Искаков Серик Туребекович

Казахский гуманитарно-юридический и технический колледж, Казахстан г.Кызылорда

Перспективы развития и применения цифровой интегральной электроники

Основное направление, в котором работают разработчики интегральных микросхем, – повышение степени интеграции. Это можно обеспечить двумя путями: увеличивая плотность упаковки элементов (уменьшая их площадь, включая площадь металлической разводки) и увеличивая размеры кристалла. Оба пути связаны с решением сложных технологических задач. Не менее сложны и возникающие при создании БИС схемотехнические проблемы, поэтому решение и технологических, и схемотехнических проблем должно осуществляться одновременно и комплексно.

Опыт разработки БИС выявил ряд общих проблем, которые ограничивают повышение степени интеграции и которые нужно решать в процессе дальнейшего развития микроэлектроники.

Проблемы теплоотвода. При увеличении плотности компоновки происходит сближение элементов на кристалле. Это неизбежно ведет к возрастанию удельной мощности, рассеиваемой на единице площади. В современных кремниевых ИС допустимая удельная мощность на кристалле без дополнительного теплоотвода не превышает 5 Вт/см². Следовательно, допустимая мощность для кристалла площадью 20 мм² составляет не более 1 Вт. При средней мощности 0,5 мВт, потребляемой одним ИЛЭ, на указанном кристалле удается разместить не более 2000 логических элементов.

Для преодоления этого ограничения используется микрорежим транзисторов и таких схем, которым микрорежим свойствен. Например, для того чтобы на той же площади 20 мм² разместить 10000 вентилей, нужно использовать ИЛЭ с потребляемой мощностью не более 0,1 мВт, т.е. ИЛЭ типа КМОП.

Попытки увеличения степени интеграции за счет увеличения площади кристалла также наталкиваются на существенные трудности. Ограничения накладываются неизбежными дислокациями (дефектами структуры) поверхности полупроводника. Любая дислокация в пределах БИС означает негодность транзистора или отдельной ИС, соответственно негодной может оказаться и БИС в целом. Следовательно, увеличение площади кристалла сопровождается увеличением процента брака.

Проблема межсоединений. Высокая сложность современных БИС может быть реализована только при использовании систем автоматизированного проектирования. Несмотря на это, в большинстве БИС не удается сделать разводку межсоединений в одной плоскости без пересечений. Поэтому для БИС характерна многослойная разводка, расположенная обычно в 2-х или 3-х плоскостях. Изоляция слоев друг от друга и соединения между слоями представляют собой особую технологическую проблему.

Контроль параметров. Электрический контроль параметров БИС до ее помещения в корпус осуществляется с помощью контактных измерительных зондов, подключаемых к контактным площадкам выводов БИС.

Если предположить, что БИС имеет 50 выводов, и учесть, что на каждом выводе может быть два значения “0” или “1”, то для полноценной проверки функционирования БИС (только в статике) потребуется 2⁵⁰ ... 10¹⁵ измерений. При длительности каждого измерения 1 мкс контроль одной БИС займет около 25 лет.

Следовательно, контроль должен быть выборочным, а количество измерений не должно превышать 200 – 300. Причем судить о работоспособности БИС можно будет с определенной вероятностью.

Физические ограничения на размеры элементов. Размеры элементов современных БИС лежат в пределах единиц и менее микрометров.

Уменьшение размеров элементов БИС приводит к появлению дополнительных ограничений.

Во-первых, начинает сказываться неравномерное (статистическое) распределение примеси в полупроводниках, т. е. количество атомов примеси на участках одинаковой площади будет различным, а, следовательно, будут различаться по параметрам элементы, сформированные на этих участках.

Во-вторых, возрастет роль технологических допусков.

В-третьих, возрастают напряженности электрических полей, и полупроводниковый слой приобретает нелинейные свойства.

Установлено также, что при линейных размерах менее 1 – 2 мкм определенную роль начинают играть шумовые флюктуации, влияние космического излучения и естественный радиационный фон Земли.

Все это свидетельствует о том, что при размерах менее 1 мкм микроэлектроника становится самостоятельным научно-техническим и технологическим направлением. В этом направлении проводятся исследования, использующие квантовые свойства вещества при нанометровых размерах компонентов. На диаграмме приведен прогноз плотности компонентов СБИС при использовании квантовых технологий

Что дают вложения в электронику? 1 доллар дает 100 долларов в конечном продукте. Уровень рентабельности электронной промышленности – 40 процентов. Среднемировой срок окупаемости вложений в электронику – 2-3 года. Темпы роста в три раза выше темпов ростов ВВП. Одно рабочее место в электронике дает четыре в других отраслях. Один килограмм изделий микроэлектроники по стоимости эквивалентен стоимости 110 тонн нефти. Это килограмм изделий, имеющих электронные компоненты, а если вы возьмете электронные компоненты, такие, например, как лазерную гетероструктуру, то там один грамм эквивалентен по стоимости 10 тонн нефти.

Рис.1 Прогноз плотности компонентов СБИС

Технология бурно развивается сегодня. Первая интегральная схема - два транзистора RC- цепочка. 2000 год - это 43 миллиона транзисторов, и в 2015 году это будет 4,4 миллиарда транзисторов на одной интегральной схеме. Скорость канала – 10 гигабит в секунду 2000 год и нужно умножить на 1000 - 10 000 - 2015 год.

Вот это крайне интересно, вообще говоря, демонстрация того бурного развития микроэлектроники, которое произошло за эти годы. В микропроцессах стоимость одного мегагерца в 1970 году – 7 тысяч 600 долларов и 16 центов нынче. Скорость передачи, стоимость посылки в гигабитах в секунду это 150 тысяч долларов в 1970 году и 12 центов нынче.

Мировой рынок электронной промышленности. Материалы для производства полупроводников - 20 миллиардов долларов, полупроводниковое производственное оборудование – 30 миллиардов, полупроводниковые компоненты – 205 миллиардов долларов. Электронное оборудование – более триллиона и отрасли промышленности, связанные с электроникой, - 15 триллионов. Я хотел бы здесь отметить, что 65 процентов валового национального продукта.

Далее я приведу прогнозы развития электроники в таблицах и диаграммах.

Рис. 2 Общие объемы производства ИЭТ (млрд. долл)

Литература

1. Антипенский Р.В... Схемотехническое проектирование и моделирование радиоэлектронных устройств. (2007)
2. Баланис К.А... Введение в смарт-антенны. (2012)
3. Белоус А.И... Основы схемотехники микроэлектронных устройств. (2012)
4. Бойт К. Цифровая электроника. (2007)
5.Букреев И.Н... Микроэлектронные схемы цифровых устройств. (2009)
6. Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение. (2004)
7. Волоконно-оптические датчики: Вводный курс для инженеров и научных работников. (2008)