25268-1 (Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника), страница 3

Основные этапы сборки и типы корпусов для полупроводниковых и гибридных ИМС рассмотрены в [2, с. 145-148, 198-202].

2 Аналоговые ИМС

Номенклатура современных аналоговых ИМС обширна и разнообразна по функциональному назначению [2, с. 284-288].

Наиболее распространенным типом многофункциональных аналоговых ИМС является операционный усилитель (ОУ), с помощью которого возможно выполнение всех аналоговых функций (усиление, сравнение, ограничение, частотная фильтрация, суммирование, интегрирование, дифференцирование и др.) [2, с. 288-290];

Для успешного изучения устройства ОУ предварительно познакомьтесь с базовыми цепями аналоговых ИМС.

Широкое применение в аналоговых ИМС нашли базовые цепи генераторов стабильного тока или стабилизаторов тока. Необходимо понять назначение таких цепей, знать их вольтамперную характеристику и уметь пояснить принцип стабилизации тока как в простейших стабилизаторах, так и в "отражателях тока".

Разберитесь без особой детализации с назначением и принципом действия каскада сдвига уровня и выходных каскадов.

Важнейшей базовой цепью аналоговых ИМС, в полной мере использующей основные преимущества интегральной технологии, является дифференциальный каскад (ДК). Идентичность параметров транзисторов и нагрузочных резисторов в обоих плечах ДК, а также близость расположения элементов на подложке ИМС позволяют обеспечить параметры, недостижимые при использовании дискретных компонентов. Ознакомьтесь с принципом действия и основными параметрами ДК, обратив особое внимание на выражения для коэффициента подавления синфазной составляющей сигнала и коэффициента усиления дифференциальной составляющей сигнала.

Современные интегральные ОУ содержат три каскада: входной, промежуточный и выходной. Входной каскад всегда является дифференциальным каскадом, промежуточный – каскадом сдвига уровня и выходной –эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах [2, с. 288-291] .

Необходимо иметь ясное представление о параметрах и характеристиках ОУ. Наряду с параметрами ОУ, определенными входным дифференциальным каскадом, следует понимать параметры, характеризующие его частотные свойства. Граничная частота или частота единичного усиления, составляющая для современных ОУ десятки МГц, определяется при коэффициенте усиления, равном единице [2, с. 289-291].

Обратите внимание на основной принцип применения ОУ – включение глубокой отрицательной обратной связи (ООС), позволяющей за счет избыточного коэффициента усиления обеспечить независимость параметров функционального узла от параметров ОУ. В частности, при введении сопротивления ООС коэффициент усиления определяется отношением резисторов на входе и в цепи ООС. Основные сведения об ОУ и принципах их применения содержатся в [2, с. 284-292].

3 Цифровые ИМС

Базовыми ячейками всех цифровых ИМС являются логические элементы, выполняющие логические операции И-НЕ, ИЛИ-НЕ [2, с. 260-262].

Особое внимание уделите изучению системы параметров интегральных логических элементов [2, с. 263-266]. Основные статические параметры логического элемента могут быть определены из передаточной характеристики.

В основу классификации ИМС логических элементов положено их схемотехническое построение [2, с. 266-271]. Значительно облегчит понимание особенностей каждого вида ИМС логических элементов предварительное рассмотрение статического и динамического режимов простейших логических элементов.

Необходимо понимать причины ограничения быстродействия логических элементов. Основным способом повышения быстродействия является уменьшение степени насыщения транзисторов без изменения величины нагрузочных резисторов. Этот принцип реализуют логические элементы с барьером Шотки и логические элементы на основе переключателей тока.

При изучении МДП транзисторных ключей особое внимание уделите особенностям и преимуществам комплементарного ключа (КМДП).

В настоящее время наибольшее распространение в ИМС малой и средней степени интеграции получили транзисторно-транзисторные (ТТЛ), транзисторно-транзисторные с барьером Шотки (ТТЛШ) и эмиттерно-связанные (ЭСЛ) интегральные логические элементы. Изучите схемы и особенности таких элементов, а также ориентировочные параметры каждого из них.

В больших интегральных схемах (БИС) широкое распространение получили МДП- и КМДП-интегральные логические элементы [2, с. 275-280], а также интегральные логические элементы с инжекционным питанием (И²Л). Особое внимание обратите на принципы работы схем И²Л, существенно отличающиеся от принципов работы других логических элементов. При изучении МДП-интегральных логических элементов помните, что наряду с элементами на ранее рассмотренных статических ключах иногда используются динамические элементы, имеющие определенные преимущества по потребляемой мощности.

Необходимо знать ориентировочные параметры всех типов интегральных логических элементов и уметь сравнить их между собой.

На основе интегральных логических элементов реализуются интегральные логические триггеры. Функциональное отличие триггера от логического элемента состоит в том, что триггер обладает двумя устойчивыми состояниями по каждому из выходов. Перевод триггера из одного устойчивого состояния в другое возможны при определенной логической комбинации входных сигналов. По логической структуре переключения различают типы триггеров. Необходимо знать принципы их построения и типы.

Триггер является элементарной ячейкой запоминающих устройств. Следует различать типы запоминающих устройств и их основные параметры.

Разнообразие видов триггеров объясняется их применением для построения арифметических и логических устройств.

Дальнейшее совершенствование цифровых ИМС с целью улучшения технико-экономических показателей возможно за счет схемотехнических и технологических приемов [2, с. 281-284].

4 Большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС)

Повышение степени интеграции является основной тенденцией развития микроэлектроники, так как использование БИС сопровождается резким улучшением всех основных показателей аппаратуры.

Пути повышения степени интеграции и проблемы, связанные с созданием БИС и СБИС, подробно рассмотрены в [2].

В цифровых БИС находят применение базовые ячейки, занимающие малую площадь на подложке и обладающие минимальной потребляемой мощностью (n-МДП, КМДП, И²Л).

В настоящее время для создания БИС и СБИС начали использовать функционально-интегрированные структуры, в частности, приборы с зарядовой связью (ПЗС).

Увеличение степени интеграции приводит к резкому сужению сферы применения БИС и СБИС, что делает их производство экономически нецелесообразным. Исключение составляют БИС и ОБИС для средств вычислительной техники. Использование базовых матричных кристаллов при создании БИС и СБИС частного применения снимает экономические ограничения.

Широкое использование средств вычислительной техники и цифровой обработки сигналов стимулируется созданием цифровых БИС микропроцессоров, однокристальных микро-ЭВМ, цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей (АЦП, ЦАП). Начальные сведения о таких БИС содержатся в [2, с. 221-241, 298-302]. Особое внимание при изучении раздела обратите на структуру и основные возможности микропроцессоров, являющихся наиболее сложными и универсальными БИС [2, с. 198-302].

Перспективы развития микроэлектроники

Основные усилия разработчиков ИМС направлены на усовершенствование уже сложившихся принципов создания ИМС, на улучшение их электрических и эксплуатационных характеристик. Работы ведутся, главным образом, в направлении повышения быстродействия схем (уменьшения энергии, расходуемой внешним источником на одно переключение логического устройства) и их степени интеграции. Решение этих проблем связывают с усовершенствованием технологии получения микроэлектронных структур минимально возможных размеров [2, с. 345, 375-380].

Дальнейшее развития микроэлектроники связано с принципиально новым подходом, позволяющим реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, используя различные физические эффекты в твердом теле. Такое направление получило название "функциональная микроэлектроника". Используются оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника), эффекты в новых магнитных материалах (магнетоэлектроника), электрические неоднородности в однородных полупроводниках, явление холодной эмиссии в пленочных структурах, явления живой природы на молекулярном уровне (бионика, биоэлектроника, нейристорная электрониа) и др. Подробно основные направления функциональной микроэлектроники рассмотрены в [2, с. 345-375].

Контрольные вопросы к разделу III

Поясните понятие надежности компонентов РЭА, дайте определения понятиям "вероятность безотказной работы" и "интенсивность отказов". Что означает термин «Тирания больших количеств».

Перечислите и поясните базовые физико-химические процессы создания полупроводниковых микроэлектронных структур.

Приведите последовательность технологических операций по изготовлению полупроводниковых биполярных ИМС.

Приведите последовательность технологических операций по изготовлению МДП ИМС.

Каким образом осуществляется сборка и герметизация полупроводниковых ИМС, какие типы корпусов Вы знаете?

Изобразите конструкцию биполярной ИМС с изоляцией между элементами обратно смещенными p-n переходами.

Изобразите конструкцию биполярной ИМС с диэлектрической изоляцией между элементами.

Перечислите основные преимущества и недостатки ИМС с диэлектрической изоляцией между элементами.

Изобразите устройство интегрального n-p-n транзистора, поясните основные отличия от аналогичного дискретного транзистора.

Изобразите устройство многоэмиттерного и многоколлекторного транзисторов, поясните их основные особенности.

Изобразите устройство горизонтального и вертикального p-n-p транзисторов, поясните их основные особенности.

Изобразите схемы включения транзистора в качестве диода, приведите основные параметры для каждой из схем включения.

Изобразите устройство КМДП структуры, поясните основные особенности и преимущества.

Перечислите и объясните основные преимущества и недостатки КМДП ИМС по сравнению с биполярными ИМС.

Изобразите устройство диффузионного резистора, приведите его основные параметры.

Изобразите устройство диффузионного конденсатора на основе обратно смещенного p-n перехода, приведите его основные параметры.

Изобразите устройство МДП конденсатора, поясните его основные преимущества по сравнению с диффузионными конденсаторами.

Поясните устройство гибридной ИМС (микросборки).

Перечислите преимущества и недостатки толстопленочных и тонкопленочных гибридных ИМС (микросборок).

Изобразите и поясните возможные конструкции пленочных резисторов, конденсаторов и индуктивностей.

Изобразите и поясните конструкцию типовой гибридной ИМС (микросборки); укажите, какие виды корпусов и материалы подложки используются.

Перечислите основные методы нанесения тонких пленок, поясните основные преимущества и недостатки каждого из методов.

Назовите основные тенденции совершенствования ИМС.

Перечислите виды аналоговых ИМС по выполняемым функциям.

Дайте определение понятия "интегральный операционный усилитель". Из каких основных каскадов он состоит?

Изобразите схему дифференциального каскада, поясните принцип действия.

Изобразите схему каскада сдвига уровня, поясните принцип действия.

Изобразите схему простейшего стабилизатора тока и поясните принцип действия.

Поясните принцип построения выходного каскада ОУ и его назначение.

Поясните принцип стабилизации параметров устройств на ОУ с помощью введения цепи отрицательной обратной связи.

Почему ОУ называют многофункциональной аналоговой ИС?

Перечислите простейшие логические функции, напишите их таблицы истинности. Какие логические функции выполняют интегральные логические элементы?

Перечислите и поясните основные параметры интегральных логических элементов.

Поясните увеличение быстродействия в логических элементах и на переключателях тока.

Изобразите схемы ТТЛ и ТТЛШ и поясните принцип действия.

Изобразите схемы ЭСЛ и И²Л и поясните принцип действия.

Изобразите схемы МДПЛ и КМДПЛ и поясните принцип действия.

Сравните основные типы интегральных логических элементов по быстродействию и потреблению.

Дайте определение понятию "большая интегральная схема (БИC)".

В чем заключаются принципиальные преимущества БИС?

Перечислите основные проблемы, возникающие при повышении степени интеграции ИМС.

Перечислите основные виды универсальных БИС.

Дайте определение понятия "микропроцессор", поясните, из каких основных узлов он состоит.