Cтепаненко - Основы микроэлектроники (Основы Микроэлектроники (книга)), страница 4

ИС является качественно новым типом прибора. Первая — главная особенность ИС как электронного прибора состоит в том, что она самостоятельно выполняет законченную, часто весьма сложную функцию, тогда как элементарные электронные приборы выполняют аналогичную функцию только в ансамбле с другими компонентами. Например„отдельный транзистор не может обеспечить усиление сигнала или запоминание информации. Для этого нужно из нескольких транзисторов, резисторов н других компонентов собрать (спаять) соответствующую схему.

В микроэлектронике же указанные функции выполняются одним прибором — интегральной схемой: она может быть усилителем, запоминающим устройством и т.п. Второй важной особенностью ИС является то, что повышение функциональной сложности этого прибора по сравнению с элементарными не сопровождается ухудшением какого-либо из основных показателей (надежностьь стоимость и т.п.). Более того, все эти показатели улучшаются. Поскольку габариты и масса простых и средних ИС близки к габаритам и массе дискретных транзисторов„можно считать, 1.3.

Особенности интегральных схем 19 что в первом приближении выигрыш по этим показателям при переходе от дискретных схем к интегральным определяется степенью интеграции и может достигать сотен и тысяч раз1. Поскольку надежность работы полупроводникового прибора в аппаратуре определяется прежде всего количеством паяных и (в меньшей степени) сварных соединений, то ИС, у которых межсоединения элементов осуществляются путем металлизации (т.е. без пайки и сварки), обладают заведомо повышенной надежностью по сравнению с дискретными схемами, выполняющими ту же функцию. По мере увеличения степени интеграции этот выигрыш возрастает. Поскольку все элементы ИС изготавливаются в едином технологическом цикле, то количество технологических операций по их изготовлению не намного превышает количество операций по изготовлению отдельного транзистора. Поэтому стоимость ИС при прочих равных условиях близка к стоимости одного транзистора.

Значит, в зависимости от степени интеграции (или, точнее, от плотности упаковки), стоимость одного элемента ИС по сравнению со стоимостью аналогичного дискретного компонента может быть в сотни раз меньше. Такое же соотношение имеет место между стоимостью ИС и стоимостью аналогичной схемы, выполненной на дискретных компонентах. Третья особенность ИС состоит в предпочтительности активных элементов перед пассивными — принцип, диаметрально противоположный тому„который свойствен дискретной транзисторной технике.

В последней активные компоненты„особенно транзисторы, наиболее дорогие, и потому оптимизация схемы при прочих равных условиях состоит в уменьшении количества активных компонентов. В ИС дело обстоит иначе: у них задана стоимость не элемента, а кристалла; поэтому целесообразно размещать на кристалле как можно больше элементов с минимальной площадью. Минимальную площадь имеют активные элементы — транзисторы и диоды, а максимальную — пассивные. Следовательно, оптимальная ИС вЂ” это ИС, у которой сведены к минимуму количество и номиналы резисторов и, особенно, конденсаторов.

1 Точный выигрыш в габаритах и массе трудно оценить теоретнчеекнм раочетом, так как ИС имеют другие типоразмеры корпусов и большее число выводов, чем влементзрные компоненты. 20 Глава К Предмет микроелектроиики Четвертая особенность ИС связана с тем, что смежные элементы расположены друг от друга на расстоянии, измеряемом в мкм или долях мкм. На таких малых расстояниях различие электрофизических свойств материала маловероятно, а следовательно, маловероятен и значительный разброс параметров у смежных элементов.

Иначе говоря, параметры смежных элементов взаимосвязаны — коррелированы. Эта корреляция сохраняется и при изменении температуры: у смежных элементов температурные коэффициенты параметров практически одинаковы. Корреляция между параметрами смежных элементов используется при проектировании некоторых ИС с целью снизить влияние разброса параметров и изменений температуры. Гибридные ИС тоже представляют собой тип электронных приборов.

Однако наличие навесных компонентов делает их менее специфичными, чем полупроводниковые ИС. Остается в силе фундаментальная черта всякой ИС вЂ” функциональная сложность прибора, что, как и при использовании полупроводниковых ИС, качественно меняет структуру электронной аппаратуры. Спецификой ГИС как прибора могут быть либо высокие номиналы резисторов и конденсаторов, недостижимые в полупроводниковых ИС, либо прецизионность резисторов, либо, наконец, повышенная функциональная сложность. ГИС вЂ” зто гибкий, дешевый, оперативно проектируемый тип ИС, хорошо приспособленный к решению специальных, частных задач. 1.4„Крагкий исторический обзор История микроэлектроники — часть истории технического прогресса последних лет. Участники ее — в первую очередь творческие работники — ученые, изобретатели и инженеры.

Результаты развития микроэлектроники в значительной степени увеличили возможности науки и техники, ускорили многие процессы, связанные с научными исследованиями и разработкой новых высоких технологий„существенно повысили производительность труда во многих отраслях промышленности, фантастически расширили возможности информационных систем и оказали серьезное влияние на прогресс развития человечества в целом. Иногда используется даже новое название современного периода истории человечества — век информатизации, и в этом тоже огромный вклад микроэлектроники. 1.4.

Кроткий историоеский обзор 21 Первым стартовым шагом к микроэлектронике, несомненно, был переход от электронных вакуумных ламп, в которых применялся принцип управления электронными потоками в вакууме, к твердотельным приборам, где использовалось управление движением подвижных носителей в полупроводнике.

Этот шаг был сделан в лаборатории Вей Те1ерйопе 1аЬога1отзез в 1948 г. и заключался в изобретении транзистора. Конкуренция между вакуумными электронными лампами и транзисторами сопровождалась бурными дебатами среди специалистов и, в первую очередь, связана с большим количеством успешно действующей электронной аппаратуры, главным элементом которой была электронная лампа. Производственный цикл такой аппаратуры был хорошо отлажен и она приносила большую прибыль производителям. Еще две основные причины способствовали атому. Главная заключалась в несовершенстве технологии изготовления транзисторов, приводящей к нестабильности характеристик прибора, недостаточной его надежности и высокой стоимости.

Другая связана с неприятием нового прибора большинством специалистов, воспитанных на применении в электронике вакуумных ламп. Недостатки первых образцов транзисторов укрепляли уверенность радиоинженеров в правильности их сомнений относительно транзисторов. Первые транзисторы были точечными и, в дополнение к указанным выше недостаткам, обладали высоким уровнем шумов. Материалом для их изготовления был, в первую очередь, германий.

Переход от точечных транзисторов к плоскостным по времени совпал с переходом от германия к кремнию и был осуществлен в 1953 г. на фирме Техов 1пз1гизпеп1 1псогрогайоп. Кремниевый транзистор с выраженными р-и-переходами позволил увеличить мощность транзистора. Позднее процесс изготовления транзистора, основанный на диффузии, позволил наладить групповое производство транзисторов, что немедленно сказалось на уменьшении стоимости этих приборов. В 1956 г.

трем американским ученым, Шокли, Бардину и Браттейну, была присуждена Нобелевская премия по физике за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта. К этому времени уже стало ясно, что во многих отраслях применение транзисторов сильно потеснит или даже заменит электронную лампу. Второй — решающий шаг — появление интегральных схем.

Первая интегральная (биполярная) схема была изготовлена в 22 Глава 1. Предмет мккроалектрокккк 1961 г. на фирме г аггсЫЫ Белпсопйистог и представляла собой триггер, состоящий из четырех биполярных транзисторов и двух резисторов. Уже в 1963 г. фирмой КСА была выпущена первая МОП интегральная логическая схема, в которой было 16 МОП-транзисторов.

Быстрому распространению интегральных схем способствовала хорошо отработанная технологическая база при групповом производстве транзисторов. Таким образом, с момента изобретения транзистора до изготовления первых интегральных схем, поступивших на рынок, прошло чуть более 10 лет и далее последовало очень быстрое развитие микроэлектроники. В начале своего пути транзисторы применялись, главным образом, для военных целей, так же как, впрочем, и предшествовавшие им электронные лампы, и последующие за ними интегральные схемы.