КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
по дисциплине ЭТП и МЭ
Часть 2
Новосибирск 1999
УДК 621.395
К.т.н., доцент Савиных Валерий Леонидович. Приводятся методические
указания по дисциплине ²Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника², ч.2, задания для курсовой работы и методические указания по её выполнению.
Каф. ТЭ.
Ил. 8, табл. 8, список лит. -5 назв.
Рецензент д. т. н., проф. Сединин В.И.
Для студентов очного и заочного обучения специальностей 200900, 201000,201100.
Утверждено РИС СибГУТИ в качестве методических указаний
Ó 
Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 1999 г.
Введение
Узловыми вопросами изучаемыми в 5 семестре 3 курса по второй части дисциплины ²электронные твердотельные приборы и микроэлектроника², являются вопросы схемотехники элементной базы цифровых и аналоговых устройств, т.е. цифровых и аналоговых микросхем. Немаловажное значение имеют также сведения о структуре конструкции интегральных микросхем, а также технологических процессах, применяемых в микроэлектроники.
Изучение предмета базируется на знаниях, полученных в предыдущем семестре по данной дисциплине, а также на содержании дисциплин ²физика², ²высшая математика² и ²теория электрических цепей².
В процессе обучения предусмотрено выполнение курсовой работы, лабораторного практикума и сдаётся итоговый экзамен.
Таблица 1 - Бюджет времени
| Аудиторная работа | Самостоятельная работа | |||||
| Итого | Лекции | Лаборат. занятия | Итого | Изучение курса | Выполн. курсовой работы | Итого |
ЛИТЕРАТУРА.
1. Бобровский Ю. Л. И др. Под редакцией Федорова Н. Д. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. -М.: Радио и связь, 1998.-560стр.
2. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. - М.: Радио и связь, 1990. -496с.
3. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. -М.: Высшая школа, 1987.-416с.
4. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. -М.: Сов. Радио, 1980.-424с.
5. Игнатов А. Н. Микроэлектронные устройства связи и радиовещания. -
- Томск: Радио и связь, Томское отделение, 1990.-400с.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
ЭЛЕКТРОННЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
ЧАСТЬ 2
1. ОСНОВЫСХЕМОТЕХНИКИ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСВ
Вопросы, подлежащие изучению
1. Определение понятий ² цифровые устройства ², ²цифровые интегральные микросхемы ². Система параметров цифровых интегральных микросхем (ИМС).
2. Транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Статический и динамический режимы работы. Ключ с диодом Шоттки. Ключи на полевых транзисторах.
3. Логические элементы на биполярных транзисторах: ДТЛ, ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, И2Л.
4. Логические элементы на МДП- транзисторах: nМДП, pМДП, КМДП.
5. Интегральные триггеры и запоминающие устройства.
6. Большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (БИС и СБИС).
Пояснение к изучаемым вопросам
1. Содержание понятий цифровые устройства, цифровые ИМС и определения основных параметров цифровых ИМС можно изучать по [ 1, с.247-256], [2, с. 53-62], [ 3, с. 260-264], а также [4, с. 244-246, 348-350, 370-372].
2. Теоретический материал по схемам ключей на биполярных транзисторах достаточно подробно изложен в [ 4, с.246-262, 275-278]. Очень кратко в[ 1, с.256-257].
При изучении этого материала следует прежде всего научиться на примере простейшего ключа [4, рис.8.2] различать управляющую цепь и управляемую (коммутируемую) цепь; научиться определять с помощью статических характеристик транзистора [4, рис. 8.3],в каком состоянии находится ключевой транзистор при различных значениях управляющего напряжения.
При рассмотрении динамического режима работы ключа, т.е. переходных процессов переключения ключа, нужно разобраться в том, как влияют на быстродействие ключа (времена задержки) такие факторы, как входные и выходные емкости ключа, степень насыщения транзистора.
3. Необходимый минимум сведений по схемотехнике логических элементов на биполярных транзисторах содержится в [ 1, с. 260-273] [4, с. 348-363]. Более подробно те же вопросы изложены в [2, с. 74-106]. В [ 3, с.264-268, 284-286] вопросы схемотехники логических элементов рассмотрены слишком сжато, почти без объяснений физических принципов работы.
Изучая схемотехнику логических элементов, нужно стараться понять
назначение каждого транзистора, каждого диода и резистора в схеме, достичь умения проследить по схеме, какие транзисторы открываются и какие закрываются, по каким цепям протекают токи при подаче на входы тех или иных логических сигналов.
4. Логические элементы на МДП-транзисторах лучше всего изучать по [4, с.266-275, 364-369]. Для более подробного изучения можно использовать [2, с.106-116]. В учебных пособиях [ 1,с. 273-276] и [3, c. 278-284] материал изложен слишком кратко.
5. На основе простейших логических элементов реализуются интегральные триггеры. Функциональное отличие триггера от логического элемента состоит в том, что триггер обладает двумя устойчивыми состояниями по каждому из выходов. Перевод триггера из одного устойчивого состояния в другое возможен при определенной логической комбинации входных сигналов. По логической структуре переключения различают типы триггеров. Необходимо знать принципы их построения и типы [4, с. 378-385]. Подробно схемотехническое построение отдельных типов триггеров изложено в [2, с. 156- 203]. Кратко в [ 1, с. 278-280].
Триггер является элементарной ячейкой запоминающих устройств. Следует различать типы запоминающих устройств и их основные параметры [4, с. 378-385]. Подробно [2, с. 239-271].
Разнообразие видов триггеров объясняется их применением для построения различных логических и арифметических устройств.
6. Понятие о БИС и СБИС, сведения о проблемах их создания и
перспективах развития имеются в [1, 281-287], [3, с. 210-241] и [4, с. 385-392]. Важно обратить внимание на то, что отличие БИС от интегральных микросхем малой степени интеграции не только количественное, но и качественное. Чем сложнее БИС и чем больше элементов она содержит, тем труднее обеспечить ее универсальность, чтобы получить экономически оправданный объем выпуска БИС. Примерами удачного сочетания высокой сложности с универсальностью применения могут служить микропроцессорные БИС и БИС запоминающих устройств.
Контрольные вопросы
1. В чем состоит различие аналоговых и цифровых электронных
устройств?
2. Почему в ключевой схеме на кремниевом npn-транзисторе можно не
использовать специального источника запирающего напряжения на входе?
3. От чего зависит остаточное напряжение на открытом ключевом транзисторе (биполярном или МДП)? Дайте его оценку.
4. Какие параметры определяют быстродействие (время задержки) ключа на биполярном транзисторе и ключа на МДП-транзисторе?
5. Почему ключ на биполярном транзисторе с диодом Шоттки имеет более высокое быстродействие по сравнению с ключом без диода Шоттки?
6. Начертите принципиальные схемы и поясните принцип действия базовых логических элементов ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, И2Л, pМДП, nМДП, КМДП.
7. Поясните функциональное различие триггера и простейшего логического элемента.
8. Назовите типы интегральных триггеров и поясните их работу.
9.Назовите типы запоминающих устройств и их основные параметры.
10.Поясните назначение и принцип построения интегральных ОЗУ.
11. Поясните назначение и принцип построения интегральных ПЗУ
12.Какими причинами вызван переход от ИМС малой и средней степени интеграции к БИС и СБИС?
13. Какие ограничения существуют для повышения степени интеграции БИС?
2. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Вопросы, подлежащие изучению
1. Понятие об интегральных операционных усилителях (ОУ), их
характеристиках и параметрах. Основные типы ОУ.
2. Структура ОУ, назначение основных узлов ОУ.
3. Основные функциональные устройства на основе ОУ.
4. Аналоговые перемножители сигналов.
5. Аналоговые электронные ключи.
Пояснения к изучаемым вопросам
1. Понятие об интегральных операционных усилителях (ОУ), их основные характеристики и параметры изложены в [1, с. 239-242], [2, с. 381-385], [3,с. 313-324] и [5, с. 90-98].
2. Современные интегральные ОУ содержат три каскада: входной,
промежуточный и выходной. Входной каскад всегда является дифференциальным каскадом, промежуточный - каскадом сдвига уровня и выходной - эмиттерный повторитель [1, с. 224-239], [2, с. 375-381], [3, с. 308-313], [4, с. 306-322] и [5, с. 99-102].
3. Обратите внимание на основной принцип применения ОУ - включение глубокой отрицательной обратной связи (ООС), позволяющей за счет избыточного коэффициента усиления обеспечить независимость параметров функционального устройства от параметров ОУ. Основные сведения о принципах применения ОУ содержится в [2, с. 385-398, 408-412] и [5, с. 102-106]. Очень коротко [1, с. 242-246] и [3, с. 325-327].
Одним из признаков классификации аналоговых устройств является полоса (диапазон) рабочих частот. Особую группу аналоговых ИМС составляют схемы для частотной селекции [2, с. 398-408] и [5, с. 306-213].
4. Понятие об аналоговых перемножителях сигналов (АПС), примеры
построения устройств преобразования сигналов на основе АПС приводятся в [2, с. 462-470] и в [5, с. 265-273]. Следует отметить, что функции, реализуемые АПС, могут быть получены и без их использования, например, с помощью стандартных ОУ. Однако, применение специализированных АПС позволяет существенно повысить точность преобразования и расширить частотный диапазон.
5. Аналоговые электронные ключи и многоканальные электронные коммутаторы используются в тех случаях, когда коммутируемая цепь должна быть изолирована от управляющей цепи, а коммутируемый аналоговый сигнал должен испытывать минимальные искажения при прохождении через коммутируемую цепь. Электронные ключи, используемые в логических ИМС, для этой цели, как правило, не пригодны, так как в них управляющая (входная) и коммутируемая (выходная) цепи имеют общую точку. Поэтому были разработаны специальные ИМС аналоговых коммутаторов на основе МДП- транзисторов. Описание таких ИМС можно найти в [5, с. 148-160, 164-198].
Другим примером интегрального коммутатора аналоговых сигналов могут быть оптоэлектронные коммутаторы [5, c. 160-164].
Контрольные вопросы
1.Приведите характеристики и перечислите параметры ОУ.
2. Из каких основных каскадов состоят интегральные ОУ? Приведите схемы
этих каскадов и поясните принцип их работы.
3.Начертите схему дифференциального усилительного каскада и поясните, какие точки являются входом схемы, а какие выходом; как влияет на величину выходного сигнала синфазный входной сигнал и дифференциальный входной сигнал; от каких факторов зависит коэффициент усиления?
4.Какие устройства обработки сигналов можно построить на основе ОУ?
5. Какие устройства преобразования сигналов можно построить на основе АПС?
6. В чем отличие аналоговых электронных ключей от ключей, применяемых в составе логических элементов?
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫМИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Вопросы, подлежащие изучению
1. Комплексная микроминиатюризация и её влияние на надёжность.
2. Устройство и порядок изготовления гибридных ИМС.
3. Базовые физико-химические процессы создания полупроводниковых микроэлектронных структур.
4. Формирование структур полупроводниковых ИМС.
5. Сборка и защита ИМС.
Пояснения к изучаемым вопросам
1. Средством решения проблемы увеличения надежности, снижения стоимости, массо-габаритов и энергопотребления РЭА является комплексная миниатюризация, в широком смысле означающая системный подход к применению в аппаратуре средств микроэлектроники, а в прикладном смысле - метод создания аппаратуры, при котором все её узлы, блоки и устройства выполнены на базе изделий микроэлектроники. Классификация изделий микроэлектроники приведена в [1, с. 187-189], [3, с. 11-20] и [4, с. 6-9].
Основным видом изделий микроэлектроники являются ИМС, которые могут быть квалифицированы по технологии изготовления, степени интеграции, функциональному назначению и по применяемости в аппаратуре.
2. Гибридные ИМС (микросборки) представляют собой комбинацию плёночных пассивных элементов и дискретных активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке. В настоящее время в качестве дискретных активных элементов, кроме бескорпусных транзисторов и диодов, широко используются полупроводниковые ИМС, в частности, ОУ, триггеры, регистры и т.д. Таким образом, гибридные ИМС представляют собой не только функциональные узлы (усилители, звенья фильтров и т.д.), но и целые блоки и устройства РЭА. Аналогом гибридной ИМС (микросборки) в МЭА третьего поколения является печатная плата, Заполненная компонентами в виде корпусированных ИМС.
Использование гибридных ИМС в РЭА четвертого поколения позволяет резко уменьшить массогабаритные параметры и повысить надёжность.
При изучении гибридных ИМС обратите внимание на особенности толстопленочных и тонкопленочных ИМС, а также параметры и характеристики их пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей). Этот материал достаточно подробно изложен в [4, c. 239-244]. Методы получения толстых и тонких плёнок приведены в [1, с. 195-196] и [4, c. 176-181, 186-193].
Особое внимание уделите изучению вопросов расчета и проектирования гибридных ИМС, необходимых для успешного выполнения курсовой работы [3, c. 148-204].
3. Базовые технологические процессы изготовления полупроводниковых ИМС (эпитаксия, термическое окисление, диффузия, ионное легирование, фотолитография, металлизация) достаточно полно и компактно описаны в [1, с. 189-195] и [4, c. 155-183]. Следует усвоить назначение каждого из базовых процессов, а также уметь без излишней детализации объяснить их сущность.
4. Основу биполярных полупроводниковых ИМС составляют n+-p-n
транзисторы. Отличия параметров и характеристик интегрального транзистора от дискретного определяется расположением всех трех выводов на одной поверхности, а также влиянием подложки. Обратите внимание на способы улучшения параметров интегрального транзистора, в частности, введением скрытого n+- слоя.
Диоды полупроводниковых ИМС реализуются на основе биполярных транзисторов, причем их параметры зависят от схемы включения транзистора в качестве диода.
Весьма важно для понимания принципов построения современных полупро- водниковых цифровых ИМС разобраться с устройством и особенностями активных структур, не имеющих дискретных аналогов: многоэмиттерных и многоколлекторных транзисторов, транзисторов с барьером Шоттки.
Обратите внимание на проблему реализации p-n-p транзисторов на одной подложке с основными n+-p-n транзисторами, особенности горизонтального и вертикального p-n-p транзисторов. Все перечисленные элементы ИМС подробно описаны в [1, с. 201-209], [3, с. 65-71], а также в [4, с. 193-220].
5. В МДП ИМС используются структуры с одним типом каналов (n-МДП или p-МДП) или с двумя типами каналов (комплементарные, КМДП). Необходимо ясно понимать, что важным преимуществом МДП ИМС по сравнению с биполярными ИМС является упрощение технологии изготовления и соответственно больший процент выхода годных изделий и меньшая стоимость. МДП активные элементы занимают значительно меньшую площадь на подложке и позволяют реализовать ИМС с очень высокой степенью интеграции при малой потребляемой мощности.
Обратите внимание на устройство и особенности КМДП ИМС, являющихся в настоящее время одним из наиболее перспективных типов ИМС. Данные вопросы достаточно кратко и понятно рассмотрены в [1, с.209-211] и [4, с. 220-229], а также подробно в [3, с. 107-141].
6. Параметры и характеристики пассивных элементов полупроводниковых ИМС существенно отличаются от соответствующих параметров и характеристик дискретных резисторов и конденсаторов. Необходимо знать основные отличия от дискретных пассивных компонентов и уметь изображать простейшие модели (эквивалентные схемы), учитывающие паразитные эффекты. Пассивные компоненты полупроводниковых ИМС описаны в [1, с. 21-214], [3, с. 81-107] и [4, с. 229-239].
При изучении элементов полупроводниковых ИМС усвойте способы изоляции между ними и их особенности. Подробное описание ИМС с различными типами изоляции, а также их недостатки и преимущества описаны в [1, с. 197-200 ] и [4, с. 194-202].
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятия комплексная миниатюризация, поясните цель комплексной миниатюризации РЭА.
2. Как классифицируются все изделия микроэлектроники?
3. Поясните отличие функциональных компонентов (приборов) от ИМС.
4. Поясните устройство гибридной ИМС.
5. Перечислите преимущества и недостатки толстоплёночных и тонкоплёночных гибридных ИМС.
6. Изобразите и поясните возможные варианты конструкции плёночных резисторов, конденсаторов и индуктивностей.
7. Какими причинами ограничено применение тонкоплёночных индуктивных элементов?
8. Перечислите основные методы нанесения тонких плёнок, поясните основные преимущества и недостатки каждого из методов.
9. Перечислите основные методы получения заданной конфигурации пассивных элементов и назовите их недостатки и преимущества.
10. Перечислите и поясните базовые физико-химические процессы создания полупроводниковых микроэлектронных структур.
11. Приведите последовательность технологических операций по изготовлению полупроводниковых биполярных ИМС.
12. Приведите последовательность технологических операций по изготовлению МДП ИМС.
13. Каким образом осуществляется сборка и герметизация полупроводниковых ИМС, какие типы корпусов Вы знаете?
14. Какие виды изоляции между элементами полупроводниковой ИМС Вы знаете? Объясните преимущества и недостатки каждого из них.
15. Изобразите устройство интегрального n-p-n транзистора, поясните основные отличия от аналогичного дискретного транзистора.
16. Изобразите устройство многоэмиттерного и многоколлекторного транзисторов, поясните их основные особенности.
17. Изобразите устройство горизонтального и вертикального `p-n-p транзисторов, поясните их основные особенности.
18. Изобразите схемы включения транзисторов в качестве диода, приведите основные параметры для каждой из схем включения.
19. Изобразите устройство МДП полупроводниковой ИМС.
20. Изобразите устройство КМДП структуры, поясните основные особенности и преимущества.
21. Перечислите и объясните основные преимущества и недостатки МДП ИМС по сравнению с биполярными ИМС.
22. Изобразите устройство диффузионного резистора, приведите его основные параметры.
23. Изобразите модель (эквивалентную схему) диффузионного резистора, учитывающую паразитные эффекты.
24. Изобразите устройство диффузионного конденсатора на основе обратно смещенного p-n перехода и МДП конденсатора. Назовите их параметры.
25. Приведите модели (эквивалентные схемы) конденсаторов полупроводниковых ИМС. Дайте их сравнительную оценку.
4. БОЛЬШИЕ И СВЕРХБОЛЬШИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
(БИС и СБИС)
Вопросы, подлежащие изучению
1. Общая характеристика БИС и СБИС.
2. Особенности схемотехники БИС И СБИС.
3. Основные типы БИС и СБИС.
Пояснения к изучаемым вопросам
1. Повышение степени интеграции является основной тенденцией развития микроэлектроники, так как использование БИС сопровождается резким улучшением всех основных показателей аппаратуры. Пути повышения степени интеграции и проблемы, связанные с созданием БИС и СБИС, подробно описаны в [3, с. 210-257]. Кратко в [1, с, 281 284].
2. В цифровых БИС находят применение базовые ячейки, занимающие
малую площадь на подложке и обладающие минимальной потребляемой мощностью (n-МДП, КМДП, И2Л).
В настоящее время для создания БИС и СБИС начали использоваться функционально- интегрированные структуры, в частности приборы с зарядовой связью (ПЗС), которые рассмотренные ниже.
3. Увеличение степени интеграции приводит к резкому сужению сферы
применения БИС и СБИС, что делает их производство нецелесообразным. Исключение составляют БИС и СБИС для средств вычислительной техники. Использование базовых матричных кристаллов при создании БИС и СБИС частного применения снимают экономические ограничения. Эти вопросы рассмотрены в [ 1, с. 284-287].
Широкое применение средств вычислительной техники и цифровой обработки сигналов стимулируется созданием цифровых БИС микропроцессоров, однокристальных микро-ЭВМ, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП). Начальные сведения о таких БИС содержатся в [2, с. 307-349].
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятию большая интегральная схема (БИС).
2. В чем заключаются принципиальные преимущества БИС?
3. Перечислите основные проблемы, возникающие при повышении степени интеграции БИС.
4. Какие базовые интегральные элементы используются в БИС и почему?
5. Перечислите основные виды универсальных БИС.
6. Дайте определение понятия микропроцессор, поясните, из каких основных узлов он состоит?
7. Поясните назначение БИС АЦП и ЦАП.
5. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Вопросы, подлежащие изучению
1. Приборы с зарядовой связью (ПЗС).
2. Магнетоэлектронные приборы.
3. Акустоэлектронные приборы.
Пояснения к изучаемым вопросам
1-3. Общая характеристика различных направлений функциональной электроники рассмотрена в [1, с. 287-288].
Приборы с зарядовой связью лучше изучать по [1, с. 294-301] и [4, с. 392-399].
Магнетоэлектронные приборы и, в частности запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), кратко описаны [1, с. 291-294] и [3, с. 387-390].
Акустоэлектронные устройства можно изучать по [1, с. 288-291] и [ 4, с. 383-387].
Контрольные вопросы
1. В чём состоит основное отличие приборов функциональной электроники от обычных интегральных микросхем?
2. Каким образом происходит формирование, хранение и перенос зарядовых пакетов в приборах с зарядовой связью?
3. Назовите область применения приборов с зарядовой связью.
4. На каких принципах основана запись и хранение информации в магнетоэлектронных приборах?
5. Какие функции преобразования и обработки сигналов можно реализовать с помощью акустоэлекронных приборов?
Cодержание лекций
1. Транзисторный ключ - основа построения цифровых ИМС (2 ч.).
2. Логические элементы на биполярных транзисторах (3 ч.).
3. Логические элементы на МДП-транзисторах (2 ч.).
4. Операционные усилители. Параметры, характеристики и устройства на их основе (3 ч.).
5. Гибридные ИМС (2 ч.).
6. Полупроводниковые ИМС (2 ч.).
7. Приборы функциональной микроэлектроники (2 ч.).
Перечень лабораторных работ
1. Исследование электронного ключа на БТ.
2. Исследование ЦИМС ТТЛ.
3. Исследование ЦИМС КМДП.
4. Исследование характеристик и параметров ОУ.
5. Исследование функциональных устройств на основе ОУ.