Современное состояние и основные тенденции развития радиоэлектронных средств. Определение интегрального устройства радиоэлектроники. Определение интегральной схемы (ИС). Критерий оценки сложности ИС.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 3Следующая ⇒

Интегральная микросхема - (ИС) - это совокупность электрически связанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на единой полупроводниковой основе (подложке).Интегральная микросхема выполняет определенные функции обработки (преобразования) информации, заданной в виде электрических сигналов: напряжений или токов.

Критерием оценки сложности микросхемы, т.е. числа N содержащихся в ней элементов и простых компонентов, является степень интеграции. Она определяется коэффициентом К = lgN значение которого округляется до ближайшего большего целого числа. Так, микросхема первой степени интеграции (К=1) содержит до 10 элементов и простых компонентов, второй степени интеграции (К = 2) — свыше 10 до 100 третьей степени интеграции (К = 3) — свыше 100 до 1000 и т.д. В настоящее время микросхему, содержащую 500 и более элементов, изготовленных по биполярной технологии, или 1000 и более элементов, изготовленных по МДП-технологии, называют большой интегральной микросхемой (БИС). Если число элементов превышает 10000, то микросхему называют сверхбольшой (СБИС).

При изготовлении интегральных схем используется групповой метод производства и в основном планарная технология. Групповой метод производства предполагает изготовление на одной полупроводниковой пластине большого количества однотипных ИС и одновременную обработку десятков таких пластин. После завершения цикла изготовления пластины разрезаются в двух взаимно перпендикулярных направлениях на отдельные кристаллы – чипы (chip), каждый из которых представляет собой ИС. Планарная (плоскостная) технология – это такая организация технологического процесса, при которой все составляющие ИС формируются в одной плоскости.

Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксида гафния).

Подробнее по этой теме см. Планарная технология.

Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок

Гибридная микросхема (часто называемая микросборкой), содержит несколько бескорпусных диодов, бескорпусных транзисторов и(или) других электронных активных компонентов. Также микросборка может включать в себя бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты микросборки (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей, обычно керамической подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.

Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.

Полупроводниковый инжекционный лазер; условия достижения инверсной населенности в области p-n перехода, условия усиления и генерации в лазерах на p-n переходах.

Полупроводниковый лазер, полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В Полупроводниковый лазер, в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла

В Полупроводниковый лазер применяют следующие методы накачки: 1) инжекция носителей тока через р—n-переход (см. Электронно-дырочный переход), гетеропереход или контакт металл — полупроводник (инжекционные лазеры); 2) накачка пучком быстрых электронов; 3) оптическая накачка; 4), накачка путём пробоя в электрическом поле. Наибольшее развитие получили Полупроводниковый лазер первых двух типов.

Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-либо способ возбуждения (накачки) кристалла, т. е. способ генерации избыточных электронно-дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрическим полем). При малой скорости образования избыточных электронно-дырочных пар излучательная рекомбинация носит беспорядочный (спонтанный) характер и используется в нелазерных полупроводниковых источниках света (см. Светоизлучающий диод). Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. лазерный эффект, необходимо создать особое состояние люминесцирующего кристалла — состояние с инверсией населённостей.

Инверсия населённостей в полупроводниках. Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи её дна Ec заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка Eu. Преобладание числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше 1/2 от состояний с вероятностью заполнения меньше 1/2. Если и — квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей относительно переходов с энергией hn (где n — частота излучения)

Билет№10

Планарная технология и основные технологические операции производства ИС. Подразделение полупроводниковых ИС (ИС на биполярных транзисторах; ИС на полевых транзисторах (МОП, МДП); комбинированные ИС - БИМОП).

При изготовлении интегральных схем используется групповой метод производства и в основном планарная технология.

Групповой метод производства предполагает изготовление на одной полупроводниковой пластине большого количества однотипных ИС и одновременную обработку десятков таких пластин. После завершения цикла изготовления пластины разрезаются в двух взаимно перпендикулярных направлениях на отдельные кристаллы – чипы (chip), каждый из которых представляет собой ИС.

Планарная (плоскостная) технология – это такая организация технологического процесса, при которой все составляющие ИС формируются в одной плоскости.

Полупроводниковые интегральные схемы

Классификация ИС может производиться по различным признакам. Однако по способу производства современные микросхемы можно разделить на полупроводниковые, пленочные, гибридные. Основу современной цифровой электроники составляют полупроводниковые интегральные схемы.

Широкое распространение получили следующие полупроводниковые ИС:

биполярные;

МДП (МОП) – металл-диэлектрик (окисел)-полупроводник;

БиМОП – сочетание двух первых типов.

топология интегральных схем

Технология полупроводниковых ИС основана на легировании полупроводниковой (кремниевой) пластины поочередно донорными и акцепторными примесями, в результате чего под поверхностью образуются тонкие слои с разным типом проводимости и p–n-переходы на границах слоев. Отдельные слои используются в качестве резисторов, а p–n-переходы – в диодных и транзисторных структурах.

Легирование осуществляется локально с помощью специальных масок с отверстиями, через которые атомы примеси проникают в пластину на нужных участках. Роль маски обычно играет пленка двуокиси кремния SiO2, покрывающая поверхность кремниевой пластины. В этой пленке различными методами формируются окна необходимой формы.

Основным элементом биполярных ИС является n–p–n-транзистор (биполярный транзистор), и на его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Все другие элементы, по возможности, изготавливаются с этим транзистором, без дополнительных технологических операций.

Основным элементом МДП (МОП) ИС является МДП (МОП)-транзистор.

Элементы биполярной ИС необходимо изолировать друг от друга, чтобы они не взаимодействовали через кристалл. Элементы МДП (МОП) ИС не нуждаются в специальной изоляции друг от друга. В этом одно из главных преимуществ МОП ИС по сравнению с биполярными.

В последнее время широкое распространение в качестве материала подложки получил арсенид-галлий. В полупроводниковых микросхемах на такой основе активными элементами служат полевые транзисторы с управляющим переходом металл-полупроводник (МЕП-транзисторы).

Размеры кристаллов у современных полупроводниковых ИС достигают 20 х 20 мм2, а размеры фрагментов элементов ИС составляют десятые и сотые доли микрометра (современные технологии достигли 40 нанометрового уровня).

Акустоэлектронные приборы и устройства для обработки сигналов: генераторы ПАВ, линии задержки, фильтры, резонаторы, ответвители - устройство, принцип работы, основные характеристики, области использования.

В качестве звукопровода обычно применяется пластина, или стержень, или провод из пьезоэлектрического материала (например, ниобат лития LiNbO3, пьезокварц SiO2, германат висмута Bi12GeO20, пьезокерамика) с тщательно отполированной поверхностью, на которой расположены электромеханические преобразователи: входной и выходной. Эти преобразователи обычно выполняются в виде гребенчатых электродов из тонкой металлической пленки толщиной 0, 1-0, 5 мкм. Из называют встречно-штыревыми преобразователями (ВШП). К входному ВШП подключен источник электрического сигнала, и в звукопроводе возникает ПАВ. А в выходном преобразователе, к которому подключена нагрузка, возникает электрический сигнал.

Основные параметры преобразователей на ПАВ - вносимое затухание, входное и выходное сопротивление, частотная избирательность, полоса пропускаемых частот. Все эти параметры зависят главным образом от устройства ВШП.

АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА - раздел акустики, на стыке акустики твёрдого тела, физики полупроводников и радиоэлектроники. А. занимается исследованием принципов построения УЗ-устройств для преобразования и обработки радиосигналов.

Резонаторы на ПАВ (поверхностных акустических волнах) весьма успешно зарекомендовали себя в качестве элемента стабилизации частоты задающего генератора для маломощных передающих устройств. Такие устройства, благодаря техническим возможностям резонаторов ПАВ, нашли весьма широкое применение в радиотехнических системах малого радиуса действия.

Электрический высокочастотный сигнал посредством преобразователей созда╦ т на поверхности кварца механические (акустические) колебания, распространяющиеся в виде волны. Такая волна получила название - поверхностная акустическая волна (ПАВ). Скорость ПАВ в кварце в 100000 раз меньше скорости электромагнитной волны. Медленное распространение акустической волны является основой миниатюризации приборов ПАВ. Максимальная эффективность преобразования достигается на частоте синхронизма, то есть на такой частоте подводимого электрического сигнала, когда длина волны акустических колебаний совпадает с пространственным периодом электродов преобразователя. На частоте 433, 92 МГц длина волны акустических колебаний составляет 7 мкм.

Две реш╦ тки на частоте синхронизма работают как два зеркала, отражая акустическую волну. За сч╦ т сохранения и накопления энергии механических колебаний в области между реш╦ тками на резонансной частоте образуется высокодобротная колебательная система. Длина всей системы составляет несколько сотен длин волн. При этом общая длина кварцевой подложки резонатора с частотой 433, 92 МГц не превышает 3 мм.

Существует три основных типа резонаторов: одновходовый, двухвходовый и связанный. Все три типа резонаторов при массовом производстве выпускаются в корпусе с тремя выводами: два изолированных, а один - соедин╦ н с корпусом. В соответствии с ростом спроса мирового рынка на резонаторы в керамическом корпусе, которые монтируются на поверхность (SMD), промышленность наращивает объ╦ мы их выпуска.

Ли́ ния заде́ ржки — устройство, предназначенное для задержки электрических и электромагнитных сигналов на заданный промежуток времени (фиксированный, переключаемый или с плавной регулировкой). Линии задержки (ЛЗ) широко применяются в радиоэлектронике — в радиолокации и радионавигации, измерительной технике, вычислительной технике и автоматике, электроакустике (ревербераторы), технике связи, в научных исследованиях.

Полосовые фильтры на ПАВ, по существу, представляют собой линии задержки с частотно-селективными свойствами. Такие фильтры могут быть сделаны на различные рабочие частоты и полосы частот. В узкополосных фильтрах относительная полоса частот может быть в пределах 0, 01-1%. Сверхузкополосные и сверхширокополосные фильтры имеют высокую избирательность. Вносимое затухание не более 3 дБ. Для повышения избирательности иногда применяют каскадное включение нескольких фильтров. Размеры электродов у фильтров на частоты 1-2 ГГц. составляют единицы микрометров и менее. Подобные микрофильтры изготавливаются методами фото-, рентгеновской или электронно-лучевой литографии.

ПАВ резонаторы используют эффект поверхностных акустических волн и в отличие от кварцевых резонаторов, использующих пьезоэлектрический эффект, имеют большую частоту (диапазон частот от 100МГц до 1.1ГГц) и меньшую стабильность (от 20 до 200кГц (30-250ppm)).

Многополосковый ответвитель(МПО) используется в устройствах на ПАВ для переизлучения энергии акустической волны из одного пространственного канала в другой. Такой ответвитель представляет собой систему проводящих электродов, нанесенных на поверхность пьезоэлектрического звукопровода параллельно фронту поверхностной волны

Билет№11

1. Структура пассивных интегральных элементов полупроводниковых ИС: -резистора, конденсатора, диода. Структура активных элементов полупроводниковых ИС на биполярных транзисторах: -структура интегрального n⁺-p-n-транзистора (основной элемент ИС), структура многоэмиттерного интегрального транзистора (МЭТ), структура интегрального транзистора с барьером Шоттки.

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒