Национальный исследовательский ядерный университет
«Московский инженерно-физический институт»
Факультет «Автоматика и электроника физических установок»
Кафедра «Микро и наноэлектроники»
Курс «Применение персональных компьютеров»
Современная микросхемотехника
Группа: А04-09
Выполнил: Суслин А.М.
Преподаватель: доцент Лапшинский В.А.
Москва 2015
Версия 2.2 от 23.04.15
Suslin
Aut viam inveniam, aut faciam...
Аннотация
Интегральные микросхемы и иные средства микроэлектроники в наши дни стали настолько привычны, что ни для кого не будет являться секретом наличие, к примеру, в современных вычислительных машинах, или иных более сложных электронных устройств, сотен или тысяч электротехнических составляющих. Но что они из себя представляют, как работают? В представленной работе читатель знакомится лишь с малой частью основных понятий устройства и работы интегральных микросхем как цифрового, так и аналогового принципов действия. В работе затрагиваются математические основы и способы проектирования ИС, а также инженерные способы их реализации.
Глоссарий
ИС — интегральная схема;
МЭА — микроэлектронная аппаратура;
ЛЭ — логический элемент;
СДНФ — совершенная дизъюнктивная нормальная форма функции f;
СКНФ — совершенная конъюнктивная нормальная форма функции f;
БИС — большая интегральная схема;
МП — микропроцессор;
ЭВМ — электронная вычислительная машина;
ОЗУ — оперативное запоминающее устройство;
УВД — устройство ввода-вывода;
ОУ — операционный усилитель;
МИС — малая интегральная схема;
СИС — средняя интегральная схема;
СБИС — сверхбольшая интегральная схема.
Конструкция ИС. Планарная технология
Часть элементов современных ИС построено на основе планарной технологии. Её сущность заключается в управлении свойствами твёрдого тела со стороны плоской поверхности пластины, называемой подложкой. Подложку получают из слитка полупроводника (имеющего монокристаллическую структуру), защищённого слоем окисла. Далее полученную систему подвергают фотолитографии. Суть процесса состоит в нанесении фоторезиста, который в дальнейшем экспонируется светом через фотошаблон с заданным рисунком. Затем проводится удаление участков окисла, не покрытых фоторезистом. В результате отдельные участки поверхности полупроводника оказываются не защищёнными окислом. Следующей стадией производства является полное удаление фоторезиста и обработка полупроводниковых пластин в диффузионных печах. Именно на этом этапе, путём диффузии участков подложки не защищённых окислом с потоком инертного газа, происходит внедрение атомов примеси в узлы кристаллической решётки полупроводника. В результате такой обработки в монокристалле полупроводника формируются области проводимости p- и n- типов, которые образуют физическую структуру элементов ИС (рисунок 1). Для формирования нужной структуры операцию фотолитографии и диффузии проводят несколько раз [1] [2].
Рисунок 1 — Этапы формирования изолирующих электронно-дырочных переходов при планарно-эпитаксиальной технологии
а — отполированная пластина монокристалла кремния n- типа (1); б — пластина защищена слоем (2) и покрыта слоем фоторезиста (3); в — экспонирование фоторезиста через фотошаблон и полимеризация участков фоторезиста (3), не подлежащих стравливанию; г — стравливание слоя на участках (окнах), не защищённых полимеризованным фоторезистом (4) с последующим удалением остатков фоторезиста (3). Первая n+- диффузия примеси n- типа, создание областей n+- типа (5); д — удаление окисла с поверхности кристалла, эпитаксиальное наращивание слоя кремния n- типа (6) и последующее окисление (7); е — вторая фотолитография и вторая (разделительная) диффузия примеси p- типа в разделительной области (8). Образование изолирующих p-n- переходов (9) между отдельными областями n-n+- типа (5,6).
Цифровые ИС
Цифровые ИС оперируют с информацией, представленной в дискретной двоичной форме в виде комбинации двух цифр — нуля и единицы. Цифровые ИС выполняют арифметические действия и операции двузначной алгебры — алгебры логики, называемой также булевой алгебры. Логические методы анализа и синтеза цифровых цепей являются основой микросхемотехники цифровых ИС, обеспечивают реализацию весьма сложных цифровых устройств из ограниченного набора простейших логических схем [1].
Алгебра логики
Цифры 0 и 1 служат в цифровых ИС символами для представления информации, обрабатываемой по законам алгебры логики. Символы 0 и 1 в алгебре логики не имеют никакого количественного смысла и употребляются для обозначения и исчисления высказываний. Знак плюс обозначает логическое сложение (дизъюнкцию), а знак умножения — логическое умножение (конъюнкцию). Знак равенства символизирует логическую «эквивалентность». Таким образом, соотношения алгебры логики записывают через симметричные операции эквивалентности и инверсии, дизъюнкции и конъюнкции. Определение этих операций даётся с помощью таблиц истинности, содержащих перечисление всех возможных сочетаний входных переменных (таблица 1). Используя методы булевой алгебры, можно анализировать и синтезировать структурные схемы цифровых устройств, т. е. проводить их логическое проектирование [1].
Таблица 1
Большие интегральные схемы
Структуры современных БИС микропроцессоров (МП) в основном соответствуют структурам процессоров мини-ЭВМ. Операционная часть МП — арифметический логический блок производит различные операции — преобразования машинных слов. Управляющий блок МП обеспечивает управление ходом вычислений, выборку команд из памяти, их расшифровку в нужную последовательность микроопераций. Типовая структура МП с фиксированной разрядностью (рисунок 2) содержит общую магистральную шину для обмена результатами работы блоков МП, передачи адресов и команд. Регистры общего назначения служат для хранения промежуточной информации, получающейся при вычислениях. Микропроцессор работает совместно с внешними БИС — оперативными запоминающими устройствами (ОЗУ) и устройствами ввода-вывода (УВД). Микропроцессоры с фиксированной разрядностью являются специализированными изделиями, в которых набор выполняемых команд ограничен и часто заранее фиксирован. Расширение области применения МП достигается путём перехода к структурам с наращиваемой разрядностью и микропрограммным управлением. Таким образом, происходит универсализация МП [1].
Рисунок 2 — Структура микропроцессора с фиксированными разрядностью и набором команд
Микросхемотехника аналоговых устройств
Аналоговые ИС оперируют с информацией в аналоговой форме, не закодированной в цифры, т. е. в форме непрерывных функций, представленных в виде напряжений или токов. Над этими функциями выполняются аналоговые операции усиления, сравнения, перемножения, фильтрации, формирования сигналов. Аналоговые устройства осуществляют преобразования, которые используются в усилительных, измерительных, импульсных устройствах, приборов связи и т.п. Внедрение ИС позволило обеспечить существенный прогресс в аналоговой технике. Удалось существенно унифицировать схемные решения, повысить технологичность изготовления аппаратуры, улучшить её технические показатели. Использование ИС широкого применения позволило существенно уменьшить объём регулировочных и подстроечных операций при создании аналоговых устройств [1].
Интегральный операционный усилитель
Интегральные операционные усилители (ОУ) выпускаются как изделия массового применения, предназначенные для выполнения аналоговых функций в МЭА. Схемотехническая специализация ОУ осуществляется введением обратной связи и подключением внешних компонентов. Для того чтобы ОУ мог служить схемотехнической основой многочисленных схем, ему придаются свойства, приближающиеся к свойствам «идеального» усилителя: симметрия двух дифференциальных входов; усиление в достаточно широкой полосе частот, начиная от постоянного тока; нулевое напряжение на выходе ОУ при отсутствии сигналов на его входах; большие коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности; большие входные и малые выходные сопротивления; большой динамический диапазон сигналов на входах и выходах ОУ [1].
Функциональные изделия и схемы
Одним из примеров функционального изделия, применяемого при построении МЭА, может служить оптрон (рисунок 3), который обеспечивает передачу сигнала между двумя цепями при полной гальванической изоляции цепей. Оптрон состоит из оптоэлектронной пары: фотоизлучателя и фотоприёмника. Оптроны применяются для передачи сигналов в сложных системах, т.е. когда требуется свести к минимуму взаимовлияние блоков аппаратуры [1].
Рисунок 3 — Оптрон
а — оптрон с кремниевым фотодиодом; б — оптрон с кремниевым фототранзистором.
Заключение
Внедрение и дальнейшее использование ИС позволило сделать большой шаг в развитии электроники в целом. С помощью техники БИС в дальнейшем появилась возможность реализовать «Архитектурные» средства микроэлектроники, чья характерная особенность заключалась в снижение цен её элементов, что открыло большие возможности в введение элементной избыточности для улучшения характеристик электронной аппаратуры. Развитие схемотехники как опредёленной части «мира электроники» открыло путь к реализации с помощью аналоговых и цифровых БИС системы нового поколения, которые привели к ускорению технического прогресса, росту эффективности многочисленных отраслей народного хозяйства, связанных со средствами электроники.
Список литературы
1. Алексенко А.Г. — Современная микросхемотехника. — М.: Энергия, 1979. —112 с., ил. — (Массовая радиобиблиотека; Вып. 994);
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D4%EE%F2%EE%EB%E8%F2%EE%E3%F0%E0%F4%E8%FF — Википедия, о фотолитографии;
3. http://radio-hobby.org/modules/news/article.php?storyid=1072 — Приднестровский портал радиолюбителей;
Д. Кучеров, Журнал Радиоаматор, №3, 5 2011г — схемотехника блоков питания: ATX-350WP4, 2011. |
