Файл: Первый билет Электрические свойства веществ. Полупроводники. Подвижные носители заряда в полупроводниках. Неподвижные заряды.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 26
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
28. Основные задачи электроники. Интегральные схемы. Наноэлектроника. Непрерывно растущие требования к электронным устройствам привели к отказу от использования дискретных (отдельных) электронных элементов и к началу эпохи интегральных схем (ИС). ВИС все элементы и соединения межу ними изготавливаются на общем кристалле полупроводника и надежно защищены от внешних воздействий прочным герметичным корпусом. При такой технологии изготовления успешно решаются важнейшие задачи электроники. Основными из них являются обеспечение следующих свойств устройств
1. Высокая надежность при практически неограниченном и непрерывно растущем количестве элементов
2. Малые размеры и масса
3. Низкая себестоимость
4. Низкое энергопотребление. Хотя на первом месте по значимости может казаться любое из указанных свойств, именно требования к надёжности привели в своё время к отказу от дискретных элементов. При большом количестве таких элементов надёжность оказывалась недопустимо низкой из-за большого количества соединений, использования ручного труда и связанными с этим ошибками, недостаточной защищённостью элементов и соединений. Первоначально всё, что связано с применением ИС, называлось микроэлектроника. В настоящее время утвердилось название электроника, которое охватывает области микроэлектроники, традиционной радиоэлектроники и уже появившейся наноэлектроники.
43. Ключ на комплементарных МДП транзисторах. В процессе переключения транзисторных ключей заряжаются и разряжаются так называемые паразитные ёмкости. Как правило, именно этот переходной процесс ограничивает быстродействие. Паразитные ёмкости в МДП ИС это прежде всего, ёмкость между затвором и каналом и ёмкость транзистора по отношению к подложке. ВИС на биполярных транзисторах это ёмкости p-n переходов и также ёмкость по отношению к подложке. Некоторую ёмкость по отношению к подложке имеют и соединительные проводники между транзисторами ИС. Условно можно считать, что на каждый ключ приходится некоторая суммарная ёмкость С. На рис. 20 изображена схема ключа на комплементарных МДП-
Свето- и фотодиоды. Солнечные батареи Устройство свето- и фотодиодов в целом одинаково, рис. 21. Одна из областей их p-n перехода очень тонкая, что позволяет возникающему в переходе свету излучаться в окружающее пространство (светодиод) или позволяет внешнему свету проникать в переход (фотодиод. В светодиодах используется излучательная рекомбинация, при которой рекомбинация каждой p-n пары порождает квант световой энергии. Рис. 21 Интенсивная рекомбинация и свечение возможны только при протекании в светодиоде прямого тока от внешнего источника. Из (2) следует, что длина волны и цвет возникающего света определяются выражением
λ = з,
(31) где h – постоянная Планка, c – скорость света, з
– ширина запрещённой зоны полупроводника. Согласно
(31), цвет свечения определяется шириной запрещённой зоны полупроводника. Кремниевые диоды излучают в инфракрасном, невидимом глазу диапазоне. Кремниевые светодиоды широко применяются, когда их работа не должна видимым светом мешать человеку, например, в пультах управления. Светодиоды на основе фосфида галлия производят красное свечение, на основе карбида кремния – жёлтое и т.д. Решена проблема получения любого цвета свечения. В частности, три различных светодиода – красный, зелёный и синий решают эту проблему в пикселах светодиодных экранов. Быстро развивается теория и практика гетеропереходов – p-n переходов с полупроводниками различного типа в p- и областях. Им свойственно особенно высокое разнообразие возможных электрических и светотехнических характеристик. В значительной степени решена проблема высокого кпд. светодиодов, который достигает нескольких десятков процентов. Поэтому, а также благодаря исключительно высокой надёжности, светодиоды интенсивно вытесняют лампы накаливания и газонаполненные приборы в осветительной и сигнальной аппаратуре. В фотодиодах внешний свет проникает в p-n переходи, если выполняется соотношение (31), вызывает в нём генерацию электронно-дырочных пар. Поскольку в переходе имеется собственное электрическое поле, ускоряющее для неосновных носителей, последние разводятся полем в противоположные стороны и, тем самым, увеличивают дрейфовую составляющую тока. Равновесие диффузионного и дрейфового токов нарушается ив режиме с замкнутой внешней цепью в ней появляется фототок. В режиме с разомкнутой внешней цепью на освещённом p-n переходе появляется фотоэдс, также возникающая в результате нарушения равновесного состояния. В обоих случаях фотодиод можно использовать для регистрации падающего на него света. В частности, кремниевый фотодиод помещают на управляемых внешним пультом электронных устройствах. Если в пульте применён кремниевый светодиод, энергия квантов его света, согласно (2) и (31), достаточна для генерации электронно-дырочных пар. Поскольку в освещаемом p-n переходе происходит преобразование световой энергии в электрическую, такие контакты используются в солнечных батареях. При идеально прозрачной атмосфере ив космосе мощность светового потока от Солнца на Земле достигает 1,4 кВт/м
2
29. Основные понятия и числовые характеристики надёжности. Основные понятия и числовые характеристики надёжности Основным понятием теории надёжности является отказ. Наступление отказов является случайной функцией времени, в связи с чем теория надёжности в значительной степени базируется на теории вероятности. Одной из главных числовых характеристик надёжности является интенсивность отказов λ:
λ = n / Nt , (1) где n – количество отказов при испытании или эксплуатации объектов N – количество объектов t – время испытания или эксплуатации. В качестве единицы времени используется не принятая в СИ секунда, а более естественная в данном случае единица – час. Для наиболее совершенных ИС λ может составлять 10
-6
ч и менее. Первый отказ при испытании партии объектов может наступить очень быстро или, напротив, спустя очень большое время. Поэтому необходимо дождаться, по крайней мере, нескольких отказов (достоверной выборки. При определении λ большой проблемой является необходимость наблюдения за отказами большого количества объектов в течение большого времени. Ускорению появления отказов помогает увеличение температуры (ускоренные испытания. Согласно закону Аррениуса, скорость всех физических и химических процессов экспоненциально, те. очень быстро растёт с увеличением температуры. Именно такие процессы, например, коррозия, приводят к отказам. Наряду с λ часто используется среднее время наработки на отказ t ср
: t
ср
= 1 / λ , (2) а также вероятность безотказной работы за время наработки на отказ p: p = e
- λ/t
, (3) где t - заданное время наработки на отказ. Для интенсивности отказов любого объекта характерна зависимость от времени вида рис. 1. Рис. 1 Участок 1 соответствует первому времени испытания или эксплуатации. Повышенная λ впервые часы (дни, недели) работы связана с незамеченными при изготовлении неочевидными, так называемыми скрытыми дефектами. Это могут быть, например, недостаточно качественные элементы или соединения
ИС, погрешности изготовления ИС. Затем, когда все скрытые дефекты уже себя проявили, наступает наиболее благоприятный и продолжительный период надёжной работы, участок 2. Однако любым объектам свойственны старение или износ, приводящие к увеличению числа отказов (участок 3). Данная зависимость носит фундаментальный характер и распространяется на любые виды объектов. В частности, она относится к человеку, которому свойственны частые заболевания (отказы организма) в детстве, наилучшее состояние здоровья в зрелом возрасте и нездоровья в старости. Повышение надёжности ИС достигается тщательным выявлением скрытых дефектов. ИС с такими дефектами считаются браком и отбрасываются. Длительная надёжная работа ИС обеспечивается в основном, высококачественным корпусом, который защищает ИС от действия кислорода, влаги и агрессивных примесей воздуха, отсвета и некоторых других видов радиации, от механических повреждений, от насекомых, пыли. В результате отбраковки потенциально ненадёжных ИС и помещения
ИС в прочный герметичный корпус надёжность ИС удаётся значительно увеличить (штриховая линия на рис. 1).
30. Основные принципы современной электроники. Закон Мура.
Основные принципы современной электроники Основополагающими принципами, обеспечивающими высокие функциональные возможности и общедоступность изделий электроники, являются принцип интеграции и принцип группового изготовления. Принцип интеграции заключается в объединении на кристалле ИС возможно большего количества элементов и необходимых соединений между ними. Увеличение степени интеграции, те. количества элементов в ИС обеспечивает максимальную защиту элементов и соединений между ними и тем самым максимальную надёжность. Сегодня (2018 г) ИС содержат уже миллиарды элементов. Такие ИС называют сверхбольшими, СБИС. При этом имеется ввиду степень интеграции, а не размеры, которые составляют без корпуса не более 1 - 2 см 2 . Площадь кристалла ИС не может быть значительно увеличена из-за увеличения вероятности проявления его дефектов. Изготовление больших бездефектных кристаллов кремния оказалось невозможным, поэтому увеличение степени интеграции возможно только за счёт уменьшения размеров элементов. Сегодня размеры основного типа элементов СБИС–транзисторов не превышают нескольких десятков нм . Темп роста степени интеграции уже несколько десятков лет определяется законом Мура, согласно которому количество элементов ИС возрастает на порядок примерно каждые пять лет (подругой трактовке – удваивается примерно за полтора года. На рис. 2 эта зависимость приближённо отображена графически в виде прямой при логарифмическом масштабе предельного количества транзисторов ИС.
1. Высокая надежность при практически неограниченном и непрерывно растущем количестве элементов
2. Малые размеры и масса
3. Низкая себестоимость
4. Низкое энергопотребление. Хотя на первом месте по значимости может казаться любое из указанных свойств, именно требования к надёжности привели в своё время к отказу от дискретных элементов. При большом количестве таких элементов надёжность оказывалась недопустимо низкой из-за большого количества соединений, использования ручного труда и связанными с этим ошибками, недостаточной защищённостью элементов и соединений. Первоначально всё, что связано с применением ИС, называлось микроэлектроника. В настоящее время утвердилось название электроника, которое охватывает области микроэлектроники, традиционной радиоэлектроники и уже появившейся наноэлектроники.
43. Ключ на комплементарных МДП транзисторах. В процессе переключения транзисторных ключей заряжаются и разряжаются так называемые паразитные ёмкости. Как правило, именно этот переходной процесс ограничивает быстродействие. Паразитные ёмкости в МДП ИС это прежде всего, ёмкость между затвором и каналом и ёмкость транзистора по отношению к подложке. ВИС на биполярных транзисторах это ёмкости p-n переходов и также ёмкость по отношению к подложке. Некоторую ёмкость по отношению к подложке имеют и соединительные проводники между транзисторами ИС. Условно можно считать, что на каждый ключ приходится некоторая суммарная ёмкость С. На рис. 20 изображена схема ключа на комплементарных МДП-
транзисторах (КМДП-ключ). В нём нижний транзистор - с индуцированным каналом, верхний – с индуцированным каналом. Суммарная ёмкость С учитывает ёмкость затвор-канал транзисторов, их ёмкость по отношению к подложке, ёмкость соединения с нагрузкой и ёмкость самой нагрузки. Нагрузкой такого ключа в КМДП ЦИС всегда является вход другого такого же ключа или несколько таких ключей. Так как затворы МДП транзисторов, те. входы ключей, изолированы от всего остального слоем диэлектрика, можно пренебречь активной составляющей сопротивления нагрузки и считать сопротивление нагрузки ключа чисто
ёмкостным.
На рис. 21 представлены временные диаграммы КМДП-ключа при подаче на вход одиночного прямоугольного импульса. Если входное напряжение Uвх = 0, у канального транзистора Uзи = 0, у р-канального Uзи = - Епит. Поэтому нижний транзистор закрыт, верхний открыт. Цепь от + Епит к земле разорвана, потребляемого тока нет. Если Uвх = + Епит, нижний транзистор открыт, верхний закрыт. Потребляемого тока также нет. Поэтому в обоих статических
(неизменяющихся) состояниях такой ключ тока и энергии не потребляет. Это делает КМДП-ключ чемпионом экономичности и объясняет его исключительно широкое распространение. Небольшой потребляемый ток (ток заряда i зар) , возникает здесь только
ёмкостным.
На рис. 21 представлены временные диаграммы КМДП-ключа при подаче на вход одиночного прямоугольного импульса. Если входное напряжение Uвх = 0, у канального транзистора Uзи = 0, у р-канального Uзи = - Епит. Поэтому нижний транзистор закрыт, верхний открыт. Цепь от + Епит к земле разорвана, потребляемого тока нет. Если Uвх = + Епит, нижний транзистор открыт, верхний закрыт. Потребляемого тока также нет. Поэтому в обоих статических
(неизменяющихся) состояниях такой ключ тока и энергии не потребляет. Это делает КМДП-ключ чемпионом экономичности и объясняет его исключительно широкое распространение. Небольшой потребляемый ток (ток заряда i зар) , возникает здесь только
на короткое время t 01, когда открывается верхний транзистор и через его канал заряжается суммарная ёмкость С. При этом С накопит энергию С /2 = СЕ пит ^2 /2. Такая же энергия превратится в тепло при протекании i зар в канале верхнего транзистора. Когда состояние ключа изменяется на противоположное, возникает ток разряда i разр . Он протекает через канал нижнего транзистора, в котором накопленная в С энергия превращается в тепло. Следовательно, согласно (7), средний расход энергии от источника питания на одно изменение состояния составит СЕ пит^2 /2. Поэтому у КМДП-ключа Соотношение (9) объясняет обе основные тенденции в разработке ЦИС. Во-первых, это стремление к уменьшению суммарной ёмкости С, которое достигается уменьшением минимального топологического размера w. Во-вторых, это уменьшение напряжения источника питания Е пит . Сегодня фотолитография обеспечивает w уже менее 10 нм, а напряжение источника питания ЦИС составляет менее 1 В. Напряжение питания не может быть меньше порогового напряжения
U 0 МДП-транзисторов. В противном случае МДП-транзисторы не открываются. Снижение U 0 достигается уменьшением толщины диэлектрического слоя транзисторов. В настоящее время она составляет всего несколько межатомных расстояний и близка к своему пределу.
58. Жидкостно-кристаллические экраны. Основным типом информационных дисплеев являются жидкокристаллические дисплеи, ЖКД. Они получили массовое распространение (мониторы ПК, ТВ экраны, смартфоны, часы и т.п.). В ЖКД используется особый тип веществ – жидкие кристаллы (ЖК). Оптические свойства ЖК зависят от силы элетрического поля. Упрощенно работу ЖКД иллюстрирует рис. 52. Каждый элемент
(пиксел) ЖКД имеет два прозрачных электрода, между которыми помещено
ЖК вещество. С внутренней стороны имеется источник света, например, в виде светодиода с желаемой цветностью. Риса соответствует случаю, когда напряжение на электроды не подано и электрического поля нет. Молекулы ЖК при этом ориентированы хаотично и свет не пропускают. При подаче напряжения молекулы под действием поля ориентируются вдоль силовых линий поля и пропускают свет. В реальности пиксел ЖКД имеет более сложное устройство, рис. 53.
U 0 МДП-транзисторов. В противном случае МДП-транзисторы не открываются. Снижение U 0 достигается уменьшением толщины диэлектрического слоя транзисторов. В настоящее время она составляет всего несколько межатомных расстояний и близка к своему пределу.
58. Жидкостно-кристаллические экраны. Основным типом информационных дисплеев являются жидкокристаллические дисплеи, ЖКД. Они получили массовое распространение (мониторы ПК, ТВ экраны, смартфоны, часы и т.п.). В ЖКД используется особый тип веществ – жидкие кристаллы (ЖК). Оптические свойства ЖК зависят от силы элетрического поля. Упрощенно работу ЖКД иллюстрирует рис. 52. Каждый элемент
(пиксел) ЖКД имеет два прозрачных электрода, между которыми помещено
ЖК вещество. С внутренней стороны имеется источник света, например, в виде светодиода с желаемой цветностью. Риса соответствует случаю, когда напряжение на электроды не подано и электрического поля нет. Молекулы ЖК при этом ориентированы хаотично и свет не пропускают. При подаче напряжения молекулы под действием поля ориентируются вдоль силовых линий поля и пропускают свет. В реальности пиксел ЖКД имеет более сложное устройство, рис. 53.
Молекулы ЖК в отсутствие поля имеют спиралевидную форму и поэтому изменяют плоскость поляризации проходящего через ЖК света. При определённой толщине и свойствах слоя ЖК изменение плоскости поляризации может составлять 90° . В таком пикселе имеются два поляризацинных фильтра – внутренний горизонтальный, 1) и наружный (вертикальный, 2), те. отличающиеся поляризацией света на 90° . Входящий в пиксел свет поляризуется фильтром 1 горизонтально. Молекула ЖК в отсутствие поля обеспечивает поляризацию света на 90° . Поэтому свет приобретает вертикальную поляризацию и беспрепятственно проходит наружу через внешний поляризационный фильтр
2. Пиксел светится. Если на прозрачные электроды 3, 4 подано напряжение, молекулы ЖК «вытягиватся» и перестают изменять поляризацию света. Горизонтально поляризованный свет не проходит через внешний фильтр с вертикальной поляризацией, пиксел не светится. Очевидно, что яркость свечения зависит от силы электрического поля, те. от поданного на электроды напряжениея. Как уже отмечалось, цвет свечения зависит от цвета свечения светодиода. Поэтому каждый элемент изображения может содержать пикселы с красным, зелёным и синим светодиодами (RGB). Их суммарный свет, в зависимости от поданных напряжений, может создавать любой цвет свечения. Этот принцип является основным при содании цветных ЖКД. Управление свечением пикселов дисплея осуществляется контроллером, способным управлять матрицей ЖКД. Количество пикселов в
ЖКД сегодня может достигать десятков миллионов (форматы HD, 4K). Четырнадцатый билет
14. Мощный выпрямительный диод, импульсные и высокочастотные диоды, стабилитрон, варикап.
Свето- и фотодиоды. Солнечные батареи Мощный выпрямительный диод К мощным относят высоковольтные и сильноточные диоды, переход которых способен выдерживать большие обратные напряжения (до нескольких кВ) и большие прямые токи (до нескольких кА). Согласно (27), при заданном обратном напряжении U
обр
< пр напряжённость поля в p-n переходе можно понижать, увеличивая толщину его обеднённого слоя w. Тем самым достигается увеличение напряжения пробоя пр. Увеличение w, согласно (б, достигается уменьшением концентрации примесей. Поэтому одну из областей, базу высоковольтного p-n диода делают слаболегированной. В m-n диодах Шотки пр намного меньше ив качестве высоковольтных диодов они не используются.
2. Пиксел светится. Если на прозрачные электроды 3, 4 подано напряжение, молекулы ЖК «вытягиватся» и перестают изменять поляризацию света. Горизонтально поляризованный свет не проходит через внешний фильтр с вертикальной поляризацией, пиксел не светится. Очевидно, что яркость свечения зависит от силы электрического поля, те. от поданного на электроды напряжениея. Как уже отмечалось, цвет свечения зависит от цвета свечения светодиода. Поэтому каждый элемент изображения может содержать пикселы с красным, зелёным и синим светодиодами (RGB). Их суммарный свет, в зависимости от поданных напряжений, может создавать любой цвет свечения. Этот принцип является основным при содании цветных ЖКД. Управление свечением пикселов дисплея осуществляется контроллером, способным управлять матрицей ЖКД. Количество пикселов в
ЖКД сегодня может достигать десятков миллионов (форматы HD, 4K). Четырнадцатый билет
14. Мощный выпрямительный диод, импульсные и высокочастотные диоды, стабилитрон, варикап.
Свето- и фотодиоды. Солнечные батареи Мощный выпрямительный диод К мощным относят высоковольтные и сильноточные диоды, переход которых способен выдерживать большие обратные напряжения (до нескольких кВ) и большие прямые токи (до нескольких кА). Согласно (27), при заданном обратном напряжении U
обр
< пр напряжённость поля в p-n переходе можно понижать, увеличивая толщину его обеднённого слоя w. Тем самым достигается увеличение напряжения пробоя пр. Увеличение w, согласно (б, достигается уменьшением концентрации примесей. Поэтому одну из областей, базу высоковольтного p-n диода делают слаболегированной. В m-n диодах Шотки пр намного меньше ив качестве высоковольтных диодов они не используются.
Толщина p-n перехода будет ещё больше, если сделать слаболегированной и вторую область. Однако в этом случае уменьшатся градиенты концентрации обоих видов носителей и поэтому окажется небольшим диффузионный прямой ток. Поэтому вторую область перехода, эмиттер, делают сильнолегированной. Это позволяет сделать достаточно большой электронную или дырочную составляющие диффузионного тока. Тем самым обеспечивается необходимое значение прямого тока. Увеличение допустимого прямого тока достигается также за счёт увеличения площади p-n и m-n переходов. При этом снижается плотность прямого тока пр = пр, которая не должна превышать критического значения. Кроме того, при увеличении S уменьшается сопротивление открытого состояния, что уменьшает тепловые потери при больших токах. Особенно большой прямой ток достигается в диодах Шотки, так каких напряжение открытого состояния и тепловые потери в 2…3 раза меньше, чему диодов. Поскольку в ассиметричных p-n переходах (с эмиттером и базой) одновременно максимизируется обратное напряжение и прямой ток, именно такие, ассиметричные переходы наиболее распространены. Мощные выпрямительные диоды применяются в выпрямителях – преобразователях переменного тока в постоянный. Импульсные и высокочастотные диоды Импульсные диоды должны обладать минимальным временем переключения из закрытого состояния в открытое и наоборот. В высокочастотных диодах минимальны паразитные реактивные составляющие токов. То и другое обеспечивается, в основном, минимизацией барьерной и диффузионной ёмкостей диодов. Уменьшение барьерной ёмкости m-n и p-n переходов, согласно (16), достигается уменьшением площади контакта S. На сегодня, благодаря интегральной технологии, она может составлять всего несколько десятков нм. Однако уменьшение S находится в противоречии с необходимостью обеспечить заданный прямой ток. Поэтому выбор S и других величин в (16) всегда компромиссен. Известны также попытки перехода от кремния к полупроводникам с меньшей величиной Диффузионная ёмкость отсутствует в диодах Шотки, что делает их основным типом для указанных применений. В диодах с p-n переходом диффузионную ёмкость удаётся уменьшить за счёт уменьшения толщины базы. На рис. 17 изображены p-n
+
диоды с обычной (аи тонкой базой (баб) Рис. 17 Тку этих диодов эмиттером является сильнолегированная область, при прямом напряжении будет наблюдаться преимущественно электронный диффузионный ток. Рис. 17 демонстрирует распределение свободных электронов в обоих диодах. Очевидно, что в диоде с тонкой базой пространство, где существует диффузионный заряда также сам этот заряд, намного меньше. Поэтому здесь намного меньше и диффузионная ёмкость. Согласно (17), диффузионную емкость p-n диода можно также уменьшить, уменьшив среднее время жизни неосновных носителей в базе τ. Для этого, например, можно несколько увеличить концентрацию примеси в базе, что вызовет более интенсивную рекомбинацию и уменьшение τ.
Всё сказанное в равной степени относится к m-n и p-n переходам в интегральных схемах, где они используются не только в качестве диодов, но ив составе других элементов.
+
диоды с обычной (аи тонкой базой (баб) Рис. 17 Тку этих диодов эмиттером является сильнолегированная область, при прямом напряжении будет наблюдаться преимущественно электронный диффузионный ток. Рис. 17 демонстрирует распределение свободных электронов в обоих диодах. Очевидно, что в диоде с тонкой базой пространство, где существует диффузионный заряда также сам этот заряд, намного меньше. Поэтому здесь намного меньше и диффузионная ёмкость. Согласно (17), диффузионную емкость p-n диода можно также уменьшить, уменьшив среднее время жизни неосновных носителей в базе τ. Для этого, например, можно несколько увеличить концентрацию примеси в базе, что вызовет более интенсивную рекомбинацию и уменьшение τ.
Всё сказанное в равной степени относится к m-n и p-n переходам в интегральных схемах, где они используются не только в качестве диодов, но ив составе других элементов.
Стабилитрон Стабилитрон – диод, предназначенный для стабилизации напряжения в режиме электрического пробоя. В таком диоде используется кремниевый p-n переход, отличающийся способностью работать при температурах до 125 0
Си малой склонностью к возникновению теплового пробоя. Схема включения стабилитрона представлена на рис. 18: Рис. 18
Здесь U
вх
– нестабильное напряжение источника питания – батареи, аккумулятора, солнечной батареи и т.п. На стабилитрон подано обратное напряжение, достаточное для возникновения электрического пробоя.
R
огр не позволяет току в стабилитроне превысить предельно допустимое значение I
обр.макс
. Тем самым исключается переход электрического пробоя в тепловой. Сопротивление нагрузки н включено параллельно стабилитрону. Поэтому напряжения на них равны и близки к напряжению пробоя пр. Напряжение на нагрузке, в зависимости от крутизны участка пробоя, остаётся более или менее стабильным. ВАРИКАП Варикап – диод, предназначенный для работы в режиме управляемой барьерной ёмкости C
б
При обратном напряжении на p-n переходе ток в нём очень небольшой и, если есть переменная составляющая д, существует ёмкостная составляющая обратного тока I
обр
. Ёмкостный обратный ток тем больше, чем больше б и выше частота переменной составляющей. Его величина может намного превосходить активную составляющую обратного тока. Поэтому p-n переход при обратном напряжении можно использовать, как ёмкостный элемент. При прямом напряжении это невозможно, т.к. в этом случае появляется на несколько порядков больший активный прямой ток. Подставив (26) в (16) с учётом того, что при обратном напряжении к
= кобр, получим
б = кобра+ N
д
)/qN
а
N
д
]
½
(28) Из (28) следует, что барьерной емкостью можно управлять, изменяя обратное напряжение на p-n переходе. Таким образом, p-n диод при U
обр является элементом с ёмкостью б, которую можно изменять. При изготовлении варикапа полупроводник, тип примесей и закон их распределения в областях выбираются так, чтобы зависимость бобр) была более сильной. В общем случае эта зависимость описывается выражением
б = кобра+ N
д
)/qN
а
N
д
]
m
(29) где m = 0,3…1. Схема включения варикапа приведена на рис. 19. Здесь варикап Рис. 19 включён как ёмкость последовательного колебательного контура. На него подаётся управляющее обратное напряжение упр. Изменяя это напряжение можно настраивать колебательный контур на необходимую резонансную частоту ω
0
= (1/√LC).
Си малой склонностью к возникновению теплового пробоя. Схема включения стабилитрона представлена на рис. 18: Рис. 18
Здесь U
вх
– нестабильное напряжение источника питания – батареи, аккумулятора, солнечной батареи и т.п. На стабилитрон подано обратное напряжение, достаточное для возникновения электрического пробоя.
R
огр не позволяет току в стабилитроне превысить предельно допустимое значение I
обр.макс
. Тем самым исключается переход электрического пробоя в тепловой. Сопротивление нагрузки н включено параллельно стабилитрону. Поэтому напряжения на них равны и близки к напряжению пробоя пр. Напряжение на нагрузке, в зависимости от крутизны участка пробоя, остаётся более или менее стабильным. ВАРИКАП Варикап – диод, предназначенный для работы в режиме управляемой барьерной ёмкости C
б
При обратном напряжении на p-n переходе ток в нём очень небольшой и, если есть переменная составляющая д, существует ёмкостная составляющая обратного тока I
обр
. Ёмкостный обратный ток тем больше, чем больше б и выше частота переменной составляющей. Его величина может намного превосходить активную составляющую обратного тока. Поэтому p-n переход при обратном напряжении можно использовать, как ёмкостный элемент. При прямом напряжении это невозможно, т.к. в этом случае появляется на несколько порядков больший активный прямой ток. Подставив (26) в (16) с учётом того, что при обратном напряжении к
= кобр, получим
б = кобра+ N
д
)/qN
а
N
д
]
½
(28) Из (28) следует, что барьерной емкостью можно управлять, изменяя обратное напряжение на p-n переходе. Таким образом, p-n диод при U
обр является элементом с ёмкостью б, которую можно изменять. При изготовлении варикапа полупроводник, тип примесей и закон их распределения в областях выбираются так, чтобы зависимость бобр) была более сильной. В общем случае эта зависимость описывается выражением
б = кобра+ N
д
)/qN
а
N
д
]
m
(29) где m = 0,3…1. Схема включения варикапа приведена на рис. 19. Здесь варикап Рис. 19 включён как ёмкость последовательного колебательного контура. На него подаётся управляющее обратное напряжение упр. Изменяя это напряжение можно настраивать колебательный контур на необходимую резонансную частоту ω
0
= (1/√LC).
Свето- и фотодиоды. Солнечные батареи Устройство свето- и фотодиодов в целом одинаково, рис. 21. Одна из областей их p-n перехода очень тонкая, что позволяет возникающему в переходе свету излучаться в окружающее пространство (светодиод) или позволяет внешнему свету проникать в переход (фотодиод. В светодиодах используется излучательная рекомбинация, при которой рекомбинация каждой p-n пары порождает квант световой энергии. Рис. 21 Интенсивная рекомбинация и свечение возможны только при протекании в светодиоде прямого тока от внешнего источника. Из (2) следует, что длина волны и цвет возникающего света определяются выражением
λ = з,
(31) где h – постоянная Планка, c – скорость света, з
– ширина запрещённой зоны полупроводника. Согласно
(31), цвет свечения определяется шириной запрещённой зоны полупроводника. Кремниевые диоды излучают в инфракрасном, невидимом глазу диапазоне. Кремниевые светодиоды широко применяются, когда их работа не должна видимым светом мешать человеку, например, в пультах управления. Светодиоды на основе фосфида галлия производят красное свечение, на основе карбида кремния – жёлтое и т.д. Решена проблема получения любого цвета свечения. В частности, три различных светодиода – красный, зелёный и синий решают эту проблему в пикселах светодиодных экранов. Быстро развивается теория и практика гетеропереходов – p-n переходов с полупроводниками различного типа в p- и областях. Им свойственно особенно высокое разнообразие возможных электрических и светотехнических характеристик. В значительной степени решена проблема высокого кпд. светодиодов, который достигает нескольких десятков процентов. Поэтому, а также благодаря исключительно высокой надёжности, светодиоды интенсивно вытесняют лампы накаливания и газонаполненные приборы в осветительной и сигнальной аппаратуре. В фотодиодах внешний свет проникает в p-n переходи, если выполняется соотношение (31), вызывает в нём генерацию электронно-дырочных пар. Поскольку в переходе имеется собственное электрическое поле, ускоряющее для неосновных носителей, последние разводятся полем в противоположные стороны и, тем самым, увеличивают дрейфовую составляющую тока. Равновесие диффузионного и дрейфового токов нарушается ив режиме с замкнутой внешней цепью в ней появляется фототок. В режиме с разомкнутой внешней цепью на освещённом p-n переходе появляется фотоэдс, также возникающая в результате нарушения равновесного состояния. В обоих случаях фотодиод можно использовать для регистрации падающего на него света. В частности, кремниевый фотодиод помещают на управляемых внешним пультом электронных устройствах. Если в пульте применён кремниевый светодиод, энергия квантов его света, согласно (2) и (31), достаточна для генерации электронно-дырочных пар. Поскольку в освещаемом p-n переходе происходит преобразование световой энергии в электрическую, такие контакты используются в солнечных батареях. При идеально прозрачной атмосфере ив космосе мощность светового потока от Солнца на Земле достигает 1,4 кВт/м
2
29. Основные понятия и числовые характеристики надёжности. Основные понятия и числовые характеристики надёжности Основным понятием теории надёжности является отказ. Наступление отказов является случайной функцией времени, в связи с чем теория надёжности в значительной степени базируется на теории вероятности. Одной из главных числовых характеристик надёжности является интенсивность отказов λ:
λ = n / Nt , (1) где n – количество отказов при испытании или эксплуатации объектов N – количество объектов t – время испытания или эксплуатации. В качестве единицы времени используется не принятая в СИ секунда, а более естественная в данном случае единица – час. Для наиболее совершенных ИС λ может составлять 10
-6
ч и менее. Первый отказ при испытании партии объектов может наступить очень быстро или, напротив, спустя очень большое время. Поэтому необходимо дождаться, по крайней мере, нескольких отказов (достоверной выборки. При определении λ большой проблемой является необходимость наблюдения за отказами большого количества объектов в течение большого времени. Ускорению появления отказов помогает увеличение температуры (ускоренные испытания. Согласно закону Аррениуса, скорость всех физических и химических процессов экспоненциально, те. очень быстро растёт с увеличением температуры. Именно такие процессы, например, коррозия, приводят к отказам. Наряду с λ часто используется среднее время наработки на отказ t ср
: t
ср
= 1 / λ , (2) а также вероятность безотказной работы за время наработки на отказ p: p = e
- λ/t
, (3) где t - заданное время наработки на отказ. Для интенсивности отказов любого объекта характерна зависимость от времени вида рис. 1. Рис. 1 Участок 1 соответствует первому времени испытания или эксплуатации. Повышенная λ впервые часы (дни, недели) работы связана с незамеченными при изготовлении неочевидными, так называемыми скрытыми дефектами. Это могут быть, например, недостаточно качественные элементы или соединения
ИС, погрешности изготовления ИС. Затем, когда все скрытые дефекты уже себя проявили, наступает наиболее благоприятный и продолжительный период надёжной работы, участок 2. Однако любым объектам свойственны старение или износ, приводящие к увеличению числа отказов (участок 3). Данная зависимость носит фундаментальный характер и распространяется на любые виды объектов. В частности, она относится к человеку, которому свойственны частые заболевания (отказы организма) в детстве, наилучшее состояние здоровья в зрелом возрасте и нездоровья в старости. Повышение надёжности ИС достигается тщательным выявлением скрытых дефектов. ИС с такими дефектами считаются браком и отбрасываются. Длительная надёжная работа ИС обеспечивается в основном, высококачественным корпусом, который защищает ИС от действия кислорода, влаги и агрессивных примесей воздуха, отсвета и некоторых других видов радиации, от механических повреждений, от насекомых, пыли. В результате отбраковки потенциально ненадёжных ИС и помещения
ИС в прочный герметичный корпус надёжность ИС удаётся значительно увеличить (штриховая линия на рис. 1).
1 2 3 4 5 6 7 8
44. Ключи интегральных схем среднее время переключения, средняя потребляемая мощность, средняя работа переключения. С переходом к интегральной технологии радикально изменилась схемотехника электронных устройств (всё то, что относится к выбору элементного состава и разработке схем их соединений. Технология дискретных элементов позволяла использовать практические любой набор типов элементов при ограниченном их количестве. Технология изготовления ИС, напротив, практически не ограничивает разработчика в количестве элементов, но ограничивает количество их типов до 2 – 3, иногда даже одного типа. Это особенно характерно для цифровых ИС (ЦИС.
Ещё одна особенность ЦИС – использование ключей практически одного типа во всех её частях. Сегодня, почти всегда, это ключ на комплементарных МДП транзисторах. Остальные типы ключей используются сравнительно редко в ИС с невысокой степенью интеграции. Для ЦИС характерен также специфический набор главных параметров. Очевидно, что очень важна скорость изменения состояния ключей, которое определяет быстродействие (тактовую частоту f
C
) ЦИС. Чаще всего быстродействие оценивается средним временем переключения t: t = (t
01
+ t
10
) / 2, (6), где t
01 и t
10
– время перехода ключа из состояния 0 в состояние 1 и наоборот, соответственно. Иногда t называют также средним временем распространения сигнала. Однако не менее важным является энергопотребление ключей, от которого зависит количество выделяющегося в ЦИС тепла и поэтому, предельное количество транзисторов и степень интеграции. Энергопотребление ключей оценивается средней потребляемой мощностью Р
Р = (Р + Р) / 2, (7), где Р и Р – мощности, потребляемые ключом в состояниях 0 и 1. Ни один из этих параметров сам по себе не характеризует качество применяемых ключей. Быстродействие можно увеличить за счёт увеличения расхода энергии (потребляемого тока, расход энергии можно снизить ценой уменьшения быстродействия. Поэтому главным критерием качества ключей ЦИС является средняя энергия переключения Pt – энергия, затрачиваемая на одно изменение состояния ключа. В настоящее время эта величина приближается кДж. Зная Pt можно оценить среднюю потребляемую мощность ЦИС в целом. Так как вся потребляемая ИС электрическая энергия переходит в тепловую, те. рассеивается в виде тепла, эту мощность называют рассеиваемой мощностью Р
расс
. Очевидно, что Р
расс пропорциональна Pt, количеству ключей m и количеству их переключений в секунду, те. тактовой частоте f
C
:
Р
расс
= Pt · m · f
C
(8). Выражение (8) даёт оценку максимального значения Р
расс
, поскольку предполагает, что на каждом тактовом периоде 1 / f
C изменяются состояния всех ключей ЦИС. В действительности, выделение тепла может быть значительно меньшим, например, при небольшой загрузке процессора. В настоящее время Р
расс наиболее высокоинтегрированных ЦИС – процессоров достигает нескольких десятков Вт. Это позволяет относительно просто отводить от них тепло охлаждением вентиляцией воздуха. Интересно, что по оценкам биологов, человеческий процессор – мозг, в процессе размышлений потребляет примерно такую же энергию. В ЦИС потребляется электрическая энергия потока электронов, в мозге потребляется химическая энергия потока крови. Особенностью ЦИС является также высокая помехоустойчивость. На рис. 16 показан процесс наложения сильной помехи на цифровой сигнал (чередование 0 и 1). Очевидно, что если напряжение, которое отличает нулевое состояние от единичного выбрано правильно, а именно U
1
/2, то помеха ошибок не вызывает.
Ещё одна особенность ЦИС – использование ключей практически одного типа во всех её частях. Сегодня, почти всегда, это ключ на комплементарных МДП транзисторах. Остальные типы ключей используются сравнительно редко в ИС с невысокой степенью интеграции. Для ЦИС характерен также специфический набор главных параметров. Очевидно, что очень важна скорость изменения состояния ключей, которое определяет быстродействие (тактовую частоту f
C
) ЦИС. Чаще всего быстродействие оценивается средним временем переключения t: t = (t
01
+ t
10
) / 2, (6), где t
01 и t
10
– время перехода ключа из состояния 0 в состояние 1 и наоборот, соответственно. Иногда t называют также средним временем распространения сигнала. Однако не менее важным является энергопотребление ключей, от которого зависит количество выделяющегося в ЦИС тепла и поэтому, предельное количество транзисторов и степень интеграции. Энергопотребление ключей оценивается средней потребляемой мощностью Р
Р = (Р + Р) / 2, (7), где Р и Р – мощности, потребляемые ключом в состояниях 0 и 1. Ни один из этих параметров сам по себе не характеризует качество применяемых ключей. Быстродействие можно увеличить за счёт увеличения расхода энергии (потребляемого тока, расход энергии можно снизить ценой уменьшения быстродействия. Поэтому главным критерием качества ключей ЦИС является средняя энергия переключения Pt – энергия, затрачиваемая на одно изменение состояния ключа. В настоящее время эта величина приближается кДж. Зная Pt можно оценить среднюю потребляемую мощность ЦИС в целом. Так как вся потребляемая ИС электрическая энергия переходит в тепловую, те. рассеивается в виде тепла, эту мощность называют рассеиваемой мощностью Р
расс
. Очевидно, что Р
расс пропорциональна Pt, количеству ключей m и количеству их переключений в секунду, те. тактовой частоте f
C
:
Р
расс
= Pt · m · f
C
(8). Выражение (8) даёт оценку максимального значения Р
расс
, поскольку предполагает, что на каждом тактовом периоде 1 / f
C изменяются состояния всех ключей ЦИС. В действительности, выделение тепла может быть значительно меньшим, например, при небольшой загрузке процессора. В настоящее время Р
расс наиболее высокоинтегрированных ЦИС – процессоров достигает нескольких десятков Вт. Это позволяет относительно просто отводить от них тепло охлаждением вентиляцией воздуха. Интересно, что по оценкам биологов, человеческий процессор – мозг, в процессе размышлений потребляет примерно такую же энергию. В ЦИС потребляется электрическая энергия потока электронов, в мозге потребляется химическая энергия потока крови. Особенностью ЦИС является также высокая помехоустойчивость. На рис. 16 показан процесс наложения сильной помехи на цифровой сигнал (чередование 0 и 1). Очевидно, что если напряжение, которое отличает нулевое состояние от единичного выбрано правильно, а именно U
1
/2, то помеха ошибок не вызывает.
Рис. 16
59. Интегральные схемы на переключаемых конденсаторах.
ИС на переключаемых конденсаторах Из теории цепей известно, что на основе R, C элементов и усилителей можно построить аналоговые узлы с любыми амплитудно- и фазочастотными характеристиками. Однако интегральная технология не позволяет изготовить R и С элементы с большим сопротивленеием и ёмкостью, точность и стабильность их параметров очень невелика. Указанная проблема успешно решается в ИС на переключаемых конденсаторах. Рассмотрим цепь на рис. 56. Здесь транзисторные ключи и S2, изготовление которых сложности не представляет, управляются так, что их состояния поочерёдно изменяются. Конденсатор Сможет обладать очень маленькой ёмкостью и поэтому его изготовление в виде МДП конденсатора трудности не представляет. Рис. 56 Когда S1 замкнут, происходит заряд емкости С. Когда S1 разомкнут, возникает некоторый ток разряда. В результате от входа к выходу протекает некоторый средний ток. Можно доказать, что если изменение состояний происходит с большой тактовой частотой f c
, то такая цепь ведёт себя как активное сопротивление со средней величиной экв = 1/ С ∙ f c
. Эффектом квантования, непостоянства сопротивления можно пренебречь, если тактовая частота f c намного превышает частоты сигналов, подвергающихся обработке в цепях с такими R. Сопротивление таких резисторов тем больше, чем меньше емкость Си чем выше тактовая частота. То и другое облегчает изготовление ИС. Фундаментальным свойством цепей является также то, что вид и параметры их АЧХ и ФЧХ определяется не столько абсолютными величинами R и С, сколько постоянными времени τ цепочек. Рассмотрим, например, интегрирующую цепочку, риса. Её постоянная времени
Риса Рис. б
59. Интегральные схемы на переключаемых конденсаторах.
ИС на переключаемых конденсаторах Из теории цепей известно, что на основе R, C элементов и усилителей можно построить аналоговые узлы с любыми амплитудно- и фазочастотными характеристиками. Однако интегральная технология не позволяет изготовить R и С элементы с большим сопротивленеием и ёмкостью, точность и стабильность их параметров очень невелика. Указанная проблема успешно решается в ИС на переключаемых конденсаторах. Рассмотрим цепь на рис. 56. Здесь транзисторные ключи и S2, изготовление которых сложности не представляет, управляются так, что их состояния поочерёдно изменяются. Конденсатор Сможет обладать очень маленькой ёмкостью и поэтому его изготовление в виде МДП конденсатора трудности не представляет. Рис. 56 Когда S1 замкнут, происходит заряд емкости С. Когда S1 разомкнут, возникает некоторый ток разряда. В результате от входа к выходу протекает некоторый средний ток. Можно доказать, что если изменение состояний происходит с большой тактовой частотой f c
, то такая цепь ведёт себя как активное сопротивление со средней величиной экв = 1/ С ∙ f c
. Эффектом квантования, непостоянства сопротивления можно пренебречь, если тактовая частота f c намного превышает частоты сигналов, подвергающихся обработке в цепях с такими R. Сопротивление таких резисторов тем больше, чем меньше емкость Си чем выше тактовая частота. То и другое облегчает изготовление ИС. Фундаментальным свойством цепей является также то, что вид и параметры их АЧХ и ФЧХ определяется не столько абсолютными величинами R и С, сколько постоянными времени τ цепочек. Рассмотрим, например, интегрирующую цепочку, риса. Её постоянная времени
Риса Рис. б
определяется выражением τ = RC. Если резистор такой цепочки заменить на эквивалентный резистор с переключаемым конденсатором, рис. б, получим
τ = экв = С
/ С c
(20). Таким образом, в ИС на переключаемых конденсаторах необходимые АЧХ и ФЧХ можно получить при использовании только удобных для изготовления в ИС элементов МДП-конденсаторов с малой
ёмкостью, транзисторных ключей, усилителей и генераторов тактовой частоты. Параметры таких ИС зависят от отношений ёмкостей МДП-конденсаторов, которые отличаются высокой точностью и стабильностью. Изготовление тактового генератора сточной и стабильной частотой также является типовой, успешно решаемой задачей. Пятнадцатый билет
15. Влияние выбора типа полупроводника, размеров, концентрации примесей и температуры на свойства диодов. В собственных полупроводниках концентрации свободных электронов и дырок равны (собственная концентрация ni ). Однако для электронных элементов и интегральных схем необходимы полупроводники с преобладанием свободных электронов (n – тип) и с преобладанием дырок (р тип. Их называют также полупроводниками с электронной и дырочной проводимостью. Чтобы получить примесный полупроводник n – типа, в него при изготовлении кристалла добавляют донорную примесь. Атомы такой примеси имеют большую, чем сам полупроводник, валентность. Например, в кремний (числовалентных электронов на внешней электронной оболочке равно 4) может быть добавлен фосфор (валентность 5). Это означает, что в полупроводнике появятся избыточные электроны, не участвующие в образовании связей между атомами. Такие электроны легко становятся свободными, достигается преобладание свободных электронов. Преобладающие по количеству носители называются основными. Неосновных носителей обычно насколько порядков меньше. По сравнению с ним примесный полупроводник обладает большим достоинством – наличием обширного участка с практически неизменной концентрацией и проводимостью в большом диапазоне температур. Выбирая концентрацию донорной примеси N д при изготовлении можно получать желательные и стабильные параметры полупроводника в необходимом диапазоне температур. При этом обеспечивается соотношение n = N д + n i ≈ N д = const Аналогичные изменения происходят при добавлении акцепторной примеси для изготовления полупроводника р – типа. Такая примесь, например бор с валентностью 3, имеет меньшую, чем кремний, валентность, что приводит к дефициту валентных электронов. Достигается преобладание дырок. Эти уровни легко заполняются валентными электронами, для чего требуется небольшая дополнительная энергия активации W акт . Температурная зависимость концентрации дырок такая же, как и у полупроводника n – типа. Появление акцепторных атомов приводит к появлению разрешённых уровней в запрещённой зоне вблизи потолка валентной зоны, Электропроводность собственного полупроводника быстро(экспоненциально) растёт с увеличением температуры, так как при этомусиливается термогенерация электронно-дырочных пари растёт их концентрация.
τ = экв = С
/ С c
(20). Таким образом, в ИС на переключаемых конденсаторах необходимые АЧХ и ФЧХ можно получить при использовании только удобных для изготовления в ИС элементов МДП-конденсаторов с малой
ёмкостью, транзисторных ключей, усилителей и генераторов тактовой частоты. Параметры таких ИС зависят от отношений ёмкостей МДП-конденсаторов, которые отличаются высокой точностью и стабильностью. Изготовление тактового генератора сточной и стабильной частотой также является типовой, успешно решаемой задачей. Пятнадцатый билет
15. Влияние выбора типа полупроводника, размеров, концентрации примесей и температуры на свойства диодов. В собственных полупроводниках концентрации свободных электронов и дырок равны (собственная концентрация ni ). Однако для электронных элементов и интегральных схем необходимы полупроводники с преобладанием свободных электронов (n – тип) и с преобладанием дырок (р тип. Их называют также полупроводниками с электронной и дырочной проводимостью. Чтобы получить примесный полупроводник n – типа, в него при изготовлении кристалла добавляют донорную примесь. Атомы такой примеси имеют большую, чем сам полупроводник, валентность. Например, в кремний (числовалентных электронов на внешней электронной оболочке равно 4) может быть добавлен фосфор (валентность 5). Это означает, что в полупроводнике появятся избыточные электроны, не участвующие в образовании связей между атомами. Такие электроны легко становятся свободными, достигается преобладание свободных электронов. Преобладающие по количеству носители называются основными. Неосновных носителей обычно насколько порядков меньше. По сравнению с ним примесный полупроводник обладает большим достоинством – наличием обширного участка с практически неизменной концентрацией и проводимостью в большом диапазоне температур. Выбирая концентрацию донорной примеси N д при изготовлении можно получать желательные и стабильные параметры полупроводника в необходимом диапазоне температур. При этом обеспечивается соотношение n = N д + n i ≈ N д = const Аналогичные изменения происходят при добавлении акцепторной примеси для изготовления полупроводника р – типа. Такая примесь, например бор с валентностью 3, имеет меньшую, чем кремний, валентность, что приводит к дефициту валентных электронов. Достигается преобладание дырок. Эти уровни легко заполняются валентными электронами, для чего требуется небольшая дополнительная энергия активации W акт . Температурная зависимость концентрации дырок такая же, как и у полупроводника n – типа. Появление акцепторных атомов приводит к появлению разрешённых уровней в запрещённой зоне вблизи потолка валентной зоны, Электропроводность собственного полупроводника быстро(экспоненциально) растёт с увеличением температуры, так как при этомусиливается термогенерация электронно-дырочных пари растёт их концентрация.
30. Основные принципы современной электроники. Закон Мура.
Основные принципы современной электроники Основополагающими принципами, обеспечивающими высокие функциональные возможности и общедоступность изделий электроники, являются принцип интеграции и принцип группового изготовления. Принцип интеграции заключается в объединении на кристалле ИС возможно большего количества элементов и необходимых соединений между ними. Увеличение степени интеграции, те. количества элементов в ИС обеспечивает максимальную защиту элементов и соединений между ними и тем самым максимальную надёжность. Сегодня (2018 г) ИС содержат уже миллиарды элементов. Такие ИС называют сверхбольшими, СБИС. При этом имеется ввиду степень интеграции, а не размеры, которые составляют без корпуса не более 1 - 2 см 2 . Площадь кристалла ИС не может быть значительно увеличена из-за увеличения вероятности проявления его дефектов. Изготовление больших бездефектных кристаллов кремния оказалось невозможным, поэтому увеличение степени интеграции возможно только за счёт уменьшения размеров элементов. Сегодня размеры основного типа элементов СБИС–транзисторов не превышают нескольких десятков нм . Темп роста степени интеграции уже несколько десятков лет определяется законом Мура, согласно которому количество элементов ИС возрастает на порядок примерно каждые пять лет (подругой трактовке – удваивается примерно за полтора года. На рис. 2 эта зависимость приближённо отображена графически в виде прямой при логарифмическом масштабе предельного количества транзисторов ИС.
Если такой темп роста сохранится, уже через несколько лет размеры транзисторов приблизятся к размерам атома, что сделает изготовление транзисторов невозможным. Это означает неизбежность перехода к совершенно другой элементной базе на основе нанотехнологий. Принцип группового изготовления заключается в таком построении процесса изготовления ИС, при котором на каждом этапе изготовления обрабатываются одновременно десятки и даже сотни тысяч будущих ИС. Это обеспечивает высочайшую производительность труда и, следовательно, низкую себестоимость. Следует заметить, что снижение себестоимости ИС возможно только при их массовом выпуске. Эту зависимость, иногда называемую законом кремниевой долины, отражает рис. 3. Технология изготовления ИС на основе принципа группового изготовления хорошо согласуется с потребностями рынка. Они исчисляются десятками миллионов штук (например, ИС запоминающих устройств и процессоров цифровых электронных устройств.
45. Логические элементы НЕ, И, ИЛИ, принципы их построения. Логический элемент — элемент, осуществляющий определенные логические зависимость между входными и выходными сигналами. Логические элементы обычно используются для построения логических схем вычислительных машин, дискретных схем автоматического контроля и управления. Для всех видов логических элементов, независимо от их физической природы, характерны дискретные значения входных и выходных сигналов. Логический элемент И - конъюнкция, логическое умножение, AND И - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию конъюнкции или логического умножения. Данный элемент может иметь от 2 до 8 (наиболее распространены в производстве элементы И си входами) входов и один выход. Условные обозначения логических элементов И с разным количеством входов приведены на рисунке. В тексте логический элемент И стем или иным числом входов обозначается как И, И и т. д. - элемент И с двумя входами, с четырьмя входами и т. д.
45. Логические элементы НЕ, И, ИЛИ, принципы их построения. Логический элемент — элемент, осуществляющий определенные логические зависимость между входными и выходными сигналами. Логические элементы обычно используются для построения логических схем вычислительных машин, дискретных схем автоматического контроля и управления. Для всех видов логических элементов, независимо от их физической природы, характерны дискретные значения входных и выходных сигналов. Логический элемент И - конъюнкция, логическое умножение, AND И - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию конъюнкции или логического умножения. Данный элемент может иметь от 2 до 8 (наиболее распространены в производстве элементы И си входами) входов и один выход. Условные обозначения логических элементов И с разным количеством входов приведены на рисунке. В тексте логический элемент И стем или иным числом входов обозначается как И, И и т. д. - элемент И с двумя входами, с четырьмя входами и т. д.
Таблица истинности для элемента И показывает, что на выходе элемента будет логическая единица лишь в том случае, если логические единицы будут одновременно на первом входе И на втором входе. В остальных трех возможных случаях на выходе будет ноль. На западных схемах значок элемента И имеет прямую черту на входе и закругление на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «&». Логический элемент ИЛИ - дизъюнкция, логическое сложение, OR ИЛИ - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию дизъюнкции или логического сложения. Он также как и элемент И выпускается с двумя, тремя, четырьмя и т. д. входами и с одним выходом. Условные обозначения логических элементов ИЛИ с различным количеством входов показаны на рисунке. Обозначаются данные элементы так ИЛИ, ИЛИ, ИЛИ и т. д. Таблица истинности для элемента ИЛИ показывает, что для появления на выходе логической единицы, достаточно чтобы логическая единица была на первом входе ИЛИ на втором входе. Если логические единицы будут сразу на двух входах, на выходе также будет единица. На западных схемах значок элемента ИЛИ имеет закругление на входе и закругление с заострением на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «1». Логический элемент НЕ - отрицание, инвертор, NOT НЕ - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического отрицания. Данный элемент, имеющий один выходи только один вход, называют еще инвертором, поскольку он на самом деле инвертирует (обращает) входной сигнал. На рисунке приведено условное обозначение логического элемента НЕ.
Таблица истинности для инвертора показывает, что высокий потенциал на входе даёт низкий потенциал на выходе и наоборот. На западных схемах значок элемента НЕ имеет форму треугольника с кружочком на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «1», с кружком на выходе.