Раздел 4. ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Глава 12. ОСНОВЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Общие сведения о микроэлектронике

Микроэлектроника — это область электроники, связанная с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении и использующая групповую технологию их изготовления с интеграцией элементарных приборов и качественных функций.

Современная микроэлектроника базируется на использовании физических явлений в твердом теле, в первую очередь в полупроводниках.

Принципы миниатюризации и интеграции применяются к приборам и устройствам не только в полупроводниковой электронике, но и в таких разделах электронной техники, как квантовая электроника, оптоэлектроника, криоэлектроника, акустоэлектроника, СВЧ-электроника, вакуумная электроника и др.

Возникновение микроэлектроники в конце 1950-х—начале 1960-х гг. и последующее бурное ее развитие были вызваны:

— усложнением и расширением области применения электроники;
— необходимостью уменьшения габаритных размеров и массы;
— снижением стоимости;
— повышением быстродействия и надежности электронной аппаратуры;
— увеличением объема выпуска электронной техники.

Рассмотрим более подробно факторы, которые способствовали

возникновению микроэлектронной техники.

В процессе развития электронной техники создавались устройства с большим числом активных и пассивных элементов в дискретном исполнении, требующих большого количества контактных соединений и соединительных линий. Каждое контактное соединение и линия увеличивают переходное сопротивление схемы, а соединение материалов с различной проводимостью создает, кроме того, электронно-дырочный переход.

Увеличение числа элементов ведет к возрастанию габаритов и массы. Элементы, расположенные на большом расстоянии друг от друга, имеют неодинаковые условия воздействия на них внешней среды (тепло, свет, электромагнитное излучение и т.д.). Это приводит к большому разбросу параметров от расчетных и требует дополнительных схемных решений для компенсации внешнего воздействия. Большое число элементов и соединений увеличивает количество отказов в схеме, что снижает ее надежность.

Элементы в дискретном исполнении выполнены по различным технологиям и требуют большего количества различного технологического оборудования. В результате усложняется процесс внедрения и изготовления новых элементов, а также уменьшается объем выпускаемой электронной техники. Элементы электронных схем, изготовленные из различных материалов, имеют неодинаковое быстродействие, что ведет к снижению скорости работы всей схемы.

Учитывая все факторы, изложенные выше, можно сделать вывод, что традиционные методы монтажа и коммутации приборов в процессе сборки сложной аппаратуры приблизились к пределам возможного. Дискретная технология больше не могла обеспечивать предъявляемые к электронным схемам требования по надежности, габаритным размерам и массе электронных схем. Появлению первых элементов микроэлектроники — интегральных микросхем (ИС) предшествовали успехи в развитии электронной аппаратуры на дискретных полупроводниковых приборах, в результате чего стало реальным создание сложных электронных устройств, состоящих из десятков и сотен тысяч полупроводниковых транзисторов. Однако оказалось, что такие устройства собрать безошибочно почти невозможно из-за большого количества соединений между элементами. Выход из создавшейся ситуации был найден на пути объединения (интеграции) в одном устройстве множества полупроводниковых приборов и соединений, создаваемых одновременно в едином технологическом цикле.

В технологии электронного приборостроения произошли революционные изменения, приведшие к созданию интегральной схемы — принципиально нового базового элемента электроники, положившего начало микроэлектронике.

Важнейшим отличием интегральной схемы (ИС) от электронного устройства на основе дискретных приборов является технология ее изготовления, предусматривающая определенную последовательность процессов группового формирования элементов ИС.

Интегральная схема — это конструктивно законченное изделие электронной техники, содержащее совокупность электрически связанных между собой транзисторов, полупроводниковых диодов, конденсаторов, резисторов и других элементов, изготовленных в едином технологическом цикле. Все элементы И С или часть их, соединенных между собой нераздельно, рассматриваются как единая схема на одной основе и в едином корпусе. Комплексное изготовление элементов позволило сократить нерациональные технологические процессы и уменьшить массу и габарит электронных изделий.

Каждая ИС, или ее часть, выполняет определенные функции преобразования и обработки сигнала, т.е. имеет законченное схемное решение. Отсюда в ее названии присутствует слово «схема». Единой технологии изготовления и объединению всех элементов в одном корпусе соответствует определению схемы — интегральная.

Применение в схемном решении миниатюрных элементов позволяет схему называть микросхемой. В результате данный вид нового базового элемента электроники получил название «интегральная микросхема» (ИМС).

Впервые идея ИС была внедрена английским ученым Д. Дам- мером (1952 г.). Основой изготовления ИС послужили уже отработанная технология изготовления керамических конденсаторов и те же теоретические положения, что и в электронных узлах, выполненных в дискретном исполнении. Однако с ее развитием изменился подход к схемотехническому решению отдельных функциональных узлов и устройств. Специфика схемотехнических ре

шений полупроводниковых И С обусловлена следующими факторами:

— исходя из требований технологий, схему стремятся строить на одной универсальной структуре (материале), позволяющей регулировать функции как активных, так и пассивных элементов схемы, что не создает незапланированные электронно-дырочные переходы на соединении;
— исключаются резисторы, изготовленные из высокоомный материалов, так как при их работе выделяется тепловая энергия;
— исключаются катушки индуктивности и конденсаторы, так как их невозможно изготовить из-за их больших габаритов и влияния на работу других элементов (электромагнитные и электростатические поля);
— так как в одной ИС можно изготовить большое число активных элементов, применяются специальные схемные решения, которые заменяют катушку индуктивности, конденсатор и высокоомный резистор;
— из-за малых размеров ИС от них ограничен теплоотвод, что требует использования маломощных элементов, с помощью которых создаются схемные решения для получения большей мощности на выходе;
— все полупроводниковые приборы, изготовленные из одного материала по единой технологии, имеют практически малый разброс параметров и постоянные температурные условия, что позволяет объединить несколько транзисторов в структуру с одним или двумя общими электродами.

Учитывая эти факторы, можно сделать вывод, что ИМС значительно сложнее своих аналогов, выполненных на дискретных элементах.