Cтепаненко - Основы микроэлектроники (Основы Микроэлектроники (книга)), страница 2

Однако, как показывает опыт, ни одна из этих дисциплин не обеспечивает полноценного овладении схемотехническими основами микроэлектроники, а значит единство ее трех основополагающих аспектов остается нерешенной проблемой. Другим возможным путем для выпуска разработчиков интегральных схем является усиление физико-технологической подготовки инженеров радиотехнического профиля. С этой целью, например, в учебный план специальности 0705 введен курс ««Ризнческие основы конструирования и технология РЭА», а курс «Электронные приборы» преобразован н «Электронные приборы и полупроводниковые интегральные схемы». Однако эти курсы не включают в себя схемотехнические 1 В данном предисловии номера сп«пнальностей указаны по данным на 1980 г.— год выхода в сает первого издания книги (Примо рад.), Предисловие к вервому изданию аспекты микроэлектроники, а в классических курсах, посвященных радиоэлектронным схемам, специфика этих аспектов не учитывается.

За последние десять лет для студентов, специализирующихся в области микроэлектроники, выпущено несколько учебных пособий. Не умаляя их достоинств и тем более приоритета, следует все же отметить, что они посвящены либо только физическим, либо физико-технологическим и конструктивным аспектам микроэлектроники. В гораздо меньшей степени они касаются элементов интегральных схем, а главное, опять же совсем не затрагивают схемотехнику. В данном учебном пособии делается попытка более или менее полно охарактеризовать все составные части микроэлектроники. Особое внимание уделено тем разделам, которые не получили должного отражения в упомянутой учебной литературе: физике транзисторов, транзисторной схемотехнике, а также общей характеристике интегральных схем. Акцент на эти разделы в условиях ограниченного объема книги не позволил столь же подробно изложить конструктивно-технологические аспекты, вопросы метрики и некоторые др.

Однако этот недостаток представляется не столь существенным, поскольку дополнительные сведения можно почерпнуть из упомянутой литературы. Итак, в основу данного учебного пособия по замыслу положен системный подход к изложению материала: отдельные разделы взаимосвязаны, работают друг на друга и в комплексе создают тот общий Фундамент, на базе которого возможна дальнейшая специализация студента в области микроэлектроники. Что касается инженеров, которые по роду работы должны преодолеть «односторонность» своей прежней подготовки, то они могут сосредоточить внимание соответственно на физико-технологических или схемотехнических разделах. Руководствуясь системным подходом, автор включил в учебное пособие все необходимые разделы микроэлектроники, независимо от того, что некоторые из них являются предметами специальных курсов (например, «Физика полупроводников», «Полупроводниковые приборы», «Импульсные схемы», «Усилители» и т.

п.). Такую точку зрения разделяют, как нам кажется, и авторы уже выпущенных пособий. Однако автор считал неправильным механически включать в основы микроэлектроники весь материал упомянутых курсов даже в сокращенном виде. Поэтому этот материал был не только тщательно отобран„но и переработан в соответствии с конкретными задачами микроэлектроники, а также с учетом внутренней взаимосвязи разделов. Например, в гл.2 не включены такие сами по себе важные вопросы, как элементы квантовомеханической теории твердого тела, эффекты Гана и Джозефсона, размерные эффекты в тонких пленках и др.

Из числа транзисторов в гл. 4 и 5 рассмотрены только маломощные транзисторы, составляющие основу современных интегральных схем. Что касается транзисторных схем, то их номенклатура резко сокращена и приведена в соответствие с реальными конфигурациями, используе- Предисловие кперзомувэдавюо мыми в микроэлектронике. Изменена также традиционная последовательность при изучении двух основных классов схем: сначала (гл.

8) рассматриваются ключевые схемы, а затем (гл. 9) — усилительные. Не менее сложная задача встала при отборе материала и выработке методики его изложения в гл. 10, посвященной реальным интегральным схемам. Здесь, во избежание неоправданных сложностей, пришлось во многих случаях отказаться от рассмотрения полных принципиальных схем и сосредоточить внимание на структурных схемах. Такой подход соответствует методам проектирования современных БИС и тем более аппаратуры на их основе.

иОсновы микроэлектроники» вЂ” первое нз трех учебных пособий, предназначенных для всесторонней подготовки инженеров-разработчиков интегральных схем, т. с. специалистов, хорошо знакомых со всеми тремя аспектами мик- 1 роэзсктроникн . Автор надеется, что его замысел, реализованный в данной книге, будет одобрен студентами, заинтересованными кафедрами, а также специалистами, которые воспользуются ею для самоподготовки.

Более того, он надеется, что со временем учебный курс «Основы микроэлектроники», построенный в соответствии со структурой данной книги, станет таким же традиционным, как курсы «Полупроводниковые приборы» или «Теоретические основы электротехники». Это, несомненно, способствовало бы как единообразию подготовки специалистов одного и того же профиля, так и взаимопониманию специалистов смежных профилей («элементщнков» и «аппаратурщиков»), неизбежно вступающих и контакт при разработке сложных микроэлектронных систем. Предлагаемое учебное пособие рассчитано прежде всего на студентов, специализирующихся по микроэлектронике в рамках специальностей 0604, 0629, 0648, 0701, 0706 и др., а также на инженеров, окончивших вузы по этим специальностям более 7 — 10 лет назад.

Оно, вероятно, будет полезно специалистам по радиотехнике, вычислительной технике, кибернетике, автоматике, измерительной технике и другим областям науки и техники, связанным с применением интегральных схем. Автор выражает искреннюю благодарность проф. С. Я. Шацу, проф.

В. Н. Дулину и доц. Ю. Е. Наумову за полезные замечания и советы, а также коллективу кафедры микроэлектроники МИФИ за помощь в работе и оформлении рукописи, И. П. Степаненко 1 Учебные пособия«Березин А. С., Мочи»кина О. Р. «Технология в ковструнровавие интегральных микросхем», яэд.

«Радио к связь», 1983 г. в АлексеииоА, Р„Шаеурии И. И. «Микросхемотехника», язд. «Радио и связь», 1990 г. (Приза ред.) Предмет микроэлектроники 1,1. Введение Роль микроэлектроники в современной науке и технике трудно переоценить. Она справедливо считается катализатором научно-технического прогресса.

Спектр ее применения простирается от фундаментальных исследований до прикладного использования. Микроэлектроника влияет на все народное хозяйство, но не непосредственно, а через целый ряд специфических отраслей, таких как вычислительная техника, информационно-измерительные системы, робототехника, микропроцессоры. Микроэлектроника, очередной исторически обусловленный этап развития электроники и одно из ее основных направлений, обеспечивает принципиально новые пути решения назревших задач.

Электроника — зто область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных приборов и принципов их использования. Микроэлектроника — это раздел электроники, охватывающий исследования и разработку качественно нового типа электронных приборов — интегральных микросхем — и принципов их применения. Интегральная микросхема (или просто интегральная схема) есть совокупность, как правило, большого количества взаимосвязанных компонентов (транзисторов„диодов, конденсаторов, резисторов и т.п.), изготовленная в едином технологическом цикле (т.е. одновременно), на одной и той же несущей конструкции — подложке — и выполняющая определенную функцию преобразования информации.

Термин «интегральная схемаа (ИС)1 отражает факт объединения (интеграции) отдельных деталей — компонентов — в конструктивно единый прибор, а также факт усложнения вы- 1 1агеагмаа Саганом (1С) 1.1. Введение полняемых этим прибором функций по сравнению с функциями отдельных компонентов. Компоненты, которые входят в состав ИС и тем самым не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий, называются элементами ИС или интегральными элементами. Они обладают некоторыми особенностями по сравнению с транзисторами и т.д., которые изготавливаются в виде конструктивно обособленных единиц и соединяютея в схему путем пайки. В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронной аппаратурой.

На определенных этапах становится невозможным решать новые задачи старыми средствами или, как говорят, на основе старой элемен. тной базы, например с помощью электронных ламп или дискретных транзисторов. Основными факторами, лежащими в основе смены элементной базы, являются: надежность, габариты н масса, стоимость и мощность. Особенностью изделий микроэлектроники является высокая степень сложности выполняемых функций„для чего создаются схемы, в которых количество компонентов исчисляется миллионами.

Отсюда ясно, что обеспечить надежность функционирования при соединении компонентов вручную — задача невыполнимая. Кдинственным способом ее решения является применение качественно новых высоких технологий. Для изготовления интегральных схем используется групповой метод производства и планарная технология. Групповой метод производства заключается в том, что, во-первых, на одной пластине полупроводникового материала одновременно изготавливается большое количество интегральных схем; во-вторых, если позволяет технологический процесс, то одновременно обрабатываются десятки таких пластин. После завершения цикла изготовления ИС пластина разрезаетея в двух взаимно-перпендикулярных направлениях на отдельные кристаллы!, каждый из которых представляет собой ИС. Планарнал технология — это такая организация технологического процесса, когда все элементы и их составляющие создаются в интегральной схеме путем их формирования через плоскостьз.

1 По-английски с!пр (лип). 2 По-английски плоскость — р!ало. 1.2. Интегральные схемы таллов Х на пластине можно достичь двумя путями: увеличением размера пластины и уменьшением размеров отдельных элементов. Эти оба направления используются разработчиками. В заключение заметим„что все константы, входящие в формулу, не являются ни постоянными, ни зависимыми друг от друга, поэтому анализ на минимум стоимости на самом деле является сложным и многофакторным. 1.2.