами. Основным электронным прибором была электронная лампа. Электронные устройства такой конструкции потребляли много энергии, выделяя много тепла, имели большой вес и габариты.

Средняя плотность монтажа была чрезвычайно низкой - до 0,01 элемента/см³. Развитие авиации и ракетостроения особенно остро поставило задачу значительного уменьшения габаритов и веса, снижения потребляемой мощности, уменьшения стоимости. Применение малогабаритных ламп и печатного монтажа увеличило среднюю плотность монтажа до 0,1 эл/см³. Сделать монтаж более компактным с электронными лампами было невозможно, из-за трудности отвода выделяемого тепла. Нужны были принципиально новые элементы и принципы конструирования. Такими новыми элементами явились полупроводниковые приборы, которые открыли новые широкие возможности в конструировании аппаратуры.

Полупроводниковые приборы начали развиваться бурными темпами. Транзистор был изобретен в 1948 г. в США. В 1955 г. в мире выпускалось 350 типов транзисторов, а в 1963 г. - уже 3000 типов. В 1956 г. только в США изготовлялось 14 млн. транзисторов в год, а в 1961 г. в Японии - 200 млн. транзисторов в год.

В нашей стране огромный вклад в развитие теории полупроводниковых приборов внесла школа академика А.Ф. Иоффе.

Полупроводниковые приборы не требуют подогрева, потребляют очень мало энергии, имеют малые габариты и вес.

Все это позволило сделать монтаж максимально компактным, резко снизить габариты и вес оборудования. Появился новый тип конструкции - модуль, в котором использовались малогабаритные детали. Плотность монтажа достигла 2,5 эл/см³. Однако электронная аппаратура развивалась настолько быстро, что и этот уровень уже не удовлетворял требованиям. Но дальнейшее повышение плотности монтажа было невозможным, так как детали занимали почти весь объем конструкции. Однако при этом большая часть объема была все же занята арматурой и защитными корпусами. Например, у транзистора "активная часть" занимала не более 1% объема транзистора. Кроме того, уменьшение размеров элементов пришло в противоречие с техникой навесного монтажа, которая стала носить ювелирный характер.

Последние 40 лет (начиная с 50-х годов) происходит интенсивное развитие электронных приборов, являющихся элементной базой радиоэлектроники (РЭ). В 50-е года происходило бурное развитие полупроводниковых приборов - транзисторов и диодов. Этот период называют этапом дискретной полупроводниковой электроники или дискретных полупроводниковых компонентов. Интенсивное развитие полупроводниковой электроники привело к появлению в 60-е годы новых полупроводниковых приборов - интегральных микросхем (ИС). Они получили широкое развитие и в настоящее время являются основной элементной базой РЭ. Область РЭ, связанная с научно-технической и производственной стороной изготовления и применения ИС, называют микроэлектроникой. Аппаратура, выполненная на базе ИС, получила название микроэлектронной аппаратуры (МЭА).

Так что же такое ИС?

Достаточно полно отражает содержание понятия ИС такая формулировка: ИС - это функциональный узел (блок), состоящий из целого ряда активных и пассивных элементов, изготовленных в едином технологическом цикле в одном кристалле кремния и соединенных между собой межсоединениями (внутренними соединениями), изготовленными в том же технологическом цикле.

Термин "схема" приобрел смысл "устройство", "объект" (как термины "транзистор", "диод"), а не "электрическая схема устройства" с условным обозначением входящих в него элементов. Термин "интегральная" означает факт объединение (интеграции) группы радиоэлементов в одном устройстве, неразделимом на составные части. Кроме термина "интегральная микросхема" используются его синонимы "интегральная схема" и просто "микросхема".

Таким образом, микросхема является "строительным кирпичиком" (не разделяющимся на части), из которого могут строиться более сложные устройства. С этой точки зрения микросхема - новый электронный прибор, правда, во много раз сложнее транзисторов и диодов.

Важной особенностью микроэлектроники является разработка и внедрение методов предельного уменьшения физических размеров элементов микросхемы: микрорезисторов, диодов, транзисторов. Это приводит я увеличению функциональных возможностей микросхем, повышению их надежности и быстродействия. Так, возможность размещения в одном кристалле 5000 транзисторов позволила создать наручные электронные часы. Наличие 20000 транзисторов при таких же размерах кристалла вызвало появление микрокалькуляторов.

Значительный прогресс в электронике заметет в последние десятилетия в создании больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). В этих микросхемах количество элементов достигает нескольких сотен тысяч, а их минимальные размеры составляют 2-3 мкм. Быстродействие БИС измеряется миллиардными долями секунды. Создание БИС привело к появлению микропроцессоров (устройств цифровой обработки информации, осуществляемой по программе) и микро-ЭВМ, использование которых в промышленности позволит уменьшить трудоемкость выпускаемых изделий, их стоимость, габариты, потребляемую мощность, повысить надежность на порядок.