Шумахер У. Полупроводниковая электроника

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 12 из 589 (September 3, 2010, 15:22)

12. ПОЛУПРОВОДНИКИ,1. Полупроводники, основные сведенияОСНОВНЫЕи историческийСВЕДЕНИЯобзор

И ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. Введение

Термином полупроводник описываются твёрдые материалы, которые по своей природе (из-за особенностей строения кристаллической решетки) и в зависимости от температуры могут иметь различное количество свободных электронов или дырок. В зависимости от количества свободных носителей заряда материалы будут иметь высокую или низкую проводимость, а величина, обратная проводимости — удельное электрическое сопротивление — для полупроводников при комнатной температуре будет лежать в диапазоне от 10–2 Ом·см (например, для арсенида индия и арсенида галия) до 106 Ом·см (для селена). Материалы, не имеющие свободных носителей заряда и вследствие этого обладающие высоким внутренним сопротивлением, называются диэлектриками (например, стекло (SiO2), слюда, янтарь, фарфор, поливинилхлорид (ПВХ)). Материалы, сохраняющие свою проводимость даже при низких температурах и имеющие в нормальных условиях чрезвычайно малое сопротивление, называются проводниками (алюминий, медь, серебро, золото). В отличие от твёрдых металлов, проводимость газов и жидкостей зависит от подвижности ионов этих веществ,

азначит, и от подвижности самого вещества.

Вследующих разделах мы будем говорить о полупроводниковых приборах, металлических проводниках, использующихся для создания межсоединений, и диэлектриках, служащих для разделения соседних компонентов. Способность объединить все эти элементы и наладить их экономически эффективное производство привела к успеху полупроводниковой промышленности и в результате позволила получить высокую степень интеграции компонентов (до 1 миллиарда элементов в одном приборе).

1.2. Исторический обзор

1.2.1. Полупроводниковые диоды

В 1939 году физики Вальтер Шоттки (Walter Schottky) и Эберхард Спенке (Eberhard Spenke), работавшие в компании Siemens&Halske, опубликовали научную ра-

боту «Zur quantitativen Durchfuhrung der Raumladungsund Randschichttheorie der Kristallgleichrichter» (Количественное выражение поверхностного заряда и теория поверхностных слоёв полупроводниковых диодов), в которой описывался принцип действия полупроводниковых диодов с переходом металл — полупроводник. Их работа основывалась на глубоких фундаментальных исследованиях, как теоретических, так и экспериментальных, подтверждающих, что описываемые переходы обладают выпрямительными свойствами, т.е. различным электрическим сопротивлением

взависимости от направления протекания тока. Вклад Шоттки в развитие полупроводниковой техники почитается и по сей день, полупроводниковые диоды со структурой металл — полупроводник называются диодами Шоттки.

Первые выпрямительные диоды изготавливались из селена и германия. Например,

вСВЧ технике, в особенности в радиолокации, германиевые диоды с точечным контактом стали использоваться с 1942 года. Для простых радиоприёмников диод успешно использовался в качестве детекторного элемента. С другой стороны, кремниевые диоды с самых первых этапов развития применялись в качестве выпрямителей.

1.2.2. Биполярные транзисторы

Значимым достижением была разработка транзистора, начавшаяся в 1945 году в лаборатории Белла под руководством Уильяма Шокли (William Shockley). В 1947 году, совместно с Вальтером Браттэйном (Walter Brattain) и Джоном Бардином (John Bardeen), Шокли создал на подложке из поликристаллического германия два диода с точечными контактами. 16 декабря 1947 года команда разработчиков случайно обнаружила, что изменение прямого напряжения, приложенного к одному диоду, приводит к изменению обратного тока второго диода. Они назвали этот эффект «транзисторным эффектом», а прибор — транзистором (от англ. transit — пропускать и resistor — резистор). Промышленное производство изначально оказалось слишком сложным,

					INFSEMI_2-Text.fm, стр. 13 из 589 (September 3, 2010, 15:22)
						1.2. Исторический обзор 13
	поскольку параметры приборов		имели	лы кремния выдерживают температуру до
	очень большой разброс. Первые улучше-			+150°C, а б‚ольшая ширина запрещённой
	ния стали появляться с разработкой плос-			энергетической зоны и более высокое внут-
	костного транзистора. Они были результа-			реннее сопротивление приводят к меньшим
	том революционной идеи Шокли — не ис-			значениям обратного тока. В дополнение к
	пользовать для создания переходов контак-			этому, кремний существует в природе прак-
	ты, а изготавливать их на кристалле путём			тически		в неограниченных		количествах.
	выборочного легирования четырёхвалент-			В 1952 году Г. Тил (G. Teal) и Э. Бухлер (E.
	ного германия трёхвалентными		(индий)	Buchler) представили второй метод (поми-
	или пятивалентными (мышьяк) материала-			мо зонной плавки) получения монокрис-
	ми, таким образом изменяя проводимость и			таллического кремния из расплава поли-
	свойства кристалла (структуру энергетичес-			кристаллического			кремния. Сегодня этот
	ких уровней). Он описал эту идею в 1949 го-			процесс более известен как метод Чохраль-
	ду, а в 1950 году создал первый германие-			ского. В 1953…1956 годах компания Siemens
	вый p-n-p-транзистор. Такой принцип изго-			разработала альернативный процесс полу-
	товления транзистора относится к сплав-			чения кристаллического кремния. При по-
	ным плоскостным транзисторам, посколь-			мощи этого процесса, так называемого хи-
	ку капля индия вплавляется в германий.			мического парофазного осаждения (ХПО),
		Первые транзисторы всё ещё изготавли-		из газовой среды осаждаются бруски почти
	вались из поликристаллического германия.			чистого, но поликристаллического крем-
	Этот материал имел недостаток, заключав-			ния. После этого производится зонная
	шийся в том, что дефекты кристаллической			плавка данных брусков методом, предло-
	решётки и посторонние примеси уменьша-			женным В. Дж. Пфанном (W.G. Pfann), в
	ли проводимость. На практике от указанно-			результате чего они не только очищаются,
	го недостатка удалось избавиться только			но и	становятся		монокристаллическими.
	когда стало возможным получать сверхчис-			Претерпев огромное количество усовер-
	тые монокристаллические материалы мето-			шенствований, данный процесс обработки
	дом зонной плавки.			кремния используется и по сей день.
		Другим новшеством стала диффузион-		В 1954 году Гордону Тилу удалось изгото-
	ная технология, разработанная лаборатори-			вить	первый кремниевый			биполярный
	ей Белла и компанией General Electric. Она			транзистор в лаборатории Белла. В 1956 го-
	была представлена на симпозиуме в 1955			ду он организовал промышленное произ-
	году. Преимущество данной технологии за-			водство транзисторов в компании Texas
	ключалось в том, что она позволяла точно			Instruments. Очень скоро эти приборы про-
	изготавливать слои заданной толщины с за-			демонстрировали			своё превосходство при
	данным количеством примесей. За свои но-			работе в низкочастотных схемах.
	ваторские изобретения и связанные с ними			В июне 1958 года работник лаборатории
	исследования и разработки Шокли, Бардин			Белла М. Аталла (M. Atalla) описал велико-
	и Браттэйн в 1956 году были награждены			лепные изоляционные свойства полученно-
	Нобелевской премией по физике.			го термическим путем диоксида кремния,
		Описание принципа работы биполярно-		(который встречается в природе в виде квар-
	го транзистора можно найти в подразделе			цевого песка). Используя этот материал, ста-
	1.3.1, где также рассматриваются биполяр-			ло возможным изготавливать планарные по-
	ные интегральные схемы.			лупроводниковые структуры, т.е. полупро-
	1.2.3. Победное шествие кремния			водниковые структуры, которые могут быть
				организованы слоями. Отдельные проводя-
		Преимуществом германия является его		щие слои разделяются чрезвычайно тонким
	высокая проводимость, поэтому он особен-			слоем диоксида кремния. Основным пре-
	но подходит для использования на высоких			имуществом такой конструкции является то,
	частотах. С другой стороны, кристалличес-			что слой оксида можно протравить в опреде-
	кая решетка германия не может выдержи-			ленных		местах,	обеспечивая	соединение
	вать без повреждения температуру свыше			между наложенными друг на друга слоями.
	+75°C. Кроме того, обратный ток вызывает			Кроме того, поверхность кристалла остается
	появление помех даже при комнатной тем-			плоской, что позволяет избежать влияния
	пературе. В отличие от германия, кристал-			поверхностных эффектов. Такая планарная

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 14 из 589 (September 3, 2010, 15:22)

14 1. Полупроводники, основные сведения и исторический обзор

Год	1950		1960			1970				1980			1990					2000					2010
450	мм			Ожидаемое к 2016 году увеличение диаметра до 450 мм
300	мм			Начиная с 2001 года массовый переход
				на производство пластин диаметром 300 мм
200	мм																	2.6 км2/год
150	мм
125	мм													1.2 км2/год
100	мм
75	мм									0.5 км2/год
51	мм
38	мм					0.2 км2/год
25	мм
Диаметр

Рис. 1.1. Развитие производства полупроводниковых пластин.

технология позволила, используя процессы фотолитографии и диффузии из газовой фазы, в одном процессе получить на одной кремниевой пластине большое количество одинаковых транзисторов. В 1959 году компания Fairchild Semiconductors начала промышленное использование данной технологии. Помимо этого, планарная технология открыла путь для интеграции различных типов компонентов на одном полупроводниковом кристалле.

С развитием кремниевой технологии площадь пластин удваивалась каждые 10 лет (Рис. 1.1). Если в 60-х годах прошлого века диаметр пластин составлял 25 мм, то в 70-х годах их диаметр уже достигал 51 мм, в 80-е — 100 и 150 мм, в 90-е — 200 мм, а в 2002 году была выпущена полупроводниковая пластина диаметром 300 мм. Одновременно происходило сокращение плотности дефектов, как поверхностных, так и дефектов исходного материала и дефектов легирования. На сегодняшний день существует множество модификаций данной технологии, такие как эпитаксиальная технология, технология кремний-на-изоляторе (SOI) и технология напряжённого кремния. Целью всех этих разработок является удовлетворение требований к производительности и стоимости полупроводниковых приборов.

1.2.4.Другие полупроводниковые материалы и компоненты

В 1953 году Генрих Велкер (Heinrich Welker), проводя исследования в лаборато-

рии Siemens & Halske, обнаружил, что некоторые соединения трёх- и пятивалентных материалов, например арсенид галлия, обладают полупроводниковыми свойствами. С тех пор данные полупроводниковые материалы стали играть большую роль в области оптоэлектроники. Это произошло главным образом из-за того, что в указанных материалах во время рекомбинации электронов и дырок (в гораздо б‚ольших количествах, чем в кремнии или германии) высвобождающаяся энергия излучается в виде фотонов. Ещё с 1956 года было известно, что при работе p-n-перехода в прямом направлении он излучает фотоны. Однако промышленное производсво красных светодиодов началось только в середине 60-х годов XX-го века. Основная проблема заключалась и заключается в получении света, излучаемого с поверхности кристалла, до того, как он будет поглощен. Это оказалось чрезвычайно трудным в случае с коротковолновым синим излучением и оставалось невозможным, пока в середине 80-х годов XX-го века сотрудники лаборатории Siemens не разработали синий светодиод (из карбида кремния).

Было разработано множество оригинальных технологий для изготовления компонентов и схем на основе полупроводников AIIIBV. Важную роль в процессах производства данных материалов играет молеку- лярно-лучевая эпитаксия.

Областью применения приборов на основе полупроводников AIIIBV являются оп-

					INFSEMI_2-Text.fm, стр. 15 из 589 (September 3, 2010, 15:22)
					1.2. Исторический обзор 15
	тические системы передачи данных и опти-				на второй план. В 1964 году компания RCA
	ческие устройства отображения информа-				начинает применение технологии КМОП
	ции. С этой целью проводились разработки				(комплементарный металло-оксидный по-
	полупроводниковых лазеров с большим ко-				лупроводник, англ. Complementary Metal-
	личеством слоев, некоторые из которых яв-				Oxide Semiconductor — CMOS), при кото-
	ляются мономолекулярными (имеют тол-				рой на одном кристалле размещаются тран-
	щину в одну молекулу), а также интеграция				зисторы с разными типами проводимости.
	оптоключей и фильтров. Проводимые се-				Эти транзисторы включены последователь-
	годня исследования направлены на исполь-				но, но открыт всегда только один из них,
	зование нитрида галлия (GaN) в качестве				поэтому такая схема имеет очень низкий
	основы люминофора для различных длин				ток потребления. КМОП-технология и по
	волн при изготовлении осветительных при-				сей день применяется, когда требуется низ-
	боров и основного материала компонентов,				кое энергопотребление. Тем не менее, с уве-
	работающих на высоких частотах.				личением тактовых частот растёт ток пот-
		Карбид кремния (SiC) является основ-			ребления, с уменьшением размеров тран-
	ным перспективным материалом, использу-				зисторов возрастают токи утечки, снижение
	емым для изготовления силовых ключей.				напряжения питания требует меньших зна-
	Главные требования, предъявляемые к сило-				чений пороговых напряжений, и сегодня
	вым ключам, — это высокая теплоустойчи-				КМОП-технология приблизилась к своим
	вость, малое сопротивление в проводящем				пределам. Идёт постоянный поиск возмож-
	состоянии и высокая частота переключения.				ностей совершенствования компонентов и
	1.2.5. Полевые транзисторы				схемных решений, особенно в области пор-
					тативных приборов. Более подробное опи-
		В 1928	году Дж. Э. Лелейнфилд	(J.E.	сание принципа действия полевых транзис-
					торов вы найдете в подразделе 1.3.2.
	Lilienfeld) и О. Хейл (O. Heil) описали идею
	создания прибора, управляемого полем, но				1.2.6. Интегральные
	использующего в качестве рабочей среды не
					полупроводниковые схемы
	вакуум, а твёрдые материалы. Их идеи под-
	готовили почву для создания полевых тран-				Главными движущими силами развития
	зисторов с управляющим p-n-переходом				полупроводниковой промышленности яв-
	(Junction Field-Effect Transistor — JFET) и				ляются:
	полевых транзисторов со структурой ме-				снижение стоимости приблизительно на
	талл—оксид—полупроводник (Metal-Oxide-				25% ежегодно;
	Semiconductor Field-Effect Transistor —				удвоение плотности размещения эле-
	MOSFET), или, сокращенно, МОП-транзис-				ментов примерно каждые 18 месяцев;
	торов. Однако в то время, из-за недостаточ-				увеличение сложности схем из-за интег-
	ного развития физики твёрдых тел, эти при-				рации на кристалле функций перифе-
	боры не могли быть ни экспериментально				рийных устройств;
	исследованы, ни изготовлены. Шокли был				скорость (сравни, тактовые частоты мик-
	первым из тех, кто вернулся к этой идее				ропроцессоров);
	снова в 1952 году. Но прошло ещё несколь-				потребляемая мощность(!), в особенности
	ко лет, прежде чем был изготовлен первый				это касается устройств с батарейным пи-
	полевой транзистор с управляющим p-n-пе-				танием;
	реходом, а в 1959 году Аталла и Канг				интеграция дополнительных функцио-
	(Kahng), работавшие в лаборатории Белла,				нальных возможностей, например памя-
	представили транзистор с ёмкостным уп-				ти, и интерфейсов — датчиков и испол-
	равлением со структурой металл—ок-				нительных устройств.
	сид—полупроводник (т.е. МОП-транзис-				На сегодняшний день количество тран-
	тор). Долгое время МОП-транзисторы с ка-				зисторов и других полупроводниковых при-
	налами n-типа и p-типа развивались нарав-				боров, которые могут быть интегрированы
	не друг с другом. Однако со временем n-ка-				на одном кристалле, достигает нескольких
	нальная		технология оказалась	более	миллиардов. Изготовление интегральных
	развитой, и технология изготовления p-ка-				микросхем основывается на сложной пос-
	нальных транзисторов постепенно отошла				ледовательности процессов легирования,

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 16 из 589 (September 3, 2010, 15:22)

16 1. Полупроводники, основные сведения и исторический обзор

Таблица 1.1. Упрощённая последовательность изготовления интегральных микросхем

Этап	Описание
Подложка	Изготовление подложки
Карманы	Основное легирование для n- и p-канальных транзисторов в случае КМОП-техно-
	логии
Изоляция	Создание диэлектрической изоляции соседних приборов, в основном при помо-
	щи диоксида кремния SiO2
Прибор	Задание характеристик прибора путём изменения степени легирования канала,
	толщины подзатворного диэлектрика и подбора материала затвора
Межсоединения	Создание легирующего профиля для соединения области канала с уровнями
	соединительной разводки.
	Создание низкоомных соединений с уровнями разводки
Локальные соеди-	Создание коротких высокоомных соединений внутри схемы (более высокие
нения	сопротивления не оказывают вредных воздействий на схему)
Металлизация	Основная разводка в зависимости от сложности схемы может насчитывать до
	10 слоёв
Глобальные мон-	Создание низкоомной разводки с гибкими требованиям в отношении размера
тажные соединения	структуры для длинных соединений и организации электропитания блоков
Пассивирование	Изолирование (герметизация) схемы от внешних воздействий и, следовательно,
	обеспечение длительного срока службы
Корпусирование на	Для современных технологий — подготовка неразделённой на кристаллы пласти-
уровне 0	ны к корпусированию: формирование столбиковых выводов, корпусирование на
	уровне пластины, технология chip-on-board (кристалл на плате)

осаждения проводящих и изолирующих слоёв, а также создания горизонтальной структуры при помощи литографии и травления (см. Табл. 1.1). Развитие полупроводниковой промышленности связано с разработкой подходящих материалов с соответствующими свойствами (однородность, избирательность, чистота, технологическая совместимость) и специального технологического оборудования. В частности, процесс фотолитографии совершенствовался в течении многих лет, в результате теперь можно изготавливать структуры с размером, меньшим чем длина волны света. Для процесса осаждения существует оборудование, позволяющее осаждать слои толщиной

водин атом, а толщина слоёв, использующихся в современных компонентах, лежит

вдиапазоне от 3 до 4 атомов. Значительные трудности пришлось преодолеть для достижения однородности пластины (например, размером 300 мм), воспроизводимости и получения бездефектных слоёв. Для малых фокусных расстояний, связанных с высокой разрешающей способностью, были разработаны специальные процессы сглаживания поверхности (химико-механическая полировка).

Изготовление отдельной законченной пластины часто состоит из сотен этапов. В процессе производства следует уделять

внимание точности изготовления и чистоте материала, поскольку для микроскопических структур даже незначительные отклонения имеют большие последствия. Выход за требуемые пределы точности на отдельных этапах производства может значительно уменьшить процент выхода годных микросхем.

Из-за требований по тактовой частоте, энергопотреблению и габаритным размерам, накладываемых на компоненты конечными приборами, классическая цепочка процессов изготовления приборов «Разработка — Топология — Шаблоны — Пластина — Измерения — Корпусирование — Завершающие испытания» не имеет такого чёткого разделения на отдельные этапы. Современные методы предусматривают комплексные решения пластина-корпус, использование концепций «система-в-кор- пусе» и модульных концепций. С увеличением объёма производства для современных специализированных корпусов можно добиться оптимизации стоимости за счёт использования трёхмерной (3D) интеграции нескольких чипов (ASIC + память + аналоговый интерфейс + MEMS).

Биполярные микросхемы

Первый патент на интеграцию нескольких компонентов был независимо получен

				INFSEMI_2-Text.fm, стр. 17 из 589 (September 3, 2010, 15:22)
					1.2. Исторический обзор 17
в 1959 году Джеком Килби (Jack S. Kilby) из				1952 году С. Олом (S. Ohl), который был со-
Texas Instruments и Робертом Нойсом				трудником лаборатории Белла, и запатенто-
(Robert N. Noyce), коллегой Уильяма Шок-				ван Уильямом Шокли в 1954 году, его тех-
ли по Fairchild Semiconductors. Возникший				ническая реализация до 1970 года остава-
в результате этого спор о правах на изобре-				лась невозможной.
тение был решён апелляционным судом				В устройствах, сочетающих аналоговую и
США таким образом, что обе стороны обла-				цифровую обработку сигналов и использую-
дали одинаково равными правами. Первая				щих аналого-цифровые преобразователи,
интегральная схема (ИС) состояла из бипо-				требуется высокая скорость обработки ин-
лярного транзистора, трёх резисторов и				формации, высокая нагрузочная способ-
конденсатора (Килби использовал герма-				ность, высокая линейность и хорошее отно-
ний). Большой интерес к новой технологии				шение сигнал/шум, в то же время для них
пришёл со стороны компьютерной индуст-				требуется	высокая	плотность	размещения
рии, где до появления ИС приходилось из-				компонентов цифровых схем. В связи с этим
готавливать большое количество отде-				стала быстро развиваться БиКМОП-техно-
льных схем, которые часто были идентич-				логия, при которой совместно используют-
ными. В скором времени, между 1961 и 1963				ся КМОП- и биполярные приборы. В пос-
годами появились микросхемы, использую-				ледние годы активно развивается кремний-
щие резисторно-транзисторную логику				германиевая (SiGe) технология, которая
(РТЛ) (Fairchild), диодно-транзисторную				позволяет получать высокие скорости пере-
логику (ДТЛ) (Signetics), транзисторно-				дачи данных и/или высокие максимальные
транзисторную логику		(ТТЛ)	(Pacific	рабочие частоты. Важными областями её ис-
Semiconductors) и эмиттерно-связанную				пользования являются трансиверы (приёмо-
логику (ЭСЛ) (Motorola). ТТЛ-логика (осо-				передатчики), параллельно-последователь-
бенно серия 7400 производства Texas				ные и последовательно-параллельные пре-
Instruments) и ЭСЛ-логика очень быстро				образователи, драйверы для лазерных дио-
нашли широкое применение в цифровых				дов и малошумящие усилители (LNA).
устройствах. Вскоре, несмотря на большие				Микросхемы памяти
трудности, удалось добиться успеха и в про-
изводстве аналоговых интегральных микро-				Начиная с 1966 года даже использующая-
схем. Особо отметим компании Fairchild и				ся в компьютерах память на магнитных сер-
National Semiconductor, которые приступи-				дечниках стала вытесняться полупроводни-
ли к производству интегральных операци-				ковыми микросхемами памяти. Первая ИС
онных усилителей.				такого типа была выпушена компанией
МОП-микросхемы				International Business Machines (IBM). Она
				содержала 16 триггеров на биполярных
	Развивающаяся с 1964 года МОП-техно-			транзисторах и могла хранить 16 бит инфор-
логия также становилась интегральной и				мации. В 1968 году IBM выпустила 64-бит-
стремилась к ещё большей степени интег-				ную ИС памяти на триггерах, но она состоя-
рации компонентов. Одним из шагов на				ла из 664 компонентов (это больше, чем 10
этом пути было появление технологии ло-				компонентов на один бит памяти). В этом
кального окисления		кремния	(LOCal	же году создатель интегральных схем Роберт
Oxidation of Silicon — LOCOS), которая бы-				Нойс (Robert Noyce) совместно с двумя со-
ла доведена до рыночной реализации ком-				трудниками компании Fairchild, Гордоном
панией Philips в 1966 году. В данной техно-				Муром (Gordon Moore) и Эндрю Грувом
логии островки транзисторов были разделе-				(Andrew	Grove),	основывает	компанию
ны кольцом из диоксида кремния, что поз-				Integrated Electronics, позже переименован-
воляло сделать зазоры между транзистора-				ную в Intel. К началу 1969 года Intel выпус-
ми значительно меньше, чем раньше, при				тила на рынок ИС статического ОЗУ объ-
этом отсутствовали паразитные транзисто-				ёмом 64 бит (изготовленную по биполярной
ры. Дальнейшие усовершенствования были				технологии Шокли). Три месяца спустя на
получены путём использования ионной им-				рынке появилась 256-битная ИС памяти,
плантации, которая позволила селективно				изготовленная по той же технологии. Обе
легировать небольшие области. Несмотря				микросхемы были неудачными с финансо-
на то что этот процесс уже был описан в				вой точки зрения: они были слишком доро-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 18 из 589 (September 3, 2010, 15:22)

18 1. Полупроводники, основные сведения и исторический обзор

гими по сравнению с памятью на магнитных сердечниках. Но компания Intel была на верном пути. В этом случае решающим фактором было снижение стоимости путём использования меньшего количества транзисторов на бит памяти. На самом деле, компания IBM уже изобрела в 1966 году однотранзисторную память (динамическое ОЗУ), но компания Intel была первым производителем, который превратил эту разработку в коммерчески выгодный проект. В конце 1970 года появилась ИС 1103 — 1024-битное динамическое ОЗУ, изготовленное по технологии NMOS (n-канальная МОП-технология). Она была дороже памяти на магнитных сердечниках, но в 1972 году стала самой продаваемой микросхемой памяти благодаря своему техническому превосходству. Она была заменена в 1975 году микросхемой динамического ОЗУ объёмом 4 Кбит, которая в дальнейшем вытеснила с рынка память на магнитных сердечниках. Затем, с интервалом в 3—4 года, появились ИС памяти объёмом 16, 64 и 256 Кбит. Сегодня выпускаются ИС динамического ОЗУ объёмом свыше 1 Гбит. Гордон Мур, один из основателей компании Intel, в 1964 году предсказал, что каждые 18 месяцев число транзисторов в ИС будет удваиваться. По существу, эта гипотеза верна и по сей день и известна как закон Мура. Более подробное описание технологии изготовления динамической памяти вы можете найти в главе 6.

Простая транзисторная память имела и имеет только один недостаток: она энергозависима, т.е. может хранить информацию только тогда, когда на неё подано напряжение питания. В отличие от неё, данные, записанные в знергонезависимую память, не изменяются при исчезновении напряжения питания, и такая память может быть запрограммирована как производителем (масочное ПЗУ), так и пользователем (ППЗУ, ЭПЗУ, СППЗУ, ЭСППЗУ, флэш-память, параметрическое ОЗУ, NROM, нанокристаллическая память). Начиная с 1970 года, одновременно с ОЗУ на рынке появились микросхемы ПЗУ и СППЗУ. Также вскоре после них появилась и ЭСППЗУ. Хотя ИС ПЗУ со временем и увеличивались по объёму, они не могли держаться наравне с ИС динамического ОЗУ. В 1987 году компания Intel выпустила на рынок первую ИС флэшпамяти. За последующие десять лет этот дешёвый аналог ЭСППЗУ завоевал б‚ольшую

часть рынка энергонезависимой памяти, и на сегодняшний день без неё невозможно представить многие современные устройства (карманные компьютеры, портативные рации, мобильные телефоны, цифровые фотокамеры и т.д.). Более подробную информацию об этом типе памяти вы сможете найти в разделах 1.3 и 1.4 данной главы.

В стремлении получить более высокие плотности записи информации в сочетании с более низкими напряжениями питания был разработан и изучен рад новых методов хранения данных:

NROM — флэш-память, использующая в качестве носителя информации диэлектрик;

FeRAM — ферроэлектрическая память;

MRAM — магниторезистивная память;

PRAM — память на основе фазового перехода.

Важную роль в развитии памяти играют

два требования: удобство в использовании и энергонезависимость.

Микропроцессоры

В 1969 году японский концерн Busicom захотел создать карманный электронный калькулятор на основе 5 интегральных схем. Сама компания была не в состоянии изготовить эти чипы и запросила их у компании Intel. Когда спецификация на данное устройство поступила к разработчику Марсиану Хоффу (Marcian E. (Ted) Hoff), ему пришла в голову мысль, почему бы не попробовать создать это устройство, используя только одну ИС. После некоторых сомнений концерн Busicom согласился и сделал заказ. Впоследствии разработанный компанией Intel чип стал первым микропроцессором. Он имел разрядность 4 бита, содержал 2300 транзисторов и удовлетворял всем требованиям спецификации. В дальнейшем Intel выкупила права на этот микропроцессор у концерна Busicon и представила его на рынке под кодовым обозначением 4004. Через небольшой промежуток времени появился 8-битный микропроцессор 8008. Последующая разработка, микропроцессор 8080, был представлен компанией Intel в 1974 году. К этому времени компании Texas Instruments, Motorola, National Semiconductor, Fairchild, Signetics и Toshiba также представили на рынке свои микропроцессоры. Компания RCA даже выпустила микропроцессор с малым энергопотреблением, вы-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 19 из 589 (September 3, 2010, 15:24)

1.2. Исторический обзор 19

полненный по КМОП-технологии, а Феде-

микроконтроллеров шло параллельно с раз-

рико Фаггин (Frederico Faggin), один из раз-

работкой микропроцессоров.

работчиков 4004, основал компанию Zilog

В 1975 году компания IBM доказала, что

Company, представившую на рынке микро-

правило 80/20, которое гласит, что в тече-

процессор Z80. Компания Intel оставалась

ние 80% времени используется только 20%

лидером на рынке микропроцессоров, но

доступных команд, применимо и к процес-

под давлением конкурентов, в особенности

сорам. Вскоре стало ясно, что более выгод-

компании Motorola, которая сделала ответ-

ной, в особенности для осуществления уп-

ный ход, выпустив семейство микропроцес-

равляющих функций,

будет

разработка

соров 68000, в 1974 году компания Intel

микропроцессора с сокращенным набором

представила 16-битный микропроцессор

команд (Reduced Instruction Set Computer —

8086. Вскоре компания Motorola получила

RISC), который появился на рынке в сере-

лицензии на выпуск и продажу своих мик-

дине 80-х годов прошлого века благодаря

ропроцессоров, и, как следствие, вскоре за-

компании MIPS Computing. С этого момен-

няла значительную долю этого рынка. Ком-

та большинство функций управления и об-

пания даже добилась, чтобы первый произ-

работки

сигналов

стало

осуществляться

водитель

микрокомпьютеров,

компания

RISC-процессорами.

Apple, стала использовать микропроцессо-

Помимо вычислительных и управляю-

ры серии 68000. С 1976 года, когда компа-

щих функций, чрезвычайно важную роль,

ния, основанная Стивеном

Джобсом

особенно в области беспроводной связи,

(Steven Jobs) и Стивеном Возняком (Steven

стала играть быстрая цифровая обработка

Wozniak) представила компьютер Apple I (с

сигналов (Digital Signal Processing — DSP).

8-битным

процессором

компании

В этой области прочные позиции с конца

Motorola), и по сей день она использует

90-х годов прошлого века занимают компа-

микропроцессоры Motorola. Однако компа-

нии Texas Instruments и ARM.

нии Intel удалось привлечь внимание про-

Специализированные интегральные

изводителя компьютеров IBM, которая вы-

микросхемы (ASIC)

брала 8-битный вариант микропроцессора

8086 для создания первого микрокомпьюте-

В начале 80-х годов прошлого века всё

ра, так называемого персонального ком-

более четко вырисовывалась ещё одна ди-

пьютера (ПК). Первый ПК появился в 1981

лемма: стандартные ИС стали преградой на

году и обеспечил Intel долгосрочный успех

пути к интеграции готовых устройств. Тот

на рынке благодаря серии 8086 и её преем-

набор функций, который хотели бы реали-

никам — 286, 386, 486, Pentium, Itanium,

зовать разработчики, редко является стан-

Xscale, Centrino, Opetron и т.д. На сегод-

дартным для ИС. А заказные ИС с высоким

няшний день компания Intel доминирует на

уровнем интеграции были и остаются до-

рынке микропроцессоров с долей 85%, в то

статочно дорогими, и их изготовление яв-

время как AMD занимает только 15%.

ляется экономически выгодным только при

Микроконтроллеры

массовом

производстве. Именно

поэтому

производители

разработали ИС,

которые

В конце 70-х годов прошлого века ком-

могут модифицироваться

пользователем.

Их можно разделить на два больших класса:

пания Intel выпустила 8-битный микропро-

программируемые

логические

интеграль-

цессор 8048 со встроенной периферией. Он

ные схемы (ПЛИС) и специализированные

имел ПЗУ, ОЗУ, таймер и различные порты

интегральные

схемы

(Application-Specific

ввода/вывода. Кроме того, в качестве оп-

Integrated

Ciucuit

—

ASIC).

Компания

ции, ПЗУ могло быть заменено на ППЗУ

Monolithic Memories Inc. (MMI) в 1983 году

(серия 8748). Поскольку данное устройство

первой выпустила на рынок ПЛИС с ис-

применялось, главным образом, для задач

пользованием

программируемой

матрич-

управления, оно получило название «мик-

ной логики (ПМЛ). ПМЛ-технология за-

роконтроллер». В 1980 году появилась сле-

ключалась в том, что программируемая мат-

дующая разработка, микроконтроллер 8051,

рица элементов И управляет входами спе-

который и по сей день остаётся стандартом

циальной матрицы элементов ИЛИ. Про-

де-факто

для 8-битных

микроконтролле-

граммирование

данных

микросхем

ров. Покорение рынка

16- и

32-битных

осуществлялось аналогично программиро-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 20 из 589 (September 3, 2010, 15:09)

20 1. Полупроводники, основные сведения и исторический обзор

ванию ППЗУ. В 1985 году компания Xilinx

Технология поверхностного монтажа

предложила технологию с использованием

Строго говоря, технология поверхност-

матрицы логических элементов (Logic Cell

ного монтажа на самом деле не является тех-

Array), при которой программа хранится в

нологией изготовления полупроводниковых

ячейках ОЗУ. Каждый раз при включении

приборов.

Однако

её появление внесло

модуля программа

из

энергонезависимой

большой вклад в расширение возможнос-

памяти загружалась

в

ОЗУ. Достоинство

тей по комбинированию всё более мини-

этой технологии заключается в том, что для

атюрных полупроводниковых структур в ви-

программирования и управления более до-

де модулей. В

традиционной

технологии

рогой матрицей логических элементов мо-

выводы компонентов, таких как резисторы,

жет использоваться

более дешёвый стан-

конденсаторы, дроссели и транзисторы, ус-

дартный модуль. Специализированные ИС,

танавливались в отверстия на печатной пла-

напротив, являются микросхемами с боль-

те или соединялись при помощи проводов,

шим количеством стандартных блоков, ко-

тогда как в новой технологии монтаж ком-

торые могут быть запрограммированы в со-

понентов

осуществлялся

непосредственно

ответствии

с определенными правилами.

на поверхность печатной платы. В связи с

В этом случае полупроводниковая пластина

этим была разработана новая миниатюризи-

изготавливается, по мере возможности, с

рованная форма корпуса, который стал бо-

помощью

стандартных

технологических

лее компактным и надёжным. Компоненты

процессов. И только некоторые определён-

такого типа называют SMD (от англ. Surface

ные этапы изготовления осуществляются в

Mounted Devices — компоненты для поверх-

соответствии с

требованиями заказчиков.

ностного монтажа). Однако с появлением

Такой метод производства сокращает стои-

технологии поверхностного монтажа стало

мость ИС,

но

является

целесообразным

фактически невозможным осуществление

только при больших объёмах производства.

ремонта поврежденных узлов.

При малых и средних объёмах более выгод-

ным является применение ПЛИС или мат-

1.2.7. Классификация

рицы логических элементов. Более подроб-

полупроводниковых компонентов

ную информацию о специализированных

ИС вы сможете найти в главе 12.

Полупроводниковые компоненты могут

быть

классифицированы

по

различным

критериям, например:

Размер модуля

< 70 мм2

Как правило, определяется затратами < 140 мм2

4M

16M

64M

128M

256M

512M

1Г

2Г

4Г

8Г

DRAM

]

~50 мм2

250 мм2

2

Плотность элементов Количество функций [млн/см

10000

1000

Динамическое ОЗУ

100

Микропроцессоры

10

Размер структуры

700 нм 500 нм

350 нм

250 нм

180 нм 130 нм

90 нм

65 нм

45 нм

1990

1995

2000

2005

2010

Внедрение КМОП-технологии

Рис. 1.2. Увеличение плотности размещения компонентов позволило изготавливать кристаллы с миллиардами кристаллов.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 21 из 589 (September 3, 2010, 15:09)

1.3. Конструкция и принцип действия интегральных схем 21

технология изготовления (биполярная, МОП, КМОП, БиКМОП, Шоттки);

внутреннее устройство, т.е. отдельные полупроводниковые приборы или интегральные схемы;

область применения (аналоговые устройства, цифровые устройства, силовая электроника, обработка сигналов, оптоэлектроника).

Сточки зрения потребителя, последний критерий классификации является наиболее значимым. Именно поэтому мы используем его в последующих разделах, где полупроводниковые приборы будут описываться в соответствии с их областями применения.

1.3.Конструкция и принцип действия интегральных схем

В случае интегральных схем все элементы схемы и соединяющие их провода изготавливаются одновременно в течение одного производственного процесса на одном монокристаллическом полупроводниковом кристалле, или чипе. Элементы схемы, расположенные на кристалле в непосредственной близости, должны быть электрически изолированы друг от друга. Микросхема заключена в корпус, в котором, как правило, контактные площадки кристалла соединяются с выводами корпуса при помощи очень тонкой проволоки.

Кремний является основным полупроводниковым материалом, использующимся на сегодняшний день в интегральных схемах, и последующие разъяснения будут относиться к кремнию, поскольку другие материалы (GaAs, GaN, SiC) в обозримом будущем будут играть второстепенную роль в производстве ИС.

Основным преимуществом ИС перед схемами на дискретных компонентах являются низкая стоимость при больших объёмах производства, высокая надежность, малые габариты и высокое быстродействие. Поэтому основной тенденцией развития ИС является повышение уровня интеграции, плотности размещения, быстродействия и сложности схем, размещаемых на одном кристалле. В основном, этого удалось добиться путём уменьшения размера структур на кристалле. По финансовым соображениям предпринимаются постоянные попытки увеличения размера кремниевой пластины таким образом, чтобы размес-

тить на ней как можно большее количество кристаллов. На Рис. 1.2 показано развитие этих тенденций с течением времени.

Как известно, основные типы транзисторов — биполярный и полевой. Аналогично ИС классифицируются как биполярные и МОП-микросхемы. В следующих подразделах описываются технологическая конструкция и принцип действия этих ИС.

1.3.1.Биполярные интегральные микросхемы

p-n-переход

Чистый кремний является полупроводником, электрическая проводимость которого достаточно мала при комнатной температуре. Это происходит главным образом изза того, что в данном материале почти отсутствуют свободные носители зарядов. Однако, если один из тысячи атомов кремния будет заменён атомом примеси (например, атомом бора, фосфора или мышьяка), значение проводимости вырастет во много раз, потому что атом примеси имеет дополнительный носитель заряда (в зависимости от валентности атома, это может быть электрон или дырка), который может легко разорвать атомную связь и свободно перемещаться. В зависимости от типа примеси, свободный электрон или дырка, перемещаясь, оставляет после себя дырку или электрон соответственно, который, в свою очередь, готов принять другие носители заряда. Этот процесс называется рекомбинацией. Соответственно, легированная область кремния будет являться резистором с б‚ольшим или меньшим сопротивлением, которое зависит от концентрации примеси (см. Рис. 1.3).

Легированная область

Проводимость p- или n-типа

Эквивалентная схема замещения

R

Рис. 1.3. Легированная область и её эквивалентная схема замещения.

Вторым важным свойством полупроводниковых материалов является то, что тип свободных носителей заряда, отвечающих за проводимость, — отрицательно заряженные электроны или положительно