Материал курса "Интегральные устройства радиоэлектроники"

Какие бывают интегральные устройства РЭ и как их использовать

Интегральные устройства радиоэлектроники: ГОС.

Основные структуры полупроводниковых интегральных схем (ИС); структуры биполярных ИС, структуры ИС на полевых транзисторах; структуры сверхбольших ИС на полупроводниках группы А^IIIВ^V; элементы Джозефсона; элементы интегральной оптики; лазерные источники в интегральной оптике; акустооптическое взаимодействие и устройства на его основе; типы акустических поверхностных волн; устройства для обработки сигналов: линии задержки, резонаторы, фильтры, ответвители

Составил: Налькин М.Е.

Общий объем 72 ч (36 лекций).

1. План курса

1. 1 Основные положения, принципы и направления микроэлектроники

1.1 Этапы миниатюризации элементов электронной аппаратуры

1.2 Терминология по микроэлектронике

1.3 Классификация и общая характеристика изделий микроэлектроники

2. 2 Гибридные интегральные схемы

2.1 Конструктивные особенности тонкопленочных и толстопленочных ГИС

2.2 Методы получения толстых пленок

2.3 Методы получения тонких пленок

2.4 Методы получения конфигураций тонкопленочных структур

2.5 Ограничения, накладываемые тонкопленочной технологией

2.6 Реализация и основные параметры пленочных резисторов

2.7 Реализация и основные параметры пленочных конденсаторов

2.8 Реализация и основные параметры индуктивностей

2.9 Монтаж навесных компонентов ГИС

2.10. Основные принципы разработки и этапы проектирования ГИС.

3. 3 Полупроводниковые (монолитные) интегральные схемы

3.1 Типовые структуры монолитных ИС

3.2 Реализация и основные параметры диодов

3.3 Реализация и основные параметры резисторов

3.4 Реализация и основные параметры конденсаторов

3.5 Разновидности транзисторных структур для построения ИС

3.6 Планарно-эпитаксиальные транзисторы

3.7 Биполярные транзисторы с барьером Шотки

3.8 Транзисторные структуры с инжекционным питанием

3.8 Многоэмиттерные транзисторы

3.9 Транзисторы на основе структуры МДП и КМДП

4. 4 Основы применения ИМС

Корпуса ИМС

Требования по монтажу ИМС

5. 5 Особенности микросхем диапазона СВЧ

ГИС СВЧ на сосредоточенных элементах

Распределенные элементы ГИС СВЧ

Монолитные микросхемы СВЧ

Объемные интегральные схемы СВЧ

6. 6 Особенности быстродействующих цифровых ИС и ИС с высокой степенью интеграции

Пути и проблемы повышения быстродействия цифровых ИС

Технология и САПР СБИС

7. 7 Оценки качества, надежности и стоимости изделий микроэлектроники

Понятие качества и критерии оценки качества ИС

Понятие надежности и критерии оценки надежности ИС

Производственный контроль качества и надежности ИС

Понятие стоимости ИС, удельной стоимости, основные факторы, влияющие на стоимость

8. 8 Элементы функциональной микроэлектроники

Элементы и устройства интегральной оптики

Акустоэлектрические преобразователи

Диэлектрическая электроника

Датчики на основе эффекта Холла

Химические элементы в электронике

Элементы Джозефсона

Биоэлектроника

9. Полупроводниковые структуры типа КНС

10. Полупроводниковые структуры на основе алмаза

______________________________________________________________________

11. 1 Основные положения, принципы и направления микроэлектроники

1.1 Этапы миниатюризации элементов электронной аппаратуры

Современные радиосистемы характеризуются высокой функцилнальной сложностью и большим числом компонентов, входящих в их состав, что приводит к высоким требованиям по надежности как самих элементов, так и соединений между ними (радиотехника – наука о контактах!). Кроме того, важно обеспечить снижение массы, габаритов, снизить потребляемую мощность и стоимость. Эти задачи решаются применением современной элементной базы микроэлектроники.

Микроэлектроника– область электроники, охватывающая проблемы исследования, разработки, изготовления и применения микроэлектронных изделий. Основной отличительной чертой микроэлектроники является интеграция: технологическая (использование групповых методов изготовления), конструктивная (объединение элементов на одной подложке), научно-техническая (использование достижений, полученных на стыке наук).

Первые значительные успехи в миниатюризации РЭА были достигнуты в 50 – 60-е годы 20 в. всвязи с переходом от вакуумных на твердотельные активные приборы и внедрением технологии печатного монтажа. Это позволило перейти на модульный принцип построения сложных систем. Модулиявлялись первичными элементами электронных устройств и выполнялись как типовые унифицированные функциональные узлы. Элементная база модулей представляла собой дискретные корпусные элементы (транзисторы, диоды, резисторы, и т.п.).

Следующим этапом был переход на микромодули. Микромодули имели стандартную конструкцию независимо от входящих в него элементов и схемы соединений. Микромодули выполнялись на керамических микроплатах, установленных в несколько этажей. Межплатные соединения обеспечиваются жесткими проводниками, которые монтируются по периметру плат. На микроплатах монтируются микроэлементы, соединяемые печатными проводниками. После сборки микромодуль герметизируется эпоксидным компаундом.

Первые разработки интегральных микросхем относятся к 1958 – 1960 гг. В 1961 – 1963 гг. начали серийно выпускаться первые простейшие пленочные микросхемы. Проблемы, связанные с разработкой стабильных активных пленочных элементов, привели к преимущественному использованию гибридных интегральных схем, в которых пассивные элементы выполняются по пленочной технологии, а активные – на полупроводниковых кристаллах, которые монтируются на подложку. Первая половина 60-х гг. считается датой рождения микроэлектроники. Выпускаемые в это время микросхемы характеризуются степенью интеграции 10 – 100 элементов/кристалл, минимальным размером элемента порядка 100 мкм.

Второй этап относится ко второй половине 1960-х гг. и характеризуется степенью интеграции 100 – 10000 элементов/кристалл с минимальным размером элемента порядка 3 мкм. С первой половины 1970-х гг. осваивается производство БИС.

Третий этап, относимый ко второй половине 1970-х гг., характеризуется разработкой микросхем со степенью интеграции 10 тыс. – 1 млн элементов/кристалл и минимальным размером элементов 1 – 0.1 мкм. В этот период интенсивно разрабатываются СБИС и микропроцессоры.

Дальнейшее развитие микроэлектроники характеризуется все большим использованием цифровых методов обработки данных, всвязи с чем растет быстродействие, степень интеграции, надежность, снижается стоимость цифровых микросхем. Также увеличивается роль устройств функциональной электроники.

В настоящее время характерно достижение предельных характеристик по степени интеграции и достигаемому быстродействию цифровых микросхем, широкое использование микросборок, интенсивное развитие технологии монолитных ИС для СВЧ диапазона, усиление роли устройств оптической- и акустоэлектроники.

1.2 Принятая терминилогия по микроэлектронике в соответствии с ГОСТ

Микросхема – микроэлектронное изделие, имеющее эквивалентную плотность монтажа не менее пяти элементов в одном кубическом сантиметре объема, занимаемого схемой, и рассматриваемое как единое конструктивное целое.

Интегральная микросхема(ИМС) – микросхема, все или часть элементов которой нераздельно связаны и электрически соединены между собой так, что устройство рассматривается как единое целое.

Полупроводниковая ИМС– ИМС, элементы которой выполнены в объеме и (или) на поверхности полупроводникового материала.

Пленочная ИМС– ИМС, элементы которой выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлектрического материала.

Тонкопленочная ИМС– пленочная ИМС с толщиной пленок до 1 мкм.

Гибридная интегральная микросхема– ИМС, часть элементов которой имеет самостоятельное конструктивное исполнение.

Микросборка– микросхема, состоящая из различных элементов и (или) интегральных микросхем, которые имеют конструктивное оформление и могут быть испытаны до сборки и монтажа.

Подложка ИС– основание, на поверхности или в объеме которого формируются элементы ИМС.

Базовый кристалл– подложка из полупроводникового материала с набором сформированных в ней не соединенных между собой элементов, используемая для создания ИМС путем изготовления избирательных внутрисхемных соединений.

Эпитаксия– процесс выращивания слоев с упорядоченной кристаллической структурой путем реализации ориентирующего действия подложки.

Маска– трафарет, обеспечивающий избирательную защиту отдельных участков подложки при технологической обработке.

Элемент ИМС– часть ИМС, реализующая функции какого-либо радиоэлемента, выполненная нераздельно от кристалла или подложки. Элемент не может быть отделен от ИМС как самостоятельное изделие.

Компонент ИМС- часть ИМС, реализующая функции какого-либо радиоэлемента, и являющейся перед монтажом самостоятельным изделием в специальной упаковке.

1.3 Классификация и общая характеристика изделий микроэлектроники

По типу выпускаемых изделий различают:

- ИМС;

- Функциональные устройства;

- Конструктивно-вспомогательные изделия.

Элементы ИМС выполнены внутри или на поверхности общей подложки и заключены в общий корпус. Элементы создаются в едином технологическом процессе с использованием групповых методов изготовления элементов и межэлементных соединений.

Принцип работы функциональных устройств основан на использовании неэлектрических явлений в твердом теле. К таким явлениям относятся:

- Тепловые;

- Оптоэлектронные;

- Пьезоэлектрические;

- Механические;

- Акустические;

- Ионные;

- Электрохимические;

- Магнитные;

- Эффект Ганна.

Конструктивно-вспомогательные изделия предназначены для монтажа и сборки микросхем. К ним относятся:

- Многослойные печатные платы;

- Гибкие кабели;

- Микроразъемы;

- Индикаторы;

- Кнопки;

- Микропереключатели;

- Элементы конструкций.

По своим конструктивным характеристикам и надежности эти изделия должны быть близки к ИМС. Поэтому для их реализации широко используются технологии микроэлектроники.

Наиболее массовым продуктом микроэлектроники являются ИМС, и именно они характеризуют уровень технологий интегральной микроэлектроники. Классифицировать номенклатуру ИМС можно по различным критериям. Наиболее распространена классификация по конструктивно-технологическим признакам, по которым выделяют следующие типы ИМС:

- Полупроводниковые(монолитные) ИС;

- Пленочные ИС;

- Гибридные ИС.

Полупроводниковые ИС реализуются на подложках из полупроводника. В качестве материала подложки наиболее используются:

- Кремний;

- Арсенид галлия;

- Карбид кремния;

- Многокристальные ИС.

Базовым элементом ИС является транзистор. Полупроводниковые ИС могут быть реализованы на:

- Биполярных транзисторах;

- Биполярных транзисторах с диодом Шотки;

- Полевых (униполярных) транзисторах.

Пленочные ИС различаются толщиной пленок, которая определяется технологией их нанесения. Среди них выделяют:

- Толстопленочные ИМС;

- Тонкопленочные ИМС.

ТолстопленочныеИМС изготавливаются путем вжигания паст определенного химического состава через трафареты на керамическую подложку. В качестве материала подложки наиболее часто используется керамика марки 22ХС. Толщина пленок составляет от единиц до десятков мкм. Проблемы толстопленочной технологии в первую очередь обусловлены неоднородностью состава паст и неоднородностью толщин получаемых пленок, что приводит к ухудшению электрических параметров схем и ухудшению их повторяемости.

ТонкопленочныеИМС получили более широкое распространение. Рисунок тонкопленочных ИМС получается путем вакуумного или гальванического осаждения проводящих материалов через трафареты. В качестве подложек используется поликор (поликристаллическая окись алюминия), ситаллы, ферриты. Толщина пленок составляет не более нескольких микрометров, что требует обеспечения высокого качества поверхности керамической подложки. Высокая чистота поверхности достигается высококачественной механической обработкой (полировка) и глазированием. При глазировании на поверхность подложки наносится тонкий слой расплавленного кварцевого стекла. Толщина стеклянного слоя обычно не превышает 100 мкм.

В гибридныхИМС пассивные элементы изготавливаются по тонкопленочной или толстопленочной технологии. При этом активные компоненты (диоды, транзисторы) представляют собой дискретные бескорпусные изделия, которые монтируются при сборке ИМС. Дискретные бескорпусные компоненты получили название "чип" – от английского "chip". Наиболее широкое распространие получили ГИС на основе тонких пленок.

Различают также ИМС по типу подложек:

- ИМС с активной подложкой. Элементы таких ИМС выполнены внутри самой подложки из полупроводникового материала.

- ИМС с пассивной подложкой. Элементы таких ИМС размещены на поверхности подложки, выполненной из диэлектрического материала.

Для полупроводниковых ИМС используют как активные, так и пассивные подложки, для пленочных и гибридных – как правило пассивные.

Сложность ИМС характеризуется степенью интеграции и плотностью упаковки.

Степень интеграцииК=lgN, гдеN– количество компонентов и элементов ИМС, в том числе элементов, входящих в состав компонентов; вычисленное значение К округляется до ближайшего большего. Если К<=1, то ИМС называют простой (ИМС первой степени интеграции), 1<К<=2 – средней (второй степени интеграции), 2<К<=4 – большой ИС – БИС, К>4 – сверхбольшой ИС – СБИС.

Плотность упаковкиэлементов – количество элементов на единицу площади кристалла. Часто приводится количество транзисторов на единицу площади кристалла.