Матеріал курсу "Інтегральні пристрої радіоелектроніки"
Які бувають інтегральні пристрої РЕ і як їх використовувати
Інтегральні пристрої радіоелектроніки: ДОС.
Основні структури напівпровідникових інтегральних схем (ІС); структури біполярних ІС, структури ІС на польових транзисторах; структури надвеликих ІС на напівпровідниках групи А III В V; елементи Джозефсона; елементи інтегральної оптики; лазерні джерела в інтегральній оптиці; акустооптичні взаємодія і пристрої на його основі; типи акустичних поверхневих хвиль; пристрою для обробки сигналів: лінії затримки, резонатори, фільтри, відгалужувачі
Склав: Налькін М.Є.
Загальний обсяг 72 год (36 лекцій).
1 Основні положення, принципи і напрямки мікроелектроніки
1.1 Етапи мініатюризації елементів електронної апаратури
1.2 Термінологія по мікроелектроніці
1.3 Класифікація і загальна характеристика виробів мікроелектроніки
2 Гібридні інтегральні схеми
2.1 Конструктивні особливості тонкоплівкових і товстоплівкових ГІС
2.2 Методи отримання товстих плівок
2.3 Методи отримання тонких плівок
2.4 Методи отримання конфігурацій тонкоплівкових структур
2.5 Обмеження, що накладаються тонкопленочной технологією
2.6 Реалізація та основні параметри плівкових резисторів
2.7 Реалізація та основні параметри плівкових конденсаторів
2.8 Реалізація та основні параметри индуктивностей
2.9 Монтаж навісних компонентів ГІС
2.10. Основні принципи розробки та етапи проектування ГІС.
3 Напівпровідникові (монолітні) інтегральні схеми
3.1 Типові структури монолітних ІВ
3.2 Реалізація та основні параметри діодів
3.3 Реалізація та основні параметри резисторів
3.4 Реалізація та основні параметри конденсаторів
3.5 Різновиди транзисторних структур для побудови ІС
3.6 планарна-епітаксіальні транзистори
3.7 Біполярні транзистори з бар'єром Шотки
3.8 Транзисторні структури з інжекційних харчуванням
3.8 многоеміттерного транзистори
3.9 Транзистори на основі структури МДП і КМДП
4 Основи застосування ІМС
Вимоги по монтажу ІМС
5 Особливості мікросхем діапазону СВЧ
ГІС СВЧ на зосереджених елементах
Розподілені елементи ГІС СВЧ
Монолітні мікросхеми НВЧ
Об'ємні інтегральні схеми НВЧ
6 Особливості швидкодіючих цифрових ІС і ІС з високим ступенем інтеграції
Шляхи та проблеми підвищення швидкодії цифрових ІС
Технологія і САПР НВІС
7 Оцінки якості, надійності і вартості виробів мікроелектроніки
Поняття якості і критерії оцінки якості ІС
Поняття надійності і критерії оцінки надійності ІС
Виробничий контроль якості і надійності ІС
Поняття вартості ІС, питомої вартості, основні чинники, що впливають на вартість
8 Елементи функціональної мікроелектроніки
Елементи і пристрої інтегральної оптики
Датчики на основі ефекту Холла
Хімічні елементи в електроніці
Напівпровідникові структури типу КНС
Напівпровідникові структури на основі алмазу
1 Основні положення, принципи і напрямки мікроелектроніки
1.1 Етапи мініатюризації елементів електронної апаратури
Сучасні радіосистеми характеризуються високою функцілнальной складністю і великим числом компонентів, що входять до їх складу, що призводить до високих вимог по надійності як самих елементів, так і з'єднань між ними (радіотехніка - наука про контакти!). Крім того, важливо забезпечити зниження маси, габаритів, знизити споживану потужність і вартість. Ці завдання вирішуються застосуванням сучасної елементної бази мікроелектроніки.
Мікроелектроніка - область електроніки, що охоплює проблеми дослідження, розробки, виготовлення і застосування мікроелектронних виробів. Основною відмінною рисою мікроелектроніки є інтеграція: технологічна (використання групових методів виготовлення), конструктивна (об'єднання елементів на одній підкладці), науково-технічна (використання досягнень, отриманих на стику наук).
Перші значні успіхи в мініатюризації РЕА були досягнуті в 50 - 60-ті роки 20 ст. у зв'язку з переходом від вакуумних на твердотільні активні прилади та впровадженням технології друкованого монтажу. Це дозволило перейти на модульний принцип побудови складних систем. Модулі були первинними елементами електронних пристроїв і виконувалися як типові уніфіковані функціональні вузли. Елементна база модулів представляла собою дискретні корпусні елементи (транзистори, діоди, резистори, і т.п.).
Наступним етапом був перехід на микромодули. Мікромодулі мали стандартну конструкцію незалежно від назв елементів і схеми з'єднань. Мікромодулі виконувалися на керамічних мікроплат, встановлених в кілька поверхів. Міжплатний з'єднання забезпечуються жорсткими провідниками, які монтуються по периметру плат. На мікроплат монтуються мікроелементи, що з'єднуються друкованими провідниками. Після складання мікромодуль герметизується епоксидним компаундом.
Перші розробки інтегральних мікросхем відносяться до 1958 - 1960 рр. У 1961 - 1963 рр. почали серійно випускатися перші найпростіші плівкові мікросхеми. Проблеми, пов'язані з розробкою стабільних активних плівкових елементів, привели до переважного використання гібридних інтегральних схем, в яких пасивні елементи виконуються за плівковою технологією, а активні - на напівпровідникових кристалах, які монтуються на підкладку. Перша половина 60-х рр. вважається датою народження мікроелектроніки. Випускаються в цей час мікросхеми характеризуються ступенем інтеграції 10 - 100 елементів / кристал, мінімальним розміром елемента близько 100 мкм.
Другий етап відноситься до другої половини 1960-х рр. і характеризується ступенем інтеграції 100 - 10000 елементів / кристал з мінімальним розміром елемента близько 3 мкм. З першої половини 1970-х рр. освоюється виробництво БІС.
Третій етап, що відносяться до другої половини 1970-х рр. характеризується розробкою мікросхем зі ступенем інтеграції 10 тис. - 1 млн елементів / кристал і мінімальним розміром елементів 1 - 0.1 мкм. У цей період інтенсивно розробляються НВІС і мікропроцесори.
Подальший розвиток мікроелектроніки характеризується все більшим використанням цифрових методів обробки даних, у зв'язку з чим зростає швидкодія, ступінь інтеграції, надійність, знижується вартість цифрових мікросхем. Також збільшується роль пристроїв функціональної електроніки.
В даний час характерно досягнення граничних характеристик за ступенем інтеграції і досягається швидкодії цифрових мікросхем, широке використання микросборок, інтенсивний розвиток технології монолітних ІВ для СВЧ діапазону, посилення ролі пристроїв оптіческой- і акустоелектроніки.
1.2 Прийнята термінілогія по мікроелектроніці відповідно до ГОСТ
Мікросхема - мікроелектронний виріб, що має еквівалентну щільність монтажу не менше п'яти елементів в одному кубічному сантиметрі обсягу, займаного схемою, і розглядається як єдине конструктивне ціле.
Інтегральна мікросхема (ІМС) - мікросхема, всі або частина елементів якої нерозривно пов'язані і електрично з'єднані між собою так, що пристрій розглядається як єдине ціле.
Напівпровідникова ІМС - ІМС, елементи якої виконані в обсязі і (або) на поверхні напівпровідникового матеріалу.
Плівкова ІМС - ІМС, елементи якої виконані у вигляді плівок, нанесених на поверхню діелектричного матеріалу.
Тонкоплівкова ІМС - плівкова ІМС з товщиною плівок до 1 мкм.
Гібридна інтегральна мікросхема - ІМС, частина елементів якої має самостійне конструктивне виконання.
Мікрозбірка - мікросхема, що складається з різних елементів і (або) інтегральних мікросхем, які мають конструктивне оформлення і можуть бути випробувані до збірки і монтажу.
Підкладка ІС - підстава, на поверхні або в об'ємі якого формуються елементи ІМС.
Базовий кристал - підкладка з напівпровідникового матеріалу з набором сформованих в ній не з'єднаних між собою елементів, яка використовується для створення ІМС шляхом виготовлення виборчих внутрісхемних з'єднань.
Епітаксия - процес вирощування шарів з упорядкованою кристалічною структурою шляхом реалізації орієнтує дії підкладки.
Маска - трафарет, що забезпечує виборчу захист окремих ділянок підкладки при технологічній обробці.
Елемент ІМС - частина ІМС, що реалізує функції будь-якого радіоелементу, виконана нероздільно від кристала або підкладки. Елемент не може бути відділений від ІМС як самостійний виріб.
Компонент ІМС - частина ІМС, що реалізує функції будь-якого радіоелементу, і що є перед монтажем самостійним виробом в спеціальній упаковці.
1.3 Класифікація і загальна характеристика виробів мікроелектроніки
За типом виробів розрізняють:
Елементи ІМС виконані всередині або на поверхні загальної підкладки та укладені в загальний корпус. Елементи створюються в єдиному технологічному процесі з використанням групових методів виготовлення елементів і межелементних з'єднань.
Принцип роботи функціональних пристроїв заснований на використанні неелектричних явищ в твердому тілі. До таких явищ належать:
Конструктивно-допоміжні вироби призначені для монтажу і збірки мікросхем. До них відносяться:
- Багатошарові друковані плати;
За своїм конструктивним характеристикам і надійності ці вироби повинні бути близькі до ІМС. Тому для їх реалізації широко використовуються технології мікроелектроніки.
Найбільш масовим продуктом мікроелектроніки є ІМС, і саме вони характеризують рівень технологій інтегральноїмікроелектроніки. Класифікувати номенклатуру ІМС можна за різними критеріями. Найбільш поширена класифікація за конструктивно-технологічним ознаками, за якими виділяють наступні типи ІМС:
- Напівпровідникові (монолітні) ІС;
Напівпровідникові ІС реалізуються на підкладках з напівпровідника. Як матеріал підкладки найбільш використовуються:
Базовим елементом ІС є транзистор. Напівпровідникові ІС можуть бути реалізовані на:
- Біполярних транзисторах з діодом Шотки;
- Польових (уніполярних) транзисторах.
Плівкові ІС розрізняються товщиною плівок, яка визначається технологією їх нанесення. Серед них виділяють:
Товстоплівкові ІМС виготовляються шляхом вжигания паст певного хімічного складу через трафарети на керамічну підкладку. Як матеріал підкладки найбільш часто використовується кераміка марки 22ХС. Товщина плівок становить від одиниць до десятків мкм. Проблеми толстопленочной технології в першу чергу обумовлені неоднорідністю складу паст і неоднорідністю товщини одержуваних плівок, що призводить до погіршення електричних параметрів схем і погіршення їх повторюваності.
Тонкоплівкові ІМС отримали більш широке поширення. Малюнок тонкоплівкових ІМС виходить шляхом вакуумного або гальванічного осадження провідних матеріалів через трафарети. В якості підкладок використовується поликор (полікристалічна окис алюмінію), ситалли, ферити. Товщина плівок становить не більше декількох мікрометрів, що вимагає забезпечення високої якості поверхні керамічної підкладки. Висока чистота поверхні досягається високоякісної механічною обробкою (полірування) і глазурування. При глазурування на поверхню підкладки наноситься тонкий шар розплавленого кварцового скла. Товщина скляного шару зазвичай не перевищує 100 мкм.
У гібридних ІМС пасивні елементи виготовляються по тонкоплівкової або толстопленочной технології. При цьому активні компоненти (діоди, транзистори) представляють собою дискретні безкорпусні вироби, які монтуються при складанні ІМС. Дискретні безкорпусні компоненти отримали назву "чіп" - від англійського "chip". Найбільш широке розповсюдив отримали ГІС на основі тонких плівок.
Розрізняють також ІМС по типу підкладок:
- ІМС з активною підкладкою. Елементи таких ІМС виконані всередині самої підкладки з напівпровідникового матеріалу.
- ІМС з пасивної підкладкою. Елементи таких ІМС розміщені на поверхні підкладки, виконаної з діелектричного матеріалу.
Для напівпровідникових ІМС використовують як активні, так і пасивні підкладки, для плівкових і гібридних - як правило пасивні.
Складність ІМС характеризується ступенем інтеграції і щільністю упаковки.
Ступінь інтеграції К = lgN, гдеN- кількість компонентів і елементів ІМС, в тому числі елементів, що входять до складу компонентів; обчислене значення До округляється до найближчого більшого. якщо К<=1, то ИМС называют простой (ИМС первой степени интеграции), 1<К<=2 – средней (второй степени интеграции), 2<К<=4 – большой ИС – БИС, К>4 - надвеликої ІС - НВІС.
Щільність упаковки елементів - кількість елементів на одиницю площі кристала. Часто наводиться кількість транзисторів на одиницю площі кристала.