Элементная база

Элементная база в российском исполнении

Элементная база

Современные электронные устройства выполняются в основном на базе полупроводниковых прибо­ров: дискретных элементов - диодов, транзисторов-микросхем, стабилитронов, тиристоров и т.д. и в интегральном исполнении.

Основой большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный р - n переход, возникающий на границе раздела двух полупроводников с разны­ми типами электропроводности. Вольт - амперная характеристика р -n перехода представ­лена на рис.7.1.

Рисунок 7.1 – Вольт - амперная

характеристика р -n перехода.

37 минут

-

1 час 43 минуты

-

57 минут

-

 Ждём Вашего активного участия в нашей конференции, дорогие коллеги!

 Искренне Ваш,

Весьма часто из рядов сотрудников снаряжались гонцы в города
Союза непосредственно на заводы производители со стандартными письмами: "В порядке
оказания технической помощи прошу отпустить из опытной партии микросхемы типов ....".
Дальше все зависело от уровня обаяния, наглости и пронырливости гонца. Как это ни
странно, чаще всего поездки не были впустую, если не требовался уж совсем "крутой
дефицит". Производители микросхем тоже были людьми из Союза, все понимали и в положение
входить умели. Просто давали "в нагрузку" то, чем был завален их склад и что никто
не брал. Через ипостась гонцов проходили все инженеры. Особенно хорошо с этим справлялся
АБВ, насколько я помню.

Кроме описанной краткосрочной заявочной компании, существовала
компания по планированию перспективных разработок. Сначала, в 70-х, планирование шло
на 90-е года, потом на 2000-й год. Последнюю заявку-перспективу я составлял в 1986 г.
на интервал до 2005 г. Тут все зависело от уровня фантазии. Я рисковал предложить для
МЭП разработать процессоры с рабочей частотой 50 МГц и кристаллы памяти по 100 Кбайт
в корпусе. Для сравнения сейчас Intel заявил о выпуске процессоров Pentium на частоты
выше 3 ГГц, а объемы памяти давно перевалили рубеж гигабайт. Вот такая у нас была
перспектива. Как хорошо, что рынок хоть по этой позиции все расставил по своим местам
и похоронил маразматическое планирования в стиле "а ля совьетик".

Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного тока, определяется существующим на момент создания вольтметра уровнем техники ( от полупроводниковых образцов до микроинтегрального исполнения), однако функциональное назначение блоков идентично. Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное на следующие типы: амплитудные ( пиковые), действующего и средневыпрямленного значения. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: так вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами действующего значения позволяют измерять напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения пригодны только для измерения гармонического сигнала, но являются самыми простыми, надежными и дешевыми. Ниже приводятся некоторые простейшие структурные схемы детекторов.

3.4. Проблемы
развития элементной базы


Несомненно, что одним из главных
факторов достижения высоко­го
быстродействия, а значит, и высокой
производительности ЭВМ является
построение их на новейшей элементной
базе. Смена поколе­ний ЭВМ в значительной
степени связана с переходами на новые
по­коления элементной базы, знаменующие
достижения новых частотных диапазонов
работы схем в рамках доступных технологий.
Эле­ментная база служит показателем
технического уровня развития стра­ны,
общества, цивилизации. Успехи в создании
новой элементной базы определяются
передовыми научными и техническими
достижениями целого ряда наук (физики,
химии, оптики, механики и др.). Качество
элементной базы является показателем
технического прогресса.


Все современные ЭВМ строятся на
микропроцессорных наборах, основу
которых составляют большие (БИС) и
сверхбольшие интег­ральные схемы
(СБИС). Технологический принцип разработки
и про­изводства интегральных схем
действует уже более четверти века. Он
заключается в послойном изготовлении
частей электронных схем по циклу
«программа — рисунок — схема». По
программам на напыленный фоторезисторный
слой наносится рисунок будущего слоя
мик­росхемы. Затем рисунок протравливается,
фиксируется, закрепляет­ся и изолируется
от новых слоев. На основе этого создается
простран­ственная твердотельная
структура. Например, СБИС типа Pentiumвключает около трех с половиной миллионов
транзисторов, разме­щаемых в пятислойной
структуре.


Степень микроминиатюризации,
размер кристалла ИС, произво­дительность
и стоимость технологии напрямую
определяются типом литографии. До
настоящего времени доминирующей
оставалась оп­тическая литография,
т.е. послойные рисунки на фоторезисторе
мик­росхем наносились световым лучом.
В настоящее время ведущие ком­пании,
производящие микросхемы, реализуют
кристаллы с размера­ми примерно
400—600 мм2
для процессоров (например, Pentium)
и 200—400 мм2
— для схем памяти. Минимальный
топологический раз­мер (толщина линий)
при этом составляет 0,25—0,135 мкм. Для
срав­нения можно привести такой
пример. Толщина человеческого волоса
составляет примерно 100 мкм. Значит, при
таком разрешении на тол­щине 100 мкм
требуется вычерчивать более
двухсот линий.


Дальнейшие успехи микроэлектроники
связываются с электронной (лазерной),
ионной и рентгеновской литографией.
Это позволяет выйти на размеры 0,13; 0,10 и
даже 0,08 мкм. Вместо ранее используемых
алю­миниевых проводников в микросхемах
повсеместно начинают приме­нять
медные соединения, что позволяет повысить
частоту работы.


Такие высокие технологии порождают
целый ряд проблем. Мик­роскопическая
толщина линий, сравнимая с диаметром
молекул, тре­бует высокой чистоты
используемых и напыляемых материалов,
при­менения вакуумных установок и
снижения рабочих температур. Дей­ствительно,
достаточно попадания мельчайшей пылинки
при изготов­лении микросхемы — и она
попадает в брак. Поэтому новые заводы
по производству микросхем представляют
собой уникальное обору­дование,
размещаемое в «чистых помещениях класса
1», микросхемы в которых транспортируются
от оборудования к оборудованию в
зам­кнутых сверхчистых мини-атмосферах
класса 1000. Мини-атмосфеpaсоздается, например, сверхчистым азотом
или другим инертным газом при давлении
10-4Торр [3].


Уменьшение линейных размеров
микросхем и повышение уровня их интеграции
заставляют проектировщиков искать
средства борь­бы с потребляемой Wnи рассеиваемой Wpмощностью. При сокраще­нии
линейных размеров микросхем в 2 раза,
их объемы изменяются в 8 раз.
Пропорционально этим цифрам
должны меняться и значения Wnи Wp,
в противном случае схемы
будут перегреваться и выхо­дить из
строя. В настоящее время основой
построения всех микросхем была и остается
КМОП-технология (комплементарные схемы,
т.е. со­вместно использующие п-
и р-переходы в транзисторах
со структу­рой «металл — окисел —
полупроводник»).


Известно, что W=U*I.
Напряжение питания современных
микро­схем составляет 3 — 2V.
Появились схемы с напряжением питания,
близким кIV, что выходит
за рамки принятых стандартов. Дальней­шее
понижение напряжения нежелательно, так
как всегда в электрон­ных схемах
должно быть обеспечено необходимое
соотношение «сиг­нал-шум», гарантирующее
устойчивую работу ЭВМ.


Протекание тока по микроскопическим
проводникам сопряжено с выделением
большого количества тепла. Поэтому,
создавая сверх­большие интегральные
схемы, проектировщики вынуждены снижать
тактовую частоту работы микросхем. На
рис. 3.18 показано, что ис­пользование
максимальных частот работы возможно
только в микро­схемах малой
и средней интеграции.
Максимальная частота fmax
=1011 -1012Гц
доступна очень немногим материалам:
кремнию (Si),
арсениду галлия (GaAs)
и некоторым другим. Поэтому они чаще
всего и используются в качестве подложек
в микросхемах.

Рис. 3.18. Зависимость частоты
/от степени интеграцииК


Таким образом, переход к
конструированию ЭВМ на СБИС и уль­траСБИС
должен сопровождаться снижением тактовой
частоты ра­боты схемы. Дальнейший
прогресс в повышении производительности
может быть обеспечен либо за счет
архитектурных решений, либо за счет
новых принципов построения и работы
микросхем. Альтерна­тивных путей
развития просматривается не очень
много. Так как мик­росхемы СБИС не
могут работать с высокой тактовой
частотой, то в ЭВМ будущих поколений их
целесообразно комплексировать в
сис­темы. При этом несколько СБИС
должны работать параллельно, а слияние
работ в системе должно обеспечивать
сверхскоростные ИС (ССИС), которые не
могут иметь высокую степень интеграции.


Большие исследования проводятся
также в области использова­ния явления
сверхпроводимости и туннельного эффекта
— эффекта Джозефсона. Работа микросхем
при температурах, близких к абсо­лютному
нулю (—273°С), позволяет достигнуть fmах,
при этом Wp=Wn=Q.
Очень интересны результаты
по использованию «теплой сверхпроводимости».
Оказывается, что для некоторых материалов,
в частности для солей бария, явление
сверхпроводимости наступает уже при
температурах около -150°С. Высказывались
соображения, что могут быть получены
материалы, имеющие сверхпроводимость
при температурах, близких к комнатной.
Тематика исследовательс­ких работ и
их результаты в этом направлении являются
закрытыми. Однако с уверенностью можно
сказать, что появление таких элемен­тов
знаменовало бы революцию в развитии
средств вычислительной
техники новых поколений.


Внедрение новых технологий
производства микропроцессоров ис­пытывает
и экономические проблемы. Например,
строительство но­вого завода по
производству микросхем с 0,13-микронной
технологи­ей обходится от 2 до 4 млрд
долл. Это заставляет искать новые
аль­тернативные пути построения
будущих ЭВМ. Интенсивные поиски идут
по многим направлениям. Наиболее
перспективными из них сле­дует считать:


• создание молекулярных и
биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);


• разработку квантовых
компьютеров;


• разработку оптических
компьютеров.


Укажем основные принципы их
построения.

В современной информационной электронике импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым принципом. На базе импульсной технике выполняются системы управления и регулирования, устройства измерения и отображения информации. На ней основана цифровая вычислительная техника.

В отличие от аналоговых систем, в которых сигналы изменяются непрерывно во времени (например, напряжение изменяется пропорционально регулируемой температуре), в импульсных системах используются сигналы (напряжение, ток) импульсной формы.

1. В импульсном режиме может быть достигнута значительная мощность во время действия импульсов при малом значении средней (за период их повторения) мощности устройства. Очевидно, это преимущество проявляется сильнее при уменьшении длительности импульсов по отношению к периоду их повторения. В результате габариты и масса электронной аппаратуры, определяемые в основном средней мощностью, при использовании импульсного режима могут быть существенно снижены.

2. Импульсный режим позволяет ослабить влияние температуры и разброса параметров полупроводниковых приборов на работу устройств. Это объясняется уменьшением энергии, выделяемой в элементах импульсного устройства. Разброс параметров не отражается существенно на работе импульсных устройств в связи с тем, что полупроводниковые приборы в них работают, как правило, в ключевом режиме, предполагающем два крайних состояния: “Включено “ – “Выключено”.

3. Импульсный режим позволяет значительно повысить пропускную способность и помехоустойчивость электронной аппаратуры. Пропускная способность – возможная наибольшая скорость передачи информации, а помехоустойчивость – способность аппаратуры правильно функционировать в условиях действия помех. Сигналы импульсных устройств дискретны и представляются комбинацией стандартных импульсов, поэтому скорость передачи таких сигналов выше, чем непрерывных. Выше и помехоустойчивость, так как искажение параметров импульсов (например,

амплитуды) помехами не искажает информацию, заключенную в определенном сочетании импульсов.

4. Для реализации импульсных устройств, даже сложных (например, вычислительных машин), требуется большое число сравнительно простых однотипных элементов, легко выполняемых методами интегральной технологии. Это позволяет повысить надежность, уменьшить габариты и массу электронной аппаратуры.

Импульсные устройства широко распространены в вычислительной технике, радиолокации, телевидении, автоматике, промышленной электронике. Переход к дискретному представлению сигналов в виде сочетания импульсов в измерительной технике позволил резко повысить точность измерительных приборов. Импульсный режим работы лежит в основе современных быстродействующих цифровых вычислительных машин. Мощные импульсы передатчиков излучаются антеннами радиолокаторов, а слабые, отраженные отразличных объектов импульсы, принимаются и обрабатываются приемниками, причем импульсный режим позволяет выделять сигналы, амплитуда которых значительно меньше уровня помех.

В импульсной технике применяют, как правило, видеоимпульсы, примеры которых приведены на рис.3.1.

Обычно импульсы следуют периодически с периодом Т, которому соответствует частота повторения F=1/Т (Рис.3.2.). Отношение периода Т к длительности tи импульсов называют скважностью: q = Т/tи. Скважность обычно колеблется в пределах от 2 – 10 (автоматика, вычислительная техника) до 10000 (радиолокация). Приведенные на рис. 2. импульсы идеализированы.

Реальные импульсы рис. 3.3. искажены, что выражается обычно в замедлении нарастания и убывания импульса, а также в спаде его плоской вершины. Это связано с наличием переходных процессов в n-р переходах, реализующих импульсный режим работы элементов. Реальные импульсы характеризуют следующими основными параметрами (рис.3.3):



длительностью фронта импульса tф – временем нарастания импульса от 0,1 до 0,9 А;
длительностью среза импульса tс– временем убывания импульса от 0,9 до 0,1 А;
… спадом вершины импульса ∆ А.








В состав многих импульсных устройств входят электронные ключи. Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод,… · падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии u3;
· током через ключ в разомкнутом состоянии iр;

Рис. 3.5. Схема - а, временные диаграммы тока - б…







Интегральные операционные усилители (ОУ) находят широкое применение в импульсной технике. Передаточная характеристика ОУ имеет вид рис.3.15,… Работу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компаратора,… входным напряжением уровня опорного напряжения происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например с…







К цифровым интегральным микросхемам относятся устройства, с помощью которых преобразуются и обрабатываются сигналы, выраженные в двоичном или другом… Основой цифровых микросхем является логический элемент, предназначенный для… Основными логическими функциями являются: Y= – отрицание, инверсия или “НЕ” (табл.3.4.1); логическая сумма, дизъюнкция…







Одно из наиболее распространённых импульсных устройств, относящимся к базовым элементам цифровой техники, — триггер (от англ. trigger — спусковой… Триггеромназываются электрические схемы, способные сохранять два устойчивого… По функциональному признаку различают R-S, D, T, J-K триггеры. По способу управления триггеры подразделяют на…







Подсчёт числа импульсов является наиболее распространённоё операцией в устройствах цифровой обработки информации. Повышенный интерес к таким… В устройствах цифровой обработки информации измеряемый параметр (угол… Счётчик – устройство, предназначенное для счёта числа электрических импульсов, поступающих на его вход. Счётчики…







Регистр – один из основных элементов ЭВМ и многих устройств автоматики и информационно – измерительной техники.

а б
Рис.… Основные элементы регистра – двоичные ячейки, в качестве которых применяются… На рисунке 3.33 приведены схема и условное обозначение n – разрядного регистра на RS – триггерах. Информация в ячейки…





Цифроаналоговые и аналого-цифровые



Поскольку информация на входах цифровых устройств обычно представляется в двоичном коде, а большинство исполнительных механизмов для… В системах автоматизированного управления для получения информации о состоянии… Основными характеристиками ЦАП и АЦП являются быстродействие и погрешность преобразования, определяемая абсолютной…







История развития современных средств вычислительной техники насчитывает около 50 лет, однако, за этот период уже сменилось четыре поколения ЭВМ,… Первое поколение ЭВМ составляли громоздкие системы на электронных лампах. ЭВМ… Степень интеграции цифровой микросхемы определяется количеством размещённых в ней логических элементов (ЛЭ). К…





рис. 6.4. включение биполярного транзистора в ключевом режиме

нет, не все. схема еще не совсем ДоДелана. она буДет работать нормально, если вы поступите так: поДключите базовый резистор к напряжению 5 в (лампочка горит), а затем переключите его к «земле» (лампочка гаснет). но Довольно часто встречается случай, когДа напряжение на базовый резистор поДается-то нормально, а вот при отключении его резистор не присоеДиняется к «земле», а просто «повисает в возДухе» (именно этот случай и показан на схеме в виДе контактов). так мы не Договаривались — чтобы транзистор был в режиме отсечки, наДо, чтобы база и эмиттер имели оДин и тот же потенциал, а какой потенциал у базы, если она «в возДухе»? это только Формально, что ноль, а на самом Деле всякие навоДки и внутренние процессы в транзисторе Формируют небольШой базовый ток. и транзистор не закроется полностью — лампочка буДет слабо светиться! это разДражающий и очень непри­ятный эФФект, который Даже может привести к выхоДу транзистора из строя

избежать такого эФФекта просто: наДо замкнуть базу и эмиттер еще оДним резистором кбэ. самое интересное, что рассчитывать его практически не наДо — лиШь бы паДение напряжения на нем при поДаче напряжения на базу не составило меньШе чем 0,6 в. чем он больШе, тем лучШе, но все же сопротивление не Должно быть слиШком велико. обычно его выбирают примерно в 10 раз больШе, чем резистор re, но если вы зДесь поставите не 4,3 ком, как указано на схеме, а, к примеру, 10 ком, тоже не оШибетесь. работать этот резистор буДет так: если включающее напряжение на re поДано, то он не оказывает никакого влияния на работу схемы, так как напряжение межДу базой и эмиттером все равно 0,6 в, и он только отбирает на себя очень небольШую часть базового тока (легко поДсчитать какую — примерно 0,15 ма из 10 ма). а если напряжения нет, то r63 наДежно обеспечивает равенство потенциалов базы и эмиттера, независимо от того, поДключен ли базовый резистор к «земле» или «висит в возДухе».

Наверх