www.mexanik.ru

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

Высокие темпы развития технологии и техники ИС, харак терные для 1970-х годов, сохраняются и в нынешнем десятилетии. В 1977 г., когда вышло в свет первое издание этой книги специалисты работали над созданием ИС, содержащих несколько десятков тысяч элементов. В середине 1980-х годов были продемонстрированы ИС, содержащие миллионы элементов и с техническими возможностями, иллюстрируемыми 32-разрядным микропроцессором, который показан на фотографии.

За прошедшее десятилетие МОП-технология и особенно КМОП-технология заняли ведущее место в проектировании и разработке ИС. Продолжались интенсивные научно-исследовательские работы по кремниевой технологии, а дальнейший рост уровня автоматизации проектирования и производства обеспечил снижение стоимости и повышение выхода годных ИС. Несмотря на появление арсенид-галлиевых ИС относительно малого уровня интеграции, в обозримом будущем ведущая роль кремния как материала для производства ИС, по-видимому, сохранится. Основные структуры приборов и принципы их работы, свойственные ИС в 1977 г., по-прежнему играют ведущую роль в современных изделиях, хотя вследствие непрерывного уменьшения геометрических размеров элементов ИС потребовалось учитывать ряд новых эффектов.

Этот краткий обзор достижений технологии ИС повлиял на наши решения по пересмотру структуры и увеличению объема книги. Мы также откликнулись на просьбы наших читателей и привели конкретные примеры (непосредственно в тексте), а также ответы на задачи, отмеченные звездочками (в конце книги). Как и в первом издании, каждая глава завершается подробным анализом прибора, иллюстрирующим применение основных физических идей и принципов.

В книге десять глав, на две больше, чем в первом издании. Добавленный материал содержит более подробное изложение технологии изготовления ИС и более подробный анализ вопросов, касающихся МОП СБИС. Быть может, большинство преподавателей сочтет, что для обычного односеместрового курса объем материала слишком велик. Во вводном курсе большую часть материала гл. 2, 7 и 10 можно опустить. Вместе с тем студентам с хорошей подготовкой по физике полупроводников необязательно изучение гл. 1. Более сложные темы и задачи, отмеченные крестиком (t), можно опустить без ущерба для связности изложения.

Темы, рассмотренные в книге, излагаются в следующем порядке.

Глава 1. Полупроводники. В этой главе дается обзор основ физики полупроводниковых материалов: зонная теория твердых тел, принципы легирования полупроводников, статистика свободных носителей заряда и процессы дрейфа и диффузии. Представлены только те вопросы, которые необходимы для последующего анализа полупроводниковых приборов, причем основное внимание уделено не математическим выкладкам, а физике процессов. В последнем разделе в качестве конкретного приложения ИС рассмотрен интегральный магнитный датчик, основанный на эффекте Холла.

Глава 2. Технология изготовления кремниевых приборов. Здесь описываются выращивание кристаллов кремния, подготовка пластин, окисление, легирование пластин методом диффузии и ионного легирования, формирование рисунков схем, присоединение выводов и сборка в корпус (короче говоря, основные методы и операции современной планарной технологии). Некоторые разделы изложены весьма подробно (помечены крестиком). Если опустить эти разделы, то материал главы можно изложить значительно быстрее и тем не менее дать студенту широкий обзор технологии кремниевых ИС. В разделе, посвященном приборам, рассматриваются интегральные диффузионные резисторы.

Глава 3. Контакты металл — полупроводник. В этой главе дается понятие о тепловом равновесии между разными твердыми телами. Подробно рассматриваются электронные процессы в контактах с барьерами Шотки. В дополнительных разделах выполнены строгий вывод вольт-амперных характеристик такого перехода, исследование омических контактов Шотки и поверхностных эффектов у контактов металл — полупроводник. В разделе по приборам рассматриваются реальные структуры диодов Шотки.

Глава 4. рп-переходы. Тема данной главы — электронные процессы в неравномерно легированных полупроводниках. Подробно рассматривается поведение рn-перехода в режиме обратного смещения. Включен раздел по пробою переходов, который, однако, можно опустить без ущерба для связности изложения. В завершающем разделе анализируется полевой транзистор с управляющим переходом.

Глава 5. Токи в рп-переходах. Выводятся уравнения непрерывности для свободных носителей заряда. Вводятся понятия генерации и рекомбинации, с помощью которых затем строится описание характеристик рn-переходов в режиме прямого (инжектирующего) смещения. Анализ процессов накопления неосновных носителей и схемных моделей диодов обеспечивает основу для последующей разработки эквивалентных схем транзисторов. В дополнительных разделах подробно изложена теория рекомбинации Шокли — Холла — Рида и рассмотрены процессы генерации и рекомбинации в области объемного заряда. В разделе, посвященном приборам, основное внимание уделено применению диодных структур в ИС, в частности, для изоляции элементов ИС переходами.

Глава 6. Биполярные транзисторы. I. Основные свойства и характеристики. Основой для анализа биполярного плоскостного транзистора в данной главе служит модель с интегральным зарядом. В качестве особого случая общей теории рассматривается уже знакомый транзистор с равномерно легированными областями. Такой подход к изучению биполярных транзисторов обеспечивает естественный переход к таким вопросам, как режимы смещения, усиление по току и модель Эберса—Молла. При анализе транзистора основное внимание уделяется усилительным и переключающим свойствам интегральных планарных транзисторов. Только один раздел главы, посвященный обратимости транзистора, содержит материал, предназначенный для дальнейшего анализа приборов.

Глава 7. Биполярные транзисторы. II. Ограничения и модели. Материал этой главы ориентирован на вопросы автоматизированного моделирования транзистора на ЭВМ. Например, описание эффекта Эрли дано с помощью напряжения Эрли, а эффекты малого и большого эмиттерных напряжений анализируются с помощью модели с интегральным зарядом. Тот же подход применяется при анализе времени пролета через базу. Эта тема обеспечивает естественный переход к модели управления зарядом и к примерам ее применения. Из модели управления зарядом выводится малосигнальная гибридная П-образная модель и рассматривается эквивалентность различных моделей транзистора. Последней представлена модель транзистора для автоматизированного моделирования на ЭВМ. В разделе, посвященном приборам, рассматриваются рnр-транзисторы для ИС и такое их схемное применение, как схемы интегральной инжекционной логики.

Глава 8. Свойства структуры металл — окисел — полупроводник. В данной главе представлены дополнительные сведения по полупроводниковой электронике, которые необходимы для анализа МОП-приборов. Рассматриваются процессы обогащения, обеднения и инверсии поверхности полупроводника под управлением затвора и вводятся понятия напряжения плоских зон и порогового напряжения в МОП-структуре. В дополнительном разделе описываются поверхностные эффекты в рn-переходах и их влияние. Завершает главу анализ МОП-конденсаторов для ИС и приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Глава 9. МОП-транзисторы. I. Основы теории и модели. С помощью приближенной модели управления зарядом, а затем и более точной распределенной модели выводятся характеристики и свойства МОП-транзисторов. Представлены описания параметров прибора и его модели для расчета схем, причем особое внимание уделено пороговому напряжению прибора. Рассмотрены развитие МОП-технологии и особенности конструкции МОП ЗУ, которые открывают реальные перспективы дальнейшего развития этой быстроменяющейся области полупроводниковой техники. В заключительном разделе по приборам рассмотрены принципы проектирования и особенности конструкции элементов КМОП ИС.

Глава 10. МОП-транзисторы. II. Ограничения и перспективы развития. В главе рассматривается ряд эффектов, которые обычно не учитываются в простых теориях и моделях МОП-транзисторов: предпороговый ток, ограничение дрейфовой скорости новое напряжение и масштабная миниатюризация МОП-транзисторов. Приводится пример применения методов численного моделирования МОП-транзисторов. В заключительном разделе описываются расчет и основные характеристики ионно-легированного n-канального МОП-транзистора и краткое введение в модель обедненного МОП-транзистора.

При переработке книги нам очень помогли замечания читателей. Помимо лиц, упомянутых в предисловии к первому изданию, авторы благодарят П. Ко, Н. Чжунга и У. Оулдэма за полезные предложения и материалы, предоставленные для задач и примеров. Мы признательны за критический разбор книги, выполненный Ф. Хсу, С. Тамом и Т. Мацухарой. И наконец, мы вновь выражаем признательность Дж. Маллер за редактирование и перепечатку рукописи, что очень помогло нам в завершений этой огромной работы.

Беркли, Калифорния
Пало-Альто, Калифорния
Теодор Keйминс
Ричард Маллер

Назад, на страницу описания