ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

В результате изучения данной главы студенты должны: знать: классификацию электронных устройств; уметь: проводить расчет характеристики электронных устройств; владеть: технологией реализации и анализа полупроводниковых интегральных микросхем с использованием транзисторных каскадов.

Виды электронных устройств и способы их реализации

Роль электроники определяется ее существенным вкладом в развитие практически всех направлений науки и техники, характеризующих индустриальный потенциал общества. Электронные средства встроены в технологическое оборудование автоматизированного производства, используются для управления автотранспортом и бытовыми приборами, а также во многих других промышленных и хозяйственных направлениях.

Электронным устройством (прибором) называют изделие и его составные части, в основе функционирования которых лежат принципы и явления взаимодействия электрических зарядов и электромагнитного поля в вещественных средах. Электронная промышленность как отрасль техники занимается разработкой и созданием электронной аппаратуры различного назначения — от систем управления мощными электродвигателями до вычислительных сетей и систем спутниковой связи. Различные области использования электронных средств в совокупности с отличающимися требованиями к устройствам обусловили огромную номенклатуру производимых изделий. Свойства электронных устройств зависят от элементной (технологической) базы, структуры, схемной реализации и конструктивного исполнения.

За время становления и развития электроники сменилось несколько поколений электронных средств, отличающихся как принципами функционирования, так и конструктивно-технологическим исполнением. Начальная стадия характеризовалась преимущественным использованием электровакуумных приборов и пассивных элементов, на основе соединения которых посредством проволочных проводников изготавливались достаточно сложные устройства. Затем в электронных средствах нашли широкое применение полупроводниковые приборы, применение которых привело к повышению надежности и существенному снижению габаритных размеров устройств. Наряду с проводными соединениями развивалась технология печатного монтажа, позволяющая автоматизировать процесс сборки.

Создание пленочной технологии с возможностью изготовления множества изделий в едином технологическом цикле ознаменовало переход к этапу интегральной микроэлектроники. Вместе с тем совершенствовались научные основы исследования и проектирования электронных систем.

Теоретической основой исследования электронных устройств являются методы теоретической электротехники. Анализ и синтез сложных электронных устройств выполняются на основе соотношений электродинамики и схемотехники с использованием совре- менных компьютерных средств.

Изучение свойств, характеристик и параметров электронных средств возможно только с использованием классификационной типичности, т.е. повторяемости признаков для устройств определенных групп. Существует множество подходов к классификации с выбором разных факторов в качестве определяющих.

Наиболее распространена классификация но виду физико-химических явлений и процессов, заложенных в принципы функционирования и изготовления изделий. В соответствии с таким признаком электронные приборы подразделяют на вакуумные (электронные лампы, электронно-лучевые трубки и т.п.), твердотельные (полупроводниковые приборы, оптоэлектронные элементы и т.п.), квантовые (лазерные приборы, голографические устройства и т.п.).

По назначению электронных средств их делят на две группы:

  • • силовые приборы (преобразователи мощности), служащие для придания заданных свойств электрическим напряжениям (токам), поступающим от неуправляемых источников;
  • • информационные устройства, предназначенные для преобразования электрических сигналов, служащих носителями информации.

По виду входных и выходных сигналов выделяют преобразователи:

  • • аналоговые, работающие с непрерывными во времени сигналами;
  • • дискретные (импульсные), оперирующие сигналами, которые существуют только на ограниченных временных интервалах;
  • • дискретно-аналоговые, осуществляющие преобразование одного вида сигнала в другой.

По конструктивно-технологическому исполнению выделяют приборы, выпускаемые в виде отдельных компонентов (транзисторы, диоды); интегральных микросхем (ИМС). Современный этап развития электроники характеризуется преимущественным применением микросхем, содержащих на кристалле (в одном корпусе) десятки миллионов схемных элементов. Микроминиатюризация, конструктивная интеграция элементов, функциональная завершенность микросхем, построенных на основе групповой полупроводниковой планарной технологии, обусловили такие их достоинства, как высокая степень интеграции, идентичность параметров элементов, надежность изделий, рентабельность производства с высоким уровнем автоматизации.

В современных электронных устройствах применяется весьма широкая номенклатура самых разнообразных материалов, в том числе полупроводниковых. Вместе с тем до настоящего времени основным материалом для изготовления микросхем преимущественно служит кремний («кремниевая технология») вследствие его доступности, относительной простоты легирования (добавления примесей) и образования оксидов. Технический кремний, содержащий 1—2% примесей, получают из природного кремнезема (оксида кремния Si02) методом дуговой плавки в электропечах. Технический кремний очищается от примесей, и затем с помощью зонной плавки при температуре выше 1500°С получается поликри- сталлический кремний с количеством примесей не выше 10 6%. Дальнейшее улучшение свойств поверхностного слоя получают ориентированным наращиванием (эпитаксией) рабочего слоя, обладающего одинаковыми свойствами во всех направлениях. Для защиты рабочего слоя от воздействия внешней среды его покрывают слоем оксида кремния путем выдержки при высокой температуре в кислородной среде.

Технологический процесс изготовления ИМС содержит ряд этапов, таких как получение сверхчистого кремния, формирование в приповерхностном слое областей с различными электрофизическими параметрами, создание проводящих дорожек для электрического соединения областей полупроводниковой структуры. Для получения заданной полупроводниковой структуры (совокупности областей с требуемыми свойствами) операции фотолитографии, легирования и изоляции проводятся многократно.

Элементную базу достаточно сложных функциональных микроэлектронных устройств составляют типовые блоки, на основе которых строят аналоговые и цифровые преобразователи. Конструктивные блоки электронных устройств содержат монтажные платы с установленными на них элементами, которые соединены с помощью печатного монтажа или плоских гибких многопроводных кабелей (шлейфов). Для сложных устройств (например, микрокомпьютеров) используют основную (материнскую) плату, на которой с помощью разъемов (слотов) устанавливают дополнительное оборудование.

Создание электронных устройств на базе больших интегральных схем (БИС) требует обеспечения их электрической, технологической и конструктивной совместимости (единства уровней электрических напряжений и токов сигналов, типов корпусов и других параметров).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >