Технологии электронных схем. Электронные микросхемы. Часть 4

Электронные микросхемы
Основой электронных технологий в настоящее время являются полупроводники (semiconductors)
— вещества, электропроводность которых увеличивается с ростом температуры и является промежуточной между проводимостью металлов и изоляторов.

Полупроводники
Наиболее часто используемыми в электронике полупроводниками являются кремний и германий. На их основе путем внедрения примесей в определенных точках кристаллов создаются разнообразные полупроводниковые элементы, к которым относятся:
• проводники, коммутирующие активные элементы;
• вентили, выполняющие логические операции;
• транзисторы (полупроводниковые триоды), предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрического тока;

Полупроводники
• резисторы, обеспечивающие режимы работы активных элементов;
• приборы с зарядовой связью (ПЗС), предназначенные для кратковременного хранения электрического заряда и используемые в светочувствительных матрицах видеокамер;
• диоды и др.

Технологий построения
логических элементов:
В настоящее время используется несколько технологий построения логических элементов:
• транзисторно-транзисторная логика (TTL);
• логика на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП, CMOS);
• логика на основе сочетания комплементарных МОП- и биполярных транзисторов (BiCMOS).

Некоторые полезные правила
При положительной логике напряжение высокого уровня соответствует логической «1»,
а при отрицательной логике — «О».
В большинстве современных персональных
компьютеров напряжение питания составляет 3,3 В (в более ранних версиях, до Pentium — 5 В), то
выходная «1» задается напряжением 3,3 В.

Закон Мура
эмпирическое наблюдение, изначально сделанное Гордоном Муром, согласно которому:
Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца

Закон Мура

Динамика изменения схемных элементов

Технологии электронных схем

Для сравнения…

Микропроцессоры
Микропроцесор (Microprocessor) — процессор, выполненный в одной либо нескольких взаимосвязанных интегральных схемах.
Процессор полностью собирается на одном чипе из кремния.
Электронные цепи создаются в несколько слоев, состоящих из различных веществ, например, диоксид кремния может играть
роль изолятора, а поликремний — проводника.

Технология создания процессоров
Технология микропроцессоров в простейшем случае включает следующие обязательные этапы производства:
выращивание кремниевых заготовок и получение из них пластин;
шлифование кремниевых пластин;
нанесение защитной пленки диэлектрика (Si02);
нанесение фоторезиста;
литографический процесс;
травление;
диффузию;
металлизацию.
просмотр фильма.
Все перечисленные этапы используются для того, чтобы на кремниевой основе создать сложную структуру полупроводниковых планарных транзисторов (CMOS-транзисторов) и связать их должным образом между собой.

https://habr.com/company/intel/blog/110234/

Транзистор
ТРАНЗИСТОР -
полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрического тока и управления им.
Транзистор представляет собой простейшее устройство, размещающееся на поверхности кремниевой пластины и функционирующее как электронный ключ .
Обычно транзистор содержит три вывода —
источник ( эмиттер), сток ( коллектор ) и затвор (база).

Работа транзистора в процессоре
Если в полупроводнике n-типа с отрицательными носителями заряда имеются две области p-типа с положительными носителями заряда, то проводимостью между этими областями можно управлять при помощи изолированного электрода.
Если на этом электроде создать отрицательный заряд, то за счет электростатической индукции в полупроводнике возникает область повышенной концентрации положительных зарядов, обеспечивающая проводимость между областями p-типа. Такой транзистор называется p-канальным и открыт тогда, когда на управляющем электроде присутствует отрицательный по отношению к подложке потенциал.
Затвор
Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Транзисторы

Транзистор (в разрезе)

Транзистор
Источник и сток образуются путем внедрения в поверхность кремния определенных примесей, а затвор содержит материал, именуемый полисиликоном. Ниже затвора расположен слой диэлектрика, изготовленного из диоксида кремния (SiO2).
Данная структура получила название «кремний-на-изоляторе» (siliconon- insulator — SOI).

Диэлектрико-металлические затворы транзисторов
Использование затвора из диэлектриков с высокой диэлектрической постоянной (High-k Gate Dielectrics) и металлических электродов затворов транзисторов (Metal Gate Electrodes) было впервые представлено в процессоре Intel Penryn (технология 45 нм) и позволило уменьшить размеры транзисторов и снизить энергопотребление.
В обычном транзисторе снижение толщины слоя диоксида кремния необходимо для уменьшения размера и увеличения плотности размещения транзисторов на кристалле. Однако при достижении определенного предела возникает утечка тока под воздействием «туннельного эффекта» (электроны покидают транзистор и рассеиваются), что понижает надежность и увеличивает рассеяние мощности. Поэтому уменьшение размеров ниже данного предела становится нецелесообразным.

Диэлектрико-металлические затворы транзисторов
Диэлектрик (high-k dielectric или материал с высокой диэлектрической постоянной) в новой технологии замещает слой диоксида кремния в транзисторе и позволяет снизить токи утечки в технологии 45 нм в 5 раз по сравнению с технологией 65 нм.

Диэлектрико-металлические затворы транзисторов
Относительная легкость использования оксидов кремния в транзисторах ограничивала в течение многих лет применение других материалов при производстве микропроцессоров. Аналогично, традиционная технология использования поликремния для затвора существенно проще, чем внедрение других, возможно более эффективных веществ в процесс производства.

А как выглядят транзисторы в процессоре?

Диэлектрико-металлические затворы транзисторов
Рис. Обычный транзистор (а); транзистор с диэлектрическим затвором (б)
а
б

Технология медных проводников
Транзисторы на поверхности чипа -- сложная комбинация из кремния, металлов и микродобавок, точно расположенных, чтобы образовать миллионы крохотных переключателей. Поскольку создавались все меньшие и быстрые транзисторы, упакованные все плотнее, их соединение между собой стало превращаться в проблему.

Для установления соединений длительное время использовался алюминий, однако к середине 1990-х гг. стало очевидным, что скоро будут достигнуты технологические и физические пределы существующей технологии.
Относительно высокое удельное сопротивление алюминия при уменьшении диаметра проводников приводит к потерям и перегреву схем.
Однако длительное время никому не удавалось создать конкурентоспособный чип с медными проводниками.

Преимущества медных соединений:
Меньшая удельная проводимость,
Способны выдерживать значительно
большую плотность тока, чем алюминиевые, Обладают более высокой устойчивостью к разрушению под воздействием тока.

Технологический процесс 65 нм.
Intel довела данную технологию до стадии промышленного производства к концу 2005 г.
В 65-нм процессе Intel использует УФ-литографию, комбинируемую с технологией фазового сдвига.
При этом удалось уменьшить до 35 нм эффективную ширину затвора транзисторов, что приблизительно на 30 % меньше, чем при производстве по технологии 90 нм.
Затвор

Процессор в разрезе

Процеессор Эльбрус

Остались прежними в новом процессе используемые для создания транзисторов материалы.
Дополнительные усилия были направлены на борьбу с токами утечки.
Увеличение числа слоев медных соединений.
Технологический процесс 65 нм.

Технологический процесс 45 нм.
Техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2006—2007 годам ведущими компаниями-производителями микросхем.
Для микроэлектронной промышленности стал революционным, так как это был первый техпроцесс, использующий технологию high-k/metal gate, для замены физически себя исчерпавших SiO.

Технологический процесс 45 нм.
Особенности:
Изменены одна из фундаментальных характеристик — материалы, применяемые в производстве. Вместо используемого с 1960-х гг. оксида кремния в качестве диэлектрика взят силицид гафния — изолятор с высокой диэлектрической проницаемостью.
Затвор транзистора выполнен из металла вместо поликристаллического кремния. Благодаря этому удалось решить ключевую проблему — миниатюризация транзисторов привела к невозможности дальнейшего эффективного использования оксида кремния в качестве диэлектрика.
Существенно (в 5—10 раз) были снижены токи утечек.

Технологический процесс 45 нм.
По технологиям 65 и 45 нм. Исполняют не только процессоры и но и платы оперативной памяти.
Процесс 45 нм не является технологическим пределом — в настоящее время появились образцы изделий, выпущенных по технологиям 32 и даже 22 нм.

Адальше…
Технология 7 нм.
Завод Intel Fab 42 Строительство завода Intel под названием Fab 42 в американском штате Аризона началось в середине 2011 года, а в эксплуатацию планировалось сдать в 2013 году.
По заявлению Intel, он стал бы самым современным заводом по массовому выпуску компьютерных процессоров, используя 14-нанометровую технологию на основе 300-миллиметровых кремниевых пластин. Завод также стал бы первым массовым производством, совместимым с 450-мм пластинами. В стройку планируется вложить более $5 млрд.
На момент запуска Fab 42 станет, по ожиданиям, одним из самых передовых в мире заводов по выпуску полупроводниковой продукции в больших объёмах.
На завершение работ отводится ещё 3–4 года. Планируется освоение 7 нм техпроцесса.

«Замороженный» завода
Техонологии 7 нм

Печатные платы
Печатные плата или printed circuit board, — изоляционная пластина, на которой устанавливаются и соединяются друг с другом электронные элементы и приборы меньшей степени интеграции
Печатная плата изготавливается из пластмассы, гетинакса, текстолита либо другого изолятора (керамика). На плате с одной либо обеих сторон размещаются интегральные схемы, резисторы, диоды и другие полупроводниковые приборы.
Для их соединения на поверхности платы наносятся тонкие электропроводящие полоски.
Печатная плата может быть двух- либо многослойной.

Печатные платы перестают быть только плоскими. Происходит переход от двух измерений к криволинейным поверхностям и созданию печатных дорожек на геометрически изогнутых формах.
Для решения задач трассировки соединений на печатных платах применяются средства автоматизированного проектирования (САПР) — программы-трассировщики.