Часть первая. Микроэлектроника Глава 1. Общая характеристика микроэлектроники. Принципы функционирования элементов
1.1. Основные определения
Микроэлектроника – область электроники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных изделий с высокой степенью интеграции.
Микроэлектроника решает следующие задачи:
повышение надёжности электронной аппаратуры за счёт отказа от применения дискретных компонентов;
уменьшение габаритов, массы, потребляемой энергии и стоимости электронной аппаратуры;
разработка и применение качественно новых технологий получения сверхчистых материалов для формирования в микрообъёмах твёрдого тела сложных электронных узлов – интегральных микросхем.
Интегральная микросхема (ИС) – микроэлектронное изделие, выполняющее определённую функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединённых элементов и компонентов, рассматриваемых как единое целое.
Как следует из определения, ИС содержит элементы и компоненты
Рис. 1.1. Структура интегральной схемы
Элемент ИС – часть ИС, реализующая конкретную функцию какого-либо электрорадиоэлемента (например, транзистора, диода, резистора, конденсатора).
Особенности элемента ИС:
выполняется нераздельно от кристалла или подложки ИС;
не может быть отделён от ИС как самостоятельная работоспособная часть или изделие.
Компонент ИС – та же часть ИС, реализующая функцию электрорадиоэлемента.
Однако, в отличие от элемента ИС, компонент ИС является самостоятельным изделием в специальной упаковке и в принципе может быть отделён от изготовленной ИС.
Важной характеристикой ИС является степень её интеграции: k ≈ lg N, где k – коэффициент интеграции (округляется до ближайшего большего целого числа), N – число элементов и компонентов, входящих в ИС.
|
Степени интеграции:
|
|
Если |
|
N ≤ 10 11 ≤ N ≤ 100 101 ≤ N ≤ 1000 1001 ≤ N ≤ 10000 10001 ≤ N ≤ 100000 |
1 – степень интеграции ИС 2 – степень интеграции ИС 3 – степень интеграции ИС 4 – степень интеграции ИС 5 – степень интеграции ИС |
k ≤ 1 – простая ИС 1 ≤ k ≤ 2 – средняя ИС 2 ≤ k ≤ 4 – большая ИС k ≥ 4 – сверхбольшая ИС |
Кроме степени интеграции, для характеристики ИС используют такой показатель, как плотность упаковки элементов – количество элементов (чаще всего транзисторов), приходящихся на единицу площади кристалла. Данный параметр характеризует главным образом уровень технологии и в настоящее время составляет 500-1000 N/мм2.
1.2. Классификация изделий микроэлектроники
Исходя из задач современной микроэлектроники, все микроэлектронные изделия можно разделить на три группы (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Схема классификации изделий микроэлектроники
Рассмотрим более подробно классификацию ИС по конструктивно-технологическим признакам (см. рис. 1.3).
Приведенная классификация позволяет определить основные достоинства и недостатки ИС.
Достоинства:
производство ИС рентабельно, так как в едином технологическом цикле изготовляется большое число идентичных изделий;
все ИС, полученные из одной пластины-заготовки, имеют одинаковые характеристики, чего невозможно добиться, применяя дискретные элементы;
высокая надёжность ИС, так как все внутренние межсоединения образованы в процессе изготовления ИС и, следовательно, отпадает необходимость пайки;
малые габариты ИС.
Толстоплёночные
Гибридные
(в составе ИС есть
и плёночные и полупроводниковые
элементы)
Рис. 1.3. Схема классификации ИС по
конструктивно-технологическим признакам
Недостатки:
характеристики ИС в области высоких частот ухудшаются из-за наличия паразитных ёмкостей;
пассивные элементы имеют большие значения температурных коэффициентов;
в ИС крайне трудно создавать катушки индуктивности;
сопротивления резисторов лежат в пределах 10-50 кОм, а ёмкость конденсаторов менее 200 пФ.