PDF-лекции

Курс читают:Владимир Степанович Соломатин – читает лекции 1,6,7,8Вячеслав Борисович Морозов – читает следующую лекциюВладимир Владимирович Шувалов(Территориально они все находятся в корпусе нелинейной оптики.)Лекция 1Элементной базой современных ЭВМ являются полупроводниковые приборы.Поэтому первые 3 лекции будут посвящены физике полупроводников. Следующие 3лекции касаются построения неких узлов ЭВМ, которые используют полупроводниковыеприборы.

Имеется в виду память, системный блок и т.д. Следующий цикл лекций касаетсяпринципов работы устройств, которые находятся, грубо говоря, вне системного блока. Т.е.принципы отображения информации, мониторы и т.д.Немного об истории:Первые вычислительные машины появились где-то в XVIII в. Первой машиной,которую мы знаем, была машина Лейбница – примерно 1754 г.Конец XVIII – начало XIX вв. Это время характеризуется бурным развитиеместествознания.

К этому моменту появляется теория электромагнитного излучения (теорияМаксвелла), открыта радиоактивность.1920 г. – была создана электронная лампа. С появлением электронной лампыпоявилась возможность генерировать и обрабатывать электрические сигналы, передаватьих на большие расстояния. Это революционный момент в развитии электронной техники.Революционных моментов на самом деле не так много.

Фактически это электронные лампыи полупроводниковые приборы. Как только была открыта лампа и появилась возможностьгенерации и обработки сигнала, стала развиваться теория цепей. Это распространениесигнала по всяким цепям, генерация всевозможных электрических сигналов, передача ихна большие расстояния и, наконец, обработка сигналов, т.е. стало понятно, какдифференцировать и интегрировать сигналы и проводить с ними довольно сложныематематические операции.

В принципе все было готово для того, чтобы приступить ксозданию ЭВМ. Но нужно было решить принципиально 2 момента. Нужно было сделатьтак, чтобы для элементной базы, в частности для электронной лампы, было бы характерно:а) надежностьб) повторяемость результатаНужно было по сути дела развить технологию изготовления ламп, которые удовлетворялибы этим условиями и наладить производство этих ламп. Понятно, что решение такихпроблем требовало денег и довольно больших. Откуда они появились? Начало 40-ых г.г.Единственное ведомство, которое было заинтересованно – это военное ведомство.

Онодало деньги на решение этих проблем.И в 45г. появилась первая ЭВМ. Элементная база: электронно-вакуумные лампы иреле. Количество элементов: 18 000 ламп и12 000 реле. Быстродействие: 360 операций всек. Объем памяти: порядка 1 КБайт.

Потребляемая мощность: 150 кВт.. Размеры: 10x15м2. Масса: 30 тонн. Цена: $500 000. Время безотказной работы: примерно 30 – 60 мин.Но надо сказать, что процесс пошел непрерывно.В 44 г. появился первый обычный биполярный транзистор. При внедрениитранзисторов в вычислительную технику меняются элементные базы, принципы работы.Но нужно было пройти те же стадии: нужно было решить проблемы надежности иповторяемости результата и проблему изготовления.

Но трудности для решения этойпроблемы стали гораздо выше. Полупроводник характерен тем, что у него проводимостьсущественно зависит от примесей. Полупроводник германий, как правило, нерассматривают, поскольку у него очень сильная зависимость от температуры.Проводимость кремниевого полупроводникового материала зависит от примеси, которая внем содержится. Поэтому проблем, которые возникли в связи с производствомполупроводниковых приборов, было несомненно больше, чем проблем, которые возниклипри решении аналогичной задачи для электровакуумных приборов, поскольку нужно былонаучитьсяа) создавать сверхчистый материал.б) внедрять известное количество примеси.

Это такие примеси как бор, мышьяк.Это более тяжелая задача, поскольку она требует соответствующего развития химии.Принципиальный момент наступил где-то в 60-м. г., когда фирма Intel объявила осоздании первой интегральной схемы. Когда речь идет об интегральной схеме, речь идет отом, что создается не отдельный полупроводниковый прибор, а создается некотораялогически законченная схема. Скажем дешифратор и т.п. вещи.

Когда собираетсяустройство на электронных приборах, то речь идет в первую очередь о надежности. Еслипосмотреть, чем определяется надежность, то оказывается, что ситуация такова: Вопервых, есть надежность элементов ( сопротивления, полупроводниковые приборы, лампыи т.д.). на нее конечно влияют какие-то внешние факторы. И второй момент: электронныеприборы соединяются между собой, и оказывается, что надежность элемента существенновыше, чем надежность соединения.

Поэтому если мы делаем интегральную схему, токоличество соединений уменьшается, и повышается надежность. Но принципиальноничего не меняется. Причем, когда появились интегральные схемы, Мур сделал такоезаявление: "каждые полтора – два года количество элементов, которые содержатся винтегральной схеме, будет удваиваться". Это так называемый закон Мура. О томвыполняется он или нет, мы поговорим чуть позже. Интегральная схема дает возможностьувеличить надежность и значительно снизить стоимость. Эти два момента сыграли впользу интегральных схем.Ясно, что в принципе интегральная схема может характеризоваться количествомтранзисторов, которые содержатся на ней.

В этом смысле сначала говорили о интегральныхсхемах, потом о БИС (Больших Интегральных Схемах), которые содержат много большеэлементов, потом СверхБИС, ну и наконец забыли об этом, поскольку практически всеинтегральные схемы на самом деле относятся уже к разряду ЭксБИС. Т.е. количествотранзисторов, по крайней мере, > чем 106 в этой интегральной схеме.Для того чтобы получить какой-то надежный транзистор или интегральную схему сзаданными параметрами необходимо иметь чистый материал.

Из полупроводников вданный момент используется кремний, хотя это не единственный полупроводниковыйматериал. Вопрос не только в чистоте исходного материала. Кремний – либо этомонокристалл, либо поликристалл. Поликристалл не годится для этой цели, нуженмонокристалл. Монокристалл характерен тем, что его физические свойства в определенныхнаправлениях являются постоянными. Полупроводник, который легируется примесями,может быть либо, так называемого, p-типа, либо n-типа.Подготовка образца:Выращивается монокристалл кремния в виде такого цилиндра.10-30см1 метрДиаметр 10-30 см.

Длина порядка 1м. Далее этот цилиндр режут на отдельные тонкие слои.d = 400-600 микронДиаметр 10-30 см. Толщина порядка 400-600 мкм. Далее эти образцы вобязательном порядке полируют. Оптическая полировка приводит к тому, чтоповерхностный слой очень сильно портится.Далее в полупроводник нужно вводить примеси. Есть 2 процесса, которые позволяютвводить примеси в любую кристаллическую решетку:1) Диффузия – проникновение атомов одного вещества в другое. Мы имеем твердое тело сзаданной кристаллической решеткой. Атомы в твердом теле двигаются.

Скоростьатомов примеси может быть такой, что она внедряется, естественно только вповерхностный слой. Т.е. глубина проникновения мала, она зависит от температуры искорости проникновения. Но, тем не менее, мы можем в вполне определенный слойввести эти примеси. Это процесс, который очень сильно зависит от температуры иочень слабо контролируется. Т.е. точное количество примеси ввести достаточносложно.2) Ионная имплантация. Первое, что необходимо сделать - получить ионы примеси,которую мы хотим внедрить в полупроводник. Это просто сделать, поскольку естьхимические соединения, в которые входят данные материалы как ионы.

Поскольку ионзаряжен, то это частица, которая может двигаться и ускоряться в электрическом поле.Далее надо поместить эти ионы в электрическое поле, очень сильно ускорить их инаправить на решетку. Т.е. ситуация такова: есть ускоряющее напряжение, и ионы,которые ускоряются, просто бомбардируют подложку. Скорость может бытьзначительно выше, чем при диффузии при нагреве. Там температура определяет ихскорость, а здесь температура может быть не очень высокой, а главное – электрическоеполе: чем больше электрическое поле, тем больше скорость. Преимущество: можноочень точно контролировать количество примеси потому, что, если мы имеем источникионов, и ионы движутся, это означает, что есть электрический ток, а если естьэлектрический ток его можно контролировать очень точно.

Если мы контролируемэлектрический ток и время – мы контролируем заряд, который прошел по цепи. Заряд =количество ионов, которое внедрилось * заряд иона. Используется, когда нужна такаяточность.Следующий необходимый для изготовления интегральных схем процесс – процесс,который носит название окисление.