Основні положення задачі курсу

I

Лекція  №1

Основні положення задачі курсу

План:

Поняття інформації

Функціонування інформації в електронних пристроях

 

При організації комплексів електронних пристроїв важливу  роль відіграє інформація, яка надається  в матеріально-енергетичній формі  у вигляді електричних сигналів. Під інформацією звичайно розуміють істотні і представницькі характеристики об'єктів або процесів. З отриманням (відбором), передачею та обробкою інформації пов'язані дії всіх електронних пристроїв. Всі матеріальні процеси мають свою інформаційну сторону, тобто відображаються у вигляді кількісних даних. У процесі роботи електронних пристроїв здійснюється перетворення інформації.

З точки зору логіки функціонування електронних пристроїв і систем можна виділити наступні інформаційні процеси: отримання (відбір), передача, обробка та зберігання, подання інформації, вироблення керуючих впливів.

Отримання інформації пов'язані  зі сприйняттям і оцінкою стану  об'єкта або процесу. Результатом  сприймання є сигнал у формі, зручній  для передачі або обробки.

Передача інформації полягає в перенесенні її на відстань за допомогою сигналів різної фізичної природи за механічними, оптичним, акустичним, електромагнітним і інших каналів  зв'язку. Для передачі найчастіше використовуються електричні і електромагнітні канали зв'язку з добре розробленою технікою передачі сигналів на відстань.

Обробка і зберігання інформації полягає в машинному  вирішенні завдань, пов'язаних з  перетворенням інформації, незалежно  від їх функціонального призначення. Обробка проводиться за допомогою пристроїв або машин, які здійснюють цифрові перетворення вступників величин і функцій. Проміжним етапом обробки є зберігання інформації в запам'ятовуючих пристроях.

Представлення інформації потрібна в тих випадках, коли в  процесі управління та контролю приймає участь людина. Воно полягає в демонстрації зображень, що містять якісні і кількісні характеристики інформації, що циркулює в системі. Для цього використовуються різні пристрої відображення інформації та реєструючі пристрої, наприклад, індикатори, електронно-променеві трубки, мнемосхеми і табло, графічні реєструючі пристрої і т. п.

Вироблення керуючого  впливу полягає в тому, що несе інформацію сигнал здійснює регулювання або  управління, викликаючи зміни в об'єкті управління. Зазвичай вплив здійснюється за допомогою виконавчих пристроїв, розташованих на об'єкті.

Зазначені інформаційні процеси можуть бути розглянуті на прикладі комплексу технічних пристроїв, призначених для розв'язання задачі управління автоматизованим об'єктом. Проходження інформації та основні етапи її перетворення представлені на рис. 1. Технічні пристрої, що входять в систему, розділені за функціональною ознакою. Пристрої перетворення інформації забезпечують приведення повідомлень, що надходять від об'єкта, до виду, зручному для подальшої обробки.

 

Рис. 1.

Таким чином, в розглянутому комплексі технічних засобів  відповідно до характеру інформаційних  процесів можна виділити пристрої: відбору, передачі, перетворення, відображення та реєстрації, інформації, а також  виконавчі пристрої.

У залежності від призначення  і складності комплексу співвідношення окремих технічних засобів буде різним, проте завжди можна виділити деяку частину апаратури, що виконує  описані функції. Оскільки процес управління нерозривно пов'язаний з перетвореннями інформації, важливими характеристиками технічних пристроїв, що визначають доцільність включення їх до складу комплексу, є інформаційні характеристики, наприклад, такі як інформаційна ємність, пропускна здатність, інформаційна продуктивність та інші, визначені з використанням підходів і методів теорії інформації.

Застосування теорії інформації дасть можливість отримати чисельні оцінки, що характеризують стан і поведінку систем управління, систем передачі і перетворення інформації, систем обробки і відображення інформації. І хоча єдина інформаційна теорія складних систем ще знаходиться в стадії розробки, вже зараз отримані важливі наукові результати в області створення інформаційної теорії вимірювань і вимірювальних пристроїв, систем передачі інформації, контролю і управління.

Питання:

Які питання будут  розглядатися у цьому курсі?

Яку роль відіграють електронні прилади у передачі інформації?

Література:

Сенько  В.І.,  Панасенко  М.В.,  Сенько  Є.В.

Електроніка  і  мікросхемотехніка. - Т.1.  Елементна  база

електронних пристроїв. - Київ: Обереги, 2000.-300с.

 

 

 

 

 

 

 

Лекція №2

Характеристика напівпровідників

План:

Фізичні властивості

Зонна структура

Оптичні властивості  напівпровідників

Поглинання світла

Використання

 

Напівпровідни́к — матеріал, електропровідність якого має проміжне значення між провідностями провідника та діелектрика.

 

Фізичні властивості

 

Характерна риса напівпровідників — зростання електропровідності зі зростанням температури; при низьких  температурах електропровідність мала. При температурі близькій до абсолютного нуля напівпровідники мають властивості ізоляторів. Кремній, наприклад, при низькій температурі погано проводить електрику, але під впливом світла, тепла чи напруги електропровідність зростає.

 

Зонна структура  напівпровідника

 

Напівпровідники мають  повністю заповнену валентну зону, відділену від зони провідності  неширокою забороненою зоною. Ширина забороненої зони напівпровідників зазвичай менша за 3 еВ. Неширока заборонена зона призводить до того, що при підвищенні температури ймовірність збудження електрона у зону провідності зростає за експоненційним законом. Саме цим фактом зумовлене збільшення електропровідності власних напівпровідників.

 

Ще більше на електропровідність напівпровідників впливають домішки  — донори й акцептори. Завдяки доволі великій діелектричній проникності домішкові рівні в забороненій зоні розташовані дуже близько до зони провідності чи до валентної зони (< 0.5 еВ), й легко іонізуються, віддаючи електрони в зону провідності чи забираючи їх із валентної зони. Леговані напівпровідники мають значну електропровідність.

 

Невелика ширина забороненої  зони також сприяє фотопровідності  напівпровідників.

 

В залежності від концентрації домішок напівпровідники діляться на власні (без домішок), n-типу (донори), p-типу (акцептори) і компенсовані (концентрація донорів урівноважує концентрацію акцепторів, й напівпровідник веде себе, як власний). При дуже високій концентрації домішок напівпровідник стає виродженим і веде себе, як метал.

 

У напівпровідникових приладах використовуються унікальні властивості контакту областей напівпровідника, одна з яких належить до n-типу, інша до p-типу — так званих p-n переходів. p-п переходи проводять струм лише в одному напрямку. Схожі властивості мають також контакти між напівпровідниками й металами — контакти Шоткі.

Оптичні властивості  напівпровідників

Поглинання  світла

Поглинання світла напівпровідниками  зумовлене переходами між енергетичними  станами зонної структури. З огляду на принцип виключення Паулі електрони  можуть переходити тільки із заповненого енергетичного стану в незаповнений. У власному напівпровіднику усі стани валентної зони заповнені, а всі стани зони провідності незаповнені, тому переходи можливі лише з валентної зони в зону провідності. Для здійснення такого переходу електрон повинен отримати від світла енергію, не меншу за ширину забороненої зони. Фотони з меншою енергією не викликають переходів між електронними станами напівпровідника, тому напівпровідники прозорі в області частот , де Eg — ширина забороненої зони,  — зведена стала Планка. Ця частота визначає фундаментальний край поглинання для напівпровідника. Для напівпровідників, які найчастіше застосовуються в електроніці (кремнію, германію, арсеніду галію) вона лежить в інфрачервоній області спектру.

 

Додаткові обмеження на поглинання світла напівпровідниками накладають правила відбору, зокрема закон збереження імпульсу. Закон збереження імпульсу вимагає, щоб квазі-імпульс кінцевого стану відрізнявся від квазі-імпульсу початкового стану на величину імпульсу поглинутого фотона. Хвильове число фотона 2π / λ, де λ — довжина хвилі, дуже мале в порівнянні з вектором оберненої ґратки напівпровідника, або, що те ж саме, довжина хвилі фотона у видимій області набагато більша за характерну міжатомну віддаль у напівпровіднику, що призводить до вимоги того, щоб квазі-імпульс кінцевого стану при електронному переході практично дорівнював квазі-імпульсу початкового стану. При частотах близьких до фундаментального краю поглинання це можливо лише для прямозонних напівпровідників. Оптичні переходи в напівпровідниках, при яких імпульс електрона майже не змінюється називаються прямими або вертикальними. Імпульс кінцевого стану може значно відрізнятися від імпульсу початкового стану, якщо в процесі поглинання фотона бере участь ще інша, третя частинка, наприклад, фонон. Такі переходи теж можливі, хоча й менш імовірні. Вони називаються непрямими переходами.

 

Таким чином, прямозонні напівпровідники, наприклад, арсенід  галію починають сильно поглинати  світло, коли енергія його кванта перевищує ширину забороненої зони. Такі напівпровідники дуже зручні для використання в оптоелектроніці.

 

Непрямозонні напівпровідники, наприклад, кремній, поглинають в області  частот світла з енергією кванта ледь більшою за ширину забороненої зони значно слабше, лише завдяки непрямим переходам, інтенсивність яких залежить від присутності фононів, а, отже, від температури. Гранична частота прямих переходів для кремнію більша за 3 еВ, тобто лежить в ультрафіолетовій області спектру.

 

При переході електрона  з валентної зони в зону провідності в напівпровіднику виникають вільні носії заряду, а отже фотопровідність.

 

При частотах, нижчих за край фундаментального поглинання, можливе  поглинання світла, зв'язане зі збудженням екситонів, присутністю домішок  і поглинанням фононів. Екситонні зони розташовані в напівпровіднику дещо нижче від дна зони провідності завдяки енергії зв'язку екситона. Екситонні спектри поглинання мають воднеподібну структуру. Аналогічним чином домішки, акцептори чи донори, створюють акцепторні чи донорні рівні, що лежать у забороненій зоні. Вони значно модифікують спектр поглинання легованого напівпровідника. Якщо при непрямому переході одночасно з квантом світла поглинається фонон, то енергія поглинутого світлового кванта може бути меншою на величину енергії фонона, що приводить до поглинання на частотах дещо менших від фундаментального краю.

 

Використання

 

Кремній найчастіше використовується в діодах, світлодіодах, транзисторах, випрямлячах і інтегральних схемах (чіпах), сонячних елементах. Окрім кремнію широко використовуються арсенід галію, арсенід алюмінію, германій та багато інших. В останні роки дедалі популярніші органічні напівпровідники, які застосовуються, наприклад, у копіювальній техніці.

 

Питання:

Дайте визначення поняттю  напівпровідник?

Які фізичні властивості напівпровідника?

Які оптичні властивості  напівпровідника?

Де використовуються?

 

Література:

Ансельм А.И. Введение в  физику полупроводников., 1978, Москва: Наука..

Бонч- Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников, 1977, Москва: Наука..

Курносов А.И. Материалы  для полупроводниковых приборов и интегральных схем, 1980, Москва: Высшая школа.

Напівпровідникові переходи і контакти.

Лекція №3

Електричні властивості напівпровідників

План

Поняття напівпровідника

Структура напіпровідника

Носії заряду в напівпровіднику

Електронно-дирочний перехід

Електричні властивості напівпровідників

До напівпровідників відносяться речовини, що займають по величині питомої електричної  провідності проміжне положення  між металами і діелектриками. Їх питома електрична провідність лежить у межах від 10^-8 до 10⁵ див/м и в відмінність від металів вона зростає з ростом температури.

Напівпровідники являють  собою досить численну групу речовин. До них відносяться хімічні елементи: германій, кремній, бор, вуглець, фосфор, сірка, миш'як, селенів, сіре олово, телур, йод, деякі хімічні сполуки і багато органічних речовин.

В електроніці знаходять  застосування обмежена кількість напівпровідникових матеріалів. Це насамперед кремній, германій, і арсенід галію. Ряд речовин, таких як бор, миш'як, фосфор використовуються як домішки.

Застосовувані в електроніці  напівпровідники мають дуже зроблену кристалічну структуру. Їхні атоми  розміщені в просторі в строго періодичній послідовності на постійних  відстанях друг від друга, утворити кристалічні ґрати. Ґрати найбільш розповсюджених в електроніці напівпровідників - германія і кремнію - мають структуру алмазного типу. У таких ґратах кожен атом речовини оточений чотирма такими ж атомами, що знаходяться у вершинах правильного тетраедра.

Кожен атом, що знаходиться  в кристалічних ґратах, електричний  нейтральний. Сили, що утримують атоми  у вузлах ґрат, мають квантовомеханічний  характер; вони виникають за рахунок  обміну взаємодіючих атомів валентними електронами. Подібний зв'язок атомів зветься ковалентного зв'язку, для її створення необхідний пара електронів.

У германії і кремнії, що є чотирьохвалентними елементами, на зовнішній оболонці мається по чотирьох ковалентні зв'язки з чотирма  найближчими, навколишніми його атомами.

Носії заряду в напівпровіднику.

У розглянутих ідеальних  ґратах всі електрони зв'язані  зі своїми атомами, тому така структура  не повинна проводити електричний  струм. Однак у напівпровідниках (що докорінно відрізняє їх від  діелектриків) порівняно невеликі енергетичні  впливи, обумовлені чи нагріванням опроміненням, можуть привести до розриву деяких валентних зв'язків у ґратах. При цьому валентний електрон, що відірвався від свого атома, переходить у новий стійкий стан, у якому він має здатність переміщатися по кристалічним ґратам. Такі зірвані з валентних зв'язків рухливі електрони називаються електронами провідності. Вони обумовлюють електропровідність напівпровідника, називану електронною електропровідністю (мал.1.1).

 

Мінімальна величина енергії DW, яку необхідно повідомити валентному електрону для того, щоб  відірвати його від атома і  зробити рухливим, залежить від структури  ґрат і, отже, є параметром напівпровідника.

Енергія електронів, що переміщаються по кристалі, лежить у деякому діапазоні значень, інакше кажучи, електрони займають цілу зону енергетичних рівнів, називану зоною провідності. Енергетичні стани валентних електронів також утворять зону, називаний валентної. Між максимальним рівнем валентної зони і мінімальним рівнем зони провідності лежить область енергетичним станів, у яких електрони не можуть знаходитися; це так називана заборонена зона. Ширина забороненої зони W визначає енергію, необхідну для звільнення валентного електрона, тобто енергію іонізації атома напівпровідника. Таким чином, з енергетичної точки зору відривши валентного електрона від атома і перетворення його в електрон провідності відповідають перекиданню електронів з валентної зони в зону провідності.

При розриві валентного зв'язку і  відході електрона з атома  в ґрати утвориться незаповнений зв'язок, який наявний нескомпенсований позитивний заряд, рівний по величині заряду електрона +e. Тому що на незаповнений зв'язок легко переходить валентні електрони із сусідніх зв'язків, чому сприяє тепловий рух у кристалі, то місце, де відсутній валентний електрон, (називане, діркою), хаотично переміщається по ґратам. При наявності зовнішнього полючи дірка також буде рухатися в напрямку дії полючи, що відповідає переносу позитивного заряду, тобто електричному струму.

Цей вид електропровідності напівпровідника  називають дирочний електропровідністю у відмінності від раніше розглянутими електронними, обумовленими вільними електронами.

Напівпровідник, що має у вузлах ґрат тільки власні атоми, прийнято називати власним провідником; усі величини, що відносяться до нього, позначаються індексом і (від англійського слова intrinsic- властивий).

В електроніці часто застосовуються напівпровідники, у яких частина  атомів основної речовини у вузлах кристалічних ґрат заміщена атомами  домішки, тобто атомами іншої  речовини. Такі напівпровідники називаються  примісними. Для германія і кремнію найчастіше використовують пятивалентні і тривалентні домішки. До п’ятивалентним домішок відносяться фосфор, сурма, миш'як і ін.; до тривалентних - бор, алюміній, індій, галій.

При наявності п’ятивалентної домішки  чотири валентних електрони примесного атома разом з чотирма електронами сусідніх атомів утворять ковалентні зв'язки, а п'ятий валентний електрон виявляється "зайвим". Енергія зв'язку його зі своїм атомом  W_п набагато менше, ніж енергія W, необхідна для звільнення валентного електрона.

Завдяки невеликій енергії іонізації  W_n, п'ятий електрон навіть при кімнатній температурі може бути відірваний від свого атома за рахунок енергії теплового руху. При цьому утвориться вільний електрон, здатний переміщатися по кристалічним ґратам, і нерухомий позитивний заряд -атом домішки, що втратив цей електрон. Домішки такого виду, що віддають електрони, називаються донорними, а кристали з подібною домішкою - напівпровідниками п-типу..

При введенні тривалентної домішки примесний атом віддає три своїх валентних електрони для утворення ковалентних зв'язків із трьома прилеглими атомами. Зв'язок з четвертим атомом виявляється незаповненої, однак на неї порівняно легко можуть переходити валентні електрони із сусідніх зв'язків.

При перекиданні валентного електрона  на незаповнений зв'язок примісний  атом із приєднаним зайвим електронів утворить у ґратах нерухомий негативний заряд; крім того, у ґратах утвориться дірка, здатна переміщатися по ґратам і зумовлююча дирочну провідність напівпровідника. Домішки такого виду, що захоплюють електрони, називаються акцепторними, а кристал з акцепторною домішкою - напівпровідник р-типу.

 Електронно-дирочний  перехід

При легуванні однієї області напівпровідника акцепторною  домішкою, а іншої області - донорній, виникає тонкий перехідний шар, що володіє  особливими властивостями. У цьому  шарі, у результаті дифузії носії  заряду переміщаються відтіля, де їхня концентрація більше, туди, де їхня концентрація менше. Таким чином, з напівпровідника p-типу в полупроводник n-типу дифундують дірки, а з напівпровідника n-типу в полупроводник p-типу дифундують електрони. При цьому, вони поєднуються з наявними в сусідніх областях основними носіями протилежного знака - рекомбінують. У цьому випадку, у границі перехідного шару виникає область збіднена рухливими основними носіями заряду й володіюча високим опором - p-n перехід. Нерухомі іони, що залишаються по обох сторони граничного шару  створюють однакові за значенням, але різні за знаком просторові об'ємні заряди: у p-шарі - негативний, а в n-шарі - позитивний. Цей подвійний електричний шар створює електричне поле, що перешкоджає подальшому проникненню носіїв заряду і виникає стан рівноваги (мал. 1.2). При підключенні джерела струму так, що до області p-провідності приєднаний негативний полюс джерела, а до області n-провідності - позитивний полюс виникає поле, під впливом якого електрони і дірки будуть у великій кількості відповідно відштовхуватися в глиб  напівпровідників (мал. 1.3).

P-n перехід збільшиться,  його опір зросте й у ланцюзі  напівпровідникового діода електричного струму практично не буде. Однак незначній кількості неосновних носіїв зарядів (позитивних) з n-області і (негативних) з p-області, що мають великі швидкості, удасться проскочити p-n-перехід, і в ланцюзі буде протікати дуже невеликий струм, називаний зворотним струмом.

Подвійний електричний шар аналогічний  конденсатору, у якому роль діелектрика  грає замикаючий шар, що має значний  опір. Ємність p-n-переходу, що виникає  в цьому випадку зветься бар'єрної. Ця ємність виявляється нелінійно залежної від зворотного замикаючого напруги. З ростом зворотної напруги товщина замикаючого шару збільшується, а ємність - зменшується (мал.1.4).

При зміні полярності джерела, підключеного до діода, електрони n-області і дірки p-області будуть взаємно притягатися і переміщатися до границі цих напівпровідників. P-n перехід звужується, його опір різке  зменшується, і створюються умови  для переходу великої кількості електронів з n-області в p-область, а отже, для переходу дірок у протилежному напрямку. При такім включенні напівпровідникового діода в ланцюзі з'явиться значний електричний струм, що носить назва прямого струму.

Сила прямого струму в напівпровідниках нелінійно залежить від величини прикладеного до них напруги.

З опису процесу, що відбуває на границі двох напівпровідників з  різної за знаком провідністю, випливає, що вони володіють, як і електронна лампа- діод, однобічною провідністю. Це значить, що при напрямку електричного полючи, створюваного прикладеним до напівпровідників прямою напругою , діод пропускає струм і опір його малий, а при зворотному напрямку цього полючи , створюваного прикладеним до напівпровідників зворотною напругою, опір діода великий, а струм у його ланцюзі дуже малий.

На мал.1.5 показана типова нелінійна характеристика діода. Вольтамперна характеристика діода описується співвідношенням , де I₀ - зворотний струм p-n переходу, U прикладена напруга, j - температурний потенціал, при 300К j =26мв . Для більшої наочності крива прямого струму (права частина графіка) і крива зворотного струму (ліва частина графіка) побудовані в різних масштабах. Схожими властивостями володіє і контакт напівпровідника з металом, що використовується в діодах Шотки.

 

Питання:

1. Що таке напівпровідник?
2. Що являється носієм заряду в напівпровіднику?
3. Що таке електронно-дирочний перехід?

Література:

Лавриненко  В.Ю.  Справочник  по  полупроводни-

ковым приборам. - Киев: Техніка, 1984. - 410 с.

Лекція №4

Інтегральні схеми

План 

 Поняття та особливості відкриття інтегральних схем

 Рівні проектування

 Класифікація інтегральних  схем, технологія виготовлення

Призначення

Аналогово-цифрові схеми 

ІНТЕГРАЛЬНА СХЕМА - електронний прилад, який скла-дається з багатьох мініатюрних транзисто-рів та інших елементів схеми, об'єднаних у моноблок (чіп). 
Роберт Нойс (1927-1990) і Джек С. Кілбі (1923) однаковою мірою вважаються авторами головного винаходу століття інформаційних технологій. Не знаючи один одного, вони вирішили проблему мінімізації дискретних елементів монтажної плати комп’ютера та перенесення їх на пластину з кремнію (Нойс) і германію (Кілбі). Це значно збільшило продуктивність комп’ютера й одночасно скоротило його вартість. Інтегральна схема, як і раніше, залишається ключовим досягненням ери електроніки. 
У 2000 році Нобелівську премію одержали автори робіт з двох основних напрямів електронної напівпровідникової компонентної бази інформаційних технологій. Джек Кілбі — за винахід інтегральних схем. Я не говоритиму про це багато, оскільки інтегральні кремнієві схеми, кремнієва мікроелектроніка — стовпова дорога розвитку сучасної мікроелектроніки. То був визначний крок. Адже створення транзистора означало появу приладу, енергетично вигіднішого, ніж вакуумні лампи, приладу, який зробив можливою мініатюризацію. Кілбі першим здогадався, що треба принципово інакше розв'язувати цю задачу. Коли ми маємо у кристалі транзисторну структуру на основі р-n-переходів, то можемо їх використати як елементи ємності і робоче тіло напівпровідника, створюючи таким чином інтегральні R-C-ланцюги. І те, що здається сьогодні тривіальним, насправді було нетривіальною і непростою ідеєю, коли Кілбі її запропонував.  
Звичайно, за цей час мікроелектроніка здолала гігантський шлях розвитку. Перші інтегральні схеми, зроблені Кілбі на основі германію і лише пізніше реалізовані ним на основі кремнію (колишній співробітник Кілбі Нойс, який помер у 1990 р. і тому не зміг розділити успіх свого колеги, майже відразу запропону вав схеми на основі унікальних властивостей двоокису кремнію), мали два транзистори і два R-C-ланцюги, а їхня площа становила кілька квадратних сантиметрів. Сьогоднішні ж інтегральні схеми — це 10 млн. транзисторів на такій самій площі. Протягом тривалого часу щороку подвоювалася кількість компонентів інтегральних схем. Сьогодні цей проміжок часу трохи подовжився: кількість компонентів інтегральних схем подвоюється кожні півтора року. 
1. Поняття та особливості відкриття інтегральних схем 
Інтегральна (мікро)схема (ІС, ІМС, МС), чіп, мікрочіп (англ. chip — тріска, уламок, фішка) — мікроелектронний пристрій — електронна схема довільної складності, виготовлена на напівпровідниковому кристалі (чи плівці) і поміщена в нерозбірний корпус.  
Часто під інтегральною схемою (ІС) розуміють власне кристал або плівку з електронною схемою, а під мікросхемою (МС) — ІС, вкладену в корпус.  
У той же час вираження «чіп компоненти» означає «компоненти для поверхневого монтажу» у відмінності від компонентів для традиційної пайки в отвори на платі.  
Тому вірніше говорити «чіп мікросхема», маючи на увазі мікросхему для поверхневого монтажу. В даний момент (2006 рік) велика частина мікросхем виготовляється в корпусах для поверхневого монтажу. 
У 1958 році двоє вчених, що живуть у зовсім різних місцях, винайшли практично ідентичну модель інтегральної схеми. Один з них, Джек Кілби, працював на Texas Instruments, іншої, Роберт Нойс, був власником компанії по виробництву напівпровідників Fairchild Semiconductor Corporation. Обох об'єднало питання: «Як у мінімум місця вмістити максимум компонентів?». Транзистори, резистори, конденсатори й інші деталі в той час розміщалися на платах окремо, і учені вирішили спробувати їх об'єднати в один монолітний кристал з напівпровідникового матеріалу. Тільки Кілби скористався германієм, а Нойс віддав перевагу кремнію.  
У 1959 році вони окремо один від одного одержали патенти на свої винаходи — почалося протистояння двох компаній, що закінчилося мирним договором і створенням спільної ліцензії на виробництво чіпів. Після того як у 1961 році Fairchild Semiconductor Corporation пустила чіпи у вільний продаж, їхній відразу стали використовувати у виробництві калькуляторів і комп'ютерів замість окремих транзисторів, що дозволило значно зменшити розмір і збільшити продуктивність. 
2. Рівні проектування 
· Фізичний — методи реалізації одного транзистора (або невеликої групи) у виді легованих зон на кристалі.  
· Електричний — принципова електрична схема (транзистори, конденсатори, резистори і т.п.).  
· Логічний — логічна схема (логічні інвертори, елементи ИЛИ-НІ, И-НІ і т.п.).  
· Схемо- і системотехнічний рівень — схемо- і системотехнічна схеми (тригери, компаратори, шифратори, дешифратори, АЛУ і т.п.).  
· Топологічний — топологічні фотошаблони для виробництва.  
· Програмний рівень (для мікроконтролерів і мікропроцесорів) — команди ассемблера для програміста.  
В даний час велика частина інтегральних схем розробляється за допомогою САПР, що дозволяють автоматизувати і значно прискорити процес одержання топологічних фотошаблонів. 
3. Класифікація інтегральних схем, технологія виготовлення 
Ступінь інтеграції 
У СРСР минулому запропоновані наступні назви мікросхем у залежності від ступеня інтеграції (у дужках кількість елементів для цифрових схем): 
· МІС — мала інтегральна схема (до 100 елементів у кристалі);  
· СІС — середня інтегральна схема (до 1 000);  
· ВІС — велика інтегральна схема (до 10 000);  
· ЗВІС — зверхвелика інтегральна схема (до 1 мільйона);  
· УВІС — ультравелика інтегральна схема (до 1 мільярда);  
· ГВІС — гігавеликі (більш 1 мільярда).  
В даний час назва ГВІС практично не використовується (наприклад, останні версії процесорів Pentium 4 містять поки кілька сотень мільйонів транзисторів), і всі схеми з числом елементів, що перевищують 10 000, відносять до класу ЗВІС, вважаючи УВІС його підкласом. 
Технологія виготовлення 
· Напівпровідникова мікросхема — всі елементи і межелементние з'єднання виконані на одному напівпровідниковому кристалі (наприклад, кремнію, германія, арсеніду галію).  
· Плівкова мікросхема — всі елементи і межелементние з'єднання виконані у виді плівок:  
o товстоплівкова інтегральна схема;  
o тонкоплівкова інтегральна схема.  
· Гібридна мікросхема — крім напівпровідникового кристалу містить трохи безкорпусних діодів, транзисторів і(чи) інших електронних компонентів, поміщених в один корпус.  
Вид оброблюваного сигналу 
· Аналогові  
· Цифрові  
· Аналого-цифрові  
Аналогові мікросхеми — вхідні і вихідні сигнали змінюються за законом безупинної функції в діапазоні від позитивного до негативної напруги харчування. 
Цифрові мікросхеми — вхідні і вихідні сигнали можуть мати два значення: логічний чи нуль логічна одиниця, кожному з який відповідає визначений діапазон напруги. Наприклад, для мікросхем Ттл-логіки при харчуванні +5 В діапазон напруги 0...0,8 В відповідає логічному нулю, а діапазон 2,4...5 У відповідає логічній одиниці. Для мікросхем Есл-логіки при харчуванні ?5,2 В: логічна одиниця — це ?0,8...?1,03 В, а логічний нуль — це ?1,6...?1,75 В. 
Аналого-цифрові мікросхеми сполучають у собі форми цифрової й аналогової обробки сигналів. В міру розвитку технологій одержують усе більше поширення. 
Основним елементом аналогових мікросхем є транзистори (біполярні чи польові). Різниця в технології виготовлення транзисторів істотно впливає на характеристики мікросхем. Тому нерідко в описі мікросхеми вказують технологію виготовлення, щоб підкреслити тим самим загальну характеристику властивостей і можливостей мікросхеми. У сучасних технологіях поєднують технології біполярних і польових транзисторів, щоб домогтися поліпшення характеристик мікросхем. 
· Мікросхеми на уніполярних (польових) транзисторах — самі економічні (по споживанню струму):  
o МОП-логіка (метал-окисел-напівпровідник логіка) — мікросхеми формуються з польових транзисторів n-МОП чи p-МОП типу;  
o КМОП-логіка (комплементарна МОП-логіка) — кожен логічний елемент мікросхеми складається з пари взаємодоповнюючих (комплементарних) польових транзисторів (n-МОП і p-МОП).  
· Мікросхеми на біполярних транзисторах:  
o РТЛ — резисторно-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);  
o ДТЛ — діод-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);  
o ТТЛ — транзисторно-транзисторна логіка — мікросхеми зроблені з біполярних транзисторів із багатоемітерними транзисторами на вході;  
o ТТЛШ — транзисторно-транзисторна логіка з діодами Шотки — удосконалена ТТЛ, у якій використовуються біполярні транзистори з ефектом Шотки.  
o ЕСЛ — еміттерно-звязана логіка — на біполярних транзисторах, режим роботи яких підібраний так, щоб вони не входили в режим насичення, — що істотно підвищує швидкодію.  
КМОП і ТТЛ (ТТЛШ) технології є найбільш поширеними логіками мікросхем. Де небходимо заощаджувати споживання струму, застосовують Кмоп-технологию, де важливіше швидкість і не потрібно економія споживаної потужності застосовують Ттл-технологію. Слабким місцем Кмоп-микросхем є уразливість від статичної електрики — досить торкнутися рукою висновку мікросхеми і її цілісність уже не гарантується. З розвитком технологій ТТЛ і КМОП мікросхеми по параметрах зближаються і як наслідок, наприклад, серія мікросхем 1564 — зроблена за технологією КМОП, а функціональність і розміщення в корпусі як у ТТЛ технології. 
Мікросхеми, виготовлені по Есл-технології є найшвидшими, але найбільше енергоспоживаючими і застосовувалася при виробництві обчислювальної техніки, коли найважливішим параметром була швидкість обчислення. У СРСР самі продуктивні ЕОМ типу ЄС106х виготовлялися на Есл-мікросхемах. Зараз ця технологія використовується рідко. 
4. Призначення 
Інтегральна мікросхема може володіти закінченим, як завгодно складним, функціоналом — аж до цілого мікрокомп'ютера (однокристальний мікрокомп'ютер). 
Аналогові схеми 
· Операційні підсилювачі  
· Генератори сигналів  
· Фільтри (у тому числі на пьезоеффекте)  
· Аналогові умножители  
· Стабілізатори джерел харчування  
· Мікросхеми керування імпульсних блоків харчування  
· Перетворювачі сигналів  
Цифрові схеми 
· Логічні елементи  
· Тригери  
· Регістри  
· Буферні перетворювачі  
· Модулі пам'яті  
· Мікроконтролери  
· (Мікро)процесори (у тому числі ЦПУ в комп'ютері)  
· Однокристальні мікрокомп'ютери  
5. Аналогово-цифрові схеми 
· ЦАП і АЦП  
В електроніці цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) — пристрій для перетворення цифрового (звичайно двоичного) коду в аналоговий сигнал (струм, чи напруга заряд). Цифро-аналогові перетворювачі є інтерфейсом між абстрактним цифровим світом і реальними аналоговими сигналами. 
Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) робить зворотну операцію. 
Звичайно ЦАП одержує на вхід цифровий сигнал в імпульсно-кодовій модуляції (PCM — pulse-code modulation). Задача перетворення різних стиснутих форматів у PCM виконується відповідними кодеками. 
Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) — пристрій, що перетворить вхідний аналоговий сигнал у дискретний код (цифровий сигнал). Зворотне перетворення здійснюється за допомогою ЦАП (цифро-аналогового перетворювача). 
Як правило, АЦП — електронний пристрій, що перетворить напруга в двоичное цифровий код. Проте, деякі неелектронні пристрої, такі як перетворювач ріг-код, варто також відносити до АЦП. 
Серії мікросхем 
Аналогові і цифрові мікросхеми випускаються серіями. Серія — це група мікросхем, що мають єдине конструктивно-технологічне виконання і призначені для спільного застосування. Мікросхеми однієї серії, як правило, мають однакові напруги джерел харчування, погоджені по вхідних і вихідних опорах, рівням сигналів. 
Корпуса мікросхем 
Мікросхеми випускаються в двох конструктивних варіантах — корпусному і бескорпусном. 
Бескорпускная мікросхема — це напівпровідниковий кристал, призначений для монтажу в гібридну чи мікросхему мікрозборку. 
Корпус — це частина конструкції мікросхеми, призначена для захисту від зовнішніх впливів і для з'єднання з зовнішніми електричними ланцюгами за допомогою висновків. Корпуси стандартизовані для спрощення технологічного процесу виготовлення виробів з різних мікросхем. Число стандартних корпусів обчислюється сотнями! 
У російських корпусах растояние між висновками виміряється в милиметрах і найбільше часто це 2,5 мм чи 1,25 мм. В імпортних мікросхем растояние вимірюють у дюймах, використовуючи величину 1/10 чи 1/20 дюйма, що відповідає 2,54 і 1,28 мм. У корпусах до 16 висновків ця різниця не значна, а при великих розмірах идеинтичние корпуса вже несумісні. 
У сучасних імпортних корпусах для поверхневого монтажу застосовують і метричні розміри: 0,8 мм; 0,65 мм і інші. 
Специфічні назви мікросхем 
З великої кількості цифрових мікросхем виготовлялися процесори. Фірма Intel першої виготовила мікросхему Intel 4004, що виконувала функції процесора. Такі мікросхеми одержали назва мікропроцесор. Мікропроцесори фірми Intel удосконалювалися: Intel 8008, Intel 8080, Intel 8086, Intel 8088 (на основі двох останніх мікропроцесорів, фірмою IBM, були випущені перші персональні комп'ютери). 
Мікропроцесор виконує в основному функції АЛУ (арифметико-логічний пристрій), а додаткові функції зв'язку з периферією виконувалися за допомогою спеціально для цього виготовлених наборів мікросхем. Для перших мікропроцесорів число мікросхем у наборах обчислювалося десятками, а зараз це набір із двох-трьох мікросхем, що одержав термін чипсет. 
Мікропроцесори з убудованими контролерами пам'яті і введення-висновку, ОЗУ і ПЗУ, а також іншими додатковими функціями називають мікроконтролерами.

Питання:

1. Дайте визначення інтегральної схеми?

2. Які є рівні проектування?

3. Яка класифікація інтегральних мікросхем?

4. Де використовують інтегральні мікросхеми?

Література: 
Абрамов И.И. Лекции по моделированию элементов интегральных схем. – М., 2002. 
Мазор Ю., Мачуський Є. Радіотехніка. Енциклопедичний навчальний довідник. – К., 2001.  
Прищепа М.М., Погребняк В.П. Мікроелектроніка: В 3 ч. Ч. 2. Елементи мікросхемотехніки. – К., 2006.

Лекція №5

Збірка  напівпровідникових приладів

і інтегральних мікросхем

План

Особливості процесу  збірки 

Приєднання кристала до основи корпусу

Приплавлення з використанням  евтектичних сплавів.

Приклеювання 

Особливості процесу збірки

Збірка напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем є найбільш трудомістким і відповідальним технологічним етапом в загальному циклі їх виготовлення. Від якості складальних операцій в сильній мірі залежать стабільність електричних параметрів і надійність готових виробів.

Етап зборки починається  після завершення групової обробки  напівпровідникових пластин за планарною  технологією і розділення їх на окремі елементи (кристали). Ці кристали, можуть мати просту (діодну або транзисторну) структуру або включати складну  інтегральну мікросхему (з великою кількістю активних і пасивних елементів) і поступати на зборку дискретних, гібридних або монолітних композицій.

Трудність процесу збірки полягає в тому, що кожен клас дискретних приладів і ІМС має  свої конструктивні особливості, які вимагають цілком певних складальних операцій і режимів їх проведення.

Процес збірки включає  три основні технологічні операції: приєднання кристала до основи корпусу; приєднання струмовідний виводів до активних і пасивних елементів напівпровідникового  кристала до внутрішніх елементів корпусу; герметизація кристала від зовнішнього середовища.

Приєднання кристала до основи корпусу

Приєднання кристала напівпровідникового приладу або  ІМС до основи корпусу проводять  за допомогою процесів пайки, приплавлення з використанням евтектичних сплавів і приклеювання.

Основною вимогою до операції приєднання кристала є створення  з’єднання  кристал  основа корпусу, що має високу механічну міцність, хорошу електро і теплопровідність.

Пайка - процес з' єднання двох різних деталей без їх розплавлення за допомогою третього компонента, званого припаєм. Особливістю процесу пайки є те, що припай при утворенні паяного з'єднання знаходиться в рідкому стані, а деталі, що сполучаються, в твердому.

Суть процесу пайки  полягає в наступному. Якщо між деталями, що сполучаються, помістити прокладення з припаю і усю композицію нагрівати до температури плавлення припою, то матимуть місце наступні три фізичні процеси. Спочатку розплавлений  припій змочує поверхні деталей, що сполучаються. Далі в змочених місцях відбуваються процеси міжатомного взаємодією між припоєм і кожним з двох змочених їм матеріалів. При змочуванні можливі два процеси: взаємне розчинення змоченого матеріалу і припою або їх взаємна дифузія. Після охолодження нагрітої композиції припій переходить в твердий стан. При цьому утворюється міцне паяне з‘єднання  між початковими матеріалами і припаєм.

Процес пайки добре  вивчений, він простий і не вимагає  дорогого устаткування. При серійному  випуску виробів електронної  техніки припаювання напівпровідникових кристалів до підстав корпусів виробляється в конвеєрних печах, що обладає високою продуктивністю. Пайка проводитися у відновлюваючому (водень) або нейтральному (азот, аргон) середовищі. У печі завантажують багатомісні касети, в які попередній поміщають підстави корпусів, навішування припою і напівпровідникові кристали. При русі конвеєрної стрічки касета з з’єднаними деталями послідовно проходять зони нагріву, постійної температури, охолодження. Швидкість руху касети і температурний режим задають і регулюють відповідно до технологічних і конструктивних особливостей конкретного типу напівпровідникового приладу або ІМС.

Разом з конвеєрними  печами для припаювання напівпровідникових кристалів до основи корпусу використовують установки, які мають одну індивідуальну позицію, що нагрівається, на якому встановлюють тільки одну деталь корпусу (ніжку) і один напівпровідниковий кристал. При роботі на такій установці оператор за допомогою маніпулятора встановлює кристал на основу корпусу і виробляє короткочасний нагрів з’єднаного вузла. У зону нагріву подається інертний газ. Цей спосіб з' єднання деталей дає добрі результати за умови попереднього лудіння поверхонь кристала і основи корпусу, що сполучаються.

Процес приєднання кристала пайкою підрозділяють на низькотемпературний (до 400°С) і високотемпературний (вище 400°С). Як низькотемпературні припаї використовують сплави  на основі свинцю і олова з добавками (до 2%) сурми або вісмуту. Добавка сурми або вісмуту в олов'яно-свинцевий припій дозволяє уникнути появи "олов'яної чуми" в готових приборах і ІМС при їх експлуатації і тривалому зберіганні. Високотемпературний припаї виготовляють на основі срібла (ПСр- 45, ПСр- 72 та ін.).