Введення
Електронні, квантові прилади і мікроелектронні вироби є основою практично всіх радіоелектронних і комунікаційних пристроїв і систем.
Завданням дисципліни "Електронні, квантові прилади та мікроелектроніка" є підготовка студентів до вирішення завдань, пов'язаних з раціональним вибором елементної бази при розробці радіоелектронної та комунікаційної апаратури, кваліфікованої експлуатації мікроелектронної апаратури, а також придбання навичок роботи і знань по роботі з електронними приладами і мікроелектронних виробами .
Дисципліна "Електронні, квантові прилади та мікроелектроніка" базується на відповідних розділах курсів математики, фізики, теорії електричних ланцюгів.

Програма
курсу "Електронні, квантові прилади та мікроелектроніка"
Введення
Класифікація електронних, квантових приладів і виробів мікроелектроніки. Короткий історичний нарис розвитку електронної та мікроелектронної техніки. Значення курсу, як одного з базових, для радіоелектронних і комунікаційних спеціальностей.
Розділ 1. Напівпровідникові прилади
1 Електропровідність напівпровідників.
Основні поняття зонної теорії. Рівень Фермі для власного та домішкових напівпровідників.
Концентрація рухомих носіїв зарядів. Генерація, рекомбінація, час життя носіїв. Дифузійне і дрейфовий руху носіїв, дифузійний і дрейфовий струми, рівняння дифузії і безперервності.

2 Фізичні процеси в електронно-доручених переходах та контакти.
Електронно-дірковий (pn) перехід в стан рівноваги. Способи отримання переходів. Енергетична і потенційна діаграми, висота потенційного бар'єра, рух носіїв, розподіл зарядів і напруженості електричного поля в збідненим шарі, ширина переходу.
Пряме і зворотне включення pn переходу. Инжекция та екстракція неосновних носіїв, прямий і зворотний струми.
Вольтамперних характеристика ідеалізованого електронно-діркового переходу, вплив на неї температури, концентрації домішок, генерації та рекомбінації носіїв в області переходу. Вольтамперних характеристика реального електронно-діркового переходу. Вплив опорів областей при прямому включенні. Пробій переходу. Тепловий, лавинний і тунельний пробої при зворотному включенні, вплив концентрації домішок.
Контакт метал-напівпровідник при різних співвідношеннях робіт виходу, контакт з бар'єром Шотки. Контакт напівпровідників з різною шириною забороненої зони (гетеропереході). Енергетичні діаграми контакту метал-напівпровідник в стані рівноваги. Вольтамперних характеристики переходів з бар'єром Шотки і гетеропереходів.
Статичне і диференціальне опору електронно-діркового переходу. Бар'єрна і дифузійна ємності.
Принципи побудови основних напівпровідникових приладів. Класифікація напівпровідникових приладів за типом структури. Прилади, засновані на різних об'ємних ефектах. Прилади з електронно-дірковий переходами. Прилади, засновані на контактах метал-напівпровідник та метал-діелектрик-напівпровідник.
3 Напівпровідникові діоди
Класифікація. Випрямні і детекторні діоди: призначення, пристрій, основні параметри, вплив температури. Стабілітрони, вольтамперної характеристики, параметри, призначення. Варикап, варактори, параметричні діоди: призначення, основні параметри. Імпульсні діоди: призначення, параметри. Діоди з бар'єром Шотки, параметри, порівняння зі звичайними діодами, застосування. Тунельні діоди, особливості пристрою, вольтамперної характеристики, параметри, застосування. Діоди зі структурою pin типу, принцип роботи, параметри, застосування.
4 Біполярні транзистори
Будова і принцип дії транзистора, призначення і способи виготовлення. Схеми включення: з загальною базою, загальним емітером і загальним колектором. Режими роботи: активний, відсічення, насичення, інверсний.
Робота транзистора в активному режимі. Потенційна діаграма. Инжекция неосновних носіїв у емітерний переході, руху носіїв у базовій області, екстракція неосновних носіїв у колекторно переході. Коефіцієнти інжекції і передачі струму емітера. Зв'язок між струмами електродів. Розподіл концентрації неосновних носіїв в базі транзистора при різних включених переходів.
Статичні характеристики біполярних транзисторів у схемах з спільною базою та спільним емітером (вхідні, вихідні, прямої передачі, зворотного зв'язку).
Еквівалентні схеми та параметри біполярних транзисторів. Фізичні параметри: коефіцієнти передачі струмів емітера і бази; диференціальні опору, бар'єрна і дифузійна ємності емітерного і колекторного переходів; об'ємні опору областей транзистора. Модель Еберса-Молла. Малосігнальние еквівалентні схеми: Т-образна і П-образна еквівалентні схеми. Транзистор як лінійний чотириполюсника, системи його диференціальних параметрів і відповідні еквівалентні схеми. Зв'язок h-параметрів з фізичними параметрами.
Визначення h-параметрів за статистичними характеристиками.
Частотні властивості біполярних транзисторів. Граничні частоти. Граничні частоти коефіцієнтів передачі по струму та потужності. Методи покращення частотних властивостей. Дрейфові транзистори. Особливості пристрою високочастотних та надвисокочастотних транзисторів.
Ключовий режим роботи біполярних транзисторів. Імпульсні транзистори.
Гранично-допустимі експлуатаційні параметри. Теплові та електричні параметри. Механічні і кліматичні впливу. Вплив випромінювання на роботу транзистора. Довговічність і економічність.
Розкид параметрів і характеристик, взаємозамінність транзистора.
5 Польові транзистори
Будова і принцип дії. Класифікація польових транзисторів, технологічні і конструктивні особливості. Польові транзистори з керуючим електронно-дірковий переходом та з ізольованим затвором: режими роботи із збагаченням і збіднінням каналу. Схеми включення з загальним витоком, загальним затвором і загальним стоком. Статистичні характеристики, тріодної і пентодная області характеристик. Диференціальні параметри: крутість, внутрішнє опору і статичний коефіцієнт підсилення. Ємності. Еквівалентна схема. Частотні властивості. Області застосування польових транзисторів.
6 Різні напівпровідникові прилади
Тиристори, пристрої, класифікація. Доданий тиристор, принцип роботи, вольтамперних характеристика, статистичні та імпульсні параметри. Тріодної тиристор, сімейство вольтамперних характеристик, статичні і імпульсні параметри. Застосування тиристорів.
Теплоелектріческіе напівпровідникові прилади: термістор, болометр і термоелемент: будову, параметри, застосування. Напівпровідникові резистори і варистори. Датчики Холла.
Шуми та шумові параметри напівпровідникових приладів.
Розділ II. Оптоелектронні та квантові прилади
Оптоелектронні та квантові прилади.
Светоізлучателі і фотоприймачі.
Фотоприймачі. Фотопровідність напівпровідників. Фоторезистор, фотодіод, фототранзистори, фототірістор: пристрій. принцип роботи, характеристики, параметри, застосування.
Светоізлучателі: лазери і світлодіоди. Пристрій, що принцип застосування, параметри і характеристики світлодіоди.
Напівпровідникові лазери. Принцип дії, параметри і характеристики. Переваги напівпровідникових лазерів.
Оптрони: пристрій, принцип роботи, параметри, характеристики, різновиди і застосування.
Індикатори: рідкокристалічні, напівпровідникові і газорозрядні. Застосування.
Розділ III. Мікроелектроніка
1 Технологічні основи мікроелектроніки
Комплексна мікромініатюризація. Основне завдання мікроелектроніки. Класифікація виробів мікроелектроніки.
Базові технологічні процеси виготовлення напівпровідникових інтегральних мікросхем (ІМС) (епітаксії, термічне окислення, дифузія, іонну легування, фотолітографія, металізація).
Діоди напівпровідникових ІМС. Діодні включення транзисторів.
Многоеміттерние і многоколлекторние транзистори, транзистори з бар'єром Шотки. Горизонтальні і вертикальні р-n-р транзистори і супербета-транзистори.
МДП з одним типом кайданів (n-МДП, p-МДП) і з двома типами каналів (комплементарні КМДП). Особливості цих схем.
Параметри і характеристики пасивних елементів напівпровідникових ІМС (дифузійних та іонно-легованих резисторів, дифузійних і МДП конденсаторів) і відмінність їх від відповідних параметрів і характеристик дискретних резисторів і конденсаторів.
Температурні коефіцієнти опорів і ємностей пасивних елементів напівпровідникових ІМС, їх основні відмінності від дискретних пасивних компонентів.
Способи ізоляції між компонентами ІМС та їх особливості.
Спосіб ізоляції елементів у напівпровідникових ІМС, виконаних на основі біполярних структур і послідовність технологічних операцій при їх виготовленні.
Гібридні інтегральні мікросхеми (мікроскладені). Особливості товстоплівкових і тонкоплівкових ІМС, а також параметри і характеристики їх пасивних елементів (резисторів, конденсаторів, індуктивностей).
Основні етапи складання і типи корпусів для напівпровідникових та гібридних ІМС.
2 Аналогові мікросхеми.
Операційний підсилювач (ОУ). Виконання аналогових функцій (посилення, порівняння, обмеження, частотна фільтрація, підсумовування, інтегрування, диференціювання та ін.)
Три каскаду інтегральних ОУ: вхідний, проміжний і вихідний. Базові ланцюга генераторів стабільного струму або стабілізаторів струму. Каскади зсуву рівня і вихідні каскади.
Диференціальний каскад (ДК). Ідентичність параметрів транзисторів і навантажувальних резисторів.
Параметри та характеристики ОУ.
Основний принцип застосування ОУ - включення глибокої негативного зворотного зв'язку (ООС).
3 Цифрові ІМС.
Основні види цифрових ІМС: РТЛ, ДТЛ, ТТЛ та ін Системи параметрів інтегральних логічних елементів.
Логічні елементи з бар'єром Шотки і логічні елементи на основі перемикачів струму.
МДП транзисторні ключі. Транзисторні ключі на комплементарних структурах (КМДП).
Інтегральні логічні елементи з інжекційних харчуванням (І2Л).
Принципи побудови тригерів і їх типи. Тригер елементарна комірка запам'ятовуючих пристроїв. Типи запам'ятовуючих пристроїв і їх основні параметри.
4 Великі і надвеликі інтегральні схеми (ВІС і НВІС)
Підвищення ступеня інтеграції основна тенденція розвитку мікроелектроніки.
Шляхи підвищення ступеня інтеграції та проблеми, пов'язані зі створенням БІС і НВІС.
Особливості базових елементів ВІС і НВІС (n-МДП, КМДП, І2Л).
Прилади з зарядним зв'язком (ПЗС).
Базові матричні кристали при створенні БІС і НВІС приватного застосування.
Мікропроцесори, однокристальних мікро-ЕОМ, цифро-аналогові і аналого-цифрові перетворювачі (АЦП, ЦАП).
Перспективи розвитку мікроелектроніки
Функціональна мікроелектроніка. Оптоелектроніка, акустоелектроніка, магнетоелектроніка, біоелектроніка та ін
Зміст лекцій
1 Цілі і завдання курсу "Електронні, квантові прилади та мікроелектроніка". Фізика напівпровідників. p-n-переходи. Напівпровідникові діоди. Різновиди й характеристики.
2 Транзистори. Принцип дії, різновиди і характеристики.
3 Польові транзистори. Принцип дії, різновиди і характеристики.
4 Тиристори. Принцип дії, різновиди і характеристики.
5 Комплексна мікромініатюризація РЕА. Основне завдання мікроелектроніки. Класифікація виробів мікроелектроніки.
6 Основні технологічні операції виготовлення ІМС. Формування структур напівпровідникових ІМС. Виготовлення гібридних ІMС.
7 Види аналогових ІМС. Виготовлення диференціальних підсилювачів. Операційні підсилювачі.
8 Види цифрових ІМС. Базові логічні елементи. Інтегральні тригери. Елементи запам'ятовуючих пристроїв. Великі і надвеликі інтегральні схеми. Перспективи розвитку мікроелектроніки.
Перелік лабораторних робіт
1 Дослідження напівпровідникових діодів різних типів.
2 Дослідження статичних характеристик біполярних транзисторів.
3 Дослідження цифрових ІМС.
4 Дослідження топології ІМС.
Методичні вказівки
до вивчення курсу "Електронні, квантові прилади і
мікроелектроніка "
1 Загальні вказівки
Відповідно до навчального плану курсу "Електронні, квантові прилади та мікроелектроніка" студент зобов'язаний виконати контрольну роботу, відповісти на контрольні питання, виконати лабораторний практикум і скласти іспит. До складання іспиту студент допускається при пред'явленні екзаменатору виконаних і зарахованих контрольних робіт.
Основною формою вивчення курсу є самостійне вивчення рекомендованої літератури. Очні види занять є додатковою формою на допомогу самостійній роботі студентів з вивчення курсу.
Кафедра рекомендує вести короткий конспект досліджуваного навчального матеріалу. Після вивчення кожного розділу необхідно відповісти на контрольні запитання і виконати контрольні завдання. На два контрольних питання (по розділу II - один) з кожного розділу (відповідно до шифру, див. завдання № 1 контрольного завдання) відповіді слід дати в письмовій формі.
У наведених нижче методичних вказівках даються посилання на основні літератури [?, 2?. Однак, для вивчення програми курсу можна користуватися і списком додаткової літератури.
Додатковою літературою можна також користуватися для більш поглибленого вивчення окремих пунктів або розділів програми або в разі відсутності книг основної літератури.
Методичні вказівки по розділам курсу
Розділ 1. Напівпровідникові прилади
1 Електричні властивості напівпровідників
? 1?, С. 29-42;
У цьому пункті розглядаються фізичні основи напівпровідників. Треба згадати основні положення квантової механіки з курсу фізики: основи зонної теорії, статистика Фермі-Дірака, рівень Фермі і його залежність від концентрації домішок в напівпровідниках і температури. Слід усвідомити способи побудови енергетичних рівнів власних і домішкових напівпровідників. Потрібно розрізнити дифузійний і дрейфовий струми.
2 Фізичні процеси в електронно-доручених переходах і контактах
???, С. 42-55;
Матеріал цього пункту треба ретельно вивчити, тому що він є надзвичайно важливим для розуміння роботи всіх напівпровідникових приладів. Необхідно вивчити властивості pn переходів, їх енергетичні та потенційні діаграми.
Треба знати рівняння вольтамперної характеристики, відмінність теоретичної характеристики від реальної, види пробоїв pn переходу. Зобразити еквівалентну схему pn переходу і дати фізичне пояснення наявності бар'єрної та дифузійного ємностей переходу.
Необхідно знати принцип дії контакту метал-напівпровідник (бар'єр Шотки).

3 Напівпровідникові діоди
[1], c. 56-92;
4 Біполярні транзистори
[1], c. 93-175;
5 Польові транзистори
[1], с. 183-211.
Треба засвоїти пристрій і принцип дії польових транзисторів з керованим pn переходом, знати їх статичне характеристики і диференціальні параметри.
Слід розібратися з принципом дії, структурою і особливостями польових транзисторів з ізольованим затвором (МДН-транзистори), їх різновидами; МДП з індукованим і вбудованим каналами. Необхідно знати режими збіднення та збагачення цих транзисторів і які з них можуть працювати в тому чи іншому режимі. Все це необхідно проілюструвати на фізиці процесів, а також за допомогою статичних характеристик транзисторів.
Слід знати схеми включення, диференціальні малосігнальние параметри і еквівалентні схеми польових транзисторів.
Необхідно мати уявлення про прилади із зарядним зв'язком.
Цей матеріал можна знайти в [4].
6 Різні напівпровідникові прилади
[1], c.175-182;
У цьому пункті основна увага приділяється пристрою тиристорів. Потрібно знати пристрій і принцип дії діодного і тріодної тиристори. Потрібно також з'ясувати роботу теплоелектріческіх приладів, напівпровідникових резисторів і варисторів.
Шуми і надійність електронних приладів [1], с. 158-165, 19-22;
   
   Контрольні питання до I-розділу
1. Вкажіть роль електронних приладів?? виробів мікроелектроніки в підготовці фахівців Вашого профілю.
2. Накресліть діаграми енергетичних зон власного та домішкових напівпровідників і поясніть характер електропровідності в напівпровідниках.
3. Що таке дифузійний і дрейфовий струми?
4. Чому різко знижується концентрація рухливих носіїв заряду в пріконтактной області двох напівпровідників з різними типом провідності?
5. Накресліть потенційну діаграму (або діаграму енергетичних рівнів) pn переходу в стані рівноваги.
6. Накресліть потенційну діаграму (або діаграму енергетичних рівнів) pn переходу при прямому включенні.
7. Накресліть потенційну діаграму (або діаграму енергетичних рівнів) pn переходу при зворотному включенні.
8. Чим відрізняється реальна вольтамперної характеристики pn переходу від теоретичної?
9. Які види пробою pn переходу ви знаєте?
10. Що таке зарядна ємність pn переходу?
11. Що таке дифузійна ємність pn переходу?
12. Дайте класифікацію напівпровідникових приладів за технологією виготовлення та за типом структури.
13. Як називаються прилади, засновані на контакті метал-напівпровідник?
14. Дайте класифікацію діодів за конструктивними особливостями й застосування.
15. Яке пристрій і принцип дії напівпровідникового діода?
16. Поясніть пристрій стабілітрона і його включення в схему.
17. Які особливості роботи діодів в імпульсному режимі?
18. Дайте класифікацію транзисторів по конструкції і їх застосування.
19. Накресліть схеми включення транзистора із загальною базою, із загальним емітером і з загальним колектором?
20. У чому полягає особливості режимів: активного, відсічення і насичення?
21. Розкажіть принцип дії біполярного транзистора.
22. Дайте порівняння підсилювальних властивостей транзисторів в різних схемах включень.
23. Зобразіть статистичні характеристики транзисторів і поясніть хід їх зміни.
24. Які системи параметрів транзисторів Вам відомі і який зв'язок між ними?
25. Зобразіть еквівалентні низькочастотні Т-подібні схеми транзистора.
26. Що таке гранична частота, гранична частота посилення струму бази?
27. Намалюйте діаграму колекторного струму при імпульсному режимі роботи.
28. Який принцип дії польового транзистора з керуючим pn переходом?
29. Намалюйте схему пристрою транзистора з ізольованим затвором і поясніть його принцип дії.
30. Зобразіть три схеми включення польового транзистора. Намалюйте сімейство статичних (вихідних та передавальних) характеристик.
31. Що таке прилад із зарядним зв'язком?
32. Поясніть принцип дії діністора.
33. Поясніть вольтамперних характеристику діністора.
34. Назвіть параметри тиристорів.
35. Поясніть принцип дії напівпровідникових резисторів, варисторів.
36. Поясніть принцип дії датчика Холла.
37. Назвіть види шумів в транзисторі.
38. Як визначається довговічність приладу?
39. Що таке інтенсивність відмов?
40. Як впливає режим на надійність напівпровідникових приладів?
Розділ II. Оптоелектронні та квантові прилади
[1], с, 313-327, 356-371;
Ця тема є одним з перспективних напрямків розвитку електроніки. Тому необхідно усвідомити гідності оптоелектронних приладів взагалі, і оптронів зокрема. Короткі відомості з оптронів можна знайти в [1] і [4], за індикаторами в [1]. Більш повні відомості по них можна знайти в додатковій літературі [9].

   Контрольні питання по розділу II
1. Основні переваги оптоелектронних приладів.
2. Пристрій Оптрон і основні його вузли.
3. Светоізлучателі. Основні вимоги до них.
4. Світлодіоди. ! принцип цействія, характеристики, параметри.
5. Оптична середу. призначення, вимоги до неї.
6. Фотоприймачі. Характеристики та параметри.
7. Принцип дії фоторезистори, Характеристики і параметри.
8. Принцип дії і пристрій фотодіода. Фотогенераторний
режим.
9. Фотопреобразовательний режим фотодіода.
10. Способи підвищення коефіцієнта передачі струму оптронів.
11. Фототранзистори і фототірістори. Принцип роботи і вихідні характеристики,
12. Класифікація оптронів. Умовні позначення.
13. Порівняльна характеристика.
14. Характеристики оптронів.
15. Параметри оптронів.
16. Застосування оптронів.
17. Принцип дії напівпровідникових індикаторів
18. Жідкокрісталічеській індикатори. Принцип дії і різновиди.
19. Газорозрядні індикатори та плазмові панелі.
20. Застосування індикаторів.
21. Напівпровідникові лазери. Принцип дії, характеристики та особливості.
Розділ III. Мікроелектроніка
1 Технологічні основи мікроелектроніки
Засобом вирішення проблеми збільшення надійності, зниження вартості, масогабаритних показників і енергоспоживання РЕА є комплексна мініатюризація, у широкому сенсі означає системний підхід до застосування в апаратурі засобів мікроелектроніки, а в прикладному сенсі - метод створення апаратури, при якому всі її вузли, блоки і пристрої виконані на базі виробів мікроелектроніки. Слід усвідомити, що основне завдання мікроелектроніки - вирішення питань надійності мікроелектронних пристроїв, що складаються з великої кількості елементів. Це і є - «Тиранія великої кількості».
Класифікація виробів мікроелектроніки наведена в [2, с.27-32].
Основним видом виробів мікроелектроніки є ІМС, які можуть бути кваліфіковані за технологією виготовлення, ступеня інтеграції, функціональному призначенню і по застосованості в апаратурі. Докладно див. [2, с. 23-38].
Базові технологічні процеси виготовлення напівпровідникових ІМС (епітаксії, термічне окислення, дифузія, іонну легування, фотолітографія, металізація) досить повно і компактно описані в [2, с. 55-78]. Засвойте призначення кожного з базових процесів, а також вмійте без зайвої деталізації пояснити їх сутність.
Основу біполярних напівпровідникових ІМС складають npn транзистори. Відмінності параметрів і характеристик інтегрального npn транзистора від дискретного визначаються розташуванням всіх трьох висновків на одній поверхні, а також впливом підкладки. Зверніть увагу на способи поліпшення параметрів інтегрального npn транзистора, зокрема, введення прихованого n-шару.
Діоди напівпровідникових ІМС реалізуються на основі npn транзисторів, причому їх параметри залежать від схеми включення транзистора як діода.
Вельми важливо для розуміння принципів побудови сучасних напівпровідникових цифрових ІМС розібратися з пристроєм і особливостями активних структур, які не мають дискретних аналогів: многоеміттерних і многоколлекторних транзисторів, транзисторів з бар'єром Шотки.
Зверніть увагу на проблему реалізації pnp транзисторів на одній підкладці з основними npn транзисторами, зрозумійте відмінності горизонтального і вертикального pnp транзисторів. Такі елементи поряд з супербета-транзисторами широко використовуються в напівпровідникових ІМС. Всі перераховані елементи ІМС докладно описані в [2, с. 89-103].
У МДП ІМС використовуються структури з одним типом кайданів (n-МДП, p-МДП) або двома типами каналів (комплементарні, КМДП). Необхідно чітко розуміти, що важливою перевагою МДП ІМС в порівнянні з біполярними ІМС є спрощення технології виготовлення і відповідно більший відсоток виходу придатних виробів і менша вартість. МДП активні елементи займають значно меншу площу на підкладці і дозволяють реалізувати IMC із дуже високим ступенем інтеграції при малій споживаної потужності. Зверніть увагу на пристрій і особливості КМДП ІМС, що є в даний час одним з найбільш перспективних типів ІМС. Дані питання досить коротко і зрозуміло розглянуті в [2, с. 103-112, 138-145].
Параметри і характеристики пасивних елементів напівпровідникових ІМС (дифузійних та іонно-легованих резисторів, дифузійних і МДП конденсаторів) істотно відрізняються від відповідних параметрів і характеристик дискретних резисторів і конденсаторів.
Необхідно знати порядок температурних коефіцієнтів опорів і ємностей пасивних елементів напівпровідникових ІМС, їх основні відмінності від дискретних пасивних компонентів і вміти зобразити найпростіші моделі (еквівалентні схеми), що враховують паразитні ефекти. Особливу увагу приділіть МДП конденсаторам, широко використовуваних в самих новітніх розробках дискретно-аналогових МДП БІС. Слід також розуміти, що, незважаючи на великий розкид номіналів напівпровідникових резисторів і конденсаторів, відносини номіналів в межах кристалу витримуються з досить високою точністю (0,5 ... 3%). Пасивні компоненти напівпровідникових ІМС докладно описані в [2, с.116-127]. При вивченні елементів напівпровідникових ІМС засвойте способи ізоляції між ними та їх особливості.
Спосіб ізоляції елементів у напівпровідникових ІМС, виконаних на основі біполярних структур, багато в чому визначає як гранично досяжні параметри та характеристики ІМС, так і послідовність технологічних операцій при їх виготовленні. Слід розуміти, що в напівпровідникових ІМС на МДП структурах ізоляція між елементами не потрібно.
Відомі способи ізоляції між елементами поділяються на два головних типи: ізоляція назад зміщеним pn переходом та ізоляція діелектриком.
Гібридні інтегральні мікросхеми (мікроскладені) являють собою комбінацію плівкових пасивних елементів і дискретних активних компонентів, розташованих на загальній діелектричної підкладці. В даний час як дискретних активних елементів, крім безкорпусних транзисторів та діодів, широко використовують напівпровідникові ІМС різного ступеня інтеграції, зокрема, операційні підсилювачі, тригери, регістри і т.д. Таким чином, гібридні ІМС являють собою не тільки функціональні вузли (підсилювачі, ланки фільтрів і т.д.), але і цілі блоки пристрою РЕА. Аналогом гібридної ІМС у МЕА третього покоління є друкована плата, заповнена компонентами у вигляді корпусовані ІМС.
Використання гібридних ІМС в РЕА четвертого покоління дозволяє різко зменшити масогабаритні параметри і підвищити надійність.
При вивченні гібридних ІМС зверніть увагу на особливості товстоплівкових і тонкоплівкових ІМС, а також параметри і характеристики їх пасивних елементів (резисторів, конденсаторів, індуктивностей). Цей матеріал досить докладно викладено в [2, с. 115-202]. Методи одержання товстих і тонких плівок наведені в [2, с. 195-172].
Особливу увагу приділіть вивченню питань розрахунку і проектування гібридних ІMС, необхідних для успішного виконання третього завдання контрольної роботи [2, с. 203-216].
Основні етапи складання і типи корпусів для напівпровідникових та гібридних ІМС розглянуті в [2, с. 145-148, 198-202].
2 Аналогові ІМС
Номенклатура сучасних аналогових ІМС обширна і різноманітна за функціональним призначенням [2, с. 284-288].
Найбільш поширеним типом багатофункціональних аналогових ІМС є операційний підсилювач (ОУ), за допомогою якого можливе виконання всіх аналогових функцій (посилення, порівняння, обмеження, частотна фільтрація, підсумовування, інтегрування, диференціювання та ін) [2, с. 288-290];
Для успішного вивчення пристрої ОУ попередньо познайомтеся з базовими ланцюгами аналогових ІМС.
Широке застосування в аналогових ІМС знайшли базові ланцюга генераторів стабільного струму або стабілізаторів струму. Необхідно зрозуміти призначення таких ланцюгів, знати їх вольтамперних характеристику і вміти пояснити принцип стабілізації струму як у найпростіших стабілізаторах, так і в "відбивача струму".
Розберіться без особливої деталізації з призначенням і принципом дії каскаду зсуву рівня та вихідних каскадів.
Найважливішою базової ланцюгом аналогових ІМС, повною мірою використовує основні переваги інтегральної технології, є диференціальний каскад (ДК). Ідентичність параметрів транзисторів і навантажувальних резисторів в обох плечах ДК, а також близькість розташування елементів на підкладці ІМС дозволяють забезпечити параметри, недосяжні при використанні дискретних компонентів. Ознайомтеся з принципом дії і основними параметрами ДК, звернувши особливу увагу на вирази для коефіцієнта придушення синфазних складової сигналу і коефіцієнта посилення диференціальної складової сигналу.
Сучасні інтегральні ОУ містять три каскаду: вхідний, проміжний і вихідний. Вхідний каскад завжди є диференціальним каскадом, проміжний - каскадом зсуву рівня і вихідний-емітерний повторювач на комплементарних транзисторах [2, с. 288-291].
Необхідно мати чітке уявлення про параметри та характеристики ОУ. Поряд з параметрами ОУ, визначеними вхідним диференціальним каскадом, слід розуміти параметри, що характеризують його частотні властивості. Гранична частота або частота одиничного підсилення, складова для сучасних ОУ десятки МГц, визначається при коефіцієнті підсилення, що дорівнює одиниці [2, с. 289-291].
Зверніть увагу на основний принцип застосування ОУ - включення глибокої негативного зворотного зв'язку (ООС), що дозволяє за рахунок надлишкового коефіцієнта посилення забезпечити незалежність параметрів функціонального вузла від параметрів ОУ. Зокрема, при введенні опору ООС коефіцієнт посилення визначається ставленням резисторів на вході і в ланцюзі ООС. Основні відомості про ОУ та принципи їх застосування містяться в [2, с. 284-292].
3 Цифрові ІМС
Базовими осередками всіх цифрових ІМС є логічні елементи, що виконують логічні операції І-НІ, АБО-НЕ [2, с. 260-262].
Особливу увагу приділіть вивченню системи параметрів інтегральних логічних елементів [2, с. 263-266]. Основні статичні параметри логічного елемента можуть бути визначені з передавальної характеристики.
В основу класифікації ІМС логічних елементів покладено їх схемотехнічне побудова [2, с. 266-271]. Значно полегшить розуміння особливостей кожного виду ІМС логічних елементів попередній розгляд статичного і динамічного режимів найпростіших логічних елементів.
Необхідно розуміти причини обмеження швидкодії логічних елементів. Основним способом підвищення швидкодії є зменшення ступеня насичення транзисторів без зміни величини навантажень резисторів. Цей принцип реалізують логічні елементи з бар'єром Шотки і логічні елементи на основі перемикачів струму.
При вивченні МДП транзисторних ключів особливу увагу приділіть особливостей та переваг комплементарного ключа (КМДП).
В даний час найбільшого поширення в ІМС малої і середньої ступені інтеграції отримали транзисторних-транзисторні (ТТЛ), транзисторних-транзисторні з бар'єром Шотки (ТТЛШ) і емітерний-пов'язані (ЕСЛ) інтегральні логічні елементи. Вивчіть схеми та особливості таких елементів, а також орієнтовні параметри кожного з них.
У великих інтегральних схемах (ВІС) широке поширення одержали МДП-і КМДП-інтегральні логічні елементи [2, с. 275-280], а також інтегральні логічні елементи з інжекційних харчуванням (І2Л). Особливу увагу зверніть на принципи роботи схем І2Л, що істотно відрізняються від принципів роботи інших логічних елементів. При вивченні МДП-інтегральних логічних елементів пам'ятаєте, що поряд з елементами на раніше розглянутих статичних ключах іноді використовуються динамічні елементи, що мають певні переваги в споживаної потужності.
Необхідно знати орієнтовні параметри всіх типів інтегральних логічних елементів і вміти порівняти їх між собою.
На основі інтегральних логічних елементів реалізуються інтегральні логічні тригери. Функціональне відміну тригера від логічного елемента полягає в тому, що тригер володіє двома стійкими станами по кожному з виходів. Переклад тригера з одного стійкого стану в інший можливі при певній логічній комбінації вхідних сигналів. За логічній структурі перемикання розрізняють типи тригерів. Необхідно знати принципи їх побудови та типи.
Тригер є елементарною осередком запам'ятовуючих пристроїв. Слід розрізняти типи запам'ятовуючих пристроїв і їх основні параметри.
Різноманітність видів тригерів пояснюється їх застосуванням для побудови арифметичних і логічних пристроїв.
Подальше вдосконалення цифрових ІМС з метою поліпшення техніко-економічних показників можливо за рахунок схемотехнічних і технологічних прийомів [2, с. 281-284].
4 Великі і надвеликі інтегральні схеми (ВІС і НВІС)
Підвищення ступеня інтеграції є основною тенденцією розвитку мікроелектроніки, так як використання БІС супроводжується різким поліпшенням всіх основних показників апаратури.
Шляхи підвищення ступеня інтеграції та проблеми, пов'язані зі створенням БІС і НВІС, детально розглянуті в [2].
У цифрових ВІС знаходять застосування базові осередки, що займають невелику площу на підкладці і володіють мінімальної споживаної потужністю (n-МДП, КМДП, І2Л).
В даний час для створення БІС і НВІС почали використовувати функціонально-інтегровані структури, зокрема, прилади із зарядним зв'язком (ПЗС).
Збільшення ступеня інтеграції призводить до різкого звуження сфери застосування ВІС і НВІС, що робить їх виробництво економічно недоцільним. Виняток становлять БІС і ОБІС для засобів обчислювальної техніки. Використання базових матричних кристалів при створенні БІС і НВІС приватного застосування знімає економічні обмеження.
Широке використання засобів обчислювальної техніки та цифрової обробки сигналів стимулюється створенням цифрових ВІС мікропроцесорів, однокристальних мікро-ЕОМ, цифро-аналогових та аналого-цифрових перетворювачів (АЦП, ЦАП). Початкові відомості про такі БІС містяться в [2, с. 221-241, 298-302]. Особливу увагу при вивченні розділу зверніть на структуру та основні можливості мікропроцесорів, які є найбільш складними і універсальними БІС [2, с. 198-302].
Перспективи розвитку мікроелектроніки
Основні зусилля розробників ІМС спрямовані на удосконалення вже усталених принципів створення ІМС, на поліпшення їх електричних та експлуатаційних характеристик. Роботи ведуться, головним чином, в напрямку підвищення швидкодії схем (зменшення енергії, що витрачається зовнішнім джерелом на одне перемикання логічного пристрою) та їх ступеня інтеграції. Вирішення цих проблем пов'язують з удосконаленням технології одержання мікроелектронних структур мінімально можливих розмірів [2, с. 345, 375-380].
Подальше розвитку мікроелектроніки пов'язано з принципово новим підходом, що дозволяє реалізувати певну функцію апаратури без застосування стандартних базових елементів, використовуючи різні фізичні ефекти в твердому тілі. Таке напрямок одержав назву "функціональна мікроелектроніка". Використовуються оптичні явища (оптоелектроніка), взаємодія електронів з акустичними хвилями в твердому тілі (акустоелектроніка), ефекти в нових магнітних матеріалах (магнетоелектроніка), електричні неоднорідності в однорідних напівпровідниках, явище холодної емісії в плівкових структурах, явища живої природи на молекулярному рівні (біоніка, біоелектроніка, нейрісторная електрона) та ін Докладно основні напрямки функціональної мікроелектроніки ра