Ответы_Вопросы к экзамену по дисциплине ФОВТ. Физические основы элементной базы современных эвм контрольные вопросы
 Скачать 1.15 Mb.
|
|
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СОВРЕМЕННЫХ ЭВМ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Поколения ЭВМ и их элементная база. Роль полупроводниковых материалов в современных ЭВМ. Преимущества интегральных схем перед дискретными элементами. I поколение ЭВМ (1948-1958) создавалось на основе вакуумных электроламп, машина управлялась с пульта и перфокарт с использованием машинных кодов. Элементная база: электронные лампы – диоды и триоды. II поколение ЭВМ (1959-1967). Эти машины обрабатывали информацию под управлением программ на языке Ассемблер. Ввод данных и программ осуществлялся с перфокарт и перфолент. Элементная база: полупроводниковые приборы. III поколение ЭВМ (1968-1973). Управление работой этих машин происходило с алфавитно- цифровых терминалов. Для управления использовались языки высокого уровня и Ассемблер. Элементная база: малые интегральные схемы, содержавшие на одной пластинке сотни или тысячи транзисторов. IV поколение ЭВМ (1974–1982). Элементная база ЭВМ – большие интегральные схемы (БИС). Наиболее яркие представители четвертого поколения ЭВМ – персональные компьютеры (ПК). Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что привело к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. V поколение ЭВМ (1990 – настоящее время) создано на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кристалле. Это: компьютеры на сверхсложных микропроцессорах; компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров. VI и последующие поколения ЭВМ. Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. Полупроводниковые приборы: интегральные схемы (микросхемы), полупроводниковые диоды, тиристоры, транзисторы, приборы с зарядовой связью. 2. Технологическая база ЭВМ. Закон Мура. Фотолитография. Степень интеграции элементов и минимальный топологический размер. Соединение элементов. Интегральной схемой (ИС) называют миниатюрное электронное устройство, выполняющее функции преобразования и обработки сигналов и содержащее большое число активных и пассивных элементов. Основной вывод Мура: «Число компонентов на чипе удваивается каждый год». Фотолитография — метод получения рисунка на тонкой плёнке материала, широко используется в микроэлектронике и в полиграфии. Для получения рисунка используется свет определённой длины волны. В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем: малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле, средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле, большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле, сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тысяч элементов в кристалле. Топологией интегральной микросхемы является зафиксированное на материальном носителе пространственно-геометрическое расположение совокупности элементов интегральной микросхемы и связей между ними. Минимальный топологический размер - толщина линий. Способ электрического соединения компонентов ИС - металлизация алюминием. Металлизация — метод модификации свойств поверхности изделия путем нанесения на его поверхность слоя металла. Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле. Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок. 3. Основные направления развития интегральных схем: кремниевые биполярные и МОП структуры, арсенид - галлиевые и металл - полупроводниковые структуры. Перспективы развития микроэлектроники. Технология «кремний на изоляторе» (КНИ, SOI): на кремниевой пластине формируется слой SiO2 (изолятор), а поверх него - тонкий слой Si. МОП-структура (металл — оксид — полупроводник) — наиболее широко используемый тип полевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем оксида кремния SiO2. Некоторые электронные свойства GaAs превосходят свойства кремния. Арсенид галлия обладает более высокой подвижностью электронов, которая позволяет приборам работать на частотах до 250 ГГц. Углеродные нанотрубки - длинные цилиндрические структуры, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферой. В зависимости от диаметра углеродные трубки проявляют металлические или полупроводниковые свойства. Графен - двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Максимальная (среди известных материалов) подвижность электронов делает графен одним из самых перспективных материалов для наноэлектроники и потенциальную замену кремния в интегральных микросхемах. 4. Волны де Бройля, соотношение неопределенностей и волновая функция. Спектр электронных состояний атома водорода и многоэлектронных атомов. Квантовые переходы. Виды химической связи. Волны де Бройля — волны, связанные с любыми микрочастицами и отражающие их волновую природу. λ = h/p, где постоянная Планка h = 6.62 ∗ 10^(−34) Дж⋅ с. Одним из парадоксальных проявлений волновых свойств микрочастиц является так называемое соотношение неопределенности. Рассмотрим свет, распространяющийся через щель с шириной, сравнимой с длиной волны λ . В соответствии с принципом Гюйгенса каждая точка волнового фронта является источником вторичной волны. Волны, исходящие из разных точек в плоскости щели интерферируют между собой, образуя на экране распределение интенсивности. Условие минимума: (Δ x)* sin β= λ Угловая ширина центрального максимума оказывается тем шире, чем уже щель. Самым удивительным оказывается тот факт, что даже если мы ослабим пучок света до уровня, при котором поток будет состоять из отдельных квантов, все равно на экране будет формироваться интерференционная картина. То есть, даже отдельные кванты дают интерференционную картину. Каким-то непостижимым образом они друг с другом складываются, хотя испускаются отдельно. Каждой квантовомеханической системе можно поставить в соответствие волновую функцию Ψ(x, y, z, t), квадрат модуля которой |Ψ( x, y, z, t)|^2 и представляет вероятность обнаружить частицу в некоторой точке в данный момент времени, а сама волновая функция Ψ представляет амплитуду вероятности. В многоэлектронных атомах потенциальная энергия электронов зависит не только от расстояния до ядра, но также и от расстояния до других электронов. Орбиты электронов в многоэлектронном атоме могут быть круговыми или эллиптическими. Соответственно. Форма электронного облака может иметь сферическую форму или форму гантели. Следовательно, чем больше электронов в атоме, тем более высокие энергетические состояния они занимают. Энергия каждого состояния будет определяться не только радиусом орбиты электрона, но также ее формой, ориентацией, а кроме того, величиной спина электрона. Ковалентная связь типична для органических молекул. Также, имеет место и в твердых телах, например, в веществах, состоящих из элементов четвертой группы. Заметим, что в из-за дефектов структуры или из-за флуктуаций тепловых возмущений некоторые связи могут нарушаться. Высвободившиеся электроны становятся электронами проводимости. Металлический тип связи свойственен типичным металлам. Ионы металла образуют решетку, а электроны внешней оболочки являются «обобществленными» электронами проводимости. При ионной связи происходит перенос валентных электронов с одного атома на другой, то есть, образование положительных и отрицательных ионов, связанных электростатическим (кулоновским) взаимодействием. Ионная связь характерна для соединений металлов с наиболее типичными неметаллами, например, для молекулы NaCl и соответствующего ионного кристалла. Молекулярная связь: между молекулами с ковалентным характером взаимодействия. 5. Спектр электронных состояний в атомах, молекулах и кристаллах. Разрешенные и запрещенные уровни энергии. Энергетические зоны и уровень Ферми. Важнейшим свойством атомов и молекул как квантовых систем, состоящих из связанных между собой микрочастиц, является то, что они могут принимать лишь определенные разрешенные значения энергии. Одномерная потенциальная яма (одномерный ящик с бесконечными стенками) является грубым, но наглядным приближением для понимания и описания основных закономерностей поведения электрона в атоме. Так же как и в атоме, электрон локализован в замкнутой области и не выходит за ее пределы, то есть, ящик с бесконечными стенками можно рассматривать как определенную упрощенную аналогию атомной системы. Уровни энергии в потенциальной яме квантуются. Характер квантования определяется видом потенциала взаимодействия. Энергия Ферми (E_F) системы невзаимодействующих фермионов — это увеличение энергии основного состояния системы при добавлении одной частицы. Фермионы — частицы с полуцелым спином, обычно ½. При ненулевой температуре ферми-газ не будет являться вырожденным, и населённость уровней будет плавно уменьшаться от нижних уровней к верхним. В качестве уровня Ферми можно выбрать уровень, заполненный ровно наполовину (то есть вероятность находящегося на искомом уровне состояния быть заполненным частицей должна быть равна 1/2). Уровень энергии E , до которого заполнены электронные состояния, называется уровнем Ферми. 6. Принципы разделения веществ на проводники (металлы), полупроводники и изоляторы (диэлектрики). Модель электронного газа. Оценка числа электронных уровней в единице объема проводника и полупроводника. Хорошая проводимость проводников (металлов) обусловлена большим количеством обобществленных электронов, которые классическая физика рассматривает как электронный газ. Электроны находятся в состоянии хаотического теплового движения со средней скоростью Vt , сталкиваясь с колеблющимися ионами кристаллической решетки. Плотность состояний с энергией E недалеко от уровня Ферми Ef: N (E) описывает плотность возможных состояний. Далеко не все они заполнены. Чтобы определить число носителей заряда (электронов) надо знать вероятность заполнения состояний электронами f (E) . Тогда 7. Полупроводники n- и p-типа. Положение уровня Ферми в электрически нейтральном полупроводнике. Технологии легирования полупроводников. Донорные примеси – атомы 5-валентных элементов Ga, In,B . Акцепторные примеси – атомы 3-валентных элементов P,As . Электроны будут являться основными носителями заряда для донорного полупроводника, или полупроводника n-типа, а дырки – основными носителями для акцепторного полупроводника, или полупроводника p -типа. Легирование полупроводников представляет собой процесс введения примесей или структурных дефектов с целью направленного изменения электрических свойств. Методы легирования делятся на две группы: либо непосредственно в процессах выращивания монокристаллов и эпитаксиальных структур, либо локальное легирование отдельных областей монокристаллов. Высокотемпературная диффузия: легирующая примесь приводится в соприкосновение с поверхностью монокристалла кремния. Монокристалл разогревается, и атомы примеси проникают внутрь монокристалла, замещая атомы кремния в решетке. Ионная имплантация (ионное внедрение, ионное легирование): процесс введения примесных атомов в твердое тело путем бомбардировки его поверхности ускоренными ионами. Радиационно-стимулированная диффузия: новое направление, являющееся комбинацией высокотемпературной диффузии и ионной имплантации. Лазерный отжиг. В процессе легирования лазерное излучение используется как для непосредственного селективного легирования, так и для отжига пластин после проведения ионной имплантации, а также диффузии, эпитаксиального наращивания и т.д. 8. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Движение свободных носителей заряда в полупроводниках - диффузия и дрейф. Закон Ома, длина свободного пробега и подвижность. Уравнение непрерывности. Беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой называется собственным полупроводником. Его проводимость называется собственной проводимостью. Проводимость полупроводника может значительно изменяться за счет введения примесей, приводящих к изменению типа проводимости. В полупроводниках существует два основных механизма переноса носителей заряда: Диффузия свободных носителей при наличии неравномерности их концентрации; Дрейф носителей заряда под действием внешнего электрического поля. Закон Ома: I = U / R, где U - напряжение на концах проводника с сопротивлением R. Связь между плотностью тока и напряженностью поля: - подвижность электронов Длина свободного пробега (точнее — средняя длина свободного пробега, `l), средняя длина пути, проходимого частицей между двумя последовательными соударениями с др. частицами. Общее описание явлений переноса в полупроводниках с учетом диффузии, дрейфа, генерации и рекомбинации свободных носителей заряда может быть произведено с помощью уравнения непрерывности. С учетом диффузии и дрейфа: - для электронов - для дырок D – электрическая индукция E - напряжённость электрического поля 9. Электронно-дырочные переходы. Высота потенциального барьера. Вольт-амперная характеристика и дифференциальное сопротивление p-n-перехода. Барьерная и диффузионная емкости. Полупроводниковые диоды. Электронно-дырочный переход – контакт между полупроводниками p и n типа или p-n-переход. Потенциальный барьер — область пространства, разделяющая две другие области с различными или одинаковыми потенциальными энергиями. Характеризуется «высотой» — минимальной энергией классической частицы, необходимой для преодоления барьера. Для неосновных носителей потенциальный барьер – не препятствие. Вольт-амперная характеристика: Дифференциальное сопротивление: Барьерная (или зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным зарядом ионизированных атомов примеси, сосредоточенными по обе стороны от границы перехода. Cбар = dQ/dU Диффузионная емкость обусловлена изменением величины объемного заряда, вызванного изменением прямого напряжения и инжекцией неосновных носителей в рассматриваемый слой. Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода. 10. Типы полупроводниковых диодов и их быстродействие. Омические контакты, контакт металл - полупроводник. Диоды Шоттки. Быстродействие: Силовые (выпрямительные) диоды – предназначены для преобразования переменного напряжения источников питания промышленной частоты в постоянное. Стабилитроны (опорные диоды) – полупроводниковые диоды, на обратной ветви вольтамперной характеристике которых имеется участок слабой зависимости напряжения от протекающего тока. Диоды ВЧ и СВЧ. Для того, чтобы диоды могли работать в области высоких и сверхвысоких частот, необходимо обеспечить минимальные емкость и индуктивность. Уменьшить диффузионную емкость можно за счет уменьшения времени жизни τ , для чего используется легирование материалами, образующими большое число ловушек, например, золотом. Туннельные диоды – характеризуются наличием на их ВАХ участка с отрицательным сопротивлением. Фотодиоды – фотоэлектрические приборы с одним p-n-переходом. Омический контакт — контакт между металлом и полупроводником или двумя полупроводниками, характеризующийся линейной симметричной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Контакт «металл – полупроводник» возникает в месте соприкосновения полупроводникового кристалла n или р-типа проводимости с металлами. Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). 11. Взаимодействие двух близкорасположенных электронно-дырочных переходов. Биполярные транзисторы. Транзистор – электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три электрода и предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. По физическому принципу работы транзисторы можно разделить на два основных класса: биполярные и униполярные. В биполярных транзисторах физические процессы обусловлены переносом носителей заряда обоих знаков. В основе работы биполярных транзисторов лежат процессы инжекции и диффузии неосновных носителей, дрейфа основных и неосновных носителей заряда. Биполярный транзистор: Трехслойная полупроводниковая структура, состоящая из двух слоев полупроводника с одинаковым типом проводимости, разделенных тонким слоем полупроводника с другим типом проводимости, называется биполярным транзистором. 12. Схемы включения биполярных транзисторов. Усиление тока и напряжения. Ключевой режим работы и быстродействие. Режимы работы: Активный режим - один p-n-переход включен в прямом, а другой – в обратном направлении. Режим насыщения – оба перехода включены в прямом направлении. Режим отсечки - оба перехода подключены в обратном направлении. Различают три возможные схемы включения: с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором. На рисунке они показаны для активного режима работы. Коэффициент усиления по току: K=Iвых/Iвх Коэффициент усиления по напряжению:K=Uвых/Uвх Схема с общей Б не дает усиления по току и имеет малое входное сопротивление. Схема с ОЭ обеспечивает возможность усиления и по току, и по напряжению, то есть, она может использоваться для усиления мощности. К тому же, эта схема характеризуется достаточно высоким входным сопротивлением. Схема с общим К характеризуется отсутствием усиления по напряжению и очень большим входным сопротивлением. Транзисторный ключ – устройство на транзисторе, обеспечивающее переключение тока в нагрузке при подаче на базу транзистора напряжения определенной полярности и уровня. Транзисторный ключ позволяет преобразовать входной сигнал в последовательность импульсов с достаточно крутыми фронтами. Транзистор в ключевой схеме попеременно находится в режиме отсечки и в режиме насыщения. |