1. Базові принципи функціональної електроніки

1.1. Інтегральні та функціональні мікросхеми і прилади електроніки

Що є електроніка? У ХХ столітті це поняття асоціювалось спочатку із електронними, потім напівпровідниковими схемами та приладами, у яких використовувались, відповідно, електронні лампи та напівпровідникові елементи. Але у такому випадку куди зараз слід віднести прилади із сегнетоелектричними, феромагнітними або рідкокристалічними елементами? Чи можна включити до електроніки обчислювальну техніку, медичну техніку, прилади для контролю та автоматизації різних технологічних процесів, тощо?

Відповідь на ці питання можна сформулювати наступним чином.

У теперішній час поняття електроніка стало значно ширшим, під нього підпадають прилади та пристрої не лише за ознакою матеріалів елементної бази, а й за ознакою сфери функціонування. Тобто це є прилади та пристрої для:

а) зв’язку (телефони, комп’ютерні модеми, телевізори, радіолокатори і т.п.);

б) обробки інформації (ЕОМ, засоби автоматизації та програмування);

в) систем управління ( засоби контролю, аналізу, диспетчерської служби, інспектування, медицини і т.п.).

Сучасна електроніка мініатюрна, у багатьох випадках це є мікроелектроніка. Мікромініатюризація дозволяє вирішувати складні завдання. Наприклад, технічно обладнати сучасний літак. Якби обладнання було створено із використанням електронних ламп, то знадобився би об’єм ~ км³, але використання напівпровідникових мікросхем забезпечує зменшення цього об’єму до кількох м³.

Електроніка повинна вирішувати такі основні задачі: наукові ( розробка складних кібернетичних систем для промисловості, медицини і т.п. ); технічні (зменшення розмірів апаратури з одночасним збільшенням її надійності, спрощенням експлуатаційних процедур); економічні (зменшення витрат матеріалів, споживаної електроенергії і т.п.).

Сучасна електроніка поділяється на два самостійних напрямки: інтегральна мікроелектроніка та функціональна електроніка.

В інтегральній електроніці використовують метод елементної інтеграції, тобто використовують технологічні методи для одночасного створення активних та пасивних елементів електронних мікросхем (ІМС). ІМС є тотожнім аналогом принципової електричної схеми. Це означає, що кожному елементу електричної схеми відповідає подібний напівпровідниковий елемент. Уся схема є, таким чином, сполученням елементів, які виготовлені в окремих ділянках твердотільного або плівкового блоку.

Розповсюдження електричного сигналу можна прослідкувати за допомогою принципової схеми. Розглянемо, наприклад, схему ІМС із польовим транзистором, резистором, діодом та конденсатором (рис.1.1). Електричний сигнал подаємо на вхід (електроди 1 та 2, а вихідний сигнал знімаємо з елктродів 3 та 2 (рис.1.1).

Співставимо елементи принципової схеми (рис.1.1) із реальними елементами, які показані на рис.1.2.

Рис.1.1. Принципова електрична схема підсилювача напруги:

R – резистор; D – діод; TP – транзистор; В – витік; Cт – стік; З‑ затвір транзистора; С ‑ конденсатор

Рис.1.2. Інтегральна мікросхема – технологічне втілення принципової електричної схеми підсилювача напруги

Елементи інтегральної мікросхеми виготовлені на платівці - підкладці напівпровідникового монокристалу кремнію з електропровідністю p-типу (Si-p). Технологічними методами на поверхні підложки створено діелектричну плівку оксиду кремнію (SiO₂), а в її об’ємі – так звані «кишені», у яких тип електропровідності змінено на p- або n⁺ . Металеві струмопровідники виділені чорним коліром. Бачимо, що резистору R відповідає деякий об’єм напівпровідника

p- типу, діоду D - об’єм із переходом від p- до n⁺- типу електропровідності, витік струму В міститься в n⁺- кишені, затвір З – у товщі діелектричної плівки, він керує величиною струму між двома кишенями p- типу завдяки напрузі, яка діє між затвором З та конденсатором С, в одну з цих кишень p- типу занурено Ст електрод – електрод стікання струму, роль конденсатора С бере на себе деякий об’єм діелектричної плівки SiO₂ між затвором З та електродом 2 (рис. 1.2). Таким чином, принципова електрична схема знайшла своє повне технологічне відображення в реальній ІМС.

Показником складності ІМС є степінь інтеграції. У теперішній час вона досягла величині ~ 10⁵ см^-2.

Класична ІМС має декілька принципових обмежень:

а) мінімальна потужність, необхідна для її функціонування ~ 10^-6 Вт;

б) максимальне значення показника якості ( добуток часу спрацьовування на потужність включення) ~ 10^-12 Дж;

в) обмеження, обумовлені можливостями методом літографії : у фотолітографії – довжиною світлової хвилі ~ 0,5 – 1 мкм, в електронному експонуванні - розсіюванням електронів та сферичною аберацією.

Існує два напрямки виготовлення та розробок ІМС: за планарною та за плівковою технологіями.

У планарній технології всі технологічні процеси проводять з боку однієї тієї самої поверхні напівпровідникової підложки (чіпа) – монокристалічної пластинки (так, як показано на рис .1.2). Технологічними операціями є вирощування монокристалів кремнію або германію, введення домішок шляхом легування або імплантації, термічний відпал, напилення у вакуумі металевих електродів, літографія . Зараз цей напрямок лідирує, але досяг межі у зв’язку із наявністю вищевказаних принципових обмежень.

Недоліками планарних ІМС є паразитні зворотні електричні зв’язки за підложкою, значна чутливість до радіації та світла видимого діапазону, велика кількість складних технологічних операцій.

У плівкових технологіях ІМС одержують нарощуванням на діелектричну підложку ( з обох її поверхонь) тонких плівкових елементів.. Незважаючи на складність одержання тонких плівок вдається розробляти та вдосконалювати технологію, яка забезпечує відтворення властивостей ІМС. Перевагами плівкових ІМС є однотипність технологічних операцій. Наприклад, якщо плівки створюють вакуумним напиленням, то для створення різних елементів потрібно лише змінювати джерело атомів. У плівкових ІМС є можливість підвищити степінь інтеграції елементів, а діелектричні підложки дозволяють значно зменшити паразитні зворотні електричні зв’язки і чутливість до радіації та освітлення. Зараз цей напрямок ефективно розробляється.

В функціональній електроніці прилад або функціональна схема (ФС) відрізняється від інтегральної (ІМС) тим , що не поділяється на окремі складові елементи: активну роль у ній відіграють не лише самі елементи, але й зв’язки між ними. Будь яка спроба розділити ФС на елементи веде до скорочення функціональних її можливостей . Розглянемо приклади:

1. Перетворювач змінної напруги U_вх на постійну (рис.1.3, а, в). У звичайній ІМС (рис.1.3,а) потрібно мати діод (D), резистор (R) та ємністно-індуктивний (C-L) фільтр для згладження пульсацій напруги. На виході маємо напругу U_вих однієї полярності, але зі слабкою пульсацією у часі (t) (рис.1.3,б). За допомогою ФС цю задачу можна розв’язати інакше (рис.1.3,в). Змінна напруга U_вх подається на резистор (R), розташований на електроізолюючій підложці (П₁) із високою теплопровідністю та малою теплоємністю, джоулеві тепло від резистора передається підложці. П₁ нагрівається нерівномірно, тобто виникає градієнт температур ΔТ = Т₁ – Т₂. Під підложкою П₁ на іншій підложці П₂ розташовують батарею термоелементів Т-Е. Завдяки наявності градієнту температур одні контакти батареї стають гарячими (Т_пг), а протилежні – холодними (Т_пх), і батарея виробляє термо-електрорушійну силу (вихідну напругу U_вих). Нагрівання резистора не залежить від зміни полярності вхідної напруги, тому вихідна напруга буде мати одну полярність, крім того, буде ідеально спрямленою, без будь яких пульсацій за часом (рис.1.3, г).

Рис.1.3. Перетворення змінної напруги у постійну: а ‑ електронна мікросхема (ІМС); б ‑ вихідний сигнал з ІМС; в ‑ функціональна схема (ФС); г ‑ вихідний сигнал з ФС

2. Розв‘язання електричних сигналів. У звичайній електроніці використовують трансформатори. У функціональній - цю задачу виконують два елементи: світлодіод СD (довжина хвилі випромінювання якого може змінюватися у межах Δλ) і фоторезистор R_ф (фотоприймач). Вхідна імпульсна напругі U_вх прикладається до світлодіода.

Швидкодія (час спрацьовування) світлодіода становить ~ 10^-9 с. Фотоприймач забезпечує такий само малий час фотовідгуку, тобто падіння опору R_ф та збільшення струму i_вих у вихідному колі відносно вхідного струму i_вх. В результаті перерозподілу напруги у вихідному колі зі звичайного резистора навантаження R_н знімають імпульс напруги U_вих, гальванічно розв‘язаний із імпульсом U_вх (рис.1.4). Такий «світловий» трансформатор має унікальні частотні характеристики, недосяжні для звичайного трансформатора.

Таким чином, можна виділити наступні головні ознаки функціональної електроніки

1. Носієм інформації у функціональній електроніці є сигнал, параметрами якого керують динамічні неоднорідності середовища, які виникають у момент появи сигналу. Важливо, що ці неоднорідності є динамічними, а не технологічними, тобто створеними заздалегідь (як це має місце в ІМС). Динамічні неоднорідності це градієнт температури, електропровідності, зміна орієнтації електричного або магнітного моменту, оптичних властивостей середовища, тощо.

2. У якості носія інформації функціональна електроніка використовує сигнали

різноманітної природі (теплові, електричні, оптичні та інші), а не лише електричні, як в інтегральній електроніці.

Рис.1.4. «Світловий» трансформатор

3. Під час роботи приладів функціональної електроніки відбувається перетворення природи носія інформації (тепловий сигнал перетворюється на електричний, електричний на оптичний і т.п.). З цієї причини не можна співставити ФС із принциповою схемою, яку можна розділити на окремі елементи, аналогічно ІМС, ФС – це технічний рисунок, а не принципова схема.