Интегральные микросхемы. Задачи и направления развития микроэлектроники

Задачи и направления развития микроэлектроники. Основные понятия и определения. Серии интегральных микросхем (ИМС), их классификация и маркировка. Основные параметры и характеристики. Достоинства и недостатки ИМС.

Технология изготовления полупроводниковых ИМС. Основные технологические приемы при изготовлении полупроводниковых ИМС. Способы изоляции элементов в ИМС. Принципы создания пассивных и активных элементов.

 

Методические указания по изучению раздела

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Этот раздел является основой для изучения основного материала программы. Если в начальный период развития различные отрасли электронной техники опирались на использование электровакуумных и газоразрядных приборов, то в настоящее время электровакуумные и газоразрядные приборы успешно замещаются различными полупроводниковыми приборами. Применение современных полупроводниковых приборов позволило создать малогабаритную электронную аппаратуру, увеличить надежность и срок ее работы, а также значительно уменьшить расход потребляемой электроэнергии. Немаловажным является и то, что полупроводниковые приборы для своей работы не требуют источников высоких напряжений.

Необходимо отметить, что наряду с существенными достоинствами полупроводниковым приборам присущи и некоторые недостатки, к которым относятся — технологический разброс параметров, зависимость параметров от температуры, трудности получения больших мощностей.

Принципы устройства и работы полупроводниковых приборов использованы для создания полупроводниковой микроэлектроники.

Полупроводниками называют обширную группу химических веществ, элементов и их соединений, у которых удельное электрическое сопротивление занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками.

Физическая сущность проводимости полупроводников существенно отличается от процессов проводимости в металлах. Наиболее важным является то, что проводимость в полупроводниках осуществляется двумя видами подвижных носителей электрических зарядов — отрицательно заряженными свободными электронами и положительно заряженными дырками — электронами замещения.

Проводимость полупроводников существенно зависит от окружающей температуры, степени освещенности и радиации, а также от вида и процентного содержания в нем примеси.

Исходным материалом при изготовлении полупроводниковых приборов являются элементы четвертой группы периодической таблицы Менделеева. Широкое применение имеют германий, кремний, а также полупроводниковые соединения: арсенид галлия, карбид кремния, сульфид кадмия и др. Если в чистый полупроводник добавлена примесь пятой группы таблицы Менделеева, то в этом полупроводнике преобладает примесная проводимость n –типа; если же примесь третьей группы таблицы Менделеева, то преобладает примесная проводимость p –типа.

Особые свойства приобретают полупроводники, состоящие из двух или нескольких соприкасающихся слоев с различными типами проводимости. Область, где имеется переход от полупроводника с электронной проводимостью к полупроводнику с дырочной проводимостью, называют электронно-дырочным или p – n переходом.

Свойства и сочетание электронно-дырочных переходов лежат в основе принципа действия многих полупроводниковых приборов.

В полупроводниковых диодах пользуются полупроводники с различными типами электропроводности, которые образуют один p – n переход. Электрические характеристики диода определяются электрическими свойствами этого p – n перехода.

В биполярных транзисторах используются два p – n перехода. Электрические характеристики биполярных транзисторов определяются взаимодействием этих переходов.

В полевых транзисторах применяются полупроводники с различными типами электропроводности, которые образуют один p – n переход. Но в отличие от диодов и биполярных транзисторов электрические характеристики полевых транзисторов зависят в основном от взаимодействия изотропного полупроводникового канала с p – n переходом.

В тиристорах применяются полупроводники с различными типами электропроводности, которые образуют три p – n перехода или более. Основные электрические характеристики тиристоров определяются взаимодействием этих переходов.

В фотоэлектрических и светоизлучающих полупроводниковых приборах используются эффекты генерации света и изменения электрических характеристик полупроводниковых структур под воздействием оптического излучения.

Оптоэлектронные полупроводниковые приборы представляют собой несколько различных полупроводниковых приборов, объединенных в одном корпусе.

Полупроводниковые микросхемы — микроэлектронные изделия, выполняющие определенную функцию преобразования и обработки сигнала, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

При изучении этого раздела необходимо уделить внимание конструкции полупроводниковых приборов, их принципу действия, основным характеристикам и параметрам, схемам включения этих приборов и их использованию в электронной технике.

Материал этого раздела изложен в источниках [9, 10, 12 17, 21].

 

Вопросы для самоконтроля

1. Какие исходные материалы используются для изготовления полупроводников?

2. Что называется собственной и примесной проводимостью полупроводников?

3. Что такое основные и неосновные носители заряда?

4. Объяснить свойства и характеристику электронно-дырочного перехода.

5. Что называется запирающим слоем p-n перехода?

6. Что называется диффузионным и дрейфовым током p-n перехода?

7. Принцип действия p-n перехода при прямом и обратном включении.

8. Какие функции выполняют полупроводниковые диоды?

9. Дать характеристику выпрямительным полупроводниковым диодам.

10. Какие требования предъявляются к высокочастотным универсальным диодам?

11. Изобразите схему включения кремниевого стабилитрона.

12. На чем основан принцип действия варикапов?

13. Расшифруйте маркировку диодов ГД107Б; КД226А; КН102В; АЛ103А; 2У201В.

14. Сколько и каких переходов в транзисторах типа p-n-p и n-p-n?

15. Принцип действия биполярного транзистора.

16. Статические характеристики биполярного транзистора.

17. Чем отличается динамический режим работы транзистора от статического?

18. Нарисовать три схемы включения биполярных транзисторов с указанием направления протекающих токов.

19. Коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером β = 100. Найти коэффициент передачи тока α для схемы с общей базой.

20. Физический смысл h – параметров биполярного транзистора.

21. Привести условные изображения транзисторов разных типов.

22. Каково название и назначение электродов в полевом транзисторе.

23. Объяснить различие между биполярными и полевыми транзисторами; назвать разновидности полевых транзисторов.

24. Назвать возможные области применения полевых транзисторов.

25. Привести условное изображение динистора и тринистора на принципиальных схемах.

26. Как устроен тринистор и для чего он применяется?

27. Сформулировать основные законы фотоэффекта.

28. В чем отличие внешнего фотоэффекта от внутреннего?

29. Объяснить устройство фоторезистора.

30. Почему фоторезисторы можно применять в цепях как постоянного, так и переменного токов?

31. Можно ли использовать свойства фотодиода, если к нему подведено прямое напряжение?

32. Как устроена солнечная батарея?

33. Чем объяснить увеличение интегральной чувствительности фототранзистора по сравнению с фотодиодом?

34. Указать основные области применения различных фотоприборов.

35. По каким направлениям развивается современная микроэлектроника?

36. Дать определение полупроводниковой интегральной микросхемы.

37. Объяснить, как создается электрическая изоляция в полупроводниковых ИМС.

38. Как изготовляют транзисторы и диоды в полупроводниковых ИМС?

39. Дать определение гибридной интегральной микросхемы.

40. Где применяются интегральные микросхемы?