ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА – ЧАСТЬ 2

November 19, 2011 by admin Комментировать »

Развитие техники микропроцессоров должно было происходить (и так оно фактически оказалось) по двум направлениям:

создание максимально простых, узко специализированных и дешевых микропроцессоров,

создание многофункциональных микропроцессоров, по своим возможностям приближающихся к ЭВМ.

Во втором случае стоимость микропроцессорного кристалла (или микропроцессорного набора) будет существенно выше, а коэффициент использования его каждым потребителем будет относительно низок.

Естественно, что предприятия, специализирующиеся на разработке и поставке микропроцессоров, всегда будут стараться отыскать «золотую середину», обеспечивающую максимальный сбыт изделия. Однако наиболее выгодными и для поставщика и для потребителя будут крупные серии дешевых, узко специализированных, но массовых в потреблении микропроцессоров.

Успехи в развитии технологии интегральной электроники, и особенно в технике автоматизированного проектирования, позволили существенно сократить затраты на проектирование и изготовление СБИС, однако современная номенклатура микропроцессоров уже насчитывает сотни номиналов. Стоимость наиболее простых микропроцессоров отличается на порядок и более от стоимости сложных микропроцессоров.

Рассчитывать на существенное снижение себестоимости микропроцессоров за счет высокой степени механизации и автоматизации производственных процессов не приходится, ибо опыт показывает, что при этом выгоды от повышения производительности почти уравновешиваются затратами на амортизацию оборудования. В то же время современное технологическое и испытательное оборудование интегральной электроники является крайне дорогостоящим, сложным в наладке и эксплуатации.

Наиболее перспективными областями применения микропроцессоров, обеспечивающими их достаточно высокую серийность, являются:

устройства числового управления станками, регуляторы технологических процессов,

контрольно-расчетные системы для торговых предприятий (электронные весы),

игровые автоматы, телеигры, устройства управления системами автомобилей, телефония, тренажеры, управление технологическими процессами и т. д.

Итак, микропроцессоры не являются панацеей от всех бед, однако их значение для развития электроники может быть охарактеризовано ростом доходов от продажи. Так, в США доходы от продажи микропроцессоров в 1978 г. составили 210 млн. долл., в 1979 г. — 330 млн. долл., в 1980 г. — свыше 500 млн. долл., а прогноз на 1983 г. составил 1500 млн. долл.

Одной из попыток сохранить действующую кооперацию «изготовитель ИС — потребитель ИС» является создание так называемых вентильных матриц. В литературе можно также встретить термины «матричная логика» и «нескоммутированная логика». В этом варианте на кристалле располагается много нескоммути- рованных ячеек. Их количество, состав и взаимное расположение должны обеспечивать максимально возможное число вариантов коммутации. Коммутация может осуществляться изготовителем ИС цо специальному заказу потребителя или же самим потребителем. И в том, и в другом случае мы столкнемся с определенными трудностями. В первом — это проверка готовых скоммутирован- ных кристаллов. При высоких уровнях интеграции, сложности и многообразии выполняемых функций проверка работоспособности становится весьма непростой. При этом для каждого заказчика, для каждого варианта коммутации придется отрабатывать свою методику проверки.

Во втором случае поставка кристаллов с матрицей нескоммути- рованных вентилей неизбежно вызовет требование потребителя гарантировать работоспособность каждого вентиля; при этом сложность проверки будет определяться как сложностью поочередной коммутации к каждому вентилю (вероятно, электронными пучками), так и трудоемкостью процесса проверки при большом числе вентилей на кристалле. В то же время обойтись без такой проверки невозможно. Многоуровневая разводка, необходимая для сложных ИС, технологически очень трудна, вероятность брака при этом весьма высока. Определить же, что является причиной брака — дефект исходной ячейки или дефект, внесенный при осуществлении разводки, — практически невозможно.

Таким образом, и вентильные матрицы превращаются в своего рода заказное изделие. Для поставщика этот вариант представляет собой некоторое расширение возможностей за счет общности технологических процессов и оснастки (шаблонов) на этапах, предшествующих разводке. Для потребителя этот вариант в определенной степени ограничивает возможности, так как заранее предписано число, характер и расположение ячеек на кристалле. Ему предстоит спроектировать разводку на таком кристалле и получить в результате ИС с необходимыми для него функциями. Проектирование такой вентильной матрицы представляет весьма сложную задачу: поиск решения, которое удовлетворит максимальное число потребителей. Широкого развития это направление пока еще не получило.

За истекшее десятилетие интегральная электроника СВЧ не претерпела принципиальных изменений. В основном она оставалась, как и была до этого, гибридной интегральной с пассивной тонкопленочной частью и с бескорпусными активными элементами (в их число мы включаем также и активные элементы, кристаллы которых укреплены на керамическом основании для обеспечения изоляции кристалла от подложки, улучшения условий теплоотво- да или для удобства монтажа).

Развитие интегральной электроники СВЧ за этот период характеризуется прежде всего:

развитием и внедрением в производство полевых транзисторов с барьером Шотки для диапазона частот свыше 20 МГц,

расширением частотного диапазона кремниевых биполярных генераторных транзисторов до 10… 12 ГГц.

проникновением твердотельных приборов (в основном лавинно- пролетных диодов) в миллиметровый диапазон,

появлением монолитных интегральных схем СВЧ диапазона на арсениде гяллия.

Рис 1. Зависимости выходной мощности от частоты для арсенид-галлиевых (а) и кремниевых (б) транзисторов

На рис. 1 и 2 приведены ориентировочные зависимости от частоты основных параметров маломощных усилительных и мощных генераторных кремниевых и арсенид-галлиевых транзисторов.

Необходимо отметить, что минимальные (субмикронные) топологические размеры достигнуты в настоящее время именно на полевых арсенид-галлиевых СВЧ транзисторах. Это вполне естественно, так как здесь проблема получения минимальных размеров связана с наименьшими трудностями. Практически на одном кристалле приходится создавать всего один элемент с предельно малыми размерами — субмикронной длиной канала. На пластине при этом размещается достаточно большое число кристаллов и процент выхода может быть вполне экономически оправданным, тем более, что такие транзисторы не являются массовым изделием. Использование одного-двух таких транзисторов в сложной и дорогостоящей системе может существенно улучшить параметры и расширить ее возможности.

Первые образцы арсенид-галлиевых транзисторов СВЧ диапазона стоили до 1000 долл. за штуку и тем не менее находили потребителя.

Совсем иначе обстоит дело с кремниевыми приборами, особенно с кремниевыми цифровыми ИС. Еще пять лет назад в промышленном производстве основным топологическим размером был размер в 5 мкм. В последние годы получили широкое распространение ИС с минимальным топологическим размером в 2 … 3 мкм. Постоянно возрастающая степень интеграции требует уменьшения топологических размеров ИС до 1 мкм и субмикронных размеров. По ряду прогнозов, достижение этого уровня ожидается к 1990 г., а размера в 0,4 мкм — к 2000 г.

Одним из новых направлений твердотельной электроники является разработка сверхскоростных интегральных схем (ССИС), программа создания которых недавно была опубликована в США. Работы предполагается вести в два трехгодичных этапа, причем и здесь определяющим является достижение минимальных топологических размеров: 1,3 мкм в результате первого этапа и 0,5 мкм в результате второго. Быстродействие (тактовая частота) в конце первого этапа ожидается порядка 50 МГц и в конце второго — 100 МГц. В результате должна быть создана технология и оборудование для промышленного производства ИС с площадью кристалла 10X10 мм. Литографическое оборудование при разрешении 0,5 мкм и точности совмещения ±0,1 мкм должно обеспечивать обработку

15 пластин диаметром 100 мм в час. Площадь полезного использования кристалла должна составлять 30% от общей площади, а рассеиваемая мощность не более 4 Вт на кристалл (в основном 2…3 Вт). Интенсивность отказов должна быть менее Ю-6 отказ/ч при температуре 125° С.

Предполагается, что в ходе выполнения данной программы удастся повысить быстродействие ИС приблизительно на два порядка и существенно снизить стоимость разработки одного кристалла.

Сравнивая сроки и основные результаты данной программы^ можно видеть, что они должны значительно опередить существующие прогнозы по уменьшению топологических размеров. Насколько это окажется реальным — покажет время. Однако уже сегодня можно назвать ряд серьезных физических и технологических ограничений, которые неизбежно должны возникнуть на пути повышения степени интеграции.

Вопрос физических ограничений пределов уменьшения топологических размеров основных активных элементов современной электроники (биполярных и полевых транзисторов) в общем виде не решен. В то же время совершенно ясно, что те модели транзисторов, которые приняты за основу расчетов, не допускают беспредельного уменьшения геометрических размеров структуры. Эти модели можно считать справедливыми, вообще говоря, до тех пор, пока справедливы статистические законы распределения примесей в различных полупроводниковых слоях. Другие проблемы возникают в связи с обеспечением необходимых рабочих напряжений и пробивных напряжений между элементами схемы, плотности тока в соединениях и связанных с этим проблем электропереноса. По результатам ряда исследований, при плотностях тока в токоведу- щих дорожках менее 105 А/см2 эффект «увлечения» материала проводника протекающим током не сказывается существенно на надежнорти. В то же время при плотности тока порядка 106 А/см2 этот эффект становится ощутимым и приводит к разрушению токо- ведущей дорожки в месте, где плотность тока максимальна. Существуют тем не менее некоторые минимальные значения токов, необходимые для нормальной работы приборов. Зная их, можно определить минимальное сечение, а следовательно, и минимальную • ширину токоведущих дорожек, при которых обеспечивается безопасная плотность тока.

Можно подходить к этой проблеме и с позиций коэффициента использования площади кристалла. Как уже было сказано, с увеличением числа ячеек на кристалле возрастает площадь, занимаемая соединениями. Увеличить полезную площадь кристалла можно," применяя многослойную (многоуровневую) разводку. Однако при этом толщина изоляции должна быть того же порядка, что и ширина дорожек, иначе трудно будет осуществить контакты между дорожками, проходящими на соседних уровнях. Здесь также возникает вопрос пробивных напряжений, с одной стороны, и паразитных связей, с другой.

Мож^о рассматривать сопротивление токоведущих дорожек и падение напряжения на них от выхода одной ячейки до входа следующей и сравнивать с рабочими напряжениями, принятыми за максимально допустимые, можно оценивать рассеиваемые мощности и условия теплоотвода. Сопоставление различных методов оценки приводит к тому, что в настоящее время при использовании в ИС биполярных и полевых транзисторов в качестве основного активного схемотехнического элемента минимальный топологический размер, на который можно рассчитывать, составляет 0,1 … 0,2 мкм.

Однако на практике можно ожидать, что задолго до проявления указанных физических ограничений придется иметь дело с серьезными технологическими ограничениями. При этом следует подчеркнуть, что речь идет здесь не о разрешающей способности современного оборудования, поскольку, например, использование принципов электронно-лучевой и рентгеновской литографии позволяет получать линии шириной менее 0,1 мкм.

Рассматривая технологические ограничения, нужно помнить, что речь идет не о возможности получить одну полоску той или иной ширины, а о технологическом процессе в целом, в котором пластина диаметром 75… 100 мм проходит последовательно ряд технологических операций, в том числе литографии, нанесения металлических и диэлектрических пленок, диффузии и ионной имплантации, химического или «сухого», ионно-плазменного травления и т. д. В ходе каждой операции неизбежно вносятся дефекты. Вероятность поражения кристалла дефектом будет тем выше, чем больше площадь кристалла и чем меньше топологические размеры элементов ИС. Само по себе это является достаточно очевидным, более того, уже сегодня известно, что первый фактор проявляется существенно сильнее.

По имеющимся данным, процент выхода годных кристаллов снижается с ростом площади кристалла по экспоненте. Именно поэтому повышение степени интеграции достигалось до сих пор в основном за счет уменьшения топологических размеров. Площадь кристалла при этом, как правило, не превышает 25 … 30 мм2.

Переход к топологическим размерам около 1 мкм неизбежно обострит ситуацию с повышением процента брака. С одной стороны, это будет определяться точностью совмещения при ряде последовательно проводимых процессов литографии. При десятках тысяч вентилей на кристалле и сотнях кристаллов на пластине совмещать придется десятки миллионов координатных точек, если не более. Это уже достаточно сложная проблема, так как точность совмещения должна при этом составлять 0,1 … 0,2 мкм.

С другой стороны, и этот момент может оказаться значительно более серьезным, с еще большей остротой возникает проблема пыли в воздушной среде, в газовых средах, в химических реактивах, особенно в резистах. Если сегодня допускается размер пылинки 0,5 мкм и менее, то при микронной и субмикронной технологии такой размер пылинки (или частицы в резисте) становится соизмеримым с топологическим размером рисунка на кристалле. Попадая на резист или фотошаблон, такие частицы могут оказать «затеняющее» действие, как в фотографии, что приведет к обрывам в то- коведущих дорожках, появлению пор в диэлектрических пленках, к коротким замыканиям и т. д. Для ультрафиолетовой литографии этот вопрос достаточно очевиден. Для электронно-лучевой и рентгеновской литографии его еще предстоит изучать.

Во всяком случае уже сейчас есть сторонники точки зрения, что при малых топологических размерах и больших площадях кристалла процессы должны быть полностью автоматизированы и оборудование помещено в вакуумированный объем. Человек как основной источник пыли должен быть «отгорожен» от основных технологических процессов.

С уверенностью можно сказать лишь то, что брак при производстве ИС определяется и будет определяться двумя видами дефектов: дефектами в исходном материале и дефектами, вносимыми е ходе технологических процессов. Второй вид дефектов становится все более и более доминирующим, так как с усложнением технологических процессов резко возрастает вероятность дефектообра- зования.

Рассмотренные проблемы относились к классическому пути развития электроники, который >можно назвать схемотехническим. С этой точки зрения третье поколение в электронике объединяет со вторым и первым именно схемотехника. Переход от электронной лампы к транзистору несколько изменил принципы построения электронных схем, однако это оставались все те же схемы, состоящие из транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и соединений между ними. В третьем поколении (интегральные монолитные схемы) выполнение схемы на одном кристалле внесло свою специфику частично в технологию, а частично и в схемотехнику. Однако и в этом случае хранение и обработка информации осуществляются в схемотехнической ячейке, состоящей из активных и пассивных элементов.

В свою очередь активные и пассивные элементы представляют собой локальные области проводящего, полупроводникового или диэлектрического материала. Такими областями являются области эмиттера, коллектора, базы, стока, истока, контактные площадки, резисторы, диэлектрик и металлические обкладки конденсаторов и т. п. Их принято называть статическими неоднородностями.

Статические неоднородности создаются технологическими методами в ходе необратимых технологических процессов. Они сохраняют свои характеристики (в равновесном состоянии) в течение всего срока эксплуатации прибора, предусмотренного техническими условиями. Всякое изменение их свойств рассматривается как деградация. Статические неоднородности жестко связаны с определенными координатами и не могут перемещаться. В равновесном состоянии они сохраняют неизменные границы, отделяющие их от смежных с ними статических неоднородностей или однородного материала. Поскольку создание статических неоднородностей происходит в ходе технологических процессов, то принято говорить, что в основе создания интегральных cxeivi лежат принципы технологической интеграции.

Таким образом, схемотехническая интегральная электроника является электроникой статических неоднородностей и основана на технологической интеграции.

Создание статических неоднородностей в ходе технологических процессов связано с дефектообразованием. Отсюда можно сделать вывод, что уменьшение количества статических неоднородностей при тех же самых функциональных возможностях устройства упрощает технологический процесс, позволяет получить более высокие экономические или технические показатели. Таким образом, возникает проблема снижения количества статических неоднородностей.

Помимо рассмотренных двух путей повышения степени интеграции: увеличения площади кристалла и уменьшения топологических размеров, в интегральной электронике существует и третий путь — введение новых принципов, позволяющих увеличивать или плотность на той же площади при тех же возможностях оборудования, или же площадь снижением вероятности возникновения дефектов. Этот третий путь заключается в том, что основные функции обработки и хранения информации выполняют динамические неоднородности, создаваемые в однородной, непрерывной (континуальной) среде физическими, а не технологическими методами. Количество статических неоднороднрстей при этом резко уменьшается. Кроме того, статические неоднородности здесь перестают быть основными носителями информации, их роль становится вспомогательной.

Так от схемотехнической электроники, электроники статических неоднородностей осуществляется переход к функционально эквивалентной ей несхемотехнической электронике, электронике динамических неоднородностей или функциональной электронике, основанной на физических методах интеграции.

В отличие от статических динамические неоднородности могут возникать и исчезать в ходе эксплуатации прибора, могут перемещаться по прибору и взаимодействовать друг с другом или с динамическими неоднородностями другого вида. Длительность их существования может быть самой различной — от долей микросекунды до десятков лет.

В отличие от неравновесного состояния статической неоднородности динамическая неоднородность не связана жестко с конкретной статической неоднородностью. Она сама по себе является носителем информации, при этом информация в динамической неоднородности может быть заложена как в цифровой, так и в аналоговой форме. Статические неоднородности в таких устройствах будут играть вспомогательную роль. Они могут являться средством возбуждения динамических неоднородностей, средством их продвижения в континуальной среде и т. п. Одной из отличительных черт является то, что здесь статические неоднородности находятся за пределами объема, в котором хранится информация.

К устройствам функциональной электроники в настоящее время можно отнести приборы с зарядовой связью (ПЗС), приборы на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), акустоэлектрон- ные приборы на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и некоторые другие.

В ПЗС континуальной средой является слой полупроводника под всей поверхностью матрицы или линейки. В этом слое путем подачи напряжения на соответствующие тактовые электроды (статические неоднородности) создаются потенциальные ямы или «карманы» (динамические неоднородности), которые могут быть заполнены зарядами и представлять собой динамические неоднородности в виде пакета зарядов. Наличие или отсутствие заряда в кармане несет в себе информацию в цифровой форме, а размер заряда — в аналоговой. Внесение заряда (как и считывание) может осуществляться с помощью электронно-дырочного перехода с прямым или обратным смещением (статические неоднородности). В фотоприемных устройствах, использующих принцип ПЗС, внесение заряда может осуществляться с помощью световой инжек- ции, что позволяет исключить соответствующую статическую неоднородность. В целом, если подсчитать число статических неод- нородностей на один бит информации, то в устройствах ПЗС это значение окажется существенно меньше, чем в схемотехнических устройствах.

Интересно отметить, что кристалл площадью более 100 мм2 является реальным для ПЗС, тогда как для схемотехнических устройств такая площадь является пока нереальной.

Аналогично в устройствах на ЦМД динамическими неоднород- ностями являются магнитные домены; они являются носителями информации. Статические неоднородности (например, «шевроны») служат для продвижения доменов в желаемом направлении.

В устройствах на ПАВ динамические неоднородности представляют собой смещения атомов в однородной кристаллической решетке и связанные с этим соответствующие электрические поля. Средством возбуждения динамических неоднородностей в континуальной средЬ, так же как и средством считывания информации, являются встречно-штыревые преобразователи.

Можно назвать и другие виды динамических неоднородностей, которые могут быть использованы в устройствах функциональной электроники, например спиновые волны, домены в диэлектриках и др. Многие из них интенсивно исследуются; при этом на повестку дня ставится проблема интеграции различных физических эффектов в одном устройстве функциональной электроники. Представляется, что в качестве основы для такой интеграции с большим эффектом могут быть использованы приборы с зарядовой связью.

Уже сегодня можно говорить о сочетании в одном устройстве эффектов ПАВ и ПЗС. В некоторых случаях ПАВ могут выполнять функции многочисленных тактовых электродов. Правда, следует предположить, что использование ПАВ в этом случае будет более эффективно при считывании информации, чем при ее записи. Вопрос обработки информации в такой системе остается пока открытым. Это новое направление конкурирует и будет дальше конкурировать со схемотехнической электроникой, но развитие функциональной электроники ни в коем случае не означает конец схемотехнической электроники даже в отдаленном будущем. Эти два направления будут развиваться параллельно, и у каждого из них будет своя область оптимального применения.

Таким образом, интегральная электроника развивалась и продолжает развиваться по пути повышения степени интеграции. При этом она перестала быть чисто полупроводниковой, хотя полупроводники продолжают занимать в ней доминирующее положение; в последнее десятилетие в интегральную электронику вошли и с каждым годом занимают все более прочные позиции пьезоэлектрические, сегнетоэлектрические и магнитные материалы. Интегральная электроника настоящего времени — это твердотельная электроника.

Важным направлением повышения степени интеграции является функциональная электроника — электроника динамических неод- нородностей, использующая физические методы интеграции.

 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты