Конспект лекций «Элементная база РЭС» (стр. 1 )

Элементная база РЭС

Конспект лекций

студента гр.812602 Ставицкого Андрея Михайловича

лектор:

Вводная лекция

Элементная база РЭС включает в себя электро-радиоэлементы (ЭРЭ), интегральные микросхемы и устройства функциональной электроники (УФЭ)

Электрорадиоэлементы:

-резисторы

-конденсаторы

-индуктивности

-трансформаторы

-соединители и др.

Интегральные микросхемы подразделяются на:

-полупроводниковые

-гибридные

Устройства функциональной электроники:

-приборы с зарядовой связью (ПЗС)

-акустоэлектронные приборы

-оптоэлектроные приборы и пр.

Резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, транзисторы, интегральные микросхемы – конструкции, распределение химических элементов в которых не изменяется в процессе эксплуатации. Эти конструкции образуются в т. н. статических неоднородностях.

Функциональная электроника – новое направление в современной элементной базе РЭС. Устройства функциональной электроники основаны на использовании динамических неоднородностей.

Литература:

1) (зав каф.) «Технология интегральных схем» Мн, ВШ, 1982г.

2) «Технология микросхем» М, ВШ, 1986г.

3) , Уланин, Амуфрий «Технология радиоэлектронных устройств и автоматизация производства» Мн, ВШ, 2002г.

4) Аваев Ю. Ф. «Основы микроэлектроники» М, Радиосвязь, 1991г.

Основные понятия и определения

Конструкция – материал, целесообразно организованный в пространстве. Под этим понимается способность выполнять определённые функции и сохранять свойства и работоспособность при наличии внешних воздействий.

Конструкция – организованная совокупность элементов, способная выполнять заданные функции при наличии внешних и внутренних дестабилизирующих факторов и пригодная к повторению в условиях производства.

Технология – совокупность способов, процессов обработки и оборудования, используемых при изготовлении элементов конструкции и обеспечивающих получение заданной конструкции с высокой производительностью и малой себестоимостью.

Технология – наука, которая изучает основные закономерности, действующие в процессе производства.

Интегральная микросхема – изделие микроэлектроники, элементы которой выполнены не раздельно и электрически соединены между собой таким образом, что с точки зрения испытания, торговли и эксплуатации устройство рассматривается как единое целое.

Полупроводниковая интегральная микросхема – такая микросхема, все элементы которой выполнены в объёме или на поверхности полупроводниковой пластины.

Гибридная интегральная микросхема – интегральная микросхема, которая содержит элементы и межэлементные соединения в виде тонкоплёночных покрытий, а также навесные компоненты (кристаллы п-пковых микросхем, диоды, тр-ры и т. д).

Аналоговая интегральная микросхема – микросхема, предназначенная для обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

Цифровая интегральная микросхема – микросхема, которая оперирует сигналами, изменяющимися по закону дискретной функции.

Полупроводниковая пластина – заготовка из полупроводникового материала, предназначенная для изготовления полупроводниковых интегральных микросхем.

Кристалл интегральной микросхемы – часть полупроводниковой пластины, на поверхности и в объёме которого сформирована структура интегральной микросхемы.

Поколения радиоэлектронной аппаратуры

Современные РЭ системы представляют собой сложные устройства, объединённые общим управлением и предназначенные для автоматического приёма, преобразования, обработки и передачи информации в соответствии с заданным алгоритмом.

С конструктивной точки зрения, РЭС – это совокупность механических деталей, активных и пассивных электро-радиоэлементов и интегральных микросхем, объединённых в функционально законченные сборочные единицы.

Существуют 5 поколений РЭА:

       Поколение №1:

Характеризовалось использованием электровакуумных приборов, электромеханических коммутационных устройств и объёмных электро-радиоэлементов.

Соединение электро-радиоэлементов осуществлялось с использованием объёмного монтажа.

Недостатки:

-большие габариты

-низкая плотность монтажа (2-5 соединений/м3)

Использовалось до 1947г – изобретение транзистора.

       Поколение №2:

Характеризовалось использованием дискретных полупроводниковых приборов, внедрением печатных плат, использованием жгутового монтажа. Плотность соединений увеличилась на порядок (в 10-20 раз). Процессы сборки осуществлялись с помощью пайки волной.

1958г – запатентована первая интегральная микросхема.

       Поколение №3:

1960-1980гг. Характеризовалось использованием интегральных микросхем и типовых элементов в сборке (ТЭС), которые отличались упорядоченным расположением элементов, что позволило использовать механизированную установку микросхем на плату. Плотность упаковки достигала 500 элементов/см3. На начальном этапе наибольшее распространение получили аналоговые ИМ на основе биполярных тр-ров. После середины 70х гг начала бурно развиваться цифровая техника с использованием МОП-структур. В конце 3го этапа стали применяться многослойные печатные платы, внутриблочный монтаж производился с помощью коммутационных плат и гибких печатных кабелей.

       Поколение №4:

Характеризовалось использованием микроблоков, которые содержали микросборки частного применения, безкорпусные интегральные микросхемы, сверхбольшие интегральные микросхемы, акусто - и оптоэлектронные приборы, а также т. н. безвыводные ЭРЭ и УФЭ. Основной конструктивной единицей стал микромодуль. Плотность монтажа увеличилась на порядок. На тот же порядок уменьшилась удельная потребляемая мощность. Характеризовалось использованием микропроцессоров. 4-е поколение далеко не закончилось.

       Поколение №5:

Началось с конца 90х годов. Характеризуется использованием многокристальных модулей, вхождением в молекулярную электронику, переходом к наноэлектронике.

Динамика и перспективы развития интегральных микросхем на примере микропроцессоров и устройств хранения информации.

Микросхемы на МОП или МДП транзисторах

МОП – используются каналы n - либо p-типа (минимальное энергопотребление)

КМОП тр-ры – используются каналы обоих типов (рекордное минимизирование энергопотребления)

Микросхемы на БТ:

ТТЛ-логика (транзисторно-транзисторная) - на базе многоэмиттерных связей

ТТЛШ (транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки) – усовершенствованный ТТЛ для увеличения быстродействия.

ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) – характеризуется самым большим быстродействием, но очень большим энергопотреблением.

Первый микропроцессор Intel 4044 1971г. Содержал 2300 транзисторов. Частота 700kHz. Стоимость 300$. Ширина минимальной полосы – 2-8 микрон.

2009 – Intel Core2Duo 8,2*108 тр-ров, 45нм техпроцесс

2010 – Intel Core i7 32нм техпроцесс

По степени интеграции:

-малоинтегральные до 100 ед/Vкрист

-среднеинтегральные до 1 000

-большая итегральная до 10 000

-сверхбольшая интегральная до 1 000 000

Основным ограничивающим фактором является процесс фотолитографии. В связи с этим от использования видимого света и даже ближнего УФ, переходят к дальнему УФ, а также к рентгеновской и электронно-лучевой литографии. В связи с тем, что теоретически достижимая минимальная ширина линий прямо пропорциональна длине волны.

Дальний УФ диапазон: 100-300нм

Ближний УФ диапазон: 300-400нм

Рентгеновская литография: 0,1-10нм

Электронная литография: <0,1нм

В ближайшие годы технология процессоров, вероятно, изменится коренным образом, т. к. текущая технология исчерпает свой предел. Возможно, это будут квантовые процессоры, возможно это будут молекулярные компьютеры, но в любом случае это будет использование достижений наноэлектроники.

Разница наноэлектроники и микроэлектроники: вся наноэлектроника построена на самоорганизации селективных областей, в то время как в микроэлектронике топологический рисунок на поверхности определяется с помощью какого-либо процесса (например литографии).

Жидкокристаллические индикаторы

Является одним из основных средств вывода информации для современных систем. Обеспечивает отображение большого количества информации при большой различимости и низком энергопотреблении. Используются в измерительных приборах, медицинском и промышленном оборудовании, информационных системах, аппаратуре с автономным питанием.

Жидкие кристаллы – это вещества, обладающие свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы и определённым образом упорядоченные в объёме жидкости. Характерное свойство – способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей.

Принципы работы ЖКИ

ЖК дисплей представляет собой стеклянную кювету (ёмкость), толщиной менее 20мкм, в которую помещён ЖК. Направление молекул ЖК задаётся обработкой поверхности кюветы (натиранием). Для того, чтобы ЖК выстраивались в определённом направлении, на поверхность подложки наносится тонкий слой полимера, который «натирается» в определённом направлении.

Световой поток, имеющий круговую поляризацию, проходя через вертикальный поляризатор, приобретает вертикальную поляризацию. При отсутствии электрического поля, жидкие кристаллы в кювете изменяют поляризацию проходящего света с вертикальной на горизонтальную. Выходя из кюветы, свет проходит через горизонтальный поляризатор практически без потерь. Под воздействием электрического поля ЖК изменяют свою ориентацию, при этом свет, выходящий из кюветы, приобретает поляризацию, отличную от горизонтальной и не может пройти сквозь горизонтальный поляризатор. В этом случае индикатор затемняется. Напряжение, необходимое для поворота ЖК, обычно составляет 2-5В. Действие электрического поля не зависит от направления поля. Это позволяет использовать для переключения индикатора переменное электрическое поле. Для создания электрического поля в ЖК индикаторах используются тонкие металлические плёнки или прозрачные проводящие оксиды (InSnO, ZnO+Al с прозрачностью до 90%).