Файл: 000810.pdf

на інтегральних мікросхемах; г) інтегральна мікроелектроніка на функціональнихприладах.

У першому поколінні елементної бази електроніки роль активних елементів виконували різні електровакуумні прилади. Як пасивні елементи застосовували резистори (resistor), конденсатори (capacitor), котушки індуктивності, трансформатори, з'єднувачі, перемикачі і інші дискретні радіодеталі. Радіоелектронну апаратуру (РЕА) збирали з окремих дискретних елементів, які механічно зміцнювалися на спеціальних панелях і електрично з'єднувалися між собою дротяними провідниками за допомогою паяння або зварки. Пізніше була розроблені друкарські плати, які були надійнішими, забезпечували велику відтворюваність параметрів РЕА і відносну легкість автоматизаціївиробництва.

Друге покоління елементної бази електроніки з'явилося з винаходом транзисторів (transistor) в 1948 р. американськими ученими Бардіном і Браттейном. Перші транзистори були точковими, їх р-n-переходи одержували в місці контакту з напівпровідником двох заточених дротів. Проте точкові контакти були нестабільними. Цей недолік був усунений в сплавних транзисторах, отримання р-n-переходів яких засновано на взаємодії рідкої фази вплавного електрода, що містить легуючий елемент, з твердим напівпровідником. Сплавні транзистори відрізнялися великими переходами, низькою відтворюваністю параметрів і неможливістю отримання базових областей шириною менше 10 мкм. Потім у виробництво були впроваджені транзистори з дифузійними переходами, параметри яких більш відтворні, а ширина бази може бути зменшена до 0,2–0,3 мкм.

Третє покоління елементної бази електроніки – інтегральні мікросхеми– пов'язані з появою плівкової технології, яка в поєднанні з планарною технологією дала можливість в мікрооб'ємах твердого тіла виготовляти величезну кількість активнихприладів.

Четверте покоління елементної бази електроніки складають функціональні мікросхеми, прилади і вузли. В структурі цих приладів важко або неможливо виділити елементи, еквівалентні традиційним дискретним компонентам (транзистори, діоди (diode), конденсатори (capacitor), резистори

(resistor) і ін.). Прилади функціональної мікроелектроніки принципово відрізняються від елементів всіх попередніх поколінь. Тут проводиться інтеграція різних об'ємних і поверхневих фізичних явищ, завдяки чому може бути подоланий бар'єр конструктивної складності сучасних інтегральних мікросхем.

1.2 Основні положення і принципи мікроелектроніки

Мікроелектроніка дозволяє вирішити проблеми різкого підвищення надійності електронної апаратури, значного зменшення її габаритів, маси, споживаної енергії і вартості. В мікроелектроніці відмовляються від

8

застосування дискретних радіокомпонентів. Використовуючи досягнення фізики твердого тіла, металургії надчистих матеріалів і електронного машинобудування на основі якісно нової технології, в мікрооб'ємах твердого тіла формують складні електронні вузли – інтегральні мікросхеми.

Інтегральною мікросхемою (integral microcircuit) – називають мікроелектронний виріб, що виконує певну функцію перетворення і оброблення сигналів і має високу щільність пакування електрично з’єднаних елементів (або елементів і компонентів) і кристалів, які з точки зору вимог до випробувань, приймання, поставки і експлуатації розглядається як єдине ціле. Щільність пакування елементів в мікросхемі може досягати сотень тисяч елементів в одному кристалі.

Часто замість терміну інтегральна мікросхема (ІМС) використовуються терміни інтегральна схема (ІС) або просто мікросхема. Інтегральна мікросхема містить елементи і компоненти.

Елементом (element) інтегральної мікросхеми називається частина ІМС, що реалізовує функцію якого-небудь простого електрорадіоелементу (наприклад, транзистора, діода, резистора, конденсатора) Ця частина виконана нероздільно від кристала ІМС (або її підкладки). Елемент не може бути відокремлений від ІМС як самостійний виріб, тому його не можна випробувати, упакувати і експлуатувати.

Компонентом (component) інтегральної мікросхеми також називається частина ІМС, що реалізовує функції якого-небудь електрорадіоелементу. Проте ця частина перед монтажем була самостійним виробом в спеціальній упаковці (комплектуючий виріб). Компонент у принципі може бути відокремлений від виготовленої ІМС.

Апаратуру, в якій в основному використовуються вироби мікроелектроніки, називають мікроелектронною. Підвищення надійності мікроелектронної апаратури пояснюється використовуванням при виготовленні інтегральних мікросхем спеціальної технології, при якій застосовуються особливо чисті матеріали, а весь процес виготовлення протікає в умовах, що виключають можливість забруднень. Крім того, внутрішні з'єднання інтегральних мікросхем захищені міцним покриттям, а їх малі габарити дозволяють створювати міцні і компактні вузли і блоки апаратури, здатні витримувати великі механічні навантаження. Висока надійність інтегральних мікросхем обумовлена також меншим числом з'єднань.

Застосування інтегральних мікросхем і мікропроцесорів дозволяє зменшити габарити апаратури і її масу на два порядки і більше. Це пояснюється тим, що елементи інтегральних мікросхем досить малі – їх розміри складають одиниці і десяті частки мікрометра. Малі габарити інтегральних мікросхем і мале споживання ними електричної енергії

9

дають можливість здійснити комплексну мікромініатюризацію всіх компонентів електронної апаратури.

Окрім інтегральних мікросхем мікроелектроніка охоплює область функціональної електроніки. При створенні функціональних приладів, мікросхем, вузлів і блоків електронної апаратури використовують явища в твердих тілах, пов'язані з механічними, тепловими випромінювальними і магнітними ефектами, а також явища в рідких тілах, пов'язані з електрохімічними процесами. При цьому відповідному матеріалу додають властивості, необхідні для виконання даної функції, а проміжний етап подання бажаної функції у вигляді еквівалентної електронної схеми опускають. Функціональні прилади (device), блоки (block), мікросхеми і елементи можуть виготовлятися не тільки на основі напівпровідників, але і на основі таких матеріалів, як надпровідники та сегнетоелектрики.

1.3 Нові напрямки розвитку мікроелектроніки

Розвиток сучасної мікроелектроніки характеризується розробленням великого числа типів інтегральних мікросхем, в першу чергу створенням великих і надвеликих інтегральних схем і мікропроцесорів, а також систем на одному кристалі. При цьому продовжуватиметься масовий випуск інтегральних мікросхем середнього рівня інтеграції для всіх видів радіоелектронної апаратури. Найбільш широко випускаються напівпровідникові ІМС. Гібридні ІМС і мікроскладення знаходять все більше застосування в аналоговій радіоелектронній апаратурі (apparatus) і апаратурі побутового призначення.

Характерним для всіх типів ІМС є зростання ступеня інтеграції. Напівпровідникові ІМС мають ряд принципових обмежень: граничне мінімальне значення потужності, здатної забезпечити функціонування приладу при 300°С, складає 1 мкВт, граничне значення показника якості (час спрацьовування на потужність вмикання приладу) – 10-14 Дж, що визначає обмеження щодо щільності упакування приладів і їх швидкодії. Нові напрямки розвитку мікроелектронікипоказані на рис. 1.1.

Функціональна мікроелектроніка. В основі створення ІМС лежить принцип елементної (технологічної) інтеграції, мікромініатюрізації елементів (активних і пасивних) мікросхеми. В ІМС можна виділити області, що є активними (діоди, транзистори) і пасивними (резистори, конденсатори, котушки індуктивності) елементами. В інтегральній мікроелектроніці зберігається основний принцип дискретної електроніки, заснованої на розробленні електричної схеми за законами теорії ланцюгів. Цей принцип неминуче пов'язаний із зростанням числа елементів мікросхеми і міжелементних з'єднань у міру ускладнення виконуваних нею функцій.

10

Функціональна мікроелектроніка пропонує принципово новий підхід, що дозволяє реалізувати певну функцію апаратури без застосування стандартних базових елементів, грунтуючись безпосередньо на фізичних явищах в твердому тілі. В цьому випадку локальному об'єму твердого тіла додаються такі властивості, які потрібні для виконання даної функції, і проміжний етап подання бажаної функції у вигляді еквівалентної електричної схеми відпадає. Функціональні мікросхеми можуть виконуватися на основі не тільки напівпровідників, але і таких матеріалів, як надпровідники, сегнетоелектрики, матеріали з фотопровідними властивостями і ін. Для перероблення інформації можна використовувати явища, не пов'язані з електропровідністю (наприклад, оптичні і магнітні явища в діелектриках, закономірності росповсюдження ультразвуку і т.д.)

Електроніка

Рисунок 1.1 – Основні напрями розвитку мікроелектроніки

Оптоелектроніка. Оптоелектронний прилад (optoelectronic device) –

пристрій, в якому при обробленні інформації відбувається перетворення електричних сигналів в оптичні і назад.

У оптоелектроніці звичайно використовується діапазон довжин хвиль 0,2 мкм – 0,2 мм. Як джерело випромінювання використовують світлові діоди на арсеніді галію як фотоприймачі (photo receiver) –

кремнієві фотодіоди (photo diode) і фототранзистори (photo resistor).

11