9949

Большие интегральные схемы

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Большие интегральные схемы Учебные, методические и воспитательные цели: 1. Изучить проблемы повышения степени интеграции, базовые матричные кристаллы. 2. Совершенствовать умение выделять главное для качестве...

Русский

2013-03-19

147 KB

18 чел.

Большие интегральные схемы

Учебные,   методические   и воспитательные цели:

1. Изучить  проблемы повышения степени интеграции, базовые матричные кристаллы.

2. Совершенствовать умение выделять  главное  для качественного конспектирования учебного материала.

3. Развивать   инженерное  мышление,  формировать   научное мировоззрение.

Время: 2 часа

План лекции:

       №

      п/п

                       Учебные вопросы

    Время

       мин.

        1.

        2.

         3.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Проблемы повышения степени интеграции.

2. Базовые матричные кристаллы.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

       5

      80

      60

      20

       5

Материальное обеспечение:

1. Набор БИС.

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.431-433.

2. И.П.Степаненко, "Основы микроэлектроники", с.453-460.

3. В.А.Батушев, "ЭЭВТС", с.308-314.

Вводная часть

Тенденция к повышению степени интеграции наблюдалась с самого зарождения микроэлектроники. Сначала в каждом корпусе размещались отдельные интегральные логические элементы. Затем, увеличив количество выводов, стали размещать несколько интегральных логических элементов в одном корпусе. Это позволило сократить общее количество корпусов в аппаратуре, но не привело к какому-либо новому этапу в развитии ИС. Качественно новый этап начался лишь после того, как простые ИС, расположенные на одном кристалле, стали объединять в сложные функциональные комплексы путем металлической разводки – так же, как в самих ИС объединяются отдельные элементы. На этом этапе появились сначала средние, а затем большие интегральные схемы и сверхбольшие интегральные схемы. Можно сказать, что в основе БИС лежит интеграция простых ИС.

Использование БИС сопровождается резким улучшением всех основных показателей по сравнению с аналогичным функциональным комплексом, выполненных на отдельных ИС. Действительно, интеграция ИС на одном кристалле приводит к уменьшению количества корпусов, числа сборочных и монтажных операций, количества внешних – наименее надежных – соединений. Все это способствует уменьшению размеров, массы, стоимости и повышению надежности.  Но при этом возникает ряд проблем, которые будут рассмотрены ниже.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Проблемы повышения степени интеграции

Опыт разработки больших интегральных схем (БИС) выявил ряд общих проблем, которые ограничивают повышение степени интеграции и которые, следовательно, нужно так или иначе решать в процессе дальнейшего развития микроэлектроники.

Проблема теплоотвода. При заданных размерах элементов повышение степени интеграции может достигаться увеличением плотности компоновки, т.е. сближением элементов на кристалле. При этом неизбежно возрастает удельная мощность, рассеиваемая на единице площади. При современных конструкциях кремниевых ИС допустимая удельная мощность на кристалле без дополнительного теплоотвода не превышает 5 Вт/см2. Значит, допустимая мощность для кристалла площадью 20 мм2 составляет не более 1 Вт. При средней мощности 0,5 мВт, потребляемой одним интегральным логическим элементом, на указанном кристалле удастся разместить не более 2000 логических элементов.

Естественным путем для преодоления этого ограничения является использование микрорежима транзисторов и таких схем, которым микрорежим свойствен. Например, для того чтобы на той же площади 20 мм2 разместить 10000 логических элементов нужно использовать элементы с потребляемой мощностью не более 0,1 мВт, т.е. на комплементарных транзисторах.

Конечно, может оказаться, что при данных размерах кристалла желательную степень интеграции нельзя осуществить ни на одном их имеющихся элементных базисов. Тогда приходится идти на увеличение площади ИС.  В принципе этот путь открывает широкие возможности, но практически он тоже ограничен.

Ограничение накладывается неизбежными нарушениями структуры полупроводника на поверхности. А это будет означать негодность транзистора или отдельной интегральной схемы, соответственно негодной  может оказаться и БИС в целом. Поэтому увеличение площади кристалла сопровождается увеличением процента брака и уменьшением процента выхода годных БИС.

Проблема межсоединений. Внутренняя структура БИС настолько сложна, что конструктор не может за разумное  время  спроектировать  топологию (расположение ) элементов и рисунок оптимальных межсоединений. Для этого нужно сравнить тысячи вариантов, и это практически можно выполнить только при использовании систем автоматического проектирования.

Опыт показывает, что в большинстве БИС не удается расположить разводку межсоединений в одной плоскости без пересечений. Поэтому для БИС характерна многослойная разводка, расположенная обычно в двух или трех плоскостях. Изоляция слоев друг от друга и необходимые соединения между разводками разных слоев представляют собой особую технологическую проблему, специфичную для БИС.

Проблема контроля параметров. Электрический контроль параметров БИС до ее помещения в корпус осуществляется с помощью электрических зондов, прижимаемых к контактным площадкам, т.е. к будущим внешним выводам. Зонды представляют собой тонкие металлические проволочки, острие которых имеет диаметр 5-10 мкм. Зонды объединяются в зондовые головки – своего рода проволочные "щетки", в которых каждый зонд соприкасается с соответствующей контактной площадкой, имеющей размеры 100100 мкм. Количество внешних выводов у БИС значительно больше, чем у простых ИС, в силу большей сложности выполняемых функций. Оно может составлять от десятков до нескольких сотен. Если для иллюстрации принять 50 выводов и учесть, что на каждом выводе может быть два значения выходной величины (0 или 1), то для полноценной проверки функционирования БИС (только в статике) потребуется 1015 измерений. При длительности каждого измерения 1мкс контроль одной БИС займет около 25 лет.

Следовательно, помимо автоматизации контроля, нужно упростить и его методику. По необходимости измерения должны быть выборочными: количество измерений, свидетельствующих о работоспособности БИС (с определенной вероятностью), обычно лежит в пределах 200-300.

Отбор контролируемых параметров, последовательность и правила (алгоритмы) их испытания, а также разработка соответствующей аппаратуры и программ (для использования ЭВМ) представляют нередко задачу, не менее сложную, чем проектирование самой БИС.

Физические ограничения на размеры элементов. В современных БИС размеры отдельных участков доходят до 2-5 мкм и имеется тенденция к дальнейшему уменьшению размеров. На этом пути, однако, возникают некоторые принципиальные ограничения.

Во-первых, с уменьшением площади начинает сказываться неравномерное распределение примеси в полупроводнике. Анализ показывает, что этот фактор становится существенным  при размерах элементов менее 1мкм.

Во-вторых, с уменьшением линейных размеров возрастает роль технологических допусков. Так, если погрешность фотолитографии составляет 0,2мкм, то при линейных размерах 5 мкм площади элементов будут различаться незначительно (на 20%), а при размерах 1 мкм – в 2,3 раза.

В-третьих, с уменьшением линейных размеров возрастают напряженности электрических полей в полупроводниковых слоях. При одном и том же напряжении U=0,2В напряженность поля в слое толщиной 5мкм сравнительно невелика (400В/см), а в слое толщиной 0,2мкм она составляет 104В/см, т.е. превышает критическую напряженность. Соответственно полупроводниковый слой приобретает нелинейные свойства.

Таким образом, учитывая, что возможности обычной фотолитографии тоже лежат в пределах 0,7-1мкм, можно сказать что и физические и технологические аспекты делают область размеров менее 1мкм особой областью  и позволяют говорить о "субмикронной микроэлектронике" как о самостоятельном научно-техническом и технологическом направлении.

2. Базовые матричные кристаллы

Наиболее успешно задача разработки специализированной элементной базы решается с помощью матричных БИС (МаБИС).

В основе подобных БИС лежит специальная заготовка – базовый матричный кристалл (БМК), который представляет собой прямоугольную пластину определенного размера из монокристаллического полупроводникового материала, на которой размещена матрица нескоммутированных  базовых ячеек. Каждая ячейка состоит из нескоммутированных  транзисторов, диодов, резисторов. Соединения в БИС можно представить в виде многоуровневой системы. На первом уровне реализуются связи между  отдельными элементами, образующими простейшие логические схемы. На втором уровне соединяют схемы типа триггеры, полусумматоры и т. д.. На третьем  уровне формируют связи в регистрах, сумматорах и т. п..   Таким образом, БИС, реализованные на одинаковых БМК, отличаются только слоями коммутации, при построении которых (настройке БМК)  решаются две задачи: формируются библиотечные логические элементы (для каждого из них может использоваться одна или несколько соседних групп транзисторов) и строится индивидуальная система внутрисхемных связей.

Сложность проектирования матричных БИС в основном проявляется при решении задач синтеза и контроля их топологии, включающих начальное размещение элементов БИС на БМК, оптимизацию размещения, предварительную трассировку  соединений, окончательную трассировку соединений, контроль конструкторско-технологических ограничений, проверку соответствия топологии и принципиальной электрической схемы БИС, схемотехнических ограничений.  Трудность решения этих задач связана с необходимостью их формального математического описания, сложностью выбора критериев структурной и параметрической оптимизации.

Все межсоединения на БМК делают в слоях металлизации. В качестве дополнительного коммутационного слоя иногда используют шины поликремния.

Набор логических элементов, каждый из которых реализуется на базе одной или нескольких ячеек матрицы с помощью тех же слоев металлизации, определяют заранее при конструировании БМК и в дальнейшем не меняют.

Таким образом, чтобы разработать БИС на основе БМК достаточно спроектировать и изготовить межсодинения. Созданную таким способом БИС называют матричной БИС.

Различие в требованиях, которые предъявляются к микроэлектронной аппаратуре в соответствии с областью ее применения, обусловливает многообразие типов БМК. Существующие БМК можно условно разделить на четыре группы: 1) КМОП-цифровые матрицы; 2)биполярные цифровые матрицы; 3) аналоговые; 4) аналого-цифровые матрицы.

Выбор конкретного типа БМК определяется требованиями совместимости реализуемого устройства с остальными частями микроэлектронной системы, а также такими характеристиками, как быстродействие, энергопотребление, степень интеграции. Эти характеристики зависят от технологии изготовления БМК. Так, матрицы на эмиттерно-связанной логике отличаются наивысшим быстродействием, но при этом потребляют наибольшую мощность. БМК, изготовленные по интегральной инжекционной технологии, наоборот, позволяют уменьшить энергопотребление, но обладают низким быстродействием. Промежуточное положение занимают БМК на основе транзисторно-транзисторной логики и транзисторно-транзисторной логике с диодами Шоттки. Особое место принадлежит КМОП БМК, сочетающим наибольшую степень интеграции и низкий уровень потребления энергии. Кроме того, благодаря уменьшению линейных размеров полупроводниковых структур (длина затвора современного полевого транзистора может  быть меньше 1 мкм) БИС на основе КМОП БМК в ряде случаев достигают быстродействия схем на эмиттерно-связанной логике.

Дальнейшее совершенствование КМОП базовых матричных кристаллов идет по пути увеличения степени интеграции и повышения быстродействия. Основным препятствием на этом пути является необходимость сохранения места для коммутации, достаточного для трассировки соединений при высокой (до 80%) плотности заполнения матрицы ячеек БМК. Поэтому уменьшение резервируемой для реализации межсоединений площади кристалла добиваются прежде всего за счет усовершенствования конструкции БМК. Наряду с уменьшением ширины проводников увеличивается число слоев коммутации.

Таким образом, проблема проектирования БИС на БМК очень сложна и может быть успешно решена только с использованием системы автоматизированного проектирования, так как требуется учесть очень большое количество факторов.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В данной лекции были рассмотрены проблемы, возникающие при повышении степени интеграции, при проектировании больших интегральных схем, Частично рассмотрено, как эти проблемы могут быть решены с помощью матричных БИС. Дальнейшее развитие данные вопросы получат при изучении дисциплины “Вычислительная техника и информационные технологии”

Задание на самостоятельную подготовку:

1. Изучить материал по учебнику (Л1) стр. 431-433.

Старший преподаватель кафедры N9

доцент         п/п               Г. Подлеский

Рецензент:

Доцент         п/п

Б. Степанов

Занятие 8. Перспективы развития элементной базы

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить  перспективы развития элементной базы, приборы функциональной электроники.

2.  Развивать   методические   навыки  логического  изложения учебного материала.

3. Развивать инженерное  мышление,  формировать научное мировоззрение.

Время: ¦2 часа

План лекции

     №

    п/п

                      Учебные вопросы

    Время

       мин

      1.

      2.

       3.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Перспективы развития элементной базы военной техники связи.

2. Переход к функциональной электронике: приборы на поверхностно-акустических волнах, цилиндрических магнитных доменах, приборы с зарядовой связью.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

        5

        80

20

60

        5

Материальное обеспечение:

1. Набор функциональных элементов.

2. Комплект диапозитивов.

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.433-440, 313-318.

2. Бальбашов А.М., Лисовский Ф.В., Раев В.К. и др."Элементы и устройства на цилиндрических  доменах",  М.,  Радио  и  связь,  1987  г., стр.488.

3. Регицкий "Радиокомпоненты на ПАВах", М.,  Радио и  связь,1984 г.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Современная  микроэлектроника базируется на  интеграции дискретных элементов  электронной техники,  при  которой  каждый элемент схемы формируется отдельно в полупроводниковом кристалле. По  мере усложнения функций,  выполняемых ИС, неизбежен рост   числа элементов  микросхемы  и  межэлементных  соединений.

Повышение  степени  интеграции  микросхем  и  связанное   с   этим уменьшение размеров элементов имеет определенные пределы.  Сложными  становятся  проблемы топологии  и теплоотвода.  Поэтому  в  перспективе  интегральная микроэлектроника  уже не  будет  полностью  удовлетворять разработчиков сложной радиоэлектронной аппаратуры.

Функциональная  микроэлектроника   предполагает принципиально новый подход,  позволяющий реализовать  определенную функцию  аппаратуры  без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле.

В этом   случае   локальному   объему   твердого  тела придаются такие свойства,  которые требуются для выполнения данной функции  и промежуточный этап представления желаемой  функции  в виде  эквивалентной электрической  схемы  не  требуется.

В лекции будут рассмотрены перспективы развития элементной базы аппаратуры, а также приборы функциональной электроники, основанные на  использовании  магнитных явлений,  взаимодействия электрических волн  с  акустическими волнами в  твердом  теле и преобразования электрических сигналов в зарядовые пакеты подвижных носителей,  которые находят  применение  в технике  связи  и  вычислительной технике.

1. Перспективы развития элементной базы

Развитие техники связи связано с дальнейшим совершенствованием элементной базы.

Радиодетали совершенствуются в направлениях повышения точности, расширения частотного диапазона, улучшение отдельных характеристик, повышения надежности.

Полупроводниковые приборы, в частности биполярные транзисторы, развиваются в направлении расширения частотного диапазона, снижения уровня шумов, повышения рабочих напряжений. Полевые транзисторы, кроме того, совершенствуются  и в направлении роста мощности, где возможности этих элементов далеко не исчерпаны. В этом же направлении развиваются диоды и тиристоры. Дальнейшее развитие получат электросветовые приборы, особенно светодиоды, для создания устройств  индикации  с большой информационной емкостью, встроенными системами управления,  полностью совместимые  с  интегральными  схемами.

Электровакуумные приборы совершенствуются в основном в направлении создания мощных  (более 1 кВт)  генераторных и модуляторных ламп, имеющих высокие  рабочие частоты и КПД, низкие уровни линейных искажений, малые габариты, большую долговечность. Дальнейшее развитие получат и цветные электронно-лучевые трубки, как индикаторы, имеющие  максимальную информационную  емкость.

Газоразрядные приборы развиваются как элементы  индикации в виде знаковых и шкальных индикаторов, а также матричных информационных  панелей.

Одним из перспективных направлений развития микроэлектроники является широкое использование функциональных микроэлектронных приборов. Дальнейшее развитие получат магнито-, акусто- и оптоэлектронные приборы, приборы с зарядовой связью. Более детально об этом в следующем вопросе лекции.

Перспективные исследования ведутся в области биоэлектроники. Это новое направление в микроэлектронике, исследующее принципы хранения и обработки информации  в живых системах для создания сверхсложных систем обработки информации.

Таким образом, элементная база электронной аппаратуры развивается очень динамично, и от специалистов, работающих с ней будет постоянно требоваться освоение новых элементов. Знание основных принципов работы современных электронных приборов позволит успешно справиться с этой задачей.

2. Переход к функциональной электронике: приборы на

поверхностно-акустических волнах, цилиндрических магнитных

доменах, приборы с зарядовой связью

.

Использование  магнитных свойств  тонких  пленок  новых магнитных материалов основано на возможности существования в  этих материалах устойчивых  в  отсутствие  внешнего  магнитного  поля доменов.

Домены  - это отдельные однородные намагниченные области ферромагнетика. Направление  намагниченности  М  в  соседних   доменах отличается на  1800. Материалы,  в  которых  образуются  домены, выполняют в виде тонкой пленки на поверхности специальной подложки (рис.1).Основными материалами,   получившими  широкое распространение  для  формирования  тонких   магнитных  пленок, являются  редкоземельные элементы.  Толщина пленок  не  превышает единиц-десятков  мкм,  что позволяет формировать  в  них  сквозные домены, т.е. по толщине пленки располагать только один домен.

В  отсутствие  внешнего  магнитного  поля  направление намагниченности М доменов совпадает с осью легкого  намагничивания (ОЛН),  которая перпендикулярна поверхности ферромагнетика.

Если пленка однородна и отсутствует  анизотропия (предпочтительная ориентация  вектора намагниченности) в плоскости пленки  суммарные  площади  противоположно  намагниченных  доменов равны, что приводит к формированию лабиринтной доменной структуры. В  этом случае  в  пленке существуют домены "змееобразной" формы (рис.2).

Если   на  пленку  воздействовать  магнитным   полем смещения   Нсм,  то  площадь доменов  с вектором М,  параллельным Нсм  будет возрастать с  одновременным уменьшением площади доменов с М, антипараллельным Нсм (рис 3).

Таким  образом,  под  действием  внешнего  поля, противоположного направлению  намагниченности М,  домены будут стягиваться   в цилиндры. Цилиндрические магнитные домены (ЦМД),  т.  е.  домены, имеющие форму прямого кругового цилиндра,  являются  одним   из возможных типов  доменных структур  в  магнитоупорядоченных средах. Диаметр ЦМД 2,5-10 мкм.  При достаточно сильном поле намагничивания ЦМД исчезают,  т.е. имеется определенный интервал напряженности поля, при  котором могут существовать  ЦМД.

Это  явление  магнетизма  явилось основой для  нового направления в  микроэлектронике. Управление  ЦМД   в  тонких магнитных  пленках  нашло широкое практическое применение.  Наличие или отсутствие  ЦМД  в определенных точках пленки (информационной среды) отождествляется  с  двоичными сигналами: единицей и нулем. Для  практического  использования ЦМД  как  носителей информации  необходимы  следующие  основные  узлы:   генератор доменов,  устройства  их перемещения  и считывания.  В настоящее время  используется несколько  вариантов построения указанных узлов.

На перемагничивание тонкопленочного элемента требуется энергии  в 10-20  раз и времени в 10-30 раз меньше, чем на перемагничивание  ферритового  сердечника. Уже   это  преимущество  обуславливает интерес к ЗУ на ЦМД.

Другое преимущество  заключается в повышении плотности размещения информации, достигающей значений более 106  бит/см2  при  теоретических пределах порядка 108 бит/см2  и выше.

Рассмотрим  более  подробно  состав  и  особенности  элемента памяти на ЦМД.

Практически  все  ЗУ  на ЦМД,  о которых  сообщалось  в печати, изготовлены  на базе гранатовых  пленок.

После того как материал с ЦМД выбран, можно переходить к изготовлению  ЗУ   методом интегральной технологии.   Первоначальной  ионной бомбардировкой  обрабатывают  поверхность монокристаллической   пленки   или вакуумным  осаждением   наносят слой  пермаллоя.   Далее  на пленку наносят несколько  изолирующих слоев  SiO2 и несколько слоев Al,  Cu для получения  из  них методом фотолитографии проводников,  генераторов и т.д.,  а  также слоев пермаллоя для формирования аппликаций,  выполняющих операции продвижения и фиксации доменов.

В  простейшем  варианте в ЗУ на ЦМД  входят  генератор, продвигающие структуры, детекторы.  Для  каждого из этих элементов разработано несколько схемных вариантов.

Генератор  доменов может быть построен с помощью  петли (рис.4), через которую проходит ток. Петля  в  виде тонкопленочного проводника наносится  на поверхность   кристалла  с  пленкой,  помещенного   в постоянное магнитное  поле. При прохождении тока  по  петле  создается  поле петли, направленное   навстречу  полю   Hсм.    В   этом   случае обеспечивается  образование ЦМД. При прекращении  тока,  созданный ЦМД  не  разрушается  полем  Нсм,   поскольку  величина  этого  поля обеспечивает устойчивое состояние домена.  Для работы генератора необходим сравнительно большой ток, что является его недостатком.

Устройство  перемещения  может  быть  выполнено  в  виде   Т-образных  и полосковых  пермаллоевых  аппликаций.  Для  этого  типа аппликаций (рис.5) характерны жесткие требования к величине зазора между ними и к значению величины продвигающего поля. Намагничивание этих аппликаций производится вращающимся в   плоскости кристалла управляющим полем, кото рое создается двумя перпендикулярными катушками,  охватывающими весь кристалл.   При намагничивании  аппликации на ее концах  образуются  полюсы (+  -). Внешнее  поле Нсм под + плюсом ослабевает,  что создает  условия для  затягивания  туда  близко расположенного ЦМД.  За  один  цикл поворота  ЦМД  перемещается  вправо  на  один  Т-образный  и  один полосковый  продвигающий  элемент  (рис.5).   Этот  тип  аппликаций использовался  в  первоначальных вариантах ЗУ.  В настоящее  время разработаны и опробованы несколько  типов  аппликаций:   V-1;  T-x образные;  шевронные и другие

Считывающее устройство для снятия информации может быть выполнено  в  виде контура с последовательно включенным  магнитным датчиком. Из  многочисленных типов датчиков ЦМД нашли  применение магнито-резистивные.  Магнитное   поле   рассеяния  домена  меняет сопротивление  

пермаллоевого датчика при  прохождении  домена  под ним   (рис.6).   Так  как магнитное поле рассеяния  от  отдельного домена  невелико,  то перед считыванием домен увеличивают примерно в   100  раз  с  помощью  шевронных структур. К настоящему времени освоены  ЗУ  на ЦМД емкостью 2,  4, 6, 8, 16 и 32 М байта,   легко совмещаемые   с   распространенными  типами   ЭВМ.    К   основным достоинствам ЗУ   на   ЦМД  относятся:  высокое  быстродействие, большая  удельная плотность размещения информации, радиационная стойкость и т.д.

По своим эксплуатационным параметрам ЗУ на ЦМД превосходят ЗУ на магнитных дисках по объемной плотности в 5 раз, наработке на отказ в 30-60 раз, среднему времени выборки в 5-30 раз.

Акустоэлектронными приборами  называются  устройства, использующие акустические  волны  для  обработки   электрических сигналов.

Приборы  на  объемных акустических  волнах   (кварцевые резонаторы, фильтры и  др.)  нашли широкое распространение в ВТС  в  виде дискретных элементов. В  микроэлектронном  исполнении  в  настоящее  время  широко применяются в радиотехнических системах акустоэлектронные  приборы,  в которых информация передается акустическими  волнами, распространяющимися  в поверхностном слое пьезоэлектрика,   т.  е. приборы на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Широкая  полоса,   жесткость  конструкции,  надежность, небольшие  габаритные  размеры   стимулируют  построение  на  их основе  различных устройств формирования и обработки  сигналов.  В том числе линий задержки и полосовых фильтров.

Основными  свойствами ПАВ, которые используются для обработки сигналов, являются:

-низкая скорость  распространения  акустических волн  (Vз=1.6-4км/с), т.е.  на пять порядков ниже  скорости электромагнитных волн;

- возможность  взаимодействия  акустической  волны  с планарными структурами  в  виде  металлизированных  аппликаций  на поверхности звукопровода.   Это   взаимодействие   обеспечивает преобразование  ПАВ в электрический сигнал, и  наоборот,  а  также изменение направления распространения волн, их отражение, затухание, задержку и т. д.

К недостаткам акустоэлектронных приборов следует  отнести большой  уровень  вносимых  потерь,   наличие  ложных   откликов, связанных  с  многократными переотражениями  акустических  волн  и температурную  нестабильность, обусловленную свойствами  материала подложки. Большое  затухание  ПАВ  и  ограниченные  возможности фотолитографии  (на  частоте  1ГГц   требуется  разрешение   1мкм) затрудняют создание акустоэлектронных приборов на частотах более 1-2ГГц. Основными составными частями прибора на ПАВ, показанного  на рис.7 являются звукопровод и электромеханические преобразователи. В качестве  звукопровода  в  большинстве случаев используется пластина из пьезоэлектрического материала с тщательно отполированной  поверхностью.

Пьезоэлектрики  -  ниобат лития, пьезокварц,  германат  висмута, пьезокерамика и др.

Электромеханические преобразователи обычно представляют собой совокупность  систем  электродов  гребенчатой  структуры, расположенных одна между  другой  (рис.7). Подобные преобразователи  называются  встречно-штыревыми  (ВШП), электроды  наносятся  на  поверхность звукопровода  в виде аппликаций тонкой  (0.1-0.5мкм)  алюминиевой пленки.

Простейшими  акустоэлектронными   устройствами на  ПАВ являются  линии  задержки  и  полосовые  фильтры.

Линии  задержки реализуются проще всего на ВШП.В  основе этого  метода  лежит прямое  соответствие  между геометрией ВШП и    его   пространственно-временным   откликом.

Геометрические размеры ВШП определяют эффективность преобразования электрического сигнала  в акустический  на  различных  частотах, полосу пропускания и ряд других параметров  преобразователя.  Шаг (период) - электродов преобразователя (d) определяет длину акустической волны  ().

Наиболее  эффективное преобразование будет в том случае, когда  за время движения волны  между соседними одноименными электродами  электрическое поле  на  них  изменится на  период и  вновь "подпитает"  проходящую волну. При этих условиях по  мере  продвижения ПАВ от электрода  к электроду  осуществляется  усиление волны,   напоминающее  явление резонанса.  Количество  штырей  определяет  относительную   полосу пропускания преобразователя.

Наибольшее распространение  среди  акустоэлектронных приборов  получили полосовые фильтры (ПФ), служащие для  выделения определенной  полосы  частот.  Фильтр  содержит  те  же  составные части,   что и ЛЗ. Основным достоинством фильтров на ПАВ  является возможность   получения заданной амплитудно-частотной характеристики  (АЧХ)  путем  выбора  соответствующего взаимного перекрытия  (аподизации)  штырей   преобразователя.  Закон изменения  перекрытия по длине ВШП соответствует форме  импульсной характеристики преобразователя,  т.е.  его реакции  на  импульсное воздействие. Следовательно,  если по заданной АЧХ найти импульсную характеристику и реализовать ее в виде аподизации   штырей   ВШП, то можно обеспечить нужную АЧХ проектируемого фильтра. Например, если   требуется  АЧХ,  близкая  к  прямоугольной,  то  импульсная характеристика,  а  значит  и  закон изменения  перекрытия  штырей должны  в соответствии с преобразованием Фурье выражаться функцией Sin X/X  .

Фильтры  на ПАВ   позволяют  получить   относительную ширину  полосы  пропускания до 20-30% от средней частоты при высокой  прямоугольности АЧХ.

В интегральных схемах, предназначенных для создания многоразрядных сдвигающих регистров, устройств памяти и т.д. находят широкое применение интегральные приборы с зарядовой связью (ПЗС). Это устройства, в которых внешняя информация в виде электрических сигналов преобразуется в зарядовые пакеты подвижных носителей, размещаемые в приповерхностных областях, а обработка информации осуществляется управляемым перемещением этих пакетов вдоль поверхности с последующим считыванием. Структура многоэлектродного ПЗС показана на рис. 8. В этом приборе p-n переход, показанный слева, предназначен для ввода в структуру заряда (записи информации). Вывод заряда (считывание информации) производится через второй p-n переход. Для рассмотрения принципа действия ПЗС предположим, что на часть электродов подано отрицательное напряжение U1=-Ux. Под влиянием возникающего при этом электрического поля в подложке под этими электродами происходят процессы, которые наблюдаются в МДП-транзисторе при индуцировании p-канала. Основные носители (электроны) оттесняются от границы раздела диэлектрик-полупроводник вглубь подложки и под электродами образуется обедненная область, представляющая собой потенциальную яму для неосновных носителей заряда (дырок). Благодаря тому, что кремниевый электрод расположен ближе к полупроводниковой подложке, чем находящийся на поверхности алюминиевый электрод, глубина обедненной зоны оказывается разной. В таком состоянии ПЗС подготовлен для приема и хранения информации. Если подать прямое напряжение на левый электронно-дырочный переход и инжектировать в подложку неравновесный заряд дырок, то он локализуется в узком приповерхностном слое под ближайшим кремниевым электродом.

Попав в потенциальную яму, дырки удерживаются в ней полем электрода. Однако заряд может храниться там ограниченное время (десятки-сотни миллисекунд). Это время ограничивает нижние рабочие частоты ПЗС в пределах десятков герц.

Передача заряда к следующему электроду осуществляется подачей на него более отрицательного, чем –Ux напряжения переноса U2=Uп. В подложке между подэлектродными областями возникает продольное электрическое поле, под влиянием которого дырки перемещаются в более глубокую потенциальную яму. Методом последовательного создания более глубоких потенциальных ям можно перемещать заряд вдоль структуры. Вывод информации из ПЗС производится с помощью обратно смещенного p-n перехода. При захвате его электрическим полем пакета дырок во внешней цепи протекает импульс тока. Отсутствие зазоров между проекциями электродов на подложку способствует повышению быстродействия. Максимальная рабочая частота ПЗС может достигать 800 МГц. ПЗС обладают определенными преимуществами по сравнению с обычными МДП-структурами. Они проще по конструкции, технологичнее, дешевле и обеспечивают более высокую плотность размещения элементов. К числу важнейших особенностей ПЗС следует отнести возможность преобразования светового потока в электрический сигнал, что открывает возможности для создания безвакуумных полупроводниковых формирователей видеосигналов. 

Таким  образом,  функциональная  микроэлектроника охватывает вопросы  получения   специальных  сред  с  наперед заданными  свойствами  и создания различных электронных  устройств методом  физической  интеграции,  т.е. использования вышеназванных физических принципов  и  явлений,  реализация  которых  позволяет получить приборы со  сложным  схемотехническим или системотехническим функциональным назначением.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В  лекции   рассмотрены перспективы развития элементной базы военной техники связи, а также принципы  построения  наиболее распространенных функциональных    приборов,  а  именно магнитоэлектронных  приборов  на ЦМД, акустоэлектронных  приборов на ПАВах и приборов с зарядовой связью которые находят все большее применение в военной технике связи.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Изучить материал по учебнику  [Л1] страницы 434-440.

Старший преподаватель кафедры N9

доцент               п/п                Г.Подлеский

Рецензент:

Доцент          п/п

Б. Степанов


ортоферрит

Рис. 1

Рис. 2

Hсм

Рис. 3

Hсм

Hп

Рис. 4

y

Hy

Hy

Hy

Hy

Рис. 5

ЦМД

пермалой

проводник

Рис. 6

Uвх

l

d

Rн

Рис. 7

n

p+

p+

n

p+

n

p+

p+

p+

n

n

U1

U2

Рис. 8


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11306. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНЧЕСКОГО УЧЕТА В ЗАО ЭССЕН ПРОДАКШН АГ 466.5 KB
  Разработка специфической для каждого предприятия методики, включающей параметры управленческого учёта (направления, центры дохода, центры затрат), учётную политику, форматы отчётности, процедуры получения информации...
11307. История денег 96 KB
  Раздел 1. Деньги Лекция №1 История денег До появления денег был бартер прямой безденежный обмен товарами. Существует два предположения того как возникли деньги: рационалистический деньги являются результатом соглашения между людьми; эволюционноист
11308. Эмиссия денег. Банковский мультипликатор 44 KB
  Лекция №2 Эмиссия денег. Банковский мультипликатор Банковская система должна обеспечивать национальное хозяйство денежными средствами в объеме который нужен для его нормального функционирования. Увеличение потребности экономики в деньгах в связи с ростом национа
11309. Деньги, денежное обращение, денежная масса, денежная база 87 KB
  Лекция №3 Деньги денежное обращение денежная масса денежная база Одним из важнейших показателей характеризующих денежнокредитную сферу и в частности денежный оборот является денежная масса. Денежная масса это совокупность денежных средств предназначенных...
11310. Банки: основные понятия 53 KB
  Лекция №6 Банки: основные понятия Банк от итал. banco лавка стол на которых менялы раскладывали монеты финансовокредитный институт основной функцией которого является оказание финансовых услуг юридическим и физическим лицам. Банковская система Российской Фе
11311. Виды банковских вкладов 43.5 KB
  Лекция Виды банковских вкладов В Гражданском кодексе говорится что вклады бывают двух видов: срочные; до востребования. В свою очередь в банковской практике вклады под проценты предлагаются трех видов: Расчетные; Расчетный вклад – это по
11312. Логические основы цифровой техники 107.5 KB
  9 Тема №1 Логические основы цифровой техники Занятие 1. Алгебра логических высказываний Учебные методические и воспитательные цели: ...
11313. Методы синтеза цифровых устройств 162 KB
  Занятие 2. Методы синтеза цифровых устройств Учебные методические и воспитательные цели: 1. Изучить методы синтеза цифровых устройств. 2. Пок...
11314. Дешифраторы и шифраторы 198.5 KB
  Занятие. Шифраторы и дешифраторы Учебные методические и воспитательные цели. Изучить принципы построения кодирующих и декодирующих устройств. Показать приемы активизации аудитории. Воспитывать уважение к цифровым и импульсным устройствам.