Полупроводники и полупроводниковые элементы; производство инте-гральных схем: полупроводниковые свойства кремния, изготовление кремниевых пластин, фотоли-тография; производство печатных плат: фотолитография, склеивание слоёв.
Напомним о том, что первые ЭВМ конструировались с использованием радиоламп и электромагнитных реле, но после изобретения транзистора в конце 1940-х годов произошла смена поколений, и, начиная со второго поколения, ЭВМ создавались уже на базе полупроводниковых элементов. Последние обеспечили существенный прогресс вычислительной техники, так как позволили радикально уменьшить размеры компьютеров, также уменьшить затраты электроэнергии и повысить надёжность ЭВМ. Кроме того, полупроводниковые компьютеры оказались существенно дешевле компьютеров предыдущих поколений. Полупроводниковая элементная база используется и в настоящее время.
Обратимся к курсу школьной физики и вспомним, что такое полупроводники.
Полупроводник - это вещество, электрическая проводи-мость которого существенно зависит от состава примесей, добавленных к нему; также его прово-димость может существенно меняться под воздействием температуры, электрических и магнит-ных полей.
Полупроводники с различными характеристиками производятся путём добавления примесей в кристаллические вещества (обычно в кремний). Сочетая различные полупроводники, изготовляют транзисторы, диоды, тиристоры и т.д. Полупроводниковые элементы в электронных схемах усиливают и преобразуют электрические сигналы. В частности, способность транзисторов менять свою проводимость в зависимости от характеристик управляющего электрического сигнала позволяет создавать на их основе логические вентили.
Электрическая проводимость вещества обеспечивается электронами на внешней оболочке его атомов. Эта же оболочка, в основном, определяет и валентность веще-ства - способность его атомов связываться с атомами других веществ и, для кристаллических ве-ществ, способность формировать кристаллическую решётку. Поэтому электроны, находящиеся на внешней электронной оболочке, называются валентными. Металлы легко обмениваются валентными электронами, что позволяет им быть проводниками, то есть иметь высокую электрическую проводи-мость. Чистые полупроводники, не содержащие примесей, имеют гораздо менее "подвижные" валентные электроны, и, как следствие, низкую электрическую проводи-мость.
Остановимся подробнее на технологии изготовления полупроводниковых элементов. Ос-новным химическим элементом, используемым при их производстве, является кремний - природ-ный полупроводник. Кремний является не единственный природным полупроводником, но он - один из самых распространенных химических элементов на Земле и составляет более 27% земной коры. Поэтому его легко добывать, а также несложно перерабатывать - чистый технический крем-ний эффективно и недорого производится из оксида кремния, то есть песка (см. рис. 5.1).
Как уже обсуждалось выше, собственная электрическая проводимость кристаллического кремния мала, поскольку все валентные электроны атомов кремния задействованы в кристалличе-ской решётке, реализуя связи с четырьмя соседними атомами. Для изменения электрических свойств кремния в него добавляют легирующие примеси. Эти примеси позволяют "расшевелить" часть валентных его электронов, увеличить, таким образом, электриче-скую проводимость кремния, а также повлиять на характер этой проводимости. В качестве примесей используются фосфор, мышьяк, бор и некоторые другие элементы с подходящей конфигурацией электронных оболочек. В частности, у мышьяка пять валентных электронов, поэтому при добавле-нии небольшого количества мышьяка в кремний, который четырехвалентен, один из его электронов остаётся свободным. Такие свободные электроны могут перемещаться от одного атома мышьяка к другому, перенося заряд, и в итоге кремний, легированный мышьяком, приобретает свойство электронной проводимости или n-проводимости. Бор, напротив, имеет три валентных электрона, поэтому кремний с примесью бора содержит свободные места, которые могут занимать электроны близлежащих атомов. В этом случае по кристаллу пере-мещаются, перенося заряд, уже не электроны, а так называемые положительно заряженные дырки, а кремний приобретает p-проводимость или дырочную проводимость. Отметим, что, будучи "отсутствием электро-на", дырка является не физическим объектом, а удобной умозрительной абстракцией, фактиче-ски же заряд по-прежнему переносит электрон.
В транзисторах, диодах и других полупроводниковых элементах области p- и n-полупроводники соединяются, и вблизи их границы образуется p-n-переход, который может реагировать на электрическое поле, "открывая" или "запирая" движение электрического тока. На основе одного p-n-перехода изготавливается полупроводниковый диод, пропускающий ток лишь в од-ном направлении - от p-полупроводника к n-полупроводнику. Если полупроводники чередовать в последовательности n-p-n, то получится NPN-транзистор, который проводит ток между крайними n-полупроводниками (открывается) только при подаче высокого электрического потенциала на сред-ний p-полупроводник. Его "близнец" - PNP-транзистор - работает наоборот: проводит ток между крайними p-полупроводниками только при подаче низкого потенциала на n-полупроводник.
Следует отметить, что работоспособный транзистор с характеристиками, допускающими его практическое использование, получается лишь при соблюдении множества дополнительных ус-ловий - толщины и объёма полупроводников, концентрации легирующих примесей и т.д. Исследо-вания свойств полупроводников проводились физиками в различных странах с 1920-х годов, но би-полярный транзистор, аналогичный современным, был создан лишь в 1947 году. В 1956 году созда-тели биполярного транзистора У. Шокли, У. Браттейн и Д. Бардин были удостоены Нобелевской премии. Исследования полупроводников и их применения в микроэлектронике продолжаются и сейчас. Один из наиболее известных современных учёных в этой области, наш соотечественник академик Ж.И. Алфёров (1930-2019 годы), в 2000 году также удостоенный Нобелевской премии по физике.
Кроме кремния в природе имеются другие природные полупроводники, например, герма-ний. Существуют транзисторы и интегральные схемы на основе германия, но доступность кремния и наличие отработанных технологий производства сделали его предпочтительным базовым материа-лом.
Хотя отдельные транзисторы, диоды и прочие элементы и сегодня непосредственно мон-тируются на печатные платы, основой функционал современных компьютеров реализуют уже инте-гральные схемы. Интегральные схемы группируют на кремниевых пластинах огромное количество транзисторов, диодов и прочих элементов, создавая специализированные устройства, например, процессоры. Интегральные схемы позволили существенно удешевить компьютеры, а также уменьшить их размеры и увеличить производительность.
Монокристалл - это такое состояние кристаллического вещества, которое характеризуется крайне незначительным количеством нарушений геометрии его кристаллической решётки, то есть почти все атомы решётки расположены в идеальном по-рядке.
В природе монокристаллы практически не встречаются. Но для производства микроэлек-троники они важны, поскольку размеры создаваемых на базе кремния электронных элементов уже сопоставимы с расстоянием между атомами в кристаллической решётке (около 0,5 нм). Следователь-но, отдельные дефекты в кристалле могут привести к появлению неработоспособных полупроводниковых элементов.
Чтобы сделать природный кремний пригодным для использования в изготовление печат-ных плат, его очищают от примесей, достигая концентрации кремния близкой к 100%. Далее создают (выращивают) монокристаллы кремния в виде цилиндров. Эти цилиндры режут на пластины, на которых и размещают интегральные схемы (рис.5.1). Сейчас изготовляют цилиндры диаметром в 300 миллиметров, но разрабатываются технологии для создания 450 миллиметровых цилиндров. Увеличение диаметра цилиндров потенциально позволяет увеличить площадь интегральной схемы, и, следовательно, разместить на одной пластине больше транзисторов. Это, в свою очередь, позволяет выпускать более высокопроизводительные процессоры. Но увеличение диаметра кремниевых кристаллов сопряжено с большими технологическими трудностями.
Для того, чтобы сформировать на кремниевой пластине отдельные электронные элементы, используется специальная высокоточная технология под названием фотолитография.
Фотолитография - это технология нанесения на различ-ные поверхности рисунка с помощью некоторого вещества при помощи следующих действий: сплошное нанесение вещества на поверхность, нанесение защитного слоя, фотохимическая стаби-лизация защитного слоя в необходимых местах, растворение остальных (нестабилизированных) участков нанесённого вещества.
При производстве интегральных схем фотолитография выполняется следующим образом. На кремниевые пластины напыляются легирующие примеси, которые, как и в случае с изготовлени-ем отдельных полупроводниковых элементов, создают на поверхности кремния участки с p- или n-проводимостью. Вначале создаются все участки с p-проводимостью. Для этого вся поверхность кристалла на небольшую глубину леги-руется р-примесью. Следом кристалл покрывается фоторезистом - веществом, которое приобретает химическую устойчивость к растворителю под действием света. Затем фоторезист "засвечивается" через специальный оптический трафарет, благодаря чему нужные участки кремниевой платины приобретают химиче-скую устойчивость. Наконец, растворителем смывается незасвеченный фоторезист и примеси на не-защищённых участках. В итоге p-примесь фиксируется в верхних слоях кремния только на нужных участках будущей интегральной схемы. После синтеза p-участков этот процесс повторяется с другим трафаретом, уже для n-примеси. В результате раз-ные участки кремниевой пластины легируются разными примесями. Перечисленные выше шаги мо-гут повторяться несколько раз или даже несколько десятков раз. Как и в случае с отдельными полу-проводниковыми элементами, на границах этих участков образуются p-n-переходы, на основе которых создаются миниатюрные транзисторы, диоды и другие элементы. Следует отме-тить, что, в зависимости от технологии, используемой на конкретном производстве, синтез p- и n- участков на кремниевой пластине может выполняться в другом порядке. Также возможно применение фоторезистов, которые, напротив, теряют устойчивость под действием света.
В современных процессорах используется большое количество полупроводниковых эле-ментов, их количество исчисляется миллиардами. Разумеется, все они работают не сами по себе, а в связке друг с другом. Подобно тому, как в электромеханических приборах для соединения отдель-ных элементов используются провода, для соединения полупроводниковых элементов интегральной схемы на кремниевую пластину наносятся проводники. Эти проводники являются токопроводящими дорожки из атомов металла с высокой электрической проводимостью, например, из золота.
Нанесение на кремниевую пластину легирующих примесей и проводников производится в несколько слоёв. Эта многослойность необходима, поскольку даже простейшие электрические схемы далеко не всегда можно сделать "плоскими". Например, если сложную схему расположить на плоскости, то различные её соединения будут пересекаться, не образовывая при этом электрического соединения в месте пересечения. Но этого можно достичь, если у схемы появляется третье измерение, то есть появится возможность разместить одно из пересекающихся соединений глубже - и тогда оно перестанет пересекать предыдущее, но общая геометрия схемы при этом сохранится.
На сегодняшний день достигнуты большие успехи в миниатюризации электронных эле-ментов. В первые десятилетия производства интегральных схем именно эта миниатюризация обеспечивала выполнение закона Мура, но сейчас этого уже недостаточно: в дальнейшем уменьшить в 100 раз размер транзистора, который и сейчас состоит из нескольких десятков атомов, уже не удастся. Дальнейшее увеличение производительности ЭВМ (и по-прежнему исполнение закона Мура) осуществляется путём распараллеливания - размещения на кристалле блоков процессора, работающих параллельно.
Основными компонентами современных вычислительных устройств являются печатные платы. На платах размещают интегральные схемы (например, процессоры), и отдельные элементы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы). Последние обычно нужны в тех случаях, когда, на-пример, элемент слишком велик по размеру для помещения на интегральную схему (например, кон-денсатор с большой ёмкостью), или когда требуется менять элемент или набор элементов в зависи-мости от разной версии платы (варьировать содержимое интегральной схемы при серийном выпуске нельзя). Кроме этого, на плате монтируются разъёмы для соединения с другими платами и устройст-вами, а также вспомогательные механические компоненты - кулеры, радиаторы. Наконец, непо-средственно на плате имеется набор токопроводящих дорожек, которые в нужных сочетаниях соеди-няют электрические выводы перечисленных компонент между собой и с интегральными схемами, что позволяет им обмениваться сигналами друг с другом.
Печатная плата представляет собой лист диэлектрика - обычно используется стеклопластик, который является жёстким и прочным материалом из стеклово-локна, пропитанного каким-либо полимером. На лист диэлектрика наносятся медные "дорожки", соединяющие выводы размещённых на плате интегральных схем и прочих компонент.
Кратко опишем технологию производства печатных плат.
Для изготовления печатных плат, подобно изготовлению интегральных схем, также ис-пользуется технология, основанная на фотолитографии. В качестве заготовки для печатной платы используют лист стеклопластика. Его покрывают слоем меди для создания токопроводящих доро-жек, соединяющих между собой различные элементы печатной платы - интегральные схемы, эле-менты, разъёмы и т.д. Для того, чтобы сформировать из сплошного слоя меди отдельные дорожки, выполняются следующие действия. На медный слой наносится слой фоторезиста (здесь, конечно, применяется другой состав, чем при изготовлении интегральных схем). На фоторезист проецируется изображение дорожек, после чего засвеченные участки фоторезиста, под которыми скрываются бу-дущие дорожки, становятся химически устойчивыми. Затем выполняется травление: плата помещается в растворитель, который растворяет медь, не за-щищённую фоторезистом. В итоге отсекается всё ненужное, то есть из всего медного слоя на плате остаются только отделённые друг от друга диэлектриком медные дорожки, а также монтажные площадки.
Последние являются специальными участками платы, к которым в определённом порядке подходят "дорожки", образуя на этих участках набор электрических контактов. На кон-такты выполняется пайка интегральных схем, разъёмов и прочих компонент. При пайке осуществля-ется электрическое соединение выводов компонент (так называемых "ножек") с контак-тами, и, следовательно, "дорожками" на плате. Также пайка обеспечивает жёсткое креп-ление компонент к плате за те же "ножки". В зависимости от особенностей компоненты, монтаж выполняется разными способами. Когда требуется высокая механическая прочность или возможность проводить большой ток, применяется сквозной монтаж, при котором "ножки" компоненты проходят сквозь плату, а монтажная площадка представля-ет собой набор контактов с отверстиями для ножек. Сквозной монтаж применяется для крепления на плату разъёмов и крупных мощных устройств, например, реле или трансформаторов. Для мелких компонент - отдельных микросхем и элементов - высокая прочность и возможность проводить большие токи обычно не требуются. В этом случае может применяться более дешёвый и компактный поверхностный монтаж, заключающийся в простом припаивании ножек к контактам или непосредственно к "дорожкам".
Электрическая схема печатной платы может, как и в случае с интегральными схемами, быть объемной, то есть потребовать более одного слоя. Для этого с обратной стороны заготовки так-же наносится медный слой, который используется для создания дорожек, и в итоге схема становится "двухэтажной". Но для сложных печатных плат (например, современных системных плат) двух слоёв бывает недостаточно. В этой ситуации изготовляют несколько печатных плат, а затем склеивают их между собой, получая в результате единую многослойную плату. Электрические соединения между дорожками в различных слоях плат выполняют при помощи сверления сквозных отверстий в плате и заполнения этих отверстий токопроводящим припоем (оловом).
Разъёмы, интегральные схемы и прочие элементы припаиваются к монтажным площадкам на плате. Для этого также используется оловянный припой. Температура плавления олова составляет всего 231,90 °C и легко достижима при перегреве печатных плат во время работы компьютера. Перегрев электронных компонент и протекание через паяное соединение большого тока могут привести к расплавлению и вытеканию припоя, что влечет нарушение контакта. Один из простых приёмов ремонта печатных плат в такой ситуации - это повторный нагрев при помощи технического фена, в результате чего капельки припоя плавятся и затекают обратно на свои места.
Для предотвращения перегрева интегральных схем используются вентиляторы (кулеры). Они крепятся на пчатную плату с помощью винтов или защелок, которые вставляются в специально просверленные на плате крепёжные отверстия.
Пример готовой печатной платы показан на рис.5.2.
p-n-переход, и как он как он используется в электротехнике?Полупроводники и полупроводниковые элементы; производство инте-гральных схем: полупроводниковые свойства кремния, изготовление кремниевых пластин, фотоли-тография; производство печатных плат: фотолитография, склеивание слоёв.
Напомним о том, что первые ЭВМ конструировались с использованием радиоламп и электромагнитных реле, но после изобретения транзистора в конце 1940-х годов произошла смена поколений, и, начиная со второго поколения, ЭВМ создавались уже на базе полупроводниковых элементов. Последние обеспечили существенный прогресс вычислительной техники, так как позволили радикально уменьшить размеры компьютеров, также уменьшить затраты электроэнергии и повысить надёжность ЭВМ. Кроме того, полупроводниковые компьютеры оказались существенно дешевле компьютеров предыдущих поколений. Полупроводниковая элементная база используется и в настоящее время.
Обратимся к курсу школьной физики и вспомним, что такое полупроводники.
Полупроводник - это вещество, электрическая проводи-мость которого существенно зависит от состава примесей, добавленных к нему; также его прово-димость может существенно меняться под воздействием температуры, электрических и магнит-ных полей.
Полупроводники с различными характеристиками производятся путём добавления примесей в кристаллические вещества (обычно в кремний). Сочетая различные полупроводники, изготовляют транзисторы, диоды, тиристоры и т.д. Полупроводниковые элементы в электронных схемах усиливают и преобразуют электрические сигналы. В частности, способность транзисторов менять свою проводимость в зависимости от характеристик управляющего электрического сигнала позволяет создавать на их основе логические вентили.
Электрическая проводимость вещества обеспечивается электронами на внешней оболочке его атомов. Эта же оболочка, в основном, определяет и валентность веще-ства - способность его атомов связываться с атомами других веществ и, для кристаллических ве-ществ, способность формировать кристаллическую решётку. Поэтому электроны, находящиеся на внешней электронной оболочке, называются валентными. Металлы легко обмениваются валентными электронами, что позволяет им быть проводниками, то есть иметь высокую электрическую проводи-мость. Чистые полупроводники, не содержащие примесей, имеют гораздо менее "подвижные" валентные электроны, и, как следствие, низкую электрическую проводи-мость.
Остановимся подробнее на технологии изготовления полупроводниковых элементов. Ос-новным химическим элементом, используемым при их производстве, является кремний - природ-ный полупроводник. Кремний является не единственный природным полупроводником, но он - один из самых распространенных химических элементов на Земле и составляет более 27% земной коры. Поэтому его легко добывать, а также несложно перерабатывать - чистый технический крем-ний эффективно и недорого производится из оксида кремния, то есть песка (см. рис. 5.1).
Как уже обсуждалось выше, собственная электрическая проводимость кристаллического кремния мала, поскольку все валентные электроны атомов кремния задействованы в кристалличе-ской решётке, реализуя связи с четырьмя соседними атомами. Для изменения электрических свойств кремния в него добавляют легирующие примеси. Эти примеси позволяют "расшевелить" часть валентных его электронов, увеличить, таким образом, электриче-скую проводимость кремния, а также повлиять на характер этой проводимости. В качестве примесей используются фосфор, мышьяк, бор и некоторые другие элементы с подходящей конфигурацией электронных оболочек. В частности, у мышьяка пять валентных электронов, поэтому при добавле-нии небольшого количества мышьяка в кремний, который четырехвалентен, один из его электронов остаётся свободным. Такие свободные электроны могут перемещаться от одного атома мышьяка к другому, перенося заряд, и в итоге кремний, легированный мышьяком, приобретает свойство электронной проводимости или n-проводимости. Бор, напротив, имеет три валентных электрона, поэтому кремний с примесью бора содержит свободные места, которые могут занимать электроны близлежащих атомов. В этом случае по кристаллу пере-мещаются, перенося заряд, уже не электроны, а так называемые положительно заряженные дырки, а кремний приобретает p-проводимость или дырочную проводимость. Отметим, что, будучи "отсутствием электро-на", дырка является не физическим объектом, а удобной умозрительной абстракцией, фактиче-ски же заряд по-прежнему переносит электрон.
В транзисторах, диодах и других полупроводниковых элементах области p- и n-полупроводники соединяются, и вблизи их границы образуется p-n-переход, который может реагировать на электрическое поле, "открывая" или "запирая" движение электрического тока. На основе одного p-n-перехода изготавливается полупроводниковый диод, пропускающий ток лишь в од-ном направлении - от p-полупроводника к n-полупроводнику. Если полупроводники чередовать в последовательности n-p-n, то получится NPN-транзистор, который проводит ток между крайними n-полупроводниками (открывается) только при подаче высокого электрического потенциала на сред-ний p-полупроводник. Его "близнец" - PNP-транзистор - работает наоборот: проводит ток между крайними p-полупроводниками только при подаче низкого потенциала на n-полупроводник.
Следует отметить, что работоспособный транзистор с характеристиками, допускающими его практическое использование, получается лишь при соблюдении множества дополнительных ус-ловий - толщины и объёма полупроводников, концентрации легирующих примесей и т.д. Исследо-вания свойств полупроводников проводились физиками в различных странах с 1920-х годов, но би-полярный транзистор, аналогичный современным, был создан лишь в 1947 году. В 1956 году созда-тели биполярного транзистора У. Шокли, У. Браттейн и Д. Бардин были удостоены Нобелевской премии. Исследования полупроводников и их применения в микроэлектронике продолжаются и сейчас. Один из наиболее известных современных учёных в этой области, наш соотечественник академик Ж.И. Алфёров (1930-2019 годы), в 2000 году также удостоенный Нобелевской премии по физике.
Кроме кремния в природе имеются другие природные полупроводники, например, герма-ний. Существуют транзисторы и интегральные схемы на основе германия, но доступность кремния и наличие отработанных технологий производства сделали его предпочтительным базовым материа-лом.
Хотя отдельные транзисторы, диоды и прочие элементы и сегодня непосредственно мон-тируются на печатные платы, основой функционал современных компьютеров реализуют уже инте-гральные схемы. Интегральные схемы группируют на кремниевых пластинах огромное количество транзисторов, диодов и прочих элементов, создавая специализированные устройства, например, процессоры. Интегральные схемы позволили существенно удешевить компьютеры, а также уменьшить их размеры и увеличить производительность.
Монокристалл - это такое состояние кристаллического вещества, которое характеризуется крайне незначительным количеством нарушений геометрии его кристаллической решётки, то есть почти все атомы решётки расположены в идеальном по-рядке.
В природе монокристаллы практически не встречаются. Но для производства микроэлек-троники они важны, поскольку размеры создаваемых на базе кремния электронных элементов уже сопоставимы с расстоянием между атомами в кристаллической решётке (около 0,5 нм). Следователь-но, отдельные дефекты в кристалле могут привести к появлению неработоспособных полупроводниковых элементов.
Чтобы сделать природный кремний пригодным для использования в изготовление печат-ных плат, его очищают от примесей, достигая концентрации кремния близкой к 100%. Далее создают (выращивают) монокристаллы кремния в виде цилиндров. Эти цилиндры режут на пластины, на которых и размещают интегральные схемы (рис.5.1). Сейчас изготовляют цилиндры диаметром в 300 миллиметров, но разрабатываются технологии для создания 450 миллиметровых цилиндров. Увеличение диаметра цилиндров потенциально позволяет увеличить площадь интегральной схемы, и, следовательно, разместить на одной пластине больше транзисторов. Это, в свою очередь, позволяет выпускать более высокопроизводительные процессоры. Но увеличение диаметра кремниевых кристаллов сопряжено с большими технологическими трудностями.
Для того, чтобы сформировать на кремниевой пластине отдельные электронные элементы, используется специальная высокоточная технология под названием фотолитография.
Фотолитография - это технология нанесения на различ-ные поверхности рисунка с помощью некоторого вещества при помощи следующих действий: сплошное нанесение вещества на поверхность, нанесение защитного слоя, фотохимическая стаби-лизация защитного слоя в необходимых местах, растворение остальных (нестабилизированных) участков нанесённого вещества.
При производстве интегральных схем фотолитография выполняется следующим образом. На кремниевые пластины напыляются легирующие примеси, которые, как и в случае с изготовлени-ем отдельных полупроводниковых элементов, создают на поверхности кремния участки с p- или n-проводимостью. Вначале создаются все участки с p-проводимостью. Для этого вся поверхность кристалла на небольшую глубину леги-руется р-примесью. Следом кристалл покрывается фоторезистом - веществом, которое приобретает химическую устойчивость к растворителю под действием света. Затем фоторезист "засвечивается" через специальный оптический трафарет, благодаря чему нужные участки кремниевой платины приобретают химиче-скую устойчивость. Наконец, растворителем смывается незасвеченный фоторезист и примеси на не-защищённых участках. В итоге p-примесь фиксируется в верхних слоях кремния только на нужных участках будущей интегральной схемы. После синтеза p-участков этот процесс повторяется с другим трафаретом, уже для n-примеси. В результате раз-ные участки кремниевой пластины легируются разными примесями. Перечисленные выше шаги мо-гут повторяться несколько раз или даже несколько десятков раз. Как и в случае с отдельными полу-проводниковыми элементами, на границах этих участков образуются p-n-переходы, на основе которых создаются миниатюрные транзисторы, диоды и другие элементы. Следует отме-тить, что, в зависимости от технологии, используемой на конкретном производстве, синтез p- и n- участков на кремниевой пластине может выполняться в другом порядке. Также возможно применение фоторезистов, которые, напротив, теряют устойчивость под действием света.
В современных процессорах используется большое количество полупроводниковых эле-ментов, их количество исчисляется миллиардами. Разумеется, все они работают не сами по себе, а в связке друг с другом. Подобно тому, как в электромеханических приборах для соединения отдель-ных элементов используются провода, для соединения полупроводниковых элементов интегральной схемы на кремниевую пластину наносятся проводники. Эти проводники являются токопроводящими дорожки из атомов металла с высокой электрической проводимостью, например, из золота.
Нанесение на кремниевую пластину легирующих примесей и проводников производится в несколько слоёв. Эта многослойность необходима, поскольку даже простейшие электрические схемы далеко не всегда можно сделать "плоскими". Например, если сложную схему расположить на плоскости, то различные её соединения будут пересекаться, не образовывая при этом электрического соединения в месте пересечения. Но этого можно достичь, если у схемы появляется третье измерение, то есть появится возможность разместить одно из пересекающихся соединений глубже - и тогда оно перестанет пересекать предыдущее, но общая геометрия схемы при этом сохранится.
На сегодняшний день достигнуты большие успехи в миниатюризации электронных эле-ментов. В первые десятилетия производства интегральных схем именно эта миниатюризация обеспечивала выполнение закона Мура, но сейчас этого уже недостаточно: в дальнейшем уменьшить в 100 раз размер транзистора, который и сейчас состоит из нескольких десятков атомов, уже не удастся. Дальнейшее увеличение производительности ЭВМ (и по-прежнему исполнение закона Мура) осуществляется путём распараллеливания - размещения на кристалле блоков процессора, работающих параллельно.
Основными компонентами современных вычислительных устройств являются печатные платы. На платах размещают интегральные схемы (например, процессоры), и отдельные элементы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы). Последние обычно нужны в тех случаях, когда, на-пример, элемент слишком велик по размеру для помещения на интегральную схему (например, кон-денсатор с большой ёмкостью), или когда требуется менять элемент или набор элементов в зависи-мости от разной версии платы (варьировать содержимое интегральной схемы при серийном выпуске нельзя). Кроме этого, на плате монтируются разъёмы для соединения с другими платами и устройст-вами, а также вспомогательные механические компоненты - кулеры, радиаторы. Наконец, непо-средственно на плате имеется набор токопроводящих дорожек, которые в нужных сочетаниях соеди-няют электрические выводы перечисленных компонент между собой и с интегральными схемами, что позволяет им обмениваться сигналами друг с другом.
Печатная плата представляет собой лист диэлектрика - обычно используется стеклопластик, который является жёстким и прочным материалом из стеклово-локна, пропитанного каким-либо полимером. На лист диэлектрика наносятся медные "дорожки", соединяющие выводы размещённых на плате интегральных схем и прочих компонент.
Кратко опишем технологию производства печатных плат.
Для изготовления печатных плат, подобно изготовлению интегральных схем, также ис-пользуется технология, основанная на фотолитографии. В качестве заготовки для печатной платы используют лист стеклопластика. Его покрывают слоем меди для создания токопроводящих доро-жек, соединяющих между собой различные элементы печатной платы - интегральные схемы, эле-менты, разъёмы и т.д. Для того, чтобы сформировать из сплошного слоя меди отдельные дорожки, выполняются следующие действия. На медный слой наносится слой фоторезиста (здесь, конечно, применяется другой состав, чем при изготовлении интегральных схем). На фоторезист проецируется изображение дорожек, после чего засвеченные участки фоторезиста, под которыми скрываются бу-дущие дорожки, становятся химически устойчивыми. Затем выполняется травление: плата помещается в растворитель, который растворяет медь, не за-щищённую фоторезистом. В итоге отсекается всё ненужное, то есть из всего медного слоя на плате остаются только отделённые друг от друга диэлектриком медные дорожки, а также монтажные площадки.
Последние являются специальными участками платы, к которым в определённом порядке подходят "дорожки", образуя на этих участках набор электрических контактов. На кон-такты выполняется пайка интегральных схем, разъёмов и прочих компонент. При пайке осуществля-ется электрическое соединение выводов компонент (так называемых "ножек") с контак-тами, и, следовательно, "дорожками" на плате. Также пайка обеспечивает жёсткое креп-ление компонент к плате за те же "ножки". В зависимости от особенностей компоненты, монтаж выполняется разными способами. Когда требуется высокая механическая прочность или возможность проводить большой ток, применяется сквозной монтаж, при котором "ножки" компоненты проходят сквозь плату, а монтажная площадка представля-ет собой набор контактов с отверстиями для ножек. Сквозной монтаж применяется для крепления на плату разъёмов и крупных мощных устройств, например, реле или трансформаторов. Для мелких компонент - отдельных микросхем и элементов - высокая прочность и возможность проводить большие токи обычно не требуются. В этом случае может применяться более дешёвый и компактный поверхностный монтаж, заключающийся в простом припаивании ножек к контактам или непосредственно к "дорожкам".
Электрическая схема печатной платы может, как и в случае с интегральными схемами, быть объемной, то есть потребовать более одного слоя. Для этого с обратной стороны заготовки так-же наносится медный слой, который используется для создания дорожек, и в итоге схема становится "двухэтажной". Но для сложных печатных плат (например, современных системных плат) двух слоёв бывает недостаточно. В этой ситуации изготовляют несколько печатных плат, а затем склеивают их между собой, получая в результате единую многослойную плату. Электрические соединения между дорожками в различных слоях плат выполняют при помощи сверления сквозных отверстий в плате и заполнения этих отверстий токопроводящим припоем (оловом).
Разъёмы, интегральные схемы и прочие элементы припаиваются к монтажным площадкам на плате. Для этого также используется оловянный припой. Температура плавления олова составляет всего 231,90 °C и легко достижима при перегреве печатных плат во время работы компьютера. Перегрев электронных компонент и протекание через паяное соединение большого тока могут привести к расплавлению и вытеканию припоя, что влечет нарушение контакта. Один из простых приёмов ремонта печатных плат в такой ситуации - это повторный нагрев при помощи технического фена, в результате чего капельки припоя плавятся и затекают обратно на свои места.
Для предотвращения перегрева интегральных схем используются вентиляторы (кулеры). Они крепятся на пчатную плату с помощью винтов или защелок, которые вставляются в специально просверленные на плате крепёжные отверстия.
Пример готовой печатной платы показан на рис.5.2.
p-n-переход, и как он как он используется в электротехнике?
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.