1. ЭВМ фон Неймана.
Архитектура фон Неймана— широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера.
1. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.
2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
3. Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения про-граммы с использованием присвоенных имен.
4. Принцип последовательного программного управления. предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
5 Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд. Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских.
Аналого-цифровой преобразователь — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).
2.Полупроводники и их структура.
Полупроводники представляют собой широкий класс материалов с электронным механизмом проводимости, в которых концентрация подвижных носителей заряда ниже концентрации атомов, но может меняться под действием температуры, освещения, небольшого количества примесей.
По удельному значению электропроводности полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками и лежат в диапазоне 103<а< 10-9 (Ом-1см-1)
Одной из главных отличительных свойств полупроводниковых материалов является возрастание электропроводности с ростом температуры. В широком диапазоне температур электропроводность экспоненциально растет с температурой Т по закону  где — начальное значение электропроводности,  — энергия активации проводимости, которая соответствует энергии связи электронов с атомами; к— постоянная Больцмана.
Полупроводники можно классифицировать по различным признакам, например:
-по агрегатному состоянию: твердые и жидкие;
-по структуре: кристаллические и некристаллические;
-по физическим свойствам: магнитные и сегнетоэлектрические;
-по химическому составу: элементарные, соединения, органические.
Основным требованием к полупроводниковым материалам, используемым в микроэлектронике, является их бездефектность или малое количество дефектов. Основным материалом для применений являются монокристаллические полупроводники — твердые тела с регулярной кристаллической структурой.
Кристаллическая структура состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек определенного размера. В элементарной ячейке частицы занимают строго фиксированные позиции, находясь на определенном расстоянии друг от друга. В результате взаимодействия электронов внешних оболочек атомов в кристалле возникает химическая связь. По типу химических связей различают четыре основные группы кристаллических струк:
-В ионных или гетерополярных кристаллах преобладает ионный (электростатический)
характер связи между атомами, возникающий вследствие перехода электронов от одного атома к другому.
-В ковалентных или гомеополярных кристаллических структурах валентные электроны соседних атомов обобществляются, образуя двойные или тройные связи между атомами. К такому типу кристаллов относятся алмаз, кремний, карборунд.
-В металлических кристаллических структурах, относящихся к третьему типу химических связей, свободные электроны распределяются по всей кристаллической решетке, образуя электронный газ.
-В молекулярных кристаллах атомы в молекуле прочно связаны, в то время как сами молекулы между собой связаны слабо. Такая связь характерна для органических соединений.
Структура кристаллической решетки имеет дефекты и дислокации.
Различают точечные дефекты в виде пустого узла (вакансия) или междоузельного атома, а также примесные дефекты в виде примеси внедрения или примеси замещения. Дислокации бывают линейные (краевые) и винтовые (спиральные). Помимо дислокаций и дефектов, в полупроводниковых кристаллах могут иметь место микротрещины, поры, пузырьки и т. д. Все эти неоднородности кристаллов приводят к браку при производстве интегральных схем. При наличии дефектов на поверхности кристалла у приповерхностных атомов кристалла нарушаются ковалентные связи из-за отсутствия следующих слоев атомов. Нарушение ковалентных связей приводит к нарушению энергетического равновесия на поверхности. Это может привести к захвату чужеродных атомов из окружающей среды — адсорбции, или к частичному восстановлению оборванных связей и образованию, например, окислов. Граничные слои играют важнейшую роль при создании интегральных схем. Структура полупроводникового материала может изменяться искусственно. Изменение структуры путем внедрения примесных атомов приводит к целенаправленному изменению проводимости полупроводников. Технологически такое изменение может осуществляться путем высокотемпературной диффузии или ионной имплантации.
6. Интегральные униполярные транзисторы и их модификации
Полевой (униполярный) транзистор - транзистор, в котором управление происходит под действием эл поля перпендикулярного току.
Проводящий слой, по которому протекает ток, наз-ся каналом. Различают p- и n- канальные транзисторы.
Транзисторы с приповерхностным каналом имеют структуру метал-диэлектрик-полупроводник (МДП). Такие транзисторы принято называть МДП-транзисторами. Если диэлектриком является диоксид кремния, то используются название МОП-транзисторы. Транзисторы с объемным каналом получили название полевых транзисторов.
а) Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении. Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении. При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.
б) Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.
В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.
в) МДП-транзисторы с индуцированным каналом. При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших UЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших UЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.
г)МДП-транзисторы со встроенным каналом
В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO2 и толстый слой нитрида Si3N4. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28..30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO2 электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO2 предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.
|
3.Перенос носителей и управление переносом.
В полупроводниках существуют два основных механизма
переноса носителей:
-диффузия носителей заряда;
-дрейф носителей заряда под действием внешнего электрического поля.
Диффузия носителей заряда представляет собой направленное перемещение носителей в кристалле в сторону уменьшения их концентрации. Процесс диффузии ведет к выравниванию неравномерного распределения неравновесных носителей заряда по объему кристалла. Различают монополярную диффузию (или диффузию носителей одного заряда) и биполярно-совместную диффузию электронов и дырок.
В одномерном случае следует, что если концентрация электронов изменится вдоль координаты х, то возникает электрическое поле  Дрейф носителей в кристалле имеет хаотический характер. Дрейф носителей заряда представляет собой упорядоченное движение носителей заряда под действием внешнего электрического поля. Электрический ток, обусловленный дрейфом носителей заряда, называется дрейфовым. Плотность дрейфового тока определяется соотношением:  где  — удельная проводимость, Е — электрическое поле. Поскольку в полупроводнике имеется два типа носителей, то удельная проводимость имеет две компоненты, т. е.  где  — электронная, а  — дырочная составляющие. Здесь 
— подвижности соответствующих носителей заряда, q — заряд носителей, n ир — соответствующие концентрации носителей заряда.
Подвижностью носителей заряда является величина, характеризующая динамические свойства носителей заряда и определяется как отношение средней скорости направленного движения носителей к напряженности электрического поля. Поэтому чем меньше масса носителей, тем более высокую подвижность они имеют. Численно подвижность определяется соотношением:  где  — среднее время пробега между двумя циклами рассеяния, q— заряд электрона, m* — эффективная масса заряженной частицы.
В полупроводнике движение носителей заряда обусловлено диффузией под воздействием градиента концентрации и дрейфом под воздействием градиента электрического поля.
Полный ток определяется выражением:  Коэффициент диффузии имеет размерность [ ]. Диффузионная длина L связана со временем жизни следующим соотношением:  В сильных электрических полях происходит разогрев носителей тока. Энергия, получаемая носителями от электрического поля, не успевает рассеяться тепловыми фононами и температура носителей оказывается существенно выше температуры решетки. В этом случае говорят о горячих носителях, например, о горячих электронах.
4 Барьеры на границе кристалла.
На границе раздела твердое тело – вакуум существует потенциальный энергетический барьер, препятствующий выходу электронов в окр. среду. Чтобы преодолеть барьер, электрон должен обладать энергией, превышающей значение работы выхода электрона из твердого тела.
Работа выхода – энергия, которая затрачивается при возбуждении электронов для из выхода из твердого тела в вакуум (от я до 6 эВ).
Структура кристалла нарушается ближе к границе. Обрыв крист. решетки способствует появлению дополнительных энергетических уровней.
Если на поверхности преобладают акцепторные состояния, то поверхность будет захватывать электроны из объема полупроводника, прилегающего к поверхности, и поверхность будет заряжена отрицательно. Образуется слой, заряженный положительно.
При донорном состояния. Отдав электроны состояния будут заряжены положительно и будут притягивать электроны из объема кристалла. Дырки будут отталкиваться и уходить вглубь кристалла. На поверхности образуется слой, обогащенный электронами. Работа выхода эл-ов из такого кристалла будет <,чем если бы поверхностные состояния отсутствовали.
8. Перспективные транзисторные структуры.
Физические процессы диффузии и дрейфа, статистические законы, законы термодинамики работают в определенных граничных условиях. Уменьшение геометрической структур приводит к переходу в области других физических явлений, к принципиально другому процессу обработки информационных сигналов.
Уменьшение длинны затвора и толщины затворного оксида транзистора является одним из условий повышения быстродействия схем. Современные транзисторы имеют толщину затворного оксида 0,1 нм.
Даже в отключенном транзисторе происходит утечка зарядов.
При уменьшении площади электродов вырастает, их омическое сопротивление (увеличивается рассеивающая мощность).
Сравнительный анализ показывает, что плотности потребляемой мощности в наиболее распространенных процессорах превосходит разогретую нагревательную плитку.
Пути решения топологических проблем:
-Увеличение числа логических ячеек работающих при разных пороговых напряжениях, соответствующих их структуре. Токи утечки могут быть снижены в структурах, к быстродействию которых не предъявляются жесткие условия.
-Создание принципиально новых транзисторных структур, в которых используются новые материалы, а так же необычные физические явления.
Транзисторы со сверхтонким основанием.
В транзисторах со сверхтонкими основаниями используется пленка кремня толщиной 30-40 нм, нанесенная поверх оксидного слоя. При этом она может быть частично или полностью объединена носителями. Если тонкая пленка полностью объединена подвижными носителями при всех значениях напряжения смещения, то в области канала заряда нет. В этом случае электрическое поле в инверсионном слое прибора меньше, чем в обычных приборах с сильнолегированной областью канала, выполненных на объемном материале.
МОП-транзисторы с управляемой проводимостью канала
Транзистор с управляемой проводимостью канала характеризуется высокой подвижностью носителей в области канала.
В основе конструкции этих транзисторов лежит традиционная конструкция МОП-транзистора. Особенность заключается в технологии применения слоя напряженного кремния, осаждаемого на подложку соединения SiGe. Такая технология позволяет создавать транзисторные структуры как в объеме, так и в
пленке. Интегральные схемы на таких транзисторах будут обладать высокой плотностью размещения элементов, уменьшенным значением рассеивания мощности.
Арсенид-галлиевые транзисторы
Развитие арсенид-галлиевых транзисторов идет по пути увеличения скорости электронов, уменьшения их пролетного времени, переходом к баллистическому режиму работы.Следствием этих факторов является сокращение размеров и уменьшение потребляемой мощности. Полевые транзисторы на гетероструктурах с селективным легированием используют свойства двумерного электронного газа. Электроны движутся от истока к стоку в тонком двумерном инверсионном слое на границе между широкозонным AlGaAs и узкозонным нелегированным GaAs.
|
5.Электронно-дырочные переходы.
Полупроводник p-типа представляет собой отрицательно заряженные акцепторы, неподвижно закрепленные в кристаллической решетке и положительно заряженные дырки, способные переносить заряды и формировать эл. ток. Полупроводник n-типа содержит положительно ионизированные доноры, неподвижно закрепленные в решетке и отрицательно заряженные электроны проводимости.
Различают p+-n- или n+-p- переходы
Гетеропереходы – переход образующийся на границе двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.
На границе гетероперехода происходит изменение свойств полупроводника, меняется структура энергетических зон, ширина запрещенной зоны, подвижности и эффективные массы носителей заряда.
Анизотропные переходы создаются в результате контакта полупроводников с дырочной и электронной типами проводимости.
Изотипные переходы возникают в результате контакта полупроводников одного типа проводимости.
Комбинации различных гетеропереходов образуют гетероструктуры.
Двумерный электронный газ (ДЭГ) представляет собой систему электронов, энергитические уровни которых дискретны и их движение финитно.
Если гетеропереход получен из веществ с различной постоянной решетки, то на границе двух полупроводников могут возникнуть механические дефекты, которые будут играть роль ловушки для дырок и электронов.
7. Интегральные биполярные транзисторы и их модификации
И.Б. транзисторы - три чередующиеся полупроводниковые области электронного или дырочного типа проводимости, в котором протекание тока обусловлено носителями заряда обоих знаков.
Конструктивно биполярный транзистор представляет собой совокупность 2ух взаимодействующих p-n-переходов, включенных навстречу друг другу.
Под эмиттерной областью расположена активная область транзистора, представляющая собой n+-p-n- структуру.
Физические основы работы Б.Т.:
В активном режиме эмиттерный переход включен в прямом направлении. Коллекторный переход включается в обратном направлении.
Эмиттерная область легирована так, чтобы выполнялось условие:
p- электронов значительно больше чем n-базы.
Полный ток в цепи коллектора равен:
I=c*d+I
Значение всех параметров транзистора зависит от режима работы и температуры.
В Б.Т. входной управляемой величиной является либо ток базы, либо ток эмиттера. Управляемой величиной является эмиттерный или коллекторный токи.
Многоэммиттерный и многоколлекторный транзисторы.
Многоэмиттерные транзисторы можно рассмотреть как совокупность транзисторов с общей базой и коллекторами. Число эмиттеров колеблется от 3 до 8.
При проектировании транзисторов большой мощности стремятся обеспечить максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. С этой целью создается «гребенчатые» структуры.
Характеристики транзистора зависят от частоты сигнала, структуры транзистора и существования паразитной емкости.
Транзисторы n-p-n типа имеют более высокую предельную частоту чем p-n-p транзисторы. Многоэмиттерные транзисторы широко используются в микросхемах. Для стабильной работы расстояние между соседними эмиттерами должно быть диффузионной длины дырок (порядка 10 микрометров). Иначе возникает перехват токов между эмиттерами и правильность работы транзистора окажется под вопросом.
Многоколлекторный биполярный транзистор (МКТ) представляет собой многоэмиттерный транзистор работающий в инверсном режиме.
Скрытый слой максимально приближают к базовому слою, а n+ области располагают близко друг к другу (не менее чем диффузионная длина).
Транзисторный структуры интегрально-инжекторной логики. (И2Л)
Транзистор Т1 p-n-p типа выполняет функцию генератора тока, транзистор T2 n-p-n типа выполняет функцию инвертора. Эмиттерная область Т1 называется инжектором носителей и подключается к источнику тока. T1 может быть многоэмиттерным, T2 -всегда многоколлекторный, электроды которого являются логическими выходами.
Транзистор с барьером Шоттки
Чтобы избежать накопления заряда в базе или в переходе коллектора-базы, параллельно в переходе коллектор-база включается диод Шоттки.
Характеристика: Высокое быстродействие, отсутствие режима насыщения.
Это приводит к увеличению падения напряжения на переходе база-эмиттер. Что позволяет уменьшить ток потребления в статическом режиме, а значит уменьшить потребляющую мощность.
9. Классификация логических элементов. Основные характеристики логических элементов. Сравнительный анализ логических элементов.
Интегральная схема - конструктивно законченно изделие электронной техники, содержащее совокупность электродов связанных в функциональную схему транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и др.
Логическими элементами интегральных схем называются электронные схемы выполняющие простейшие логические операции.
Логический элемент – техническая модель логических выражений булевой алгебры.
1910 год – 1ая логическая модель выполнена на переключателях (телефонных реле).
Физическая природа переключателей и математическая природа булевой алгебры идентичны (ключ либо замкнут, либо разомкнут).
В алгебре логики используют 3 основные операции:
*логическое отрицание «НЕ»
*логическая операция «ИЛИ»
* логическая операция «И»
Логические элементы могут быть реализованы на различных электротехнических принципах (оптическом, пневмоническом).
В основе цифровых схем лежат транзисторные ключи-аналоги металлических контактов. Практическое аппаратное решение логической функции можно получить, соединяя соответствующим образом логические элементы.
Логические элементы подразделяются по режиму работ на:
*статические (могут работать как в статическом, так и в динамическом режиме)
*динамические (работают только в импульсном режиме)
Логические элементы в микроэлектронике подразделяются на:
*комбинационные (без запоминания переменных)
*последовательные (состояние выхода зависит от последующего состояния на их входе)
Распространенные комбинационные схемы:
-шифратор (кодировщик) – преобразует единичный сигнал на одном из n входов в m-разрядный выходной код.
-дешифратор (декодировщик) – преобразует m-разрядный входной код в сигнал только на одном из n своих выходов.
-мультиплексор – осуществляет адресное переключение заданного числа сигналов в 1 выход.
-демультиплексор – осуществляет сравнение подключения 1го выходного сигнала к одному из множества выходов.
-компаратор – осуществляет сравнение двух чисел х1 и х2. Результат сравнения отображается единичным логическим уравнением.
-сумматор - преобразует сигналы в сигнал, эквивалентный сумме этих сигналов.
Последовательны схемы:
Триггер – последовательные элементы с 2мя устойчивыми выходными состояниями.
Регистры - последовательность операционных элементов предназначенных для хранения и (или) преобразования многоразрядных 2ичных чисел (Состоит из набора триггеров, число которых равно разрядных хранимых чисел).
Счетчики – последовательность логических элементов предназначенных для счета импульсов поступающих на вход (Цепочка триггеров).
Основные характеристики логических элементов:
1.Передаточная характеристика
При увеличении входного напряжения ключ срабатывает – транзистор открывается. Напряжение на входе падает на нагрузочном сопротивлении.
Входные и выходные сигналы имеют дискретные выходы. Вид передаточной характеристики не существенен. Уровни напряжения на входах существенны. Ключи, а значит, цифровые схемы малочувствительны к разбросу параметров, температурному дрейфу, временному изменению параметров.
2.Входная характеристика
Зависимость входного тока ЛЭ от входного напряжения определяет нагрузочную способность ЛЭ и режим работы линий связи.
3.Выходная характеристика
Эта характеристика в совокупности с входной позволяет определить нагрузочную способность ЛЭ, режим его работы и способ согласования переходных процессов в линиях связи.
Так как в каждом из двух состояний ЛЭ в активном режиме находятся различные компоненты схемы, то различают выходные характеристики по нижнему и по верхнему уровням выходного напряжения.
4. Характеристика импульсной помехоустойчивости
Зависимость допустимой амплитуды импульсной помехи от ее длительности — необходима для оценки допустимого уровня импульсных помех малой длительности. Эта характеристика зависит от амплитуды, длительности, формы сигнала помехи и скорости переключения ЛЭ.
|
|
Скачать 0.82 Mb.