Микроэлектроника

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Н. С. Легостаев, К. В. Четвергов

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Томск
«Эль Контент»
2013

УДК
621.382.049.77(075.8)
ББК
32.844.1я73
Л 387

Рецензенты:
Чепков В. В., канд. техн. наук, зав. лабораторией систем электропитания
ООО «Технологическая компания Шлюмберже» в г. Томске;
Чернышев А. Ю., канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода
и электрооборудования Национального исследовательского Томского
политехнического университета.

Легостаев Н. С.
Л 387
Микроэлектроника : учебное пособие / Н. С. Легостаев, К. В. Четвергов — Томск : Эль Контент, 2013. — 172 с.

ISBN 978-5-4332-0073-9

Рассматриваются основные положения микроэлектроники, характеристики и параметры интегральных микросхем, элементы и предельные возможности интегральной микроэлектроники. Представлены основные схемотехнические структуры цифровой и аналоговой микроэлектроники. Рассмотрен математический аппарат цифровой микроэлектроники, основные
типы цифровых микроэлектронных устройств, а также основы функциональной микроэлектроники.
Для студентов, обучающихся по направлению 210100 «Электроника
и наноэлектроника» с профилем «Промышленная электроника».

УДК
621.382.049.77(075.8)
ББК
32.844.1я73

ISBN 978-5-4332-0073-9
©
Легостаев Н. С.,
Четвергов К. В., 2013
©
Оформление.
ООО «Эль Контент», 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
5

1
Предмет микроэлектроники
7
1.1
Основные положения микроэлектроники
. . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.2
Процесс проектирования интегральных микросхем . . . . . . . . . . .
9
1.3
Классификация интегральных микросхем . . . . . . . . . . . . . . . . .
11

2
Характеристики и параметры цифровых интегральных микросхем
14
2.1
Схемотехнические и конструктивные параметры
. . . . . . . . . . . .
14
2.2
Статические характеристики и параметры . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
2.3
Динамические характеристики и параметры . . . . . . . . . . . . . . .
17
2.4
Энергетические характеристики и параметры
. . . . . . . . . . . . . .
19

3
Математический аппарат цифровой микроэлектроники
21
3.1
Арифметические коды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.2
Функции алгебры логики и их основные свойства . . . . . . . . . . . .
24
3.3
Основные законы алгебры логики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
3.4
Алгебраические формы представления функций алгебры логики
. .
27
3.5
Минимизация функций алгебра логики
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
30

4
Цифровые микроэлектронные устройства комбинационного типа
37
4.1
Основные положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
4.2
Логические элементы
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
4.3
Методика синтеза комбинационных устройств . . . . . . . . . . . . . .
39
4.4
Мультиплексоры и демультиплексоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.5
Шифраторы и дешифраторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
4.6
Сумматоры и вычитатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
4.7
Цифровые компараторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
4.8
Матричная реализация булевых функций . . . . . . . . . . . . . . . . .
56

5
Цифровые микроэлектронные устройства последовательностного
типа
63
5.1
Основные положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
5.2
Триггеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
5.3
Регистры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
5.4
Счетчики и делители частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78

Оглавление

6
Запоминающие устройства
95
6.1
Общие положения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
6.2
Принцип построения ЗУ с произвольным доступом . . . . . . . . . . .
96
6.3
Особенности построения постоянных ЗУ . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

7
Основные схемотехнические структуры цифровой интегральной
микроэлектроники
104
7.1
Базовые логические элементы транзисторно-транзисторной логики . 104
7.2
Базовые логические элементы на комплементарных
МДП-транзисторах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.3
Базовый логический элемент истоко-связанной логики на полевых
транзисторах с управляющим переходом Шоттки (ПТШ-Ga-As) . . . 115

8
Основные схемотехнические структуры аналоговой интегральной
микроэлектроники
117
8.1
Функциональные узлы аналоговых интегральных микросхем . . . . . 117
8.2
Интегральные операционные усилители и их основные свойства . . 136
8.3
Характеристики и параметры ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Заключение
157

Литература
158

Приложение А Ответы на контрольные вопросы по главам
159

Список условных обозначений
163

Глоссарий
167

ВВЕДЕНИЕ

Электроника представляет собой область науки и техники, включающую исследование явлений взаимодействия электронов с электромагнитными полями в вакууме, газовой среде или твердом теле, а также разработку и практическое применение приборов, в которых это взаимодействие используется для преобразования
электромагнитной энергии (электронных приборов) [5].
Одна из основных проблем, стоящих перед электроникой, связана с требованием улучшения технических параметров электронных систем с одновременным
уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Решение проблемы миниатюризации электронной аппаратуры связано с современным этапом развития электроники — микроэлектроникой.
Микроэлектроника — это область электроники, охватывающая исследование,
конструирование, производство и применение электронных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении.
Развитие микроэлектроники идёт главным образом в двух направлениях: повышение уровня интеграции и плотности упаковки в интегральных микросхемах,
ставших традиционными; изыскание новых физических принципов и явлений для
создания электронных устройств со схемотехническим или даже системотехническим функциональным назначением.
Первое направление привело к уровням интеграции, характеризующимся многими тысячами элементов в одном корпусе интегральной микросхемы с микронными и субмикронными размерами отдельных элементов. Дальнейшее уменьшение
размеров на несколько порядков превращает элементы в наноэлементы и сопровождается изменением физических основ их работы. В наноэлементах используются уже не электроны, как частицы, переносящие электрический заряд, а их
волновые функции. Изучение физических явлений и процессов взаимодействия
электронов с электромагнитными полями, а также разработка нанотехнологии создания приборов и устройств, в которых данное взаимодействие используется для
передачи, обработки и хранения информации, связано с появлением нового направления электроники — наноэлектроники, которая является логическим развитием микроэлектроники. В микроэлектронике функциональный элемент представляет собой совокупность структурных компонентов — резисторов, конденсаторов,
диодов и транзисторов, тогда как в наноэлектронике структурированные компоненты обладают свойством многофункциональности и способны выполнять сложные
динамические функции [8].

Введение

Второе направление микроэлектроники может позволить отказаться от дальнейшего повышения уровня интеграции интегральных микросхем, снизить рассеиваемую мощность, увеличить быстродействие аппаратуры и др. Это новое направление в целом приобретает название функциональной микроэлектроники — электроники комбинированных сред с использованием таких явлений, как оптические
явления в твёрдом теле (оптоэлектроника) и взаимодействие потока электронов
с акустическими волнами в твёрдом теле (акустоэлектроника), а также с использованием свойств сверхпроводников, свойств магнетиков и полупроводников в магнитных полупроводниках (магнетоэлектроника) и др. [8].

Соглашения, принятые в книге

Для улучшения восприятия материала в данной книге используются пиктограммы и специальное выделение важной информации.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Эта пиктограмма означает определение или новое понятие.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Эта пиктограмма означает внимание. Здесь выделена важная информация, требующая акцента на ней. Автор здесь может поделиться с читателем опытом, чтобы помочь избежать некоторых
ошибок.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Пример
. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Эта пиктограмма означает пример. В данном блоке автор может привести практический пример для пояснения и разбора основных моментов, отраженных в теоретическом материале.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контрольные вопросы по главе
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 1

ПРЕДМЕТ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

1.1 Основные положения микроэлектроники

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Микроэлектроника — это область электроники, охватывающая
исследование, конструирование, производство и применение микроэлектронных изделий, основной разновидностью которых являются интегральные микросхемы.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Интегральная микросхема (ИМС) — микроэлектронное изделие,
выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигналов и (или) накопления информации и имеющее высокую
плотность упаковки электрически соединенных элементов (или
элементов и компонентов), которое с точки зрения требованиий
к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

В составе микроэлектроники выделяют три основных раздела — физику электронных процессов, технологию и микросхемотехнику.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Микросхемотехника
(интегральная
схемотехника) — раздел
микроэлектроники, охватывающий исследования и разработку
электрических и структурных схем, используемых в ИМС и электронной аппаратуре на их основе.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 1. Предмет микроэлектроники

Микросхемотехника является самостоятельной ветвью схемотехники, в которой используются оригинальные схемные и структурные решения, эффективно использующие специфические особенности интегральных микросхем с целью улучшения их основных характеристик. Эти особенности обусловлены интегральной
технологией изготовления, которая накладывает определенные ограничения на параметры элементов и компонентов ИМС и в то же время открывает новые возможности их использования [1].
Принципы микросхемотехники являются результатом интенсивных исследований, направленных на выявление существенных различий между интегральными микросхемами и схемами на дискретных компонентах, и отражают специфику
технологии производства ИМС и тенденцию роста степени интеграции их функциональных узлов. Таких принципа два: принцип взаимного согласования цепей
и принцип схемотехнической избыточности при ограничении размеров полезной
площади подложки или кристалла.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Принцип согласования цепей заключается в такой их конструкторско-технологической реализации, при которой требуемые электрические параметры оказываются пропорциональными друг другу
в широком интервале внешних воздействий.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Принцип схемотехнической избыточности заключается в усложнении схемотехники ИМС для улучшения их качества, минимизации площади кристалла и повышения технологичности.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Принципы микросхемотехники обусловлены ограничениями и возможностями
технологии изготовления.
Ограничения. Технология изготовления полупроводниковых интегральных схем
преимущественно ориентирована на создание схем, в которых n-p-n-транзисторы
имеют оптимальные параметры. При этом характеристики других элементов являются производными и значения их параметров в значительной степени предопределены и ограничены. С целью получения требуемых характеристик таких
наиболее важных элементов, как транзисторы со сверхбольшим коэффициентом
усиления или полевые транзисторы, в технологический процесс изготовления n-pn-структур иногда вводят дополнительные стадии. Однако основной метод преодоления ограничений, обусловленных технологий изготовления, заключается в приспособлении схемно-конструктивных решений к требованиям технологии, а не
в разработке специальной технологии для данной схемы.
Другое ограничение связано с реализацией высокоомных резисторов и конденсаторов с ёмкостями, превышающими десятки пикофарад, поскольку это сопровождается увеличением необходимой площади кристалла. Поэтому высокоомные резисторы обычно реализуются в виде большого динамического внутреннего сопротивления активных источников тока на транзисторах (для транзисторов
не требуется большой площади), а в усилительных каскадах часто используются

1.2 Процесс проектирования интегральных микросхем
9

сложные элементы, такие как пары Дарлингтона, составные транзисторы и управляемые источники тока.
Большие ёмкости невозможно реализовать даже посредством увеличения их
площади на кристалле. По этой причине недопустимо применение межкаскадных
конденсаторов, а проблемы согласования уровней каскадов и стабилизации их режима решают в пределах более технологичной, хотя и усложнённой, схемотехники
структур с непосредственными связями.
Резисторы с допустимым разбросом сопротивлений менее ±(5−10)% не могут
быть получены без снижения выхода годных. Однако значения отношений сопротивлений с точностью, на порядок превышающей эти значения, можно достичь без
дополнительного усложнения технологических процессов. Поэтому схемотехника
ИМС направлена на то, чтобы качественные характеристики интегральных схем
определялись не абсолютным значениями сопротивлений, а главным образом их
отношениями [3].
Возможности. Интегральная технология открывает пути создания схемных
элементов, позволяющих получить качественно новые свойства. Среди них можно назвать многоэмиттерные транзисторы (которые не могут быть реализованы на
дискретных компонентах), согласованные транзисторы и т. п.
В отличие от разработчиков электронных схем на дискретных компонентах,
разработчики интегральных схем не имеют возможности произвольно выбирать
схемные компоненты, оптимальные с точки зрения выполнения конкретной функции, но они могут в допустимых пределах изменять технологические режимы для
достижения желаемых результатов.
В немалой степени схемотехнику интегральных схем определяют допустимая
мощность рассеяния, необходимость обеспечения стабильности параметров в широком диапазоне изменения внешней температуры, а также необходимость защиты
транзисторов от перегрузок по току.
В настоящее время в результате интенсивных исследований с применением
самых современных методов анализа и расчёта разработан набор широко используемых функциональных узлов, а также созданы тщательно отработанные методы
объединения этих узлов в полупроводниковые интегральные схемы с требуемыми
характеристиками [3].
Интегральные микросхемы проектируются и выпускаются сериями.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Серия интегральной микросхемы — совокупность типов интегральных микросхем, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение
и предназначены для совместного применения.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2 Процесс проектирования интегральных
микросхем

Важнейшей задачей микросхемотехники является проектирование новых типов интегральных микросхем. Проектирование представляет собой создание опи

Глава 1. Предмет микроэлектроники

сания, необходимого для построения в заданных условиях еще не существующего
технического объекта на основе первичного описания этого объекта (технического
задания).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
В процессе проектирования интегральных микросхем выделяют
стадии структурного проектирования, схемного проектирования
и конструктроско-технологического проектирования.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Стадия структурного проектирования микросхем состоит из структурного синтеза, в ходе которого на той или иной элементной базе создается структурная схема, обеспечивающая выполнение функций, определенных техническим заданием,
и структурного анализа, в процессе которого проверяется правильность функционирования синтезированной структуры при различных рабочих условиях и производится приближенная сравнительная оценка ее основных параметров. Обычно
при проектировании микросхем создается несколько структурных вариантов, из
которых выбираются наилучшие на основании результатов сравнения их параметров [1].
Для выбранных структурных вариантов производится схемное проектирование, результатом которого является электрическая схема разрабатываемой интегральной микросхемы. Схемное проектирование состоит из этапов схемного синтеза, в ходе которого создается электрическая схема, соответствующая выбранному
варианту структуры, и анализа созданной схемы, в результате которого определяются ее основные электрические параметры. На этапе анализа решается задача
параметрической оптимизации схемы. В процессе схемного проектирования обычно разрабатывается несколько вариантов электрических схем, которые отличаются
структурой, элементной базой, значениями основных параметров. По результатам
анализа производится выбор варианта электрической схемы, наилучшим образом
удовлетворяющего требованиям технического задания.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Стадии структурного и схемного проектирование образуют процесс схемотехнического проектирования интегральных микросхем.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Стадия конструкторско-технологического проектирования включает этапы выбора или разработки технологического процесса для изготовления микросхемы,
разработки ее топологии в соответствии с полученной электрической схемой, анализ полученной топологии с целью проверки ее правильности, расчет физикотехнических параметров компонентов микросхемы.
Поскольку физико-технические параметры компонентов определяют их электрические параметры, после стадии конструкторско-технологического проектирования требуется повторить электрический анализ схемы с целью уточнения ее характеристик.