казахсько-американських УНІВЕРСИТЕТ
ЕЛЕКТРОННІ, квантових приладів та мікроелектроніки
Програма, методичні вказівки та контрольні завдання (для студентів заочної форми навчання спеціальності 3805 - Радіозв'язок, радіомовлення і телебачення)
Алма-Ата 2001
Введення
Електронні, квантові прилади і мікроелектронні вироби єосновою практично всіх радіоелектронних і комунікаційних пристроїв ісистем.
Завданням дисципліни "Електронні, квантові прилади та мікроелектроніка"є підготовка студентів до вирішення завдань, пов'язаних з раціональнимвибором елементної бази при розробці радіоелектронної та комунікаційноїапаратури, кваліфікованої експлуатації мікроелектронної апаратури, атакож придбання навичок роботи і знань по роботі з електроннимиприладами і мікроелектронних виробами.
Дисципліна "Електронні, квантові прилади та мікроелектроніка"базується на відповідних розділах курсів математики, фізики, теоріїелектричних ланцюгів.
Програма
курсу "Електронні, квантові прилади та мікроелектроніка"
Введення
Класифікація електронних, квантових приладів і виробівмікроелектроніки. Короткий історичний нарис розвитку електронної імікроелектронної техніки. Значення курсу, як одного з базових, длярадіоелектронних і комунікаційних спеціальностей.
Розділ 1. Напівпровідникові прилади
1 Електропровідність напівпровідників.
Основні поняття зонної теорії. Рівень Фермі для власного ідомішкових 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. Способиотримання переходів. Енергетична і потенційна діаграми, висотапотенційного бар'єру, рух носіїв, розподіл зарядів інапруженості електричного поля в збідненим шарі, ширина переходу.
Пряме і зворотне включення pn переходу. Инжекция та екстракціянеосновних носіїв, прямий і зворотний струми.
вольтамперних характеристика ідеалізованого електронно-дірковогопереходу, вплив на неї температури, концентрації домішок, генерації тарекомбінації носіїв в області переходу. Вольтамперних характеристикареального електронно-діркового переходу. Вплив опорів областей припрямому включенні. Пробій переходу. Тепловий, лавинний і тунельний пробоїпри зворотному включенні, вплив концентрації домішок.
Контакт метал-напівпровідник при різних співвідношеннях робіт виходу,контакт з бар'єром Шотки. Контакт напівпровідників з різною шириноюзабороненої зони (гетеропереході). Енергетичні діаграми контакту метал -напівпровідник в стані рівноваги. Вольтамперних характеристикипереходів з бар'єром Шотки і гетеропереходів.
Статичний і диференціальне опору електронно-дірковогопереходу. Бар'єрна і дифузійна ємності.
Принципи побудови основних напівпровідникових приладів. Класифікаціянапівпровідникових приладів за типом структури. Прилади, засновані нарізних 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 ззвичайними діодами, застосування. Тунельні діоди, особливості пристрою,вольтамперної характеристики, параметри, застосування. Діоди із структурою p -in типу, принцип роботи, параметри, застосування.
4 Біполярні транзистори
Будова і принцип дії транзистора, призначення і способивиготовлення. Схеми включення: з загальною базою, загальним емітером і загальнимколектором. Режими роботи: активний, відсічення, насичення, інверсний.
Робота транзистора в активному режимі. Потенційна діаграма. Инжекциянеосновних носіїв у емітерний переході, руху носіїв у базовійобласті, екстракція неосновних носіїв у колекторно переході.
Коефіцієнти інжекції і передачі струму емітера. Зв'язок між струмамиелектродів. Розподіл концентрації неосновних носіїв в базітранзистора при різних включених переходів.
Статичні характеристики біполярних транзисторів у схемах із загальноюбазою і загальним емітером (вхідні, вихідні, прямої передачі, зворотногозв'язку).
Еквівалентні схеми та параметри біполярних транзисторів. Фізичніпараметри: коефіцієнти передачі струмів емітера і бази; диференціальніопору, бар'єрна і дифузійна ємності емітерного і колекторногопереходів; об'ємні опору областей транзистора. Модель Еберса-
Молла. Малосігнальние еквівалентні схеми: Т-образна і П-образнаеквівалентні схеми. Транзистор як лінійний чотириполюсника, системи йогодиференціальних 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. Методиполіпшення частотних властивостей. Дрейфові транзистори. Особливості пристроювисокочастотних та надвисокочастотних транзисторів.
Ключовий режим роботи біполярних транзисторів. Імпульсні транзистори.
Гранично-допустимі експлуатаційні параметри. Теплові таелектричні параметри. Механічні і кліматичні впливу. Впливвипромінюванні 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 зкеруючим електронно-дірковий переходом та з ізольованим затвором:режими роботи із збагаченням і збіднінням каналу. Схеми включення із загальнимвитоком, загальним затвором і загальним стоком. Статистичні характеристики,тріодної і пентодная області характеристик. Диференціальні параметри:крутизна, внутрішнє опору і статичний коефіцієнт підсилення.
Ємності. Еквівалентна схема. Частотні властивості. Області застосуванняпольових транзисторів.
6 Різні напівпровідникові прилади
Тиристори, пристрої, класифікація. Доданий тиристор, принцип роботи,вольтамперних характеристика, статистичні та імпульсні параметри.
Тріодної тиристор, сімейство вольтамперних характеристик, статичні іімпульсні параметри. Застосування тиристорів.
Теплоелектріческіе напівпровідникові прилади: термістор, болометр ітермоелемент: будову, параметри, застосування. Напівпровідниковірезистори 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 напівпровідниковихінтегральних 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 МДПконденсаторів) і відмінність їх від відповідних параметрів і характеристикдискретних резисторів і конденсаторів.
Температурні коефіцієнти опорів і ємностей пасивних елементівнапівпровідникових ІМС, їх основні відмінності від дискретних пасивнихкомпонентів.
Способи ізоляції між компонентами ІМС та їх особливості.
Спосіб ізоляції елементів у напівпровідникових ІМС, виконаних наоснові біполярних структур і послідовність технологічних операційпри їх виготовленні.
Гібридні інтегральні мікросхеми (мікроскладені). Особливостітовстоплівкових і тонкоплівкових ІМС, а також параметри і характеристики їхпасивних 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 і характеристики ОУ.
Основний принцип застосування ОУ - включення глибокої негативноюзворотного зв'язку (ООС).
3 Цифрові ІМС.
Основні види цифрових ІМС: РТЛ, ДТЛ, ТТЛ та ін Системи параметрівінтегральних логічних елементів.
Логічні елементи з бар'єром Шотки і логічні елементи на основіперемикачів струму.
МДП транзисторні ключі. Транзисторні ключі на комплементарнихструктурах (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 ( ПЗЗ).
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 імікроелектроніка ". Фізика напівпровідників. p-n-переходи. Напівпровідниковідіоди. Різновиди й характеристики.
2 Транзистори. Принцип дії, різновиди і характеристики.
3 Польові транзистори. Принцип дії, різновиди іхарактеристики.
4 Тиристори. Принцип дії, різновиди і характеристики.
5 Комплексна мікромініатюризація РЕА. Основне завданнямікроелектроніки. Класифікація виробів мікроелектроніки.
6 Основні технологічні операції виготовлення ІМС. Формуванняструктур напівпровідникових ІМС. Виготовлення гібридних ІMС.
7 Види аналогових ІМС. Виготовлення диференціальних підсилювачів.
Операційні підсилювачі.
8 Види цифрових ІМС. Базові логічні елементи. Інтегральнітригери. Елементи запам'ятовуючих пристроїв. Великі і надвеликіінтегральні 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 імікроелектроніка "студент зобов'язаний виконати контрольну роботу, відповісти наконтрольні питання, виконати лабораторний практикум і скласти іспит. Доскладання іспиту студент допускається при пред'явленні екзаменаторувиконаних і зарахованих контрольних робіт.
Основною формою вивчення курсу є самостійне вивченнярекомендованої літератури. Очні види занять є додатковоюформою на допомогу самостійній роботі студентів з вивчення курсу.
Кафедра рекомендує вести короткий конспект досліджуваного навчальногоматеріалу. Після вивчення кожного розділу необхідно відповісти наконтрольні запитання та виконати контрольні завдання. На два контрольнихпитання (по розділу II - один) з кожного розділу (відповідно до шифру, см.завдання № 1 контрольного завдання) відповіді слід дати в письмовій формі.
У наведених нижче методичних вказівках даються посилання на основнілітератури [(, 2 (. Однак, для вивчення програми курсу можна користуватисята списком додаткової літератури.
Додатковою літературою можна також користуватися для більшпоглибленого вивчення окремих пунктів або розділів програми або в разівідсутність 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. Потрібнозгадати основні положення квантової механіки з курсу фізики: основизонної теорії, статистика Фермі-Дірака, рівень Фермі і його залежність відконцентрації домішок в напівпровідниках і температури. Слід усвідомитиспособи побудови енергетичних рівнів власних і домішковихнапівпровідників. 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 єнадзвичайно важливим для розуміння роботи всіх напівпровідникових приладів.
Необхідно вивчити властивості pn переходів, їх енергетичні тапотенційні діаграми.
Треба знати рівняння вольтамперної характеристики, відмінністьтеоретичної характеристики від реальної, види пробоїв pn переходу.
Зобразити еквівалентну схему pn переходу і дати фізичне поясненнянаявності 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 зкерованим pn переходом, знати їх статичне характеристики ідиференціальні параметри.
Слід розібратися з принципом дії, структурою і особливостямипольових транзисторів з ізольованим затвором (МДН-транзистори), їхрізновидами; МДП з індукованим і вбудованим каналами. Необхіднознати режими збіднення та збагачення цих транзисторів і які з них можутьпрацювати в тому чи іншому режимі. Все це необхідно проілюструвати нафізики процесів, а також за допомогою статичних характеристик транзисторів.
Варто знати схеми включення, диференціальні малосігнальниепараметри 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. Потрібнознати пристрій і принцип дії діодного і тріодної т?? Рісторі. Потрібнотакож усвідомити роботу теплоелектріческіх приладів, напівпровідниковихрезисторів і варисторів.
Шуми і надійність електронних приладів [1], с. 158-165, 19-22;
Контрольні питання до I-розділу
1. Вкажіть роль електронних приладів і виробів мікроелектроніки в підготовці фахівців Вашого профілю.
1. Накресліть діаграми енергетичних зон власного та домішкових напівпровідників і поясніть характер електропровідності в напівпровідниках.
1. Що таке дифузійний і дрейфовий струми?
1. Чому різко знижується концентрація рухливих носіїв заряду в пріконтактной області двох напівпровідників з різними типом провідності?
1. Накресліть потенційну діаграму (або діаграму енергетичних рівнів) pn переходу в стані рівноваги.
1. Накресліть потенційну діаграму (або діаграму енергетичних рівнів) pn переходу при прямому включенні.
1. Накресліть потенційну діаграму (або діаграму енергетичних рівнів) pn переходу при зворотному включенні.
1. Чим відрізняється реальна вольтамперної характеристики pn переходу від теоретичної?
1. Які види пробою pn переходу ви знаєте?
1. Що таке зарядна ємність pn переходу?
1. Що таке дифузійна ємність pn переходу?
1. Дайте класифікацію напівпровідникових приладів за технологією виготовлення та за типом структури.
1. Як називаються прилади, засновані на контакті метал-напівпровідник?
1. Дайте класифікацію діодів за конструктивними особливостями й застосування.
1. Яке пристрій і принцип дії напівпровідникового діода?
1. Поясніть пристрій стабілітрона і його включення в схему.
1. Які особливості роботи діодів в імпульсному режимі?
1. Дайте класифікацію транзисторів по конструкції і їх застосування.
1. Накресліть схеми включення транзистора із загальною базою, із загальним емітером і з загальним колектором?
1. У чому полягає особливості режимів: активного, відсічення і насичення?
1. Розкажіть принцип дії біполярного транзистора.
1. Дайте порівняння підсилювальних властивостей транзисторів в різних схемах включень.
1. Зобразіть статистичні характеристики транзисторів і поясніть хід їх зміни.
1. Які системи параметрів транзисторів Вам відомі і який зв'язок між ними?
1. Зобразіть еквівалентні низькочастотні Т-подібні схеми транзистора.
1. Що таке гранична частота, гранична частота посилення струму бази?
1. Намалюйте діаграму колекторного струму при імпульсному режимі роботи.
1. Який принцип дії польового транзистора з керуючим pn переходом?
1. Намалюйте схему пристрою транзистора з ізольованим затвором і поясніть його принцип дії.
1. Зобразіть три схеми включення польового транзистора. Намалюйте сімейство статичних (вихідних та передавальних) характеристик.
1. Що таке прилад із зарядним зв'язком?
1. Поясніть принцип дії діністора.
1. Поясніть вольтамперних характеристику діністора.
1. Назвіть параметри тиристорів.
1. Поясніть принцип дії напівпровідникових резисторів, варисторів.
1. Поясніть принцип дії датчика Холла.
1. Назвіть види шумів в транзисторі.
1. Як визначається довговічність приладу?
1. Що таке інтенсивність відмов?
1. 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 розвиткуелектроніки. Тому необхідно усвідомити гідності оптоелектроннихприладів взагалі, і оптронів зокрема. Короткі відомості з оптронів можназнайти в [1] і [4], за індикаторами в [1]. Більш повні відомості по них можназнайти в додатковій літературі [9].
Контрольні питання по розділу II
1. Основні переваги оптоелектронних приладів.
1. Пристрій Оптрон і основні його вузли.
1. Светоізлучателі. Основні вимоги до них.
1. Світлодіоди. ! принцип цействія, характеристики, параметри.
1. Оптична середу. призначення, вимоги до неї.
1. Фотоприймачі. Характеристики та параметри.
1. Принцип дії фоторезистори, Характеристики і параметри.
1. Принцип дії і пристрій фотодіода. Фотогенераторнийрежим.
1. Фотопреобразовательний режим фотодіода.
1. Способи підвищення коефіцієнта передачі струму оптронів.
1. Фототранзистори і фототірістори. Принцип роботи і вихідні характеристики,
1. Класифікація оптронів. Умовні позначення.
1. Порівняльна характеристика.
1. Характеристики оптронів.
1. Параметри оптронів.
1. Застосування оптронів.
1. Принцип дії напівпровідникових індикаторів
1. Жідкокрісталічеській індикатори. Принцип дії і різновиди.
1. Газорозрядні індикатори та плазмові панелі.
1. Застосування індикаторів.
1. 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 комплекснамініатюризація, у широкому сенсі означає системний підхід до застосування вапаратурі засобів мікроелектроніки, а в прикладному сенсі - методстворення апаратури, при якому всі її вузли, блоки і пристрої виконаніна базі виробів мікроелектроніки. Слід усвідомити, що основне завданнямікроелектроніки - вирішення питань надійності мікроелектронних пристроїв,складаються з великої кількості елементів. Це і є - «Тиранія великогокількості ».
Класифікація виробів мікроелектроніки наведена в [2, с.27-32].
Основним видом виробів мікроелектроніки є ІМС, які можутьбути 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 беззайвої деталізації пояснити їх сутність.
Основу біполярних напівпровідникових ІМС складають npn транзистори.
Відмінності параметрів і характеристик інтегрального npn транзистора віддискретного визначаються розташуванням всіх трьох висновків на однійповерхні, а також впливом підкладки. Зверніть увагу на способиполіпшення параметрів інтегрального npn транзистора, зокрема, введенняприхованого n-шару.
Діоди напівпровідникових ІМС реалізуються на основі npn транзисторів,причому їх параметри залежать від схеми включення транзистора якдіода.
Вельми важливо для розуміння принципів побудови сучаснихнапівпровідникових цифрових ІМС розібратися з пристроєм і особливостямиактивних структур, які не мають дискретних аналогів: многоеміттерних імногоколлекторних транзисторів, транзисторів з бар'єром Шотки.
Зверніть увагу на проблему реалізації pnp транзисторів на однійпідкладці з основними npn транзисторами, зрозумійте відмінності горизонтального івертикального pnp транзисторів. Такі елементи поряд з супербета -транзисторами широко використовуються в напівпровідникових ІМС. Всіперераховані 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 єспрощення технології виготовлення і відповідно більший відсоток виходупридатних виробів і менша вартість. МДП активні елементи займаютьзначно меншу площу на підкладці і дозволяють реалізувати ІМС з дужевисоким ступенем інтеграції при малій споживаної потужності. Звернітьувагу на пристрій і особливості КМДП ІМС, що є в даний часодним з найбільш перспективних типів ІМС. Дані питання досить короткоі зрозуміло розглянуті в [2, с. 103-112, 138-145].
Параметри і характеристики пасивних елементів напівпровідникових ІМС
(дифузійних та іонно-легованих резисторів, дифузійних і МДПконденсаторів) істотно відрізняються від відповідних параметрів іхарактеристик дискретних резисторів і конденсаторів.
Необхідно знати порядок температурних коефіцієнтів опорів іємностей пасивних елементів напівпровідникових ІМС, їх основні відмінності віддискретних пасивних компонентів і вміти зобразити найпростіші моделі
(еквівалентні схеми), що враховують паразитні ефекти. Особливу увагуприділіть МДП конденсаторам, широко використовуваних в самих новітніх розробкахдискретно-аналогових МДП БІС. Слід також розуміти, що, незважаючи навеликий розкид номіналів напівпровідникових резисторів та конденсаторів,відносини номіналів в межах кристалу витримуються з досить високоюточністю (0,5 ... 3%). Пасивні компоненти напівпровідникових ІМС докладноописані в [2, с.116-127]. При вивченні елементів напівпровідникових ІМСзасвойте способи ізоляції між ними та їх особливості.
Спосіб ізоляції елементів у напівпровідникових ІМС, виконаних наоснові біполярних структур, багато в чому визначає як гранично досяжніпараметри і характеристики ІМС, так і послідовність технологічнихоперацій при їх виготовленні. Слід розуміти, що в напівпровідникових ІМСна МДП структурах ізоляція між елементами не потрібно.
Відомі способи ізоляції між елементами поділяються на два головнихтипу: ізоляція назад зміщеним pn переходом та ізоляція діелектриком.
Гібридні інтегральні мікросхеми (мікроскладені) представляють собоюкомбінацію плівкових пасивних елементів і дискретних активних компонентів,розташованих на загальній діелектричної підкладці. В даний час вяк дискретних активних елементів, крім безкорпусних транзисторів ідіодів, широко використовують напівпровідникові ІМС різного ступеняінтеграції, зокрема, операційні підсилювачі, тригери, регістри і т.д.
Таким чином, гібридні ІМС являють собою не тільки функціональнівузли (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 різкозменшити масогабаритні параметри і підвищити надійність.
При вивченні гібридних ІМС зверніть увагу на особливостітовстоплівкових і тонкоплівкових ІМС, а також параметри і характеристики їхпасивних елементів (резисторів, конденсаторів, індуктивностей). Цейматеріал досить докладно викладено в [2, с. 115-202]. Методи одержаннятовстих і тонких плівок наведені в [2, с. 195-172].
Особливу увагу приділіть вивченню питань розрахунку і проектуваннягібридних ІMС, необхідних для успішного виконання третього завданняконтрольної 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 зафункціональному призначенню [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 - включенняглибокої негативного зворотного зв'язку (ООС), що дозволяє за рахунокнадлишкового коефіцієнта посилення забезпечити незалежність параметрівфункціонального вузла від параметрів ОУ. Зокрема, при введенніопору ООС коефіцієнт посилення визначається ставленням резисторівна вході і в ланцюзі ООС. Основні відомості про ОУ та принципи їх застосуваннямістяться в [2, с. 284-292].
3 Цифрові ІМС
Базовими осередками всіх цифрових ІМС є логічні елементи,виконують логічні операції І-НІ, АБО-НЕ [2, с. 260-262].
Особливу увагу приділіть вивченню системи параметрів інтегральнихлогічних елементів [2, с. 263-266]. Основні статичні параметрилогічного елемента можуть бути визначені з передавальної характеристики.
В основу класифікації ІМС логічних елементів покладено їхсхемотехнічне побудова [2, с. 266-271]. Значно полегшить розумінняособливостей кожного виду ІМС логічних елементів попереднєрозгляд статичного і динамічного режимів найпростіших логічнихелементів.
Необхідно розуміти причини обмеження швидкодії логічнихелементів. Основним способом підвищення швидкодії є зменшенняступеня насичення транзисторів без зміни величини навантаженьрезисторів. Цей принцип реалізують логічні елементи з бар'єром Шотки ілогічні елементи на основі перемикачів струму.
При вивченні МДП транзисторних ключів особливу увагу приділітьособливостей та переваг комплементарного ключа (КМДП).
В даний час найбільшого поширення в ІМС малої та середньоїступеня інтеграції отримали транзисторних-транзисторні (ТТЛ), транзисторних -транзисторні з бар'єром Шотки (ТТЛШ) і емітерний-пов'язані (ЕСЛ)інтегральні логічні елементи. Вивчіть схеми та особливості такихелементів, 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 виглядів 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 малу 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 ( ПЗЗ).
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 новимпідходом, що дозволяє реалізувати певну функцію апаратури беззастосування стандартних базових елементів, використовуючи різні фізичніефекти у твердому тілі. Таке напрямок одержав назву "функціональнамікроелектроніка ". Використовуються оптичні явища (оптоелектроніка),взаємодія електронів з акустичними хвилями в твердому тілі
(акустоелектроніка), ефекти в нових магнітних матеріалах
(магнетоелектроніка), електричні неоднорідності в одноріднихнапівпровідниках, явище холодної емісії в плівкових структурах, явищаживої природи на молекулярному рівні (біоніка, біоелектро
