Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Введение

        В современном мире уже невозможно обойтись без всевозможных электронных приборов и гаджетов. Большинство из них имеют настолько малые размеры и настолько широкий круг применения, что двадцать лет назад это казалось просто невозможным. Сегодня мы не можем представить себя без телефона или компьютера, а ведь раньше компьютер нельзя было взять в подмышку или положить в сумку, они занимали огромные площади: ангары и комнаты.            

       Уменьшению размеров электронных устройств человечество должно быть обязано прогрессу в электронике, а именно – созданию интегральных схем, которые являются фактически уменьшенными копиями проводящих электрических схем со всевозможными емкостными элементами, резистивными и индуктивными. Сохраняя те же самые характеристики, они предоставляют нам новые возможности. Со временем стало недостаточным использовать обычные интегральные схемы, например, в создании суперкомпьютеров, и тогда придумали ультрабольшие интегральные схемы (УБИС), которые открывают новые горизонты для мощностей и размеров.

         ИС по сути есть кристалл, изготовленный на пластине или плёнке, а в самом кристалле находится электронная схема. При нынешних технологиях УБИС могут содержать от 1­­–10 млн. до 1 млрд. элементов в каждом кристалле [1] .

МОП – транзисторы

        Полевые транзисторы со структурой металл — окисел — полупроводник обычно называются МОП - транзисторами. Такая структура впервые была предложена в 1930 г. Лилиенфельдом, но первый работающий прибор был изготовлен лишь в 1960 г. Кангом и Аталлой [2].

        В УБИСах МОП - транзисторы представлены как сильнолегированный поликремний в роли затвора, двуокись кремния в роли изолятора и кремний в роли проводника [1]. Принципиальная схема транзистора представлена на рисунке 1.

        Окисел (на рисунке 1 ) характеризуется толщиной и сродством изолятора к электрону  .

        Затвор характеризуется энергией Ферми и работой выхода. Величина представляет собой разность между уровнем энергии в вакууме и энергетическим уровнем Ферми.

        Полупроводник характеризуется краем зоны проводимости, энергией Ферми, энергией Ферми для материала с собственной проводимостью, краем валентной зоны, сродством к электрону и работой выхода из полупроводника.

        С данной структурой существует два вида транзисторов: с индуцированным и встроенным. Встроенный канал означает что при нулевом напряжении затвор-исток канал транзистора открыт (т.е. проводит ток); для закрытия канала нужно приложить к затвору напряжение определенной полярности. Канал приборов с индуцированным каналом закрыт (не проводит ток) при нулевом напряжении затвор-исток; для открытия канала нужно приложить к затвору напряжение определенной полярности. В цифровой и силовой технике обычно применяются транзисторы только с индуцированным каналом. В аналоговой технике используются приборы обоих типов.

        МОП - транзисторы управляются напряжением, так как, из-за изолированного управляющего электрода (затвора) эти транзисторы имеют очень высокое сопротивление.

Рис. 1. Структура МОП – транзистора

Биполярные транзисторы

        Со временем все больше стали использоваться БПТ – транзисторы, изобретенные в 1947 г. Они играли ключевую роль в разработке ИС. БПТ структуры позволяют добиться высокого быстродействия и большого выходного тока.

        Для обеспечения высокого быстродействия при малых токах необходимо, чтобы размеры в горизонтальном направлении были максимально малыми, но и размеры в вертикальном направлении также должны быть малы, чтобы обеспечивались минимальные значения емкостей переходов [1].

        Биполярный транзистор представляет из себя трехэлектродный полупроводниковый прибор, каждый электрод которого подключен к трем последовательно расположенным слоям полупроводника с различным типом проводимости. По этим типам проводимости различают n-p-n  и p-n-p- транзисторы [2].

        Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых слоёв: эмиттера E, базы B  и коллектора C.

        В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход открыт, а коллекторный переход становится закрытым. Рассмотрим n-p-n транзистор: основные носители тока в эмиттере проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе, часть проникает обратно в эмиттер. Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектированная из эмиттера, диффундирует (проникает) в область коллектора. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера. Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α=0.9 — 0.999, чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен b=a\(1-a)=(10 — 1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора. Схема n-p-n- транзистора показана на рисунке 2.

Рис. 2. Поперечное сечение n-p-n транзистора

МеП – транзисторы

         Использование контактов металл — полупроводник для соединения транзисторов в ИС, в особенности в случае арсенида галлия и других подобных соединений, основано на том, что приборы на этих контактах отличаются особо высоким быстродействием. Этот контакт — металл может иметь активную обедненную область с той стороны контакта, которая лежит в полупроводнике. Толщина этой области может легко модулироваться. Управление модуляцией толщины обедненного слоя у таких барьеров Шотки практикуется в полевых транзисторах. Такие транзисторы и будут называться МеП – тринзисторами.

        МеП – транзистор может работать в режиме обеднения и обогащения. При режиме обеднения канал транзистора обычно открыт и через него может протекать ток. Приложив отрицательный потенциал, расширяется обедненная область, приводя к закрытию канала: ток уменьшается.

        При режиме обогащения толщина канала делается очень малой и канал оказывается закрыт. Положительный потенциал на затворе откроет канал и даст возможность протечь току. Схема Меп- транзистора изображена на рисунке 3.

        В настоящее время МеП – транзисторы используются чаще всего в арсенид - галлиевых логических ИС и СВЧ - приборах.

Рис. 3.Схематическое представление МеП – транзистора

Взаимодействие приборов друг с другом

        Ясно, что полная функция ИС определяется расположением соединительных металлизированных частей, предназначенных для взаимодействия отдельных приборов друг с другом. Существует большое количество механизмов взаимодействия между различными приборами, а также таких эффектов, как емкостная связь, взаимное проникновение волновых функций (туннелирование и протекание зарядов) [1].

        При архитектурном проектировании УБИС следует учитывать ограничения и легче всего это сделать еще при теоретическом описании самой архитектуры.

        В масштабах целой схемы управлением массивом будет осуществляться с помощью управляющих полей, а также входных токов или напряжений обратной связи. Все это образует систему обобщения сил, зависящую от количества приборов в УБИСе и это количество может превосходить 10⁷.

        В структурах УБИС наиболее часто наблюдаемые явления взаимодействия приборов связаны с тиристорным эффектом и эффектами, обусловленными горячими носителями. Этот эффект вызывает возрастание тока подложки кристалла и тока неосновных носителей. В настоящее время с тиристорным эффектом борются следующим способом: снижением коэффициента усиления потока, жесткой регулировкой смещения и принятием определенных ограничений при проектировании УБИСов. Коэффициент усиления транзисторов можно снижать путем уменьшения жизни в базовой области, снижая эффективность коллектора, а также увеличивая размеры базы в горизонтальном направлении.

Заключение

        Конспект по книге представляет из себя лишь частичное ознакомление со структурой ультрабольших интегральных схем и видами приборов, использующихся в них, а также их взаимодействие, описание и принцип работы.

Список литературы

1. http://bookfi.org/book/618225 – Ферри Д., Эйкерс Л., Гринич Э. Электроника ультрабольших интегральных схем: Пер. с англ.  — М.: Мир. 1991. —327 с., ил.

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80 ­– Википедия: Транзистор.

3. Лапшинский В.А. Информатика: Компьютерный практикум: решение практических задач в среде MS.Office. – М.: МИФИ, 2007. – 104 с.

4. http://www.moskva-kniga.ru/encyclopedias/67-electronics.html – История отечественной электроники, 2012 г., том 1, под ред. Якунина А. С., стр.632

5. http://softlabirint.ru/book/18647-samouchitel-office-2013-vladimir-ptashinskiy-2013-pdf.html – Пташинский В. 
Самоучитель Office 2013. ­– М: Эксмо, 290 с.

6. Леонтьев В.П. Новейший самоучитель Office 2013 и Office 365. – М.: ОЛМА Медиа Групп, 2013. – 320 с.