1. Физические основы полупроводниковой микроэлектроники.

Свойства полупроводников и электронных процессов, лежащие в основе работы полупроводниковых (ПП) электронных приборов и устройств:

одновременное существование носителей заряда двух знаков (отрицательных — электронов проводимости и положительных — дырок);
сильная зависимость величины и типа электропроводности от концентрации и типа примесных атомов;
высокая чувствительность к воздействию света и тепла, чувствительность к действию магнитного поля и механических напряжений;
эффект односторонней проводимости при протекании тока через запирающий слой электронно-дырочного перехода (р—n-перехода) или Шотки барьера, нелинейность вольтамперных характеристик таких слоев, введение (инжекция) неосновных носителей, нелинейная ёмкость р—n-перехода;
туннельный переход носителей сквозь потенциальный барьер;
лавинное размножение носителей в сильных электрических полях;
переход носителей из одного минимума энергетической зоны в другой с изменением их эффективной массы и подвижности и др.

Один из эффектов, наиболее широко используемых в полупроводниковой микроэлектронике — возникновение р—n-перехода на границе областей полупроводника с различными типами проводимости (электронной — в n-области, дырочной — в р-области); его основные свойства — сильная зависимость тока от полярности напряжения, приложенного к переходу (ток в одном направлении может в 10⁶ раз и более превышать ток в др. направлении), и способность к инжекции дырок в n-область (или электронов в р-область) при включении напряжения в направлении пропускания тока через р—n-переход. Свойства, близкие к свойствам р—n-перехода, имеет барьер Шотки, обладающий вентильными свойствами (односторонней проводимостью), но не обладающий способностью к инжекции. И р—n-переход, и барьер Шотки обладают электрической ёмкостью, изменяющейся по нелинейному закону с изменением напряжения. При превышении внешним обратным напряжением определённой величины в них развиваются явления пробоя. Сочетание двух р—n-переходов, расположенных близко в одном кристалле полупроводника, даёт транзисторный эффект: эффект управления током запертого перехода с помощью тока отпертого перехода. Три р—n-перехода в одном кристалле, разделяющие четыре области попеременно электронной и дырочной проводимости, образуют Тиристор. Решающее значение для полупроводниковой микроэлектроники имеет транзисторный эффект: именно на его основе работают ПП приборы основного типа — Транзисторы, которые определили коренные изменения в радиоэлектронной аппаратуре и ЭВМ и обеспечили широкое применение систем автоматического управления в технике.

К физическим явлениям, которые в начале 70-х гг. 20 в. стали использовать в П. э., относится и Акустоэлектрический эффект в диэлектрических и ПП материалах. На основе этого эффекта оказалось возможным создавать усилители электрических колебаний, активные электрические фильтры, линии задержки с усилением сигнала, что привело к появлению нового направления полупроводниковой микроэлектроники — акустоэлектроники.

Одна из наиболее общих черт развития полупроводниковой микроэлектроники — тенденция к интеграции самых различных физических эффектов в одном кристалле. Полупроводниковая микроэлектроника начинает смыкаться с электроникой диэлектрических материалов, магнитных материалов и т.д., превращаясь постепенно в электронику твёрдого тела в самом широком смысле этого слова.

Интегральная (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх, англ. integrated circuit, IC, microcircuit), чип, микрочи́п (англ. microchip, silicon chip, chip — тонкая пластинка — первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус.

Уровни проектирования

· Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.

· Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.).

· Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).

· Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехническая схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.).

· Топологический — топологические фотошаблоны для производства.

· Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) — команды ассемблера для программиста.

Технология изготовления

· Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).

· Плёночная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

· толстоплёночная интегральная схема;

· тонкоплёночная интегральная схема.

· Гибридная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

Вид обрабатываемого сигнала

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании −5,2 В: логическая единица — это −0,8…−1,03 В, а логический ноль — это −1,6…−1,75 В.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают всё большее распространение.

Аналоговые схемы

· Операционные усилители

· Компаратор

· Генераторы сигналов

· Фильтры (в том числе на пьезоэффекте)

· Аналоговые умножители

· Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители

· Стабилизаторы источников питания

· Микросхемы управления импульсных блоков питания

· Преобразователи сигналов

· Схемы синхронизации

· Различные датчики (температуры и др.)

Цифровые схемы

· Логические элементы

· Триггеры

· Счётчики

· Регистры

· Буферные преобразователи

· Шифраторы

· Дешифраторы

· Цифровой компаратор

· Ключи

· (Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)

· Микросхемы и модули памяти

· ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Преимущества цифровых ИС:

· Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов.

· Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня.

· Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

Аналогово-цифровые схемы

· ЦАП и АЦП

· ЦВС

· Трансиверы (например, преобразователь интерфейса RS-422)

· Модуляторы и демодуляторы

o Радиомодемы

o Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста

o Трансиверы Fast Ethernet и оптических линий

o Dial-Up модемы

o Приёмники цифрового ТВ

o Сенсор оптической мыши

· Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах

· Цифровые аттенюаторы

· Схемы ФАПЧ с последовательным интерфейсом

· Коммутаторы

· Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации

· БМК — базовый матричный кристалл, содержащий как аналоговые, так и цифровые первичные элементы