Cтепаненко - Основы микроэлектроники (Основы Микроэлектроники (книга)), страница 86

может быть или не быть «отказом». Таким образом ИС, считающиеся отказавшими (т. е. непригодными) в одной аппаратуре, могут использоваться в другой еще длительное время. 10.12. Заключение Из всего, что мы узнали в данной главе, можно сделать следующие общие выводы относительно ближайших перспектив развития микроэлектроники. Повышение степени интеграции, характерное для последних лет, не является самоцелью. С одной стороны, оно обеспечивает получение новых электронных приборов (БИС и СБИС), функции которых соответствуют бывшим узлам в дискретной электронной аппаратуре. С другой стороны, рост потенциальных возможностей новых электронных приборов обуславливает создание принципиально новых устройств, принципов обработки информации и управления, использование которых в рамках традиционных технологий было нецелесообразно.

Опыт разработки радиоэлектронной аппаратуры показывает, что чисто электронные узлы занимают в ней по количеству и значимости выполняемых функций сравнительно небольшое место: 30 — 40%. Остальные 60 — 70% относятся к электрическим, электромеханическим и механическим узлам (световые индикаторы, гальванические батареи, трансформаторы, реле, электродвигатели, электромагниты, разъемы, переключатели и т. п.).

Прогресс микроэлектроники явно опережает прогресс в смежных областях техники. На нынешнем этапе становится остро необходимым «подтягивание тылов», т. е. распространение методов и средств микроэлектроники на смежные области с целью резкого улучшения габаритно-массовых, стоимостных и надежностных показателей неэлектронных узлов. Такое на- Глава 10. Интегральные схемы правление, получившее название комплексной микроминиатюризации, уже находится в стадии становления: появились оптоэлектронные бесконтактные реле, интегральные (пленочные) магнитозаписывающие головки и др. В области самих электронных узлов чисто количественное наращивание степени интеграции не может быть беспредельным.

Качественно новым решением, которое, в частности, обеспечит повышенную надежность — «живучесть», может быть отказ от традиционных схемных элементов (в первую очередь — транзисторов) и использование объемных эффектов в твердом теле. Классическим примером прибора, основанного на таких эффектах, является кварцевый резонатор, который, будучи однородной структурой, выполняет функции колебательного контура, состоящего из элементов 1„С и В.

Научно-техническое направление, связанное с отказом от компонентной структуры ИС и основанное на использовании объемных эффектов, получило заранее условное название функционал»ной электроники. Учитывая все сказанное, можно сделать вывод, что современная микроэлектроника, основы которой мы рассмотрели, вероятно, является некоторым законченным этапом, после которого рано или поздно наступит новый этап развития электроники, обладающий своими качественными особенностями.

Однако этот новый этап, несомненно, впитает в себя те физические, технологические и схемотехнические принципы, которые свойственны современной микроэлектронике. Контрольные вопросы 1. Перечислите и опишите свойства простейших логических операций, выполняемых логическими элементами. 2. Опишите принцип действия элементов резисторно-транзисторной логики.

Какую элементарную функцию выполняет элемент РТЛ7 3. Как реализуются логические функции И-НЕ и ИЛИ-НЕ в транзисторно-транзисторной логике? 4. Чем определяются входные токи ТТЛ-элемента при высоком и низком логических уровнях на входе? Ковтрольвые вевроем 5. Опишите работу логического элемента ТТЛ со сложным инвертором. Перечислите типы и особенности современных разновидностей ТТЛ-элементов. .

6. Опишите принцип действия и характеристики И'Л-элементов. Как реализуются логические функции на таких элементах? 7. Как реализуются логические функции в схемах на переключателях тока (ЭСЛ)? Почему в схемах на ЭСЛ-элементах обеспечивается высокое быстродействие? 8. Опишите принцип действия логических элементов на МОП-транзисторных ключах с резистивной и динамической нагрузкой. 9. Как реализуются простейшие логические функции в КМОП-логических элементах? Как строятся логические элементы на КМОП-ключах коммутации? 10.

Опишите принцип действия БиКМОП-логического элемента. Какие параметры удается улучшить при использовании этих элементов по сравнению с КМОП-логическими элементами? 11. Перечислите справочные параметры, характеризующие интегральные логические элементы. Что такое работа переключения? 12. Опишите основные разновидности интегральных триггеров. Приведите пример реализации записи информации в триггер. 13.

Опишите основные разновидности (по выполняемым функциям) запоминающих устройств и элементную базу, на основе которой они могут быть реализованы. 14. Какую структуру имеют оперативные запоминающие устройства с произвольной выборкой? Опишите реализацию запоминающих ячеек на различных типах логических элементов. 15. Какие физические принципы, схемотехнические и технологические приемы используются для записи информации в интегральные микросхемы постоянных запоминающих устройств? 16. Как классифицируются интегральные микросхемы по степени интеграции? Что такое ИС на базовых матричных кристаллах и программируемые логические матрицы? 482 Глава 10.

Илтегвалавме схемы 17. Какие физические и конструктивно-технологические ограничения препятствуют повышению степени интеграции? Как могут быть преодолены некоторые из этих ограничений? 18. Какие функции выполняет идеальный операционный усилитель? Приведите схему и характеристики инвертирующего усилителя на базе ОУ. 19. Опишите основные статические и динамические параметры реальных интегральных операционных усилителей.

Как обеспечиваются точностные параметры ОУ? 20. В чем причины отказов интегральных микросхем? Проведите классификацию методов испытаний, используемых для отбраковки и определения показателей надежности ИС. Заключение Перспективы развития микроэлектроники В течение всех лет победоносного развития микроэлектроники постоянно велись и ведутся поиски создания альтернативной элементной базы. Многие ученые предсказывали, что на смену полупроводниковой микроэлектронике придет функциональная электроника, одноэлектроника, оптоэлектроника, фотоника, квантовая и, наконец, биоэлектроника. Во всех перечисленных направлениях к настоящему времени достигнуты обнадеживающие результаты.

Однако ни по одному из этих направлений не создано технологической базы, обеспечивающей акономически конкурентное производство высоконадежной элементной базы. Выше на рис. 6.14 приведен прогноз совершенствования технологических методов создания планарно-эпитаксиальных структур. Дальнейшее уменьшение размеров методами электронной и рентгеновской литографии ограничивается прежде всего явлениями существенного разупорядочения материалов за пределами окон в фоторезисте. Поэтому 2010 — 2015 годы можно считать вершиной развития микроэлектроники. В 1985 г. американские кристаллографы Дж. Карл и Г. А. Хауптман стали лауреатами Нобелевской премии за выдающиеся достижения в разработке прямых методов определения структуры кристаллов. С этого времени началась история бурного развития исследований, создания лабораторного и промышленного приборостроения и нанометровых структур, основанных на использовании туннельной микроскопии.

На рис. 3.1, а приведена схема разработанной российскими специалистами М. А. Ананяном и П. Н. Лускиновичем нанотехнологической установки. В качестве подложки могут быть использованы любые проводящие материалы с тщательно отполированной поверхностью. Зонд представляет собой металлическую иглу„как правило, из твердосплавного материала, с заточенной методами ионного травления вершиной. С микроскопической точки зрения радиус кривизны вершины зонда определяется размерами единичного атома, находящегося на вершине зонда.

Заключение 1, нА 100 10 2 3 4 б х,А а) Рис, ЗЛ. Нанотехнологическая установка: а — схема нанотехнологической установки на основе туннельного микроскопа; б — зависимость величины туннельного тока от зазора. 1 — подложка, 2 — зонд, 3 — источник питания, 4 — зазор между зондом и подложкой, б — усилитель туннельного тока, 8 — динамический регулятор зазора на основе пьезоманипуляторов, 1 — приспособление для на. пуска газообразных и жидких реактивов, 8 — система прецизионного пози. ционирования подложки Если к зонду по отношению к подложке приложить некоторое напряжение, то при уменьшении величины зазора х до размеров порядка единиц ангстрем, через зазор начинает протекать туннельный ток (рис.

3. 1, б). Важно отметить, что величина зазора значительно меньше величин межатомных и межмолекулярных расстояний в окружающем зазор газе (20-80 А). Поэтому можно считать, что туннельный ток в зазоре практически протекает в вакууме. При атом напряженность электрического поля в зазоре, даже при слабых управляющих напряжениях порядка милливольт, достигает весьма значительных величин порядка 10з В/см и выше. Как видно из рис. 3.1, б, ток в зазоре при стабилизированном управляющем напряжении линейно зависит от величины зазора. При изменении величины зазора на 1 гг величина тока изменяется в 10 раз. Измеряя туннельный ток, можно с помощью пьезопреобразователей регулировать или стабилизировать величину зазора с точностью не ниже 0,1 А. При указанных величинах электрических полей диаметр пучка туннельных электронов, протекающих в вакууме между зазором и подложкой, составляет порядка 1,0 — 1,5 А.

Переиективм развития микрозлектроиики 485 В описываемой нанотехнологической установке предусмотрена возможность откачки и напуска в активный объем необходимых жидких или газообразных реактивов. Естественно, что вся конструкция технологической камеры изготовлена нз коррозионно-стойких материалов. Это обстоятельство существенно отличает нанотехнологическую установку от туннельного микроскопа. Отметим также, что во избежание влияния внешних сейсмических и акустических воздействий, вся установка снабжена системой пассивной, а в ряде случаев и активной, виброзащиты. С помощью линейных пьезоманипуляторов подложка может перемещаться относительно острия зонда в пределах 10х10 ммз с точностью не менее 0,1 А. На рис.