Всё о БИСах

Зарождение и развитие микроэлектроники было связано с необходимостью создания малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры, снижения потребляемой ею мощности и увеличения надежности. Однако подлинная революционизирующая роль микроэлектроники лежит не столько в технической, сколько в экономической области, В настоящее время только полупроводниковая микроэлектроника в состоянии обеспечить непрерывно растущие потребности общества в элементной базе радиоэлектронной аппаратуры. Именно поэтому она занимает особое место в научно-техническом прогрессе.

Попытаемся проиллюстрировать это простым расчетом. Сейчас в семейном наборе радиоустройств насчитывается примерно 500 электронных приборов. В нашей стране около 60 млн. семей. Таким образом, только для бытовых целей промышленность должна ежегодно выпускать 3-10¹⁰ электронных приборов, а при сроке их службы порядка 10 лет — 3^-109. А если к этому прибавить нужды промышленности, связи, транспорта и других областей науки и техники, то становится очевидным, что общая потребность страны в электронных приборах выражается астрономической цифрой.

Известно, что суммарное рабочее время одного работника в году равно 1,2-10⁵ минут. Если трудоемкость изготовления одного электронного прибора принять за 10 минут, то один рабочий изготовит в год 12-10³ приборов. Для производства электронных приборов только для бытовых нужд необходимо примерно 0,4 млн. рабочих. Это очень много.

Значит, надо значительно сократить затраты времени на выпуск одного электронного прибора. Обеспечить это может только полупроводниковая микроэлекронная технология. Действительно, если, например, использовать интегральные схемы (ИС), содержащие по 100 электронных приборов в кристалле, то для удовлетворения потребностей общества в бытовой аппаратуре достаточно будет нескольких десятков миллионов интегральных схем.

Интегральные микросхемы, изготовленные методами полупроводниковой технологии, при массовом производстве оказываются также значительно дешевле эквивалентных им схем, собранных из дискретных элементов.

Потенциально высокая экономичность ИС обусловлена групповым характером их изготовления. При современной технологии на одной кремниевой монокристаллической пластинке диаметром 50—75 мм удается разместить около тысячи электронных приборов. При этом надо учесть, что одновременно обрабатываются 10—100 таких пластин, т. е. изготавливается около миллиона электронных приборов.

В настоящее время в нашей стране выпускается широкая номенклатура полупроводниковых интегральных микросхем, различающихся по быстродействию, характеру применения, виду обрабатываемой информации и другим признакам. В классификации полупроводниковых интегральных

схем уже сегодня числится двенадцать классов. Это логические ИС — универсальные, быстродействующие, сверхбыстродействующие, микромощные, высокопомехоустойчивые и построенные на МДП-структурах (металл-диэлектрик-проводник); это — полупроводниковые запоминающие устройства, ИС для обеспечения запоминающих устройств на магнитных элементах. Созданы серии линейных ИС для обработки sin-сигнала, сигналов постоянного тока и другие.

Новым классом являются ИС оперативной и постоянной памяти ЭВМ. В них, благодаря относительно простой схеме соединений, достигаются наиболее впечатляющие результаты полупроводниковой микроэлектроники. Имеются запоминающие устройства па 16, 64. 128, 256 и 1024 бит со схемами дешифрации, записи и считывания на одном кристалле в биполярных структурах и до 10 кбит на МДП-структурах . Это означает что в одном кристалле с биполярной структурой содержится около 2,5— 5 тысяч электронных приборов, а при МДП-структуре — до 5—15 тысяч.

Подобные микросхемы, которые называют большими интегральными схемами (БИС), легли в основу выпускаемых в настоящее время настольных клавишных компьютеров на одном кристалле, выполняющих четыре арифметические действия. Создаются настольные клавишные машины для сложных вычислений, включая тригонометрические, статистические, инженерные и т. д., на 3—5 кристаллах. Кристаллы-компьютеры для таких ЭВМ изготавливаются на МДП-структурах , имеют размеры порядка 5x5 мм 2 и объединяют около 5000 транзисторов.

Разработаны БИСы для электронных часов, в том числе наручных. Часы выполняются на двух кристаллах, имеющих МОП-структуру (металл-окисел-проводник), содержащих около 2000 транзисторов.

Успешное ведение разработок и производство ИС невозможны были бы без создания эффективных систем машинного проектирования. Они позволяют быстро и с достаточной для практических целей точностью определять физические структуры ИС н геометрические размеры их деталей. Для этого используются наиболее производительные современные ЭВМ. На них вычисляется геометрия различных скрытых областей транзисторов: базовых, областей эмиттеров и контактов к коллекторам, областей, в которых металлический слой соединяется с электродами и т. д. Завершается процесс машинного проектирования выдачей чертежей и таблиц координат. Вычерчивается совмещенный чертеж всех слоев ИС. Делается это на автоматических координатографах (см. фото на вкладке), печатание таблиц координат осуществляется с помощью автоматических цифропечатающих устройств.

При проектировании ИС исходными являются уравнения, описывающие поведение носителей заряда в полупроводнике и граничные условия. Значение токов на выводах ИС зависит от приложенного потенциала и физических свойств полупроводника. Решением системы является определение электрических параметров транзисторов и других компонентов в зависимости от геометрических размеров и физической структуры.

Расчеты параметров ИС производятся на основе методов теории цепей. Наиболее трудоемкими являются расчеты по оптимизации ИС, целью которых является достижение наиболее полного соответствия схемных параметров техническому заданию на разработку ИС. Для этого просчитывают различные варианты геометрических размеров и физических структур компонентов ИС. Объем таких вычислений можно представить, если учесть, что количество узловых точек, для которых задаются (и варьируются при оптимизации) координаты, составляет несколько десятков тысяч, а для сложных ИС — примерно 250 тысяч.

Обычно основным параметром ИС считается время задержки сигнала при переключении логического элемента из состояния 0 в 1 или обратно. Именно этот показатель определяет возможность применения ИС для ЭВМ с тем или иным быстродействием.

Задавая время переключения логического элемента, одновременно стремятся достичь наименьшей мощности, потребляемой элементом. Для большинства выпускаемых ИС произведение времени переключения на потребляемую мощность составляет около 100 пДж (10^-10 Дж). Эта энергия меняется незначительно при изменении типа логики ИС: диодов-транзисторные (ДТЛ), резистивно-транзисторные (РТЛ), транзисторно-транзисторные (ТТЛ), эмиттерно-связанные (ЭСЛ), логические элементы на комплементарных МДП-структурах (К-МДП), элементы с инжекционной логикой. По мере развития технологии и схемотехники достигается постепенное уменьшение энергии переключения.

Повышение быстродействия логических элементов в общем случае достигается увеличением рассеиваемой мощности. Однако, при этом происходит нежелательное увеличение источников питания, сечения токопроводов , усложняется система теплоотвода как в самих логических элементах, так и в аппаратуре. Поэтому исследование путей уменьшения рассеиваемой мощности при заданном быстродействии для полупроводниковой микроэлектроники имеет кардинальное значение.

Уменьшение размеров микроэлектронных приборов и соответствующее увеличение частоты переключений позволили в настоящее время вплотную подойти к времени переключения порядка 10-9 с. Разработаны и выпускаются ИС е временем переключения 2—3 нс ;

Для упрощенной оценки можно сказать, что время переключения логического элемента определяется его Непостоянной. Отсюда следует что уменьшение размеров микроэлектронных приборов приводит к уменьшению мощности, потребляемой радиоэлектронной аппаратурой, имеющей заданную производительность. (Например, для ЭВМ производительность исчисляется количеством операций, выполняемых в 1 с .)

Представим себе, что путем деления полупроводникового прибора вдоль линий тока площади р-n переходов транзистор уменьшается в n раз, а другие размеры останутся неизменными. Тогда емкость (С) переходов уменьшится, а сопротивление (R) увеличится в n раз. Постоянная же логического элемента (RC) не изменится, и быстродействие сохранится. Потребляемая же мощность уменьшится в n раз. Эволюция в технологии изготовления ИС характеризуется постоянным уменьшением величины стандартного зазора — промежутка между линиями, разделяющими области ИС с существенно различными свойствами. С начала полупроводниковой эры в ходе совершенствования технологии производства ИС произошло уменьшение величины стандартного зазора примерно в 100 раз. Как развивался этот процесс в последние десять лет показано на рис. 2 вкладки. Для большинства стандартных ИС величина одного зазора равна 5—10 мкм, для наиболее быстродействующих логических ИС — 2.5—5 мкм. Методами прецизионной фотографии достигается величина зазора менее 2 мкм. Уменьшение его до I мкм и менее, по-видимому, возможно будет при использовании метода экспонирования электронным пучком.

Микроэлектроника отличается необычайным динамизмом развития. За истекшие десять лет она прошла путь от простейших ИС до БИСов , о которых здесь было, рассказано. Доля производства ИС в общем объеме выпускаемых электронной промышленностью изделий будет непрерывно возрастать. И аппаратура на ИС будет находить все более широкое применение в самых различных областях народного хозяйства.