Микроэлектроника: основы, операции, изделия

1.

MOLECULAR ELECTRONICS
RESEARCH INSTITUTE
Урок 1:Микроэлектроника: основы,
операции, изделия
Аскар Резванов

2.

Понятие микроэлектроника
Микроэлектроника

3.

Понятие микроэлектроника
Микроэлектроника

4.

Понятие микроэлектроника
Микроэлектроника
Размер
меньше, чем
0,0000001
метра

5.

Понятие микроэлектроника
Микроэлектроника
это область науки и техники,
Размер
занимающаяся созданием и
меньше, чем практическим использованием
0,0000001 различных устройств и приборов,
метра
работа которых основана на
изменении концентрации и
перемещении заряженных частиц
- электронов

6.

Что такое электрон?
Электрон
-
+
-
-
Модель атома
Д. Томсона (1903 г) –
это сфера, которая
заполнена
положительными
зарядами, внутри
которой электроны
(электрон подобен
изюму в кексе)

7.

Что такое электрон?
Электрон
-
+
-
-
+
-
-
Модель атома
Д. Томсона (1903 г) –
это сфера, которая
заполнена
положительными
зарядами, внутри
которой электроны
Ядро
-
Модель атома
Х. Нагаока (1904 г) –
это сфера, в центре
которой находится
положительно
заряженное ядро, а
вокруг него
располагаются
электроны

8.

Что такое электрон?
Электрон
-
+
-
-
+
-
-
Модель атома
Д. Томсона (1903 г) –
это сфера, которая
заполнена
положительными
зарядами, внутри
которой электроны
(электрон подобен
изюму в кексе)
-
Ядро
-
+
Модель атома
Х. Нагаока (1904 г) –
это сфера, в центре
которой находится
положительно
заряженное ядро, а
вокруг него
располагаются
электроны
Планетарная модель
атома,
предложенная
Э. Резерфордом
(электрон подобен
планете, которая
вращается вокруг
Солнца)

9.

Что такое электрон?
Это современная
Модель!
Электрон
-
+
-
-
-
Модель атома
Д. Томсона (1903 г) –
это сфера, которая
заполнена
положительными
зарядами, внутри
которой электроны
(электрон подобен
изюму в кексе)
Электрон
-
+
-
это
отрицательный заряд
-
Ядро
-
+
Модель атома
Х. Нагаока (1904 г) –
это сфера, в центре
которой находится
положительно
заряженное ядро, а
вокруг него
располагаются
электроны
элементарная
Планетарная модель
атома,
предложенная
Э. Резерфордом
(1911 г)
(электрон подобен
планете, которая
вращается вокруг
Солнца)
частица,
имеющая

10.

Где мы встречаемся с электронами в
жизни?
Электрический ток –
направленное движение
заряженных частиц

11.

Микроэлектроника вокруг нас
Микроэлектроника – это подраздел электроники, связанный с изучением и
производством электронных компонентов с размерами
элементов порядка нескольких микрометров(10-6м) и меньше.
характерных

12.

Микроэлектроника вокруг нас
Микроэлектроника – это подраздел электроники, связанный с изучением и
производством электронных компонентов с размерами
элементов порядка нескольких микрометров(10-6м) и меньше.
Где встречаются элементы микроэлектроники?
характерных

13.

Микроэлектроника вокруг нас
Микроэлектроника – это подраздел электроники, связанный с изучением и
производством электронных компонентов с размерами
элементов порядка нескольких микрометров(10-6м) и меньше.
Где встречаются элементы микроэлектроники?
характерных

14.

Микроэлектроника вокруг нас
Микроэлектроника – это подраздел электроники, связанный с изучением и
производством электронных компонентов с геометрическими размерами
характерных элементов порядка нескольких микрометров(10-6м) и меньше.
Основа всех
элементов
микроэлектроники - Микрочип
Где встречаются
элементы
микроэлектроники?

15.

Материалы микроэлектроники
Материалы
Металл
Вещество, материал
хорошо проводящий
Электрический ток
(Пр. медь, алюминий,
железо)
Полупроводник
Изолятор
Вещество, материал
не проводящий
Электрический ток
(Пр. SiO2 – песок,
пластмасса)

16.

Материалы микроэлектроники
Материалы
Металл
Полупроводник
Вещество, материал
хорошо проводящий
Электрический ток
(Пр. медь, алюминий,
железо)
Вещество, материал
обладающий
промежуточной
проводимостью
(Пр. кремний,
германий)
Изолятор
Вещество, материал
не проводящий
Электрический ток
(Пр. SiO2 – песок,
пластмасса)

17.

Материалы микроэлектроники
Материалы
Металл
Полупроводник
Вещество, материал
хорошо проводящий
Электрический ток
(Пр. медь, алюминий,
железо)
Вещество, материал
обладающий
промежуточной
проводимостью
(Пр. кремний,
германий)
Изолятор
Вещество, материал
не проводящий
Электрический ток
(Пр. SiO2 – песок,
пластмасса)
Кремний – основной для производства элементов микроэлектроники!

18.

Кремниевая пластина
300 мм
200 мм
150 мм
100 мм

19.

Кремниевая пластина
300 мм
200 мм
150 мм
Семейство микрочипов образуют
Интегральную схему
100 мм

20.

Интегральная схема
Интегральная схема – это микроэлектронное устройство произвольной
сложности (так же называют
полупроводниковой пластине.
«кристалл»)
изготовленная
на

21.

Интегральная схема
Интегральная схема – это микроэлектронное устройство произвольной
сложности (так же называют
полупроводниковой пластине.
«кристалл»)
Малая интегральная схема
(МИС)
Средняя интегральная
схема (СИС)
(до 100 элементов)
(до 1000 элементов)
Интегральная
схема
Большая интегральная
схема (БИС)
(до 10000 элементов)
Сверхбольшая
интегральная схема
(СБИС)
(свыше 10000 элементов)
изготовленная
на

22.

Интегральная схема
Интегральная схема – это микроэлектронное устройство произвольной
сложности (так же называют
полупроводниковой пластине.
«кристалл»)
Малая интегральная схема
(МИС)
Средняя интегральная
схема (СИС)
(до 100 элементов)
(до 1000 элементов)
изготовленная
на
Интегральная
схема
Большая интегральная
схема (БИС)
(до 10000 элементов)
Сверхбольшая
интегральная схема
(СБИС)
(свыше 10000 элементов)
На сегодняшний день
в основном идет
производство только
СБИС

23.

Микрочип
Есть ли что-то внутри микрочипов или это элемент подобный
куску материала?

24.

Микрочип
В разрезе представляет собой слоеный «пирог»
Passivation
Dielectric
Wire
Etch Stop Layer
Via
Dielectric Capping Layer
Copper Conductor with
Barrier/Nucleation Layer
Global
Intermediate
Metal 1
Pre-Metal Dielectric
Tungsten Contact Plug
Metal 1 Pitch

25.

Микрочип
В разрезе представляет собой слоеный «пирог»
Passivation
Dielectric
Wire
Etch Stop Layer
Via
Dielectric Capping Layer
Copper Conductor with
Barrier/Nucleation Layer
Global
Вся логика («мозги») процессора
заключены в этом слое
Intermediate
Metal 1
Pre-Metal Dielectric
Tungsten Contact Plug
Metal 1 Pitch

26.

Транзистор
Транзистор -
полупроводниковый прибор, предназначенный для
управления электрически током. Работает в качестве усиления
электрического сигнала.

27.

Транзистор
Транзистор -
Транзистор
полупроводниковый прибор, предназначенный для
управления электрически током. Работает в качестве усиления
электрического сигнала.
Биполярный
Полевой

28.

Транзистор
Транзистор -
Транзистор
полупроводниковый прибор, предназначенный для
управления электрически током. Работает в качестве усиления
электрического сигнала.
Биполярный
Полевой

29.

p-n переход
Электронный тип проводимости
Донор – отдает свободный электрон
Дырочный тип проводимости
Акцептор – забирает электрон

30.

p-n переход
Состояние
равновесия

31.

p-n переход
Состояние
равновесия
Подключили
+
Подключили
-

32.

p-n переход
Состояние
равновесия
Подключили
+
Подключили Подключили
-
Подключили
+

33.

Биполярный транзистор
В полупроводниковой структуре сформированы два p-n перехода,
перенос заряда через которые осуществляется носителями двух
полярностей
электронами и дырками. Именно поэтому прибор
получил название «биполярный»
Эмиттер
База
Коллектор
P – тип: когда носителями
заряда являются дырки
(положительный заряд)
N – тип: когда носителями
заряда являются электроны
(отрицательный заряд)

34.

Транзистор
Транзистор -
Транзистор
полупроводниковый прибор, предназначенный для
управления электрически током. Работает в качестве усиления
электрического сигнала.
Биполярный
Полевой

35.

Полевой транзистор
Электрическое поле
Согласно учению М. Фарадея и Д. Максвелла, пространство, окружающее
заряженное тело, отличается от пространства, в котором находятся
незаряженные тела. В пространстве, где находится электрический заряд,
существует электрическое поле. С помощью этого поля и осуществляется
электрическое взаимодействие.
Майкл Фарадей (1791-1867)
Джеймс Максвелл (1831-1879)

36.

Полевой транзистор
Электрическое поле
Согласно учению М. Фарадея и Д. Максвелла, пространство, окружающее
заряженное тело, отличается от пространства, в котором находятся
незаряженные тела. В пространстве, где находится электрический заряд,
существует электрическое поле. С помощью этого поля и осуществляется
электрическое взаимодействие.
Электрическое поле – это
поле, существующее вокруг тел
или
частиц,
обладающих
электрически зарядом

37.

Полевой транзистор
Диэлектрик
Металл
Исток
Затвор
N+
Сток
N+
P-тип
МДП транзистор
(металл-диэлектрик-полупроводник)

38.

Полевой транзистор
-
+
Исток
Сток
N+
N+
P-тип

39.

Полевой транзистор
Исток
+
-
Сток
N+
N+
P-тип
Движения электроном нет, так как нет канала между истоком и
стоком!

40.

Полевой транзистор
-
+
+
Исток
Сток
N+
N+
P-тип

41.

Полевой транзистор
-
+
+
+ + +
+ + +
Исток
N+
Сток
N+
P-тип

42.

Полевой транзистор
-
+
+
+ + +
+ + +
Исток
N+
- - - - - - - - - - + + + + + +
+ + + + + +
P-тип
Сток
+
+
N+

43.

Полевой транзистор
Исток
+
+
-
-
-
-
+ + +
+ + +
-
N+
-
-
- - - - - - - - - - + + + + + +
+ + + + + +
P-тип
+
+
-
-
-
N+
Сток

44.

Полевой транзистор
Исток
+
+
-
-
-
-
+ + +
+ + +
-
N+
-
-
- - - - - - - - - - + + + + + +
+ + + + + +
+
+
-
-
-
N+
P-тип
Ток течет – транзистор включен!
Сток

45.

Полевой транзистор
-
+
Исток
-
-
-
-
-
-
N+
- - - - + + + + + +
+ + + + + +
- - - - - - - - - - -
P-тип
+
+
-
-
N+
Сток

46.

Полевой транзистор
-
+
Исток
-
-
-
-
-
-
N+
- - - - + + + + + +
+ + + + + +
- - - - - - - - - - -
P-тип
+
+
-
-
N+
Ток не течет – транзистор закрыт!
Сток

47.

Как работает компьютер?
В зависимости от «знака», который мы подаем на затвор – транзистор открыт
или закрыт.

48.

Как работает компьютер?
В зависимости от «знака», который мы подаем на затвор – транзистор открыт
или закрыт.
Таким образом,
поставили
соответствие
Транзистор
открыт
Транзистор
закрыт
«1»
«0»

49.

Как работает компьютер?
В зависимости от «знака», который мы подаем на затвор – транзистор открыт
или закрыт.
Таким образом,
поставили
соответствие
Транзистор
открыт
Транзистор
закрыт
«1»
«0»
Двоичная логическая система
Такое состояние, «0» или «1», в
компьютерной
индустрии
назвали битом

50.

Логические операции
Название логической
операции
Логические
операции
Что это такое?
Обозначение
Инверсия
Логическое
отрицание