РЕФЕРАТ по дисциплине «Информационные технологии» на тему: "Транзисторы, интегральные схемы: виды, принцип работы"
Цель реферата – ознакомиться с транзисторами и интегральными
схемами.
В работе рассмотрена предыстория возникновения транзисторов и
интегральных схем, рассмотрены их основные виды, а так же рассмотрены примеры
использования технологий в современном мире, их общее устройство, приведено
сравнение с аналогами. Сделаны итоговые выводы по работе.
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
1. Предыстория
создания транзисторов и интегральных схем
1.1. Предыстория
создания транзисторов. Изобретение транзистора. Замена электронных ламп
транзисторами
1.1.1. Замена
электронных ламп
1.1.2. Первый
транзистор. Предпосылки создания
1.2. Предыстория
создания интегральных схем.
1.2.1. Появление
первых интегральных схем
1.2.2. Первые
гибридные интегральные схемы (ИС)
1.2.3. Первые
полупроводниковые ИС
2. Описание
транзисторов и интегральных схем, виды, особенности строения, принцип работы,
применение
2.1. Транзисторы:
виды транзисторов и их принцип работы
2.1.1. Полевые
транзисторы
2.1.2. Полевой
транзистор с управляющим p-n переходом
2.1.3. Полевой
транзистор с изолированным затвором
2.1.4. Биполярные
транзисторы
2.2. Интегральные
схемы: виды интегральных схем и их принцип работы
2.2.1. Гибридные
интегральные схемы
2.2.2. Полупроводниковые
ИМС
2.2.3. Плёночные
ИМС
3. Перспективы
развития транзисторов и интегральных схем. аналоги
3.1. Перспективы
развития и аналоги транзисторов
3.2. Перспективы
развития и аналоги ИМС
Заключение
Библиографический список
В данном реферате рассмотрена тема о том, что из себя представляют
транзисторы и интегральные схемы, показаны основные принципы их работы,
строение, рассмотрены их разновидности. Так же в реферате показано то, для чего
нужны транзисторы и интегральные схемы, в какой области применяются, и их
история создания.
Актуальность темы обоснована тем, что транзисторы и интегральные
схемы на сегодняшний день имеют очень широкую сферу применения в жизни
человека. Например, транзисторы используются в радиоприёмниках, магнитофонах,
детских игрушках, карманных калькуляторах, системах пожарной и охранной
сигнализации. Интегральные схемы широко применяются в автомобильной
электронике, медицинской технике, ЭВМ, военной технике, а так же все
вычислительные машины разрабатываются на интегральных схемах.
Целью реферата является ознакомление с принципами работы
интегральных схем и транзисторами, историей их создания, и областями их
применения.
Задачи:
·
Рассмотреть основные виды транзисторов и
интегральных схем.
·
Ознакомиться с принципами их работы и строением
·
Узнать о истории создания и предпосылках к их
созданию
1.
Предыстория создания транзисторов и интегральных
схем
1.1.1. Замена
электронных ламп
Изобретение транзистора является одним из самых значительных
изобретений XX века.
Долгое время лампы были единственным активным компонентом всех
радиоэлектронных устройств, хотя и имели множество недостатков. Прежде всего,
это большая потребляемая мощность, большие габариты, малый срок службы и малая
механическая прочность. Эти недостатки все острее ощущались по мере
усовершенствования и усложнения электронной аппаратуры. Революционный переворот
в радиотехнике произошел, когда на смену устаревшим лампам пришли
полупроводниковые усилительные приборы – транзисторы, лишенные всех упомянутых
недостатков.
Первый работоспособный транзистор появился на свет в 1947 году,
благодаря стараниям сотрудников американской фирмы Bell Telephone Laboratories.
Их имена теперь известны всему миру. Это ученые – физики У. Шокли, Д. Бардин и
У. Брайтен. Уже в 1956 году за это изобретение все трое были удостоены
нобелевской премии по физике.
Но, как и многие великие изобретения, транзистор был замечен не
сразу. Лишь в одной из американских газет было упомянуто, что фирма Bell
Telephone Laboratories продемонстрировала созданный ею прибор под названием
транзистор. Там же было сказано, что его можно использовать в некоторых
областях электротехники вместо электронных ламп.
1.1.2. Первый
транзистор. Предпосылки создания
Первый транзистор (см. рисунок 1)
имел форму маленького металлического цилиндрика длиной 13 мм и демонстрировался
в приемнике, не имевшем электронных ламп. Ко всему прочему, фирма уверяла, что
прибор может использоваться не только для усиления, но и для генерации или
преобразования электрического сигнала.
Появление транзистора стало следствием длительного развития
полупроводниковой электроники, которое началось в 1833 году, когда английский
физик экспериментатор Майкл Фарадей в своей работе «Экспериментальные
исследования по электричеству», описал необычную температурную зависимость
электропроводимости сульфида серебра, которая увеличивалась при повышении
температуры, в то время как проводимость металлов при нагреве уменьшалась.
В 1820—1900 годы, большой вклад в исследование различных свойств
кристаллов внесла династия французских физиков Беккерелей: Антуан Сезар
Беккерель, Александр Эдмон Беккерель и Антуан Анри Беккерель. Были изучены
пьезоэлектрические, термоэлектрические свойства кристаллов, в 1851 году
Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект в переходе
электролит-полупроводник.
В 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун впервые обнаружил
явление односторонней проводимости контакта металлического усика с кристаллом
сульфида свинца, а затем и с другими кристаллами полупроводников. Точечный
полупроводниковый диод-детектор, основанный на этом явлении, был запатентован в
1906 году инженером Гринлифом Уиттером Пиккардом (см. рисунок 2).
Изобретение в 1904 году Джоном Флемингом вакуумного диода и
последующее за этим в 1906 году изобретение Ли де Форестом усилительного
вакуумного триода, стало началом развития вакуумной электроники. Стабильные в
работе и основанные на понятных физических принципах электронные лампы на 50
лет замедлили развитие полупроводниковой электроники в мире. В этот период
физика полупроводников была ещё плохо изучена, все достижения являлись
следствием экспериментов. Учёные затруднялись объяснить, что происходит внутри
кристалла. Часто выдвигались ошибочные гипотезы.
В 1910 году английский физик Уильям Икклз обнаружил у некоторых
полупроводниковых диодов способность генерировать электрические колебания.
Далее инженер Олег Лосев в 1922 году самостоятельно разработал диоды,
обладающие при некоторых напряжениях смещения отрицательным дифференциальным
сопротивлением. С помощью них впервые успешно использовал усилительные и
генераторные свойства полупроводников (Кристадинный эффект) в детекторных и
гетеродинных радиоприёмниках собственной конструкции.
За сотрудничество в разработке первого в мире действующего
транзистора в 1948 году они разделили Нобелевскую премию 1956 года.
Но возможности транзистора, как, впрочем, и многих других великих
открытий, были поняты и оценены не сразу. Чтобы вызвать интерес к новому
прибору, фирма Bell усиленно рекламировала его на семинарах и в статьях, и
предоставляла всем желающим лицензии на его производство.
Производители электронных ламп не видели в транзисторе серьезного
конкурента, ведь нельзя было так сразу, одним махом, сбросить со счетов
тридцатилетнюю историю производства ламп нескольких сотен конструкций, и
многомиллионные денежные вложения в их развитие и производство. Поэтому
транзистор вошел в электронику не так быстро, поскольку эпоха электронных ламп
еще продолжалась. Но к 1980-м годам транзисторы, благодаря своей миниатюрности,
экономичности, устойчивости к механическим воздействиям и невысокой стоимости,
практически полностью вытеснили электронные лампы из малосигнальной
электроники. Благодаря своей способности, работать при низких напряжениях и
значительных токах, транзисторы позволили уменьшить потребность в
электромагнитных реле и механических переключателях в оборудовании, а благодаря
способности к миниатюризации и интеграции позволили создать интегральные схемы,
заложив основы микроэлектроники.
1.2.
Предыстория создания интегральных схем.
1.2.1. Появление
первых интегральных схем
2 сентября 1958 года сотрудник фирмы Texas Instruments (TI) Джек
Килби продемонстрировал руководству три странных прибора – склеенные пчелиным
воском на стеклянной подложке устройства из двух кусочков кремния размером 11,1×1,6 мм (см. рисунок 3).
Это были объёмные макеты – прототипы интегральной схемы (ИС) генератора,
доказывающие возможность изготовления всех элементов схемы на основе одного
полупроводникового материала. Эта дата отмечается в истории электроники как
день рождения интегральных схем.
Рисунок 3 – Макет первой ИС Дж. Килби
К концу 1950-х годов технология сборки радиоэлектронной аппаратуры
(РЭА) из дискретных элементов исчерпала свои возможности. Мир пришёл к
острейшему кризису РЭА, требовались радикальные меры. К этому моменту в США и
СССР уже были промышленно освоены интегральные технологии производства, как
полупроводниковых приборов, так и толстоплёночных и тонкопленочных керамических
плат, т. е. созрели предпосылки для выхода из этого кризиса путем создания
многоэлементных стандартных изделий – интегральных схем.
К интегральным схемам (микросхемам, ИС) относятся электронные
устройства различной сложности, в которых все однотипные элементы
изготавливаются одновременно в едином технологическом цикле, т.е. по
интегральной технологии. В отличие от печатных плат (в которых в едином цикле
по интегральной технологии одновременно изготавливаются все соединительные
проводники) в ИС аналогично формируются и резисторы, и конденсаторы, и (в
полупроводниковых ИС) диоды и транзисторы. Кроме того, одновременно
изготавливается много ИС, от десятков, до тысяч.
1.2.2. Первые
гибридные интегральные схемы (ИС)
К гибридным относятся ИС (см. рисунок 4),
в производстве которых сочетается интегральная технология изготовления
пассивных элементов с индивидуальной (ручной или автоматизированной)
технологией установки и монтажа активных элементов.
Еще в конце 1940-х годов в фирме Centralab в США были разработаны
основные принципы изготовления толстоплёночных печатных плат на керамической
основе, развитые затем другими фирмами. В основу были положены технологии
изготовления печатных плат и керамических конденсаторов. От печатных плат взяли
интегральную технологию формирования топологии соединительных проводников –
шелкографию. От конденсаторов – материал подложки (керамика, чаще ситал), а
также материалы паст и термическую технологию их закрепления на подложке.
Рисунок 4 – Гибридная интегральная схема
А в начале 1950-х годов в фирме RCA изобрели тонкоплёночную
технологию: распыляя в вакууме различные материалы и осаждая их через маску на
специальные подложки, научились на единой керамической подложке одновременно изготавливать
множество миниатюрных плёночных соединительных проводников, резисторов и
конденсаторов.
По сравнению с толстоплёночной, тонкоплёночная технология
обеспечивала возможность более точного изготовления элементов топологии меньших
размеров, но требовала более сложного и дорогостоящего оборудования.
Устройства, изготавливаемые на керамических платах по толстоплёночной или
тонкоплёночной технологии, получили название “гибридные схемы”. Гибридные схемы
выпускались как комплектующие изделия собственного производства, их
конструкция, размеры, функциональное назначение у каждого изготовителя были
свои, на свободный рынок они не попадали, а потому мало известны.
Вторглись гибридные схемы и в микромодули. Сначала в них
применялись дискретные пассивные и активные миниатюрные элементы, объединённые
традиционным печатным монтажом. Технология сборки была сложной, с огромной
долей ручного труда. Поэтому микромодули были весьма дорогими, их применение
было ограничено бортовой аппаратурой. Затем применили толстопленочные
миниатюрные керамические платки. Далее по толстопленочной технологии начали
изготавливать резисторы. Но диоды и транзисторы использовались ещё дискретные,
индивидуально корпусированные.
Гибридной интегральной схемой микромодуль стал в тот момент, когда
в нём применили бескорпусные транзисторы и диоды и герметизировали конструкцию
в общем корпусе. Это позволило значительно автоматизировать процесс их сборки,
резко снизить цены и расширить сферу применения. По методу формирования
пассивных элементов различают толстоплёночные и тонкоплёночные ГИС.
1.2.3. Первые
полупроводниковые ИС
К концу 1950-х годов промышленность имела все возможности для
производства дешёвых элементов электронной аппаратуры. Но если транзисторы или
диоды изготовлялись из германия и кремния, то резисторы и конденсаторы делали
из других материалов. Многие тогда полагали, что при создании гибридных схем не
будет проблем в сборке этих элементов, изготовленных по отдельности. А если
удастся изготовить все элементы типового размера и формы и тем самым
автоматизировать процесс сборки, то стоимость аппаратуры будет значительно
снижена. На основании таких рассуждений сторонники гибридной технологии
рассматривали её как генеральное направление развития микроэлектроники.
Но не все разделяли это мнение. Дело в том, что уже созданные к
тому периоду меза-транзисторы и, особенно, планарные транзисторы, были
приспособлены для групповой обработки, при которой ряд операций по изготовлению
многих транзисторов на одной пластине-подложке осуществлялись одновременно, т.е.
на одной полупроводниковой пластине изготавливалось сразу множество
транзисторов. Затем пластина разрезалась на отдельные транзисторы, которые
размещались в индивидуальные корпуса. А затем изготовитель аппаратуры объединял
транзисторы на одной печатной плате. Нашлись люди, которым такой подход
показался нелепым – зачем разъединять транзисторы, а потом снова объединять их.
Они решили объединить их сразу на полупроводниковой пластине, при этом
избавились от нескольких сложных и дорогостоящих операций. Эти люди и придумали
полупроводниковые ИС.
Идея предельно проста и совершенно очевидна, и была оглашена еще в
1952 г., до появления групповых методов изготовления полупроводниковых
приборов. На ежегодной конференции по электронным компонентам, проходившей в
Вашингтоне, сотрудник Британского королевского радиолокационного управления в
Малверне Джеффри Даммер представил доклад о надёжности элементов
радиолокационной аппаратуры. В докладе он сделал пророческое утверждение: «С
появлением транзистора и работ в области полупроводниковой техники вообще можно
себе представить электронное оборудование в виде твердого блока, не содержащего
соединительных проводов. Блок может состоять из слоев изолирующих, проводящих,
выпрямляющих и усиливающих материалов, в которых определенные участки вырезаны
таким образом, чтобы они могли непосредственно выполнять электрические функции».
Но этот прогноз остался специалистами незамеченным. Вспомнили о нём только
после появления первых полупроводниковых ИС, т.е. после практического
доказательства давно оглашенной идеи. Кто-то должен был первым вновь
сформулировать и реализовать идею полупроводниковой ИС.
Как и в случае с транзистором, у общепризнанных создателей
полупроводниковых ИС были более или менее удачливые предшественники. Попытку
реализовать свою идею в 1956г. предпринял сам Даммер, но потерпел неудачу. В
1953г. Харвик Джонсон из фирмы RCA получил патент на однокристальный генератор,
а в 1958г. совместно с Торкелом Валлмарком анонсировал концепцию
“полупроводникового интегрального устройства”. В 1956 году сотрудник фирмы Bell
Labs Росс (см. рисунок 5)
изготовил схему двоичного счётчика на основе n-p-n-p структур в едином
монокристалле. В 1957г. Ясуро Тару из японской фирмы MITI получил патент на
соединение различных транзисторов в одном кристалле. Но все эти и другие им
подобные разработки имели частный характер, не были доведены до производства и
не стали основой для развития интегральной электроники. Развитию ИС в
промышленном производстве способствовали только три проекта.
Удачливыми оказались уже упомянутый Джек Килби из Texas Instruments
(TI), Роберт Нойс из Fairchild (оба из США) и Юрий Валентинович Осокин из КБ
Рижского завода полупроводниковых приборов (СССР). Американцы создали
экспериментальные образцы интегральных схем: Дж. Килби – макет ИС генератора
(1958г.), а затем триггер на меза-транзисторах (1961г.), Р. Нойс – триггер по
планарной технологии (1961г.), а Ю. Осокин – сразу пошедшую в серийное
производство логическую ИС “2НЕ-ИЛИ” на германии (1962г.). Серийное
производство ИС эти фирмы начали почти одновременно, в 1962г.
Рисунок 5 – Полупроводниковая ИС
2.
Описание транзисторов и интегральных схем, виды,
особенности строения, принцип работы, применение
2.1.
Транзисторы: виды транзисторов и их принцип
работы
Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы,
обычно с тремя выводами (см. рисунок 6),
в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. Особенность
полевых транзисторов – управление выходным током происходит посредством
изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. Три контакта полевых
транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий
электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и
очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно
как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с
управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. Полевые транзисторы
применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых
и логических устройствах, при изготовлении микросхем.
Рисунок 6 – Полевой транзистор
2.1.2. Полевой
транзистор с управляющим p-n переходом
В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с
проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды,
подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой
пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой
подключен третий электрод – затвор. Естественно, что между затвором и
p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход (см. рисунок 7).
А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной
подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно,
если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он
значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и
стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с
помощью напряжения (электрического поля) затвора.
Рисунок 7 – Схема p-n полевого транзистора
В рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом
напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо
обратным. Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что
запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.
2.1.3. Полевой
транзистор с изолированным затвором
Такие транзисторы также часто называют МДП
(металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП
(металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor
field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала
тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект
изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с
диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Рисунок 8 – Полевой транзистор с изолированным затвором
Устройство транзисторов такого вида следующее (см. рисунок 8).
Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно
легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает
узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней
на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида
кремния – отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен
затвор – тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком,
хотя бывает, что его подключают и отдельно.
Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение
исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Один из p-n переходов будет
закрыт.
А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока
напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из
канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится
текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на
затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же подать на затвор напряжение, которое будет способствовать
возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то
транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала
будет падать, а ток через него расти.
Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором
похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом
токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так
называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что
канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора.
Биполярный транзистор – это электрический полупроводниковый прибор,
служащий для усиления сигнала и ряда прочих целей, в котором ток образуется
движением носителей обоих знаков. В нынешнем виде изделие предложено и
запатентовано в 1947 году Уильямом Шокли. Электропроводность эмиттера и коллектора
противоположна электропроводности базы. В зависимости от порядка чередования р
и n-областей различают транзисторы со структурой р-n-р и n-р-n (см. рисунок 9).
Условные графические обозначения транзисторов р-n-р и n-р-n отличаются лишь
направлением стрелки у электрода, обозначающего эмиттер.
Рисунок 9 – Cхема транзисторов р-n-р и n-р-n
Принцип работы транзисторов р-n-р и n-р-n одинаков, поэтому в дальнейшем
будем рассматривать лишь работу транзистора со структурой р-n-р.
Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой,
называется эмиттерным, а коллектором и базой – коллекторным. Расстояние между
переходами очень мало: у высокочастотных транзисторов оно менее 10 микрометров
(1 мкм = 0,001 мм), а у низкочастотных не превышает 50 мкм.
При работе транзистора на его переходы поступают внешние напряжения
от источника питания. В зависимости от полярности этих напряжений каждый
переход может быть включен как в прямом, так и в обратном направлении.
Различают три режима работы транзистора:
1) режим отсечки – оба перехода и, соответственно, транзистор
полностью закрыты;
2) режим насыщения – транзистор полностью открыт;
3) активный режим – это режим, промежуточный между двумя первыми. Режимы
отсечки и насыщения совместно применяются в ключевых каскадах, когда транзистор
попеременно то полностью открыт, то полностью заперт с частотой импульсов,
поступающих на его базу. Каскады, работающие в ключевом режиме, применяются в
импульсных схемах (импульсные блоки питания, выходные каскады строчной
развертки телевизоров и др.). Частично в режиме отсечки могут работать выходные
каскады усилителей мощности.
Наиболее часто транзисторы применяются в активном режиме. Такой
режим определяется подачей на базу транзистора напряжения небольшой величины,
которое называется напряжением смещения (U см) Транзистор приоткрывается и
через его переходы начинает течь ток. Принцип работы транзистора основан на
том, что относительно небольшой ток, текущий через эмиттерный переход (ток
базы), управляет током большей величины в цепи коллектора. Ток эмиттера
представляет собой сумму токов базы и коллектора.
Биполярные транзисторы до сих пор используются для усиления
сигналов, коммутации и в цифровых схемах. Специализированные типы используются
для высоковольтных выключателей, для радиочастотных усилителей или для
коммутации больших токов.
2.2.
Интегральные схемы: виды интегральных схем и их
принцип работы
2.2.1. Гибридные
интегральные схемы
В гибридных ИМС пассивные элементы выполнены по пленочной
технологии, рассмотренной выше, а активные элементы – навесные. Навесные
элементы в микроэлектронике называются миниатюрными. Обычно это бескорпусные
транзисторы, диоды, которые представляют собой самостоятельные элементы,
приклеиваются («навешиваются») в соответствующих местах на подложке и
соединяются тонкими проводами с пленочными элементами схемы. В гибридных ИС
навесными могут быть целые монолитные (полупроводниковые) ИС (кристаллы),
размеры которых всегда значительно меньше, чем в гибридных схемах. Иногда в
гибридных ИС навесными могут быть и пассивные элементы в миниатюрном
исполнении, которые не могут быть выполнены в виде пленок (это конденсаторы
большой емкости, катушки индуктивности, миниатюрные трансформаторы).
Гибридные ИС (см. рисунок 10)
изготавливаются следующим образом. Сначала подложку шлифуют и полируют, затем
на нее наносят резистивные пленки, нижние обкладки конденсаторов, катушки
индуктивности и соединительные линии. После этого наносится диэлектрическая
пленка, а затем снова металлическая. Только после всего этого приклеиваются
навесные элементы и их выводы подсоединяются к точкам схемы.
Рисунок 10 – Схема
гибридной ИМС
Структура и электрическая схема гибридной интегральной микросхемы
выполнены в качестве навесных компонентов. Схема помещается в корпус и
присоединяется к контактным выводам корпуса.
Гибридные интегральные схемы уступают полупроводниковым ИС по
надежности, плотности упаковки и себестоимости, но в ряде случаев имеют
схемотехнические преимущества благодаря навесным компонентом с более широким
диапазоном электрических параметров. Гибридные ИМС перспективны для замены
печатного монтажа путем размещения на одной подложке ряда бес корпусных полупроводниковых
ИС и других элементов в качестве компонентов.
Полупроводниковая интегральная микросхема – интегральная
микросхема, элементы которой выполнены в объеме и (или) на поверхности
полупроводникового материала.
В зависимости от количества элементов в схеме различают:
1.
ИМС первой степени интеграции, содержащие до 10
элементов;
2.
ИМС второй степени интеграции, содержащие от 10
до 100 элементов;
3.
ИМС третьей степени интеграции, содержащие от
100 до 1000 элементов и т.д.
Интегральные микросхемы, содержащие более 100 элементов принято
называть большими интегральными схемами (БИС). Повышение степени интеграции
микросхем и связанное с этим уменьшение размеров элементов имеют определенные
пределы. Интеграция свыше нескольких десятков тысяч элементов оказывается,
экономически нецелесообразной и технологически трудно выполнимой. Поэтому
весьма перспективным направлением дальнейшего развития электронной техники
является функциональная микроэлектроника, позволяющая реализовать определенную функцию
аппаратуры без применения стандартных базовых элементов. В функциональной
микроэлектронике используются разнообразные физические явления, положенные в
основу оптоэлектроники, акустоэлектроники, криоэлектроники, хемотроники,
магнетоэлектроники и др.
Пленочная интегральная микросхема (см. рисунок 11)
представляет собой схему, элементы которой образованы совокупностью пленок
различных материалов, нанесенных на общее основание (подложку).
На практике широко применяются пленочные микросхемы, состоящие из
резисторов, конденсаторов и соединительных проводников. Составные части
пленочных микросхем (пленочные элементы) получают путем последовательного
нанесения на подложку пленок из токопроводящих, магнитных, диэлектрических и
других материалов.
Пленочные элементы имеют ряд преимуществ по сравнению с навесными
объемными микроэлементами. Так, например, резисторы обладают малым уровнем
шумов, большим удельным сопротивлением, конденсаторы – повышенной
стабильностью, хорошим температурным коэффициентом. Метод напыления тонких
пленок позволяет создавать не только функциональные микросхемы, но и полосковые
СВЧ-элементы, электронно-управляемые переключатели мощности и различного рода
ЛС-цепи с распределенными параметрами.
Свойства пленок во многом зависят от физических и химических
свойств подложек. В качестве подложек используются специальные сорта стекла
(С-41-1, С-48-3), высокоглиноземистая керамика (22ХС), ситалл (СТ-1, СТ-50-1) и
бериллиевая керамика. Применяемые для изготовления микросхем подложки должны
обеспечивать хорошие теплопроводность и механическую прочность при небольшой
толщине, высокое удельное электрическое сопротивление (не менее 1014
Ом/см) и малую диэлектрическую проницаемость (не более 10–15),
физическую и химическую стойкость при высоких температурах и хорошую чистоту
обрабатываемой поверхности (12–14-й класс). Подложки могут быть квадратной или
прямоугольной стандартной формы. Толщина подложек в зависимости от их размера
составляет 0,6; 1 и 1,6 мм.
Комплекс работ, связанных с определением оптимальных геометрических
размеров пленочных элементов микросхемы, их формы, методов соединения, а также
последовательности нанесения слоев пленки на подложку, называется топологией.
В зависимости от топологии для изготовления микросхемы
используются различного рода трафареты, выполняемые с помощью фотолитографии
или электроискровым методом из медной фольги, никеля, стали и других материалов
толщиной 0,07–0,15 мм. Трафареты накладывают на подложку, закрывая ту ее часть,
которая не предназначена для напыления. Наиболее сложным процессом при
нанесении пленочных элементов является совмещение трафаретов, так как для
изготовления отдельных микросхем иногда требуется наложение до 15 трафаретов. Пленки
по толщине разделяют на толстые (несколько десятков микрон) и тонкие (единицы
микрон).
Толстые пленки наносят на подложку методом шелкографии, вжигания и
электрохимического осаждения. Достоинством толстопленочных микросхем является
возможность применения для их изготовления простейшей технологии без
использования дорогостоящего оборудования.
Рисунок 11 – Схема
плёночной ИМС
3.
Перспективы развития транзисторов и интегральных
схем. аналоги
3.1.
Перспективы развития и аналоги транзисторов
В настоящее время развитие компьютерной индустрии заставляет
производителей процессоров устанавливать на один чип все больше и больше
транзисторов. Соответственно, размеры последних становятся все меньше и меньше.
Дальнейшее уменьшение размеров транзисторов становится все более
проблематичным, поэтому многие компании активно занимаются разработкой
альтернативных технологий.
На сегодня существуют два кандидата на роль материала для новых
некремниевых транзисторов: углеродные нанотрубки и графен.
Углеродные нанотрубки (см. рисунок 12)
– протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких
десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких
свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и
заканчиваются обычно полусферической головкой.
Рисунок 12 – Углеродная
нанотрубка
Структуру таких нанотрубок можно представить как графитовую
плоскость (т.е. плоскость, в которой атомы углерода упакованы по типу графита),
из которой вырезана длинная полоска, свернутая в цилиндр. Этот цилиндр и
представляет собой углеродную нанотрубку. От того, каким образом из графитовой
плоскости вырезается полоска, будет зависеть степень скрученности нанотрубки,
которая оказывает значительное влияние на ее электрические свойства, определяя
ее зонную структуру и взаимное расположение валентной зоны и зоны проводимости
на энергетической диаграмме. При определенной скрученности нанотрубка будет
обладать электронной проводимостью по типу металлов. Во всех остальных случаях
нанотрубки являются полупроводниками с запрещенной зоной шириной от нескольких
десятых до единиц эВ. Причем, чем меньше диаметр нанотрубки, тем больше ширина
запрещенной зоны.
Одно из интересных применений нанотрубок – это создание полевых
транзисторов, в которых нанотрубка играет роль канала проводимости. Принцип
действия полевого транзистора на основе нанотрубки подобен принципу действия
традиционного транзистора, но каналом переноса заряда в данном случае является
сама нанотрубка.
Существенно меньшие размеры - не единственное преимущество
углеродных нанотрубок. Производство нанотрубок химическим способом существенно
дешевле современных технологий производства кремниевых микросхем. Управляя
каталитическим процессом, можно создавать транзисторы из нанотрубок с заданными
заранее свойствами, например напряжением
переключения. Первой компанией, изготовившей в 2001 г. транзистор на
нанотрубках, стала IBM. С тех пор было разработано множество альтернативных
схем транзисторов с нанотрубками. К примеру, в компании Samsung была создана
схема транзистора с вертикальным расположением нанотрубок. Другое интересное
применение нанотрубок – это создание энергонезависимой оперативной памяти NRAM
(Nonvolatile Random Access Memory).
3.2.
Перспективы развития и аналоги ИМС
Как уже отмечалось, интегральная схема относится к разряду
электронных приборов, поскольку она, как транзистор, диод и др., представляет
единое целое, выполняет определенную функцию и должна удовлетворять
определенным требованиям при поставках и эксплуатации. Однако ИМС является
качественно новым типом прибора (по сравнению с транзистором), обладающих рядом
важных особенностей.
Фотолитография исчерпала свои возможности из-за волновых свойств
света (дифракции). Дальнейшее уменьшение размеров элементов обеспечивает
рентгенолитография и электронная литография. Но и они имеют ограничения,
обусловленные тем, что происходит существенные разупорядочение материалов за
пределами окон фоторезиста. Степень интеграции N при этом достигнет 20–30 миллионов
и более. Далее по прогнозам специалистов на схему микроэлектронике прейдет
наноэлектроника. Уже разработаны нанотехнологические установки, при помощи
которых можно «сортировать» атомы: удалять атомы, заменять атомы, формировать
из атомов трехмерные элементы. При этом создаются квантовые проводники с
поперечными размера порядка 20Å (ангстрем), в которых, кроме всего прочего, еще
значительно сокращается расстояние энергии и, следовательно, резко
увеличивается быстродействие. Например, изготовленный по нанотехнологии полевой
транзистор (с размерами в пределах 40–80 нм) имеет быстродействие терагерцовом
диапазоне (1ТГц = 1012Гц). Уже в ближайшие годы будет достигнута
сверхвысокая плотность записи информации – 1012 бит/см2,
а длительность фронта изменения электрического сигнала будет достигать 10-14
с. По оценкам специалистов уже к 2005 году удастся разработать технологические
установки, обеспечивающие «сборку» атомов со скоростью в один кубический
дециметр вещества в час.
Итак, в реферате были рассмотрены основные виды транзисторов и
интегральных, их история и перспективы развития технологии. Безусловно
транзисторы и интегральные схемы на сегодняшний день являются очень важными
элементами электронно-вычислительных машин, но если посмотреть на перспективы
развития технологии, можно заметить, что скоро они исчерпают себя, так как для
того, чтобы ЭВМ становилась более производительной необходимо увеличивать
количество транзисторов или интегральных схем, а для этого необходимо уменьшать
их, что становится всё более и более затруднительным, поэтому на сегодня
ведутся активные исследования в этой области технологий, и уже даже разработано
несколько аналогов этим технологиям. Но аналоги ещё не получили широкое
распространение так что на сегодняшний день транзисторы и интегральные схемы
являются незаменимыми в устройстве ЭВМ.
1)
Бушминский, И.П., Морозов Г.В. Технология
гибридных интегральных схем СВЧ / Москва: Изд-во Высшая школа, 1980.– 285 с.
2)
Виды интегральных микросхем – http://euroelectrica.ru/vidyi-integralnyih-mikroshem/
3)
Перспективы развития транзисторов – http://intkonf.org/ktn-konovalenko-ad-krush-ss-perspektivyi-razvitiya-tranzistorov/
4)
Степаненко, И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных
схем / Степаненко И.П. – Москва: Изд. 4-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1977.
– 672 с.
5)
Полупроводниковые приборы: справочник / под ред.
Н.Н. Горюнова. М.: Энергоатомиздат, 1985. – 897 с.
6)
Биполярные транзисторы: устройство, принцип и
режимы работы, схема включения, применение, основные параметры – https://studfile.net/preview/4294092/page:4/
7)
Гибридные интегральные микросхемы – https://studref.com/432839/tehnika/gibridnye_integralnye_mikroshemy_gims
8)
Виды интегральных схем – http://euroelectrica.ru/vidyi-integralnyih-mikroshem/?ysclid=l7r47yoot1971094708.
9)
Интегральные микросхемы – https://electroinfo.net/shemy/chto-takoe-integralnaja-mikroshema.html?ysclid=l7r4aag15i404631559
10)
История изобретения полевых транзисторов – https://radioschema.ru/istoriya/istoriya-za-izobretenie-polevyih-tranzistorov.html
