Информатики и радиоэлектроники»

Информатики и радиоэлектроники»

 

УТВЕРЖДАЮ

Декан факультета компьютерного проектирования

______________ С.К. Дик

«____» _______________ 2010.

Регистрационный № УД-__________/р.

Физико-химические основы материалов и электронных компонентов

Рабочая учебная программа для специальности:

1-39 03 01 Электронные системы безопасности

 

Факультет ФКП

 

Кафедра ЭТТ

 

Курс 1

 

Семестр 2

Лекции 34 (количество часов) Экзамен 2 (семестр)

Практические (семинарские) Зачет - (семестр)

занятия - (количество часов)

Лабораторные Курсовой проект

занятия 34 (количество часов) (работа) - (семестр)

Всего аудиторных часов

по дисциплине 68

 

Всего часов Форма получения

по дисциплине 158 высшего образования дневная

 

Составили Достанко А. П., д.т.н., профессор

(И.О. Фамилия, степень, звание)

Коробко А. О., к.т.н., доцент

Рабочая учебная программа составлена на основе учебной программы «Физико-химические основы материалов и электронных компонентов» (ФХОМиЭК), утвержденной ректором БГУИР __. __. 2010, регистрационный № УД – ______________/ уч. и учебного плана специальности 1-39 03 01 «Электронные системы безопасности».

 

Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры

Электронной техники и технологии

 

протокол № 5 от 26.10.2010

 

Заведующий кафедрой Достанко А.П.

(подпись) (ФИО)

 

 

Одобрена и рекомендована к утверждению Советом факультета компьютерного проектирования Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

 

протокол № __ от ___________ 2010

 

Председатель Дик С.К.

(подпись) (ФИО)

 

 

СОГЛАСОВАНО

Начальник ОМОУП Ц.С.Шикова

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Цель преподавания дисциплины. Целью преподавания и изучения дисциплины является овладение студентами физико-химическими основами материалов, используемых для создания электронных компонентов изделий микро- и наноэлектроники, характера взаимодействия различных материалов, основанного на диаграммах фазового равновесия, определяющих структуру, состав и свойства полученных микро- и нанообъемов твердых тел, объединение которых позволяет создавать устройства от дискретных до интегральных схем различной степени интеграции, основываясь на физико-химических процессах удаления веществ, нанесения различных слоев на поверхности твердых тел, модифицирование твердотельных структур, образующих активные и пассивные электронные компоненты.

Задачи изучения дисциплины. Дать понимание физико-химической сущности явлений, происходящих в материалах при воздействии на них различных факторов в условиях производства и эксплуатации, и их влияние на свойства материалов. Установить зависимость между химическим составом, строением и свойствами материалов. Изучить теоретические основы и практику реализации различных способов получения и обработки материалов, обеспечивающих высокую надежность и долговечность функционирования приборов и оборудования. Дать знания об основных группах металлических и неметаллических материалов, их свойствах и областях применения. Изучить физико-химические процессы, протекающие в твердом теле или на его поверхности при удалении и нанесении веществ в жидких, реактивных и инертных газовых средах, термической диффузии, ионной имплантации, окислении, эпитаксии в вакууме и расплавах.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

- строение твердого тела, дефекты кристаллической структуры и их роль в формировании свойств материалов;

- основы теории фазовых равновесий, позволяющей определять и изменять фазовое состояние системы в зависимости от внешних параметров;

- основы электронной структуры твердых тел, позволяющей объяснить комплекс электрических свойств металлов, полупроводников и диэлектриков и разрабатывать методы управления ими;

- магнитные явления, позволяющие понять механизмы формирования магнитных свойств в материалах, и области использования этих явлений в технике и технологии;

- основные понятия, законы и физические модели механики, электричества и магнетизма, термодинамики, колебаний и волн, квантовой физики, статистической физики;

- новейшие достижения в области физики, химии, термические и нетермические физико-химические процессы, протекающие при изготовлении твердотельных электронных элементов в подложке или на ее поверхности при взаимодействии полупроводников, металлов и диэлектриков, и перспективы их использования для создания технических устройств;

уметь:

- использовать основные законы физики, химии и математики в инженерной деятельности;

- использовать методы теоретического и экспериментального исследования в физике, химии, технических науках;

- использовать методы численной оценки порядка величин, характерных для различных прикладных разделов физики;

- разработать технологию получения монокристаллов – основы современной микро- и оптоэлектроники, лазерной техники и др.;

- разработать технологию получения нанокристаллических, аморфных и композиционных структур – наиболее перспективных современных материалов.

иметь представление о:

- технологии создания интеллектуальных технических систем безопасности, включающих электронные компоненты.

Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины.

 

№ пп	Название дисциплины	Раздел, тема
1.	Высшая математика	В рамках 1-го семестра
2.	Химия	В рамках программы всего курса
3.	Физика	В рамках школьной программы

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

1. Название тем лекционных занятий, их содержание, объем в часах.

№ пп	Название темы	Содержание	Объем в часах
Второй семестр
1.	Введение. Разновидности электронных компонентов, образующих твердотельные функциональные структуры, полупроводниковых и гибридных интегральных схем. Основные определения.
Раздел 1. Физико-химические основы полупроводников, металлов и диэлектриков для создания элементов изделий микроэлектроники
2.	Кристаллическое строение твердых тел, дефекты кристаллического строения	Строение твёрдых тел: аморфные, стеклоподобные, кристаллические. Кристаллическая решетка, ее типы и параметры. Обозначения плоскостей и направлений. Поли‑ и изоморфизм. Классификация дефектов кристаллического строения (точечные, линейные, двумерные, и объёмные), их влияние на свойства твёрдых тел.
3. 4.	Основы физико-химического фазового анализа: диаграммы состояния	Представления о компонентах и фазовых составляющих сплавов. Типы фаз двойных сплавов: механические смеси, твёрдые растворы и химические соединения. Разновидности твёрдых растворов (растворы замещения, внедрения и вычитания) и химических соединений (электронные соединения, фазы Лавеса, упорядоченные твёрдые растворы, фазы внедрения, s-фазы). Понятие о диаграммах состояния термодинамических систем. Тройная точка. Критические точки. Диаграмма состояния. Линия ликвидуса, линия солидуса. Системы с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Равновесные диаграммы состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии эвтектического типа. Равновесные диаграммы состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии перитектического типа.
5.	Механические свойства материалов	Перечень характеристик механических свойств, зависящих от состава и структуры материала и определяющих его технологические свойства. Связь между напряжением и деформацией металлических конструкционных материалов в условиях растяжения. Основные характеристики: предел прочности, модуль нормальной упругости, коэффициент удлинения, модуль сдвига, модуль объёмного сжатия, относительное изменение объёма, коэффициент Пуассона. Обобщённый закон Гука, связь между упругими константами. Виды нагружения материалов: растяжение, сдвиг, кручение, изгиб. Классификация методов механических испытаний. Основы статических методов испытания: на растяжение, сжатие, изгиб, кручение; измерение твёрдости и др. Динамические методы испытания: ударные испытания на маятниковых и крутильных копрах (представление о критической температуре хрупкости), на усталостную выносливость.
6.	Электрические и магнитные свойства материалов	Классификация материалов по электрическим свойствам на основе зонной теории на проводники, полупроводники и диэлектрики. Электропроводность металлов и собственных полупроводников, влияние подвижности носителей заряда. Удельная электропроводность и электросопротивление; температурный коэффициент сопротивления, удельное поверхностное и контактное сопротивление. Поведение материалов во внешних электрических полях. Поляризация в диэлектриках. Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость, поляризация в сегнетоэлектриках. Диэлектрические потери (обусловленные сквозным током и током абсорбции): величина потерь, связь с tg d. Виды и механизмы пробоя в диэлектриках (теплового, электрического, поверхностного, ионизационного, электрохимического). Основные магнитные свойства материалов: намагниченность (момент в единице объёма), магнитная восприимчивость. Классификация материалов по магнитным свойствам на диа‑, пара‑, ферро‑, антиферро- и ферримагнетики. Величина магнитной индукции для магнитных и немагнитных материалов. Магнитные потери и механизм намагничивания ферромагнитных материалов по мере роста величины напряженности внешнего магнитного поля.
Раздел 2. Физико-химические процессы формирования микро- и наноструктур твердотельных компонентов изделий микроэлектроники
	Классификация и физико-химические основы процессов формирования активных и пассивных электронных компонентов внутри и на поверхности твердых тел (подложек)	Классификация процессов по характеру их протекания и температурному диапазону: удаление веществ, диффузия, плавление, окисление, эпитаксия, спекание, термообработка, рекристаллизация, фотолитография, сушка, обезгаживание и т.д. Место термических процессов в технологии изделий микроэлектроники. Базовые технологические процессы, стимулируемые температурой. Основные способы передачи тепла в термических процессах: теплопроводность, конвекция, излучение.
	Физико-химические основы диффузионных процессов	Основные положения термической диффузии. Механизм диффузии примесей в идеальных и реальных кристаллах. Законы диффузии. Коэффициент диффузии. Зависимость коэффициента диффузии от температуры, концентрации примесей, электрического поля. Методы решения II-го уравнения диффузии. Диффузия из бесконечного и конечного источников. Распределение примесей при диффузии. Влияние взаимной диффузии и реакций на характеристики изделий микроэлектроники. Химия и физика границ раздела. Монокристаллические и поликристаллические слои. Аморфные мелко- и крупнокристаллические слои. Диффузия по границам зерен. Электродиффузия в тонких слоях. Взаимодиффузия и реакции в контактах металл-металл. Образование силицидов.
	Физико-химические основы процессов окисления	Основные положения процессов окисления материалов. Физико-химические процессы, протекающие при термическом окислении кремния. Физико-математические модели, описывающие процесс окисления кремния. Законы роста оксидных слоев. Физическая модель процесса пассивного окисления (модель Дила-Гроува). Механизм роста термического оксида атомная модель. Плазменное окисление.
9.	Физико-химические основы процесса ионной имплантации	Физические основы ионного распыления. Пробеги ионов в аморфных и монокристаллических мишенях. Распределение пробегов. Электронное и ядерное торможение. Эффект каналирования в монокристаллах. Пространственное распределение внедренных ионов. Образование радиационных дефектов при ионной имплантации. Радиационно-стимулированная диффузия. Отжиг дефектов. Модификация структуры твердых тел под действием ионной бомбардировки.
10.	Физико-химические основы нанесения тонких слоев в вакууме	Термодинамика и кинетика процессов испарения простых и сложных веществ. Процессы, протекающие при испарении из тиглей и сублимацией. Состав конденсируемого слоя при испарении. Особенности физико-химических процессов при электронно-лучевом испарении. Классификация и основные характеристики процессов электронно-лучевой технологии в микроэлектронике. Физические основы взаимодействия ускоренных электронов с веществом. Пробеги электронов в твердом теле. Тепловые эффекты при электронно-лучевой технологии. Распределение температуры в твердом теле при электронно-лучевой обработке. Физико-химические основы нетермических электронно-лучевых процессов.
10.	Физико-химические основы получения многокомпонентных пленок термическим испарением в вакууме	Состав осаждаемой пленки при испарении сплавов. Физико-химические факторы и технологические параметры процесса получения пленок при термическом испарении. Пространственное распределение потока частиц при испарении.
11.	Физико-химические основы ионных и ионно-плазменных процессов получения пленок	Характеристики разряда и основные параметры неравновесной плазмы. Физико-химические основы получения пленок катодным и ионно-плазменным распылением. Физико-химические основы получения пленок высокочастотным и магнетронным распылением. Физико-химические основы ионного распыления. Понятие о коэффициенте распыления и его математическое описание. Зависимость коэффициента распыления от различных факторов. Пространственное распределение потока распыленных частиц при распылении аморфных и монокристаллических материалов. Распыление много компонентных материалов. Модель распыления бинарной системы.
12.	Физико-химические основы реактивных ионных и ионно-плазменных процессов получения пленок	Основы реактивных ионных и ионно-плазменных процессов получения пленок. Процессы, протекающие в плазменных ускорителях при нанесении пленок. Обратная диффузия и обратное рассеяние частиц при ионно-плазменном распылении.
13.	Физико-химические основы осаждения и роста пленок из раствора и электрохимическое осаждение	Термодинамика химического осаждения пленок. Кинетика химического осаждения пленок. Связь физико-химических и технологических характеристик процесса осаждения. Основные химические реагенты для осаждения пленок в микроэлектронике. Механизм роста химически осаждаемых пленок. Термодинамика электрохимического осаждения и растворения металлов и полупроводников. Электрохимическое осаждение металлических пленок. Влияние физико-химических факторов и технологических параметров осаждения на структуру и свойства осаждаемых металлических пленок.
14.	Физико-химические основы эпитаксиальных процессов и пленок	Гомогенное и гетерогенное зарождение новой фазы. Влияние физико-химических факторов и параметров процесса на структуру и свойства слоев. Автоэпитаксия и гетероэпитаксия из газовой и жидкой фаз. Особенности оборудования и рабочих сред при росте эпитаксиальных слоев. Эпитаксия соединений АIIIBV и твердых растворов на их основе.
15.	Физико-химические процессы удаления веществ с поверхности твердых тел	Термодинамика процессов, протекающих на поверхности раздела фаз. Адсорбционные процессы на поверхности. Энергия взаимодействия атомных частиц с поверхностью. Термодинамика поверхностных реакций. Факторы, влияющие на адгезию. Физико-химические основы процессов очистки и отмывки пластин и подложек.
16.	Физико-химические основы процессов жидкостного химического растворения и ионно-плазменного травления	Термодинамика процессов растворения. Основы кинетики растворения твердых тел. Механизмы растворения кремния, германия и арсенида галлия. Травление поверхности твердого тела. Расчет кинетических параметров очистки поверхности пластин и подложек. Состав и свойства травителей. Физико-химические основы процесса ионно-плазменного травления твердого тела. Классификация ионно-плазменных процессов травления, основные характеристики процесса: скорость, селективность, равномерность, анизотропия. Физико-химические основы процесса ионно-химического травления. Физико-химические основы процесса плазмохимического травления твердых тел. Кинетика процессов травления.
17.	Физико-химические основы процессов создания неразъемных соединений электронных компонентов. Классификация и сравнительные характеристики неразъемных соединений	Процессы при формировании паяных, микросварных и клеевых соединений. Структура микрообъемов сформированных соединений. Критерии качества соединений.
Итого: 2 семестр

 

 

ИХ СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЕМ В ЧАСАХ

Данный вид занятий учебным планом не предусмотрен

 

ОСНОВНАЯ

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.В. Материаловедение: Учебник для вузов. – М.: Машиностроение. 1990. – 528 с.

2. Технология изделий интегральной электроники: учеб. пособие для студентов радиотехн. спец. вузов / Л.П. Ануфриев [и др.]; под общей ред. А.П. Достанко и Л.И. Гурского. – Минск: Амалфея, 2010. – 536с.: ил.

3. Материаловедение и конструкционные материалы: Уч. пособие для вузов / Под ред. В.А. Белого. – Мн.: Выш. шк. 1989. – 461 с.

4. В.Н. Черняев. Физико-химические процессы в технологии РЭА / В.Н. Черняев. – М: Высш.шк., 1987. – 376с.

 

Дополнительная

5. Материаловедение. Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов и др.: Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение. 1986. – 384 с.

6. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков: Учебник для вузов. – М.: Металлурги. 1988. – 574 с.

7. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов. - М.: Металлургия. 1986. – 647 с.

8. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. – СПб.: Лань. 2001. – 368 с

9. Материаловедение микроэлектронной техники: Учеб. пособие для вузов / Под ред. В.М. Андреева. – М.: Радио и связь. 1989. – 349 с.

10. Справочник по электротехническим материалам. В 3‑ х томах / Ю.В. Корицкий и др. – М.: Энергоатомиздат. 1986. – 836с.

11. Благородные металлы. Справ.изд. / Под ред. Савицкого Е.М. – М.: Металлургия, 1984. 592с.

12. Гаврилов С.А. Электрохимические процессы в технологии микро- и наноэлектроники / С.А. Гаврилов, А.Н. Белов – М.: Высшее образование 2209. – 257 с.

13. Достанко А.П. Технология интегральных схем: учеб. пособие для радиотехн. спец. вузов / А.П. Достанко. – Минск: Высш.шк., 1982. – 206с.

14. Интенсификация процессов формирование твердотельных структур концентрированными потоками энергии: монография / А.П. Достанко [и др.]; под общ.ред. А.П. Достанко и Н.К. Толочко. – Минск: Бестпринт. 2005 – 682с.

15. Плазменные процессы в производстве изделий электронной техники. В 3-х т. / А.П. Достанко, С.М. Завадский, С.В. Бордусов и др.; под общ.ред. А.П. Достанко. – Минск: ФУАинформ, 2000-2001., - 960с.

16. Журавлева Л.В. Электроматериаловедение: Учеб. пособие для сред. проф. образования – М.: ПрофОбрИздат, 2001. – 312с.

17. Дж.Фрайден /Современные датчики. Справочник. 2006-592 с.

18. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: Учеб. для студ. вузов по спец. электронной техники. 3-е изд. – СПб.: Издательство «Лань», 2001. – 368., ил.

19. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Учеб. пособие для студ. вузов / под ред. В.С. Чередниченко. – 4-е изд., стер. – Москва: Издательство «Омега-Л», 2008. – 752с., ил., табл.

20. Витязь П.А., Свидунович Н.А. Основы нанотехнологий и наноматериалов. 2010

21. Точицкий Э.И. / Кристаллизация и термообработка тонких плёнок. 1976

22. Достанко А.П. /Электрофизические процессы и оборудование в технологии микро-и наноструктур. 2011

23. А.Ф. Ильющенко, А.П. Достанко / Процессы плазменного нанесенпя покрытий. 1999

24. Достанко А.П./ Технологические процессы и системы в микроэлектронике. 2009

25. Ланин В.Л./ Формирование токопроводящих контактных соединений в изделиях электроники. 2007

26. В.В. Василевич/ Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. 2008

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА ДИСЦИПЛИНЫ

 

Номер недели	Номер темы (по п. 1)	Название вопросов, которые изучаются на лекциях	Практические (семинарские) занятия (по п. 2)	Лабораторные занятия (по п. 3)	Литература (номера) (по п.5)	Наглядные и методические пособия (номера) (по п.6)	Самостоятельная работа студентов (часы)	Форма контроля знаний студентов
		Введение. Разновидности электронных компонентов, образующих твердотельные функциональные структуры, полупроводниковых и гибридных интегральных схем. Основные определения.				27, 28, 29, 30		ТО
		Кристаллическое строение твердых тел, дефекты кристаллического строения			1, 2, 12, 17	10, 12, 13		ТО
	3, 4	Основы физико-химического фазового анализа: диаграммы состояния			2, 3, 4, 7, 8, 11			ТО
	3, 4	Основы физико-химического фазового анализа: диаграммы состояния			2, 3, 4, 7, 8, 11			ТО
		Механические свойства материалов			3, 5, 9, 17, 18	6, 14		ТО, защита ЛР
		Электрические и магнитные свойства материалов			4, 7, 10, 16, 18			ТО, защита ЛР
		Классификация и физико-химические основы процессов формирования активных и пассивных электронных компонентов внутри и на поверхности твердых тел (подложек)			2, 13	21, 26, 28		ТО, защита ЛР
		Физико-химические основы диффузионных процессов			2, 13	4, 8, 10, 12, 13, 20		ТО, защита ЛР
		Физико-химические основы процессов окисления			2, 13, 15	10, 12, 20		ТО, защита ЛР
		Физико-химические основы процесса ионной имплантации				7, 13, 23		ТО, защита ЛР
		Физико-химические основы нанесения тонких слоев в вакууме			2, 13	5, 9, 19, 22, 23, 24, 25		ТО, защита ЛР
		Физико-химические основы получения многокомпонентных пленок термическим испарением в вакууме			2, 13	5, 10, 14, 15, 17		ТО
		Физико-химические основы ионных и ионно-плазменных процессов получения пленок			14, 15	5, 10, 15, 24		ТО
		Физико-химические основы реактивных ионных и ионно-плазменных процессов получения пленок			2, 14, 15	5, 10		ТО
		Физико-химические основы осаждения и роста пленок из раствора и электрохимическое осаждение			4, 12	10, 12, 14, 15		ТО
		Физико-химические основы эпитаксиальных процессов и пленок			4, 13	8, 12, 15		ТО
		Физико-химические процессы удаления веществ с поверхности твердых тел			4, 12, 13			ТО, защита ЛР
		Физико-химические основы процессов жидкостного химического растворения и ионно-плазменного травления			2, 4, 14, 15			ТО
		Физико-химические основы процессов создания неразъемных соединений электронных компонентов. Классификация и сравнительные характеристики неразъемных соединений				1, 2, 3, 10, 11, 26		ТО
								Экзамен

Протокол согласования учЕбной программы по изучаемой учебной дисциплине С ДРУГИМИ ДИСЦИПЛИНАМИ СПЕЦИАЛЬНОСТИ

 

Название дисциплины, с которой требуется согласование	Кафедра, обеспечивающая изучение этой дисциплины	Предложения об изменениях в содержании рабочей учебной программы по изучаемой дисциплине	Решение, принятое кафедрой, разработавшей рабочую учебную программу (с указанием даты и номера протокола)
Конструирование и технология электронных устройств	РЭС, ЭТТ	Нет	Зав.каф. РЭС _______ Цырельчук И.Н. протокол № 7 от 29.11.2010 Зав.каф. ЭТТ ________ Достанко А.П. протокол №5 от 26.10.2010
Электрические и электронные компоненты технических систем	РЭС	нет	Зав.каф. РЭС _______ Цырельчук И.Н. протокол № 7 от 29.11.2010

 

 

Зав. кафедрой А.П. Достанко

(ФИО, подпись)

 

1.

Введение. Разновидности электронных компонентов, образующих твердотельные функциональные структуры, полупроводниковых и гибридных интегральных схем. Основные определения.

 

 

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Многостадийная технология ИС наряду с разработкой конкретных технологических процессов связана с решением целого комплекса задач общего характера. Большая часть из них относится к выбору материалов, технологических сред и принципов управляемого воздействия на твердые тела; прогнозированию технологических процессов и оборудования; контролю, интенсификации и автоматизации технологических процессов и др.

Стремление к сохранению здоровья человека, улучшению условий труда и увеличению степени интеграции ИС требует постоянного соблюдения техники безопасности и улучшения технологической гигиены на производстве.

 

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИС И ИХ БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

 

Существующее большое количество ИС можно классифицировать по различным признакам, например функциональному назначению, количеству элементов в одном кристалле, структуре базового элемента, характеру обрабатываемой информации и др. (рис. 1.1).

По характеру обработки электрического сигнала ИС делятся на два больших класса: логические (цифровые) и линейные (аналоговые). Дальнейшее разделение этих классов схем связано, как правило, с конкретным применением их в аппаратуре и степенью интеграции.

Степень интеграции определяется величиной, равной десятичному логарифму от числа элементов на одном кристалле. Иногда под степенью интеграции понимают количество элементов на кристалле. Интегральными схемами 1-й и 2-й степени интеграции принято называть схемы с малой и средней степенью интеграции (МИС и СИС), 3-й и 4-й степени интеграции — большими ИС (БИС), 5-й степени и выше — схемами со сверхбольшой степенью интеграции (СБИС).

К МИС и СИС относят стандартные логические ИС: резисторно-транзисторной логики (РТЛ), диодно-транзисторной логики (ДТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), схемы с диодами Шоттки (ТТЛШ), со связанными эмиттерами (ЭСЛ) и часть комплементарных металл—окисел—полупроводник интегральных схем (КМОП ИС).

Логические БИС и СБИС объединяют микропроцессоры, микрокомпьютеры, запоминающие устройства (ЗУ). К ним также относят периферийные БИС и специализированные БИС, осуществляющие функции контроллеров внешних устройств, и логические схемы устройств ввода-вывода. Разновидности, функциональные особенности и основные параметры ЗУ приведены на рис. 1.2.

Развитие современной науки и техники потребовало разработки специализированных БИС, многие из которых уже выпускаются в больших количествах.

 

К ним прежде всего относятся БИС для калькуляторов, наручных электронных часов, развлекательной аппаратуры (электронные игры, синтезаторы речи и др.), средств связи, интерфейсы и многие другие. Количество и номенклатура БИС непрерывно возрастают, что требует значительных затрат. В последнее время ведутся работы по сокращению номенклатуры БИС путем применения программируемых БИС. К этим схемам относят приборы на программируемых логических вентилях (матрицах) ПЛМ, простые микро-ЭВМ, программируемые генераторы логических последовательностей и др.

Подавляющее число логических ИС выпускают монолитными, в то время как линейные ИС в основном изготавливают по гибридной технологии. По структуре базового элемента различают биполярные и униполярные ИС. В основе биполярных ИС лежат п—р—п-и р—п—р диффузионные транзисторы (см. рис. 1.1). Типовая конструкция базового п—р—п - транзистора приведена на рис. 1.3, а.

Одним из наиболее перспективных направлений развития цифровых БИС являются ИС с инжекционным питанием. По сравнению со всеми известными ИС на биполярных транзисторах они содержат минимальное число элементов и внутрисхемных соединений, не имеют резисторов в логических и запоминающих ячейках, не требуют индивидуальной изоляции элементов и даже ячеек. Практически все внутрисхемные соединения, кроме шин питания, используются для создания функциональных связей, в то время как в обычных схемах их значительная часть представляет собой соединения элементов внутри ячеек. Все это позволяет существенно увеличить степень интеграции при сохранении стандартного технологического процесса без уменьшения размеров диффузионных областей и допусков на совмещение.

 

В схемах с инжекционным питанием энергия, необходимая для преобразования или хранения информации, вводится инжекцией неравновесных носителей в базу через специальный инжекторный переход, смещаемый в прямом направлении. Поэтому напряжение питания может быть уменьшено до величины, соответствующей прямому напряжению на переходе (0, 6—0, 7 В для кремниевых переходов и 0, 3—0, 4 В для германиевых). В связи с этим рассеиваемая мощность близка к нижнему теоретическому пределу для схем, содержащих переходы, которые имеют рекордно низкую работу переключения (фактор качества, определяемый как произведение времени задержки сигнала вентилем на рассеиваемую мощность): ≈ 0, 1 — 1 пДж. Инжекционные схемы могут нормально функционировать при изменении тока инжектора в пределах нескольких порядков, за счет чего можно регулировать потребляемую мощность и быстродействие устройства.

Одна из простейших конструкций планарного транзистора с инжекционным питанием показана на рис. 1.3, б. В отличие от структуры обычного планарного транзистора рассматриваемая структура содержит еще один электрод-инжектор (дырочную р₁-область). Второе отличие заключается в изменении функций электронных областей п₁ и п₂: п₁

служит эмиттером, а п₂ — коллектором. В этой структуре образуются практически два транзистора. Транзистор р—n—р-типа образован инжекторной областью р₁, играющей роль эмиттера, частью эмиттерной п₁-области, служащей базой, и базовой р₂-областью, выполняющей функции коллектора.

 

 

Транзистор n—р—n -типа с вертикальным расположением электродов образован частью эмиттерной n₁-области, примыкающей к ней, частью базовой р₂-области и коллекторной n₂-областью. Инжекционные схемы подразделяются по количеству ионно-плазменных, имплантированных и других процессов от И²Л до И⁵Л (инжекционная, изопланарная, ионно-плазменная, имплантационная, интегральная логика).

Униполярные ИС разделяются на р-МОП, n -МОП и КМОП, где используются в качестве базового активного элемента р- канальные, п- канальные МОП-транзисторы либо комплементарная пара на их основе.

Принцип действия МОП-транзистора основан на управлении током, протекающим в приповерхностном слое полупроводника, при помощи напряжения, приложенного к металлическому (или из поликристаллического кремния) электроду, отделенному от поверхности полупроводника диэлектриком (рис. 1.3, в, г, д).

Наибольшее развитие получили n-МОП и КМОП ИС, так как они обеспечивают наилучшее сочетание параметров, главными из которых являются малая мощность потребления и высокое быстродействие, а также меньшее количество технологических операций при изготовлении, более высокая плотность элементов, меньшая стоимость.

В отдельную группу МОП ИС можно выделить схемы, изготавливаемые на эпитаксиальных слоях, полученных на диэлектрических подложках. Промышленное воплощение нашли ИС, изготавливаемые на кремниевых эпитаксиальных слоях, выращенных на монокристалле сапфира (КНС), поэтому дополнительно можно выделить следующие ИС: МОП/КНС, КМОП/КНС, р-МОП/КНС. Униполярные и биполярные ИС, выполненные на общей подложке, образуют группу К²ИС.

В монолитных ИС, кроме биполярных и МОП-транзисторов, базовыми элементами могут быть приборы с зарядовой связью (ПЗС), переходы Джозефсона и устройства на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД).

123456Следующая ⇒

Поделиться: