A 70-es évek mikroelektronikája*

V A S Z E N K O V A. A. a Szovjetunió Elektronikai Ipari Minisztériuma Tudományos Központjának főmérnöke

A 70-es évek mikroelektronikája* ETO

82i.-i.o49.rr

„ior"

A tudományos-technikai forradalom jelenlegi szaka­ szában a mikroelektronikának vezető szerepe van. A mikroelektronika egyrészt az összes alapvető műszaki t u d o m á n y és iparág szintézise, másrészt ezen t u d o m á n y o k és i p a r á g a k fejlődésének katalizá­ tora. A mikroelektronika jellemző sajátossága fejlő­ désének nagy dinamizmusa, amely mind az elméletek és műszaki megoldások felújításában, mind pedig a termelésnövekedés r i t m u s á n a k felgyorsításában meg­ nyilvánul. Nő a felfedezések száma, bővül a mikro­ elektronikai eszközök létrehozására felhasznált jelen­ ségek köre és csökken az eszközök fejlesztéséhez és g y á r t á s á b a vételéhez szükséges idő.

Ezek és m á s nem kevésbé komoly tényezők ösz­ tönzik az elektronikai ipart egyre gyorsabb ü t e m ű fejlődésre és hogy mind újabb lehetőségeket hasz­ náljon fel a legmerészebb tervek megvalósítására. Hosszú t á v r a , pontosan m e g h a t á r o z n i a mikro­ elektronika fejlődésének tendenciáit túlságosan nehéz feladat lenne, célszerűnek látszik a közelebbi fel­ adatokat m e g h a t á r o z n i , a távlatiakról pedig csak kvalitatív* de valószínű k é p e t alkotni. A technológia tökéletesedésével és a „ p a r t i r e n d s z e r ű " g y á r t á s bevezetésével, amely lehetővé teszi, hogy egyidejűleg n a g y s z á m ú (millió nagyság­ rendű) eszközön végezzék el a technológiai lépéseket és csak a végső műveleteknél kelljen szétválasztani Egyre t ö b b olyan tényező jelentkezik, amely az a partikat különálló eszközökre, illetve eladásra elektronikai ipar fejlődésében új i r á n y o k a t h a t á r o z kész á r a m k ö r ö k r e , egyre t ö b b lehetőség nyílik a meg. Ezek közül a legjelentősebbek a k ö v e t k e z ő k : széles körű a u t o m a t i z á l á s r a és ezáltal a munka termelékenységének fokozására. A mind konstruk­ 1. A lakosság s z á m á n a k növekedése és a foko­ ciós, m i n d pedig funkcionális szempontból egyre zódó urbanizáció a szolgált, tások körének b ő v ü ­ bonyolultabb félvezető eszközök, ezen belül az léséhez és ezáltal az elektronikus készülékek egyre i n t e g r á l t á r a m k ö r ö k t ö m e g g y á r t á s a megkövetelte intenzívebb felhasználásához vezet. új technológiai módszerek kidolgozását. Napjaink­ 2. A feldolgozandó információmennyiség ugrás­ ban ilyen új módszereknek s z á m í t a n a k az elektron szerű növekedése és az emberek közötti k u m m u n i k á - és lézersugaras m e g m u n k á l á s , az ionimplantáció és a ciós lehetőségek fejlődése megkívánja a mechanikai nagy v á k u u m b a n t ö r t é n ő m e g m u n k á l á s . eszközök és gépek elektronikus készülékekre való Mindez lehetővé teszi olyan mikroelektronikai cserélését, a híradástechnikai, közlekedési és irá­ eszközök készítését, amelyekben az elemek m é r e t e nyítástechnikai p r o b l é m á k megoldását. n é h á n y mikron, sőt n é h á n y száz Á, ami viszont a 3. A munka termelékenységének növelése (külö­ technológiai m ű v e l e t e k végrehajtásánál szubmiknösen az elektronikai iparban) állandó erőfeszítést ron-pontosság b e t a r t á s á t igényli. igényel a munka minden fázisára és területére kiter­ A funkcionális lehetőségek, a konstrukció és a jedő automatizálás t e k i n t e t é b e n . Ez a „ m u n k a e r ő " technológiai folyamat tökéletesítése terén fellelhető terén mérnöki szinten is jelentős eltolódásokhoz t a r t a l é k o k biztosítják, hogy a 70-es évek fő építő vezet a kvalifikáltabb munka i r á n y á b a . elemei, a félvezető elektronika „ k l a s s z i k u s " esz­ 4. Sok iparilag fejlett országban a nyersanyag­ közei — a diódák, tranzisztorok és integrált á r a m ­ utánpótlással, az energiatartalékokkal és az atmosz­ körök lesznek. féra, illetve bioszféra szennyeződésével kapcsola­ Míg a 60-as években az i n t e g r á l t á r a m k ö r - g y á r t á s tos problémák egyre élesebben jelentkeznek. Ezen főként a számítástechnikai igényeinek kielégítésére problémák leküzdése pedig elképzelhetetlen a leg­ irányult, a 70-es évek mikroelektronikájának egyik rejtettebb technikai megoldások felhasználása nélkül. sajátossága lesz a rádióelektronikai berendezések gyakorlatilag minden csoportjához megfelelő integ­ r á l t á r a m k ö r ö k kifejlesztése és t ö m e g g y á r t á s a . Az * A Szovjet Kultúra és Tudomány Budapesti Székházában integrált á r a m k ö r ö k g y á r t á s a az elektronikai ipar a szerző által vezetett kerekasztal-megbeszélés bevezető teljes termeléséhez viszonyítva folyamatosan nőni előadása (1974. ápr. 26.). fog (1. ábra). Beérkezett: 1974. V. 28.

289

HÍRADÁSTECHNIKA XXV. ÉVF. 10. SZ.

tor logika) a termelés h a n y a t l á s á n a k és elhalásának fázisában vannak. A T T L (tranzisztor-tranzisztor logika) á r a m k ö r ö k termelése stabilizálódik az ECL (emitter csatolású logika) á r a m k ö r ö k és a Schottkydiódás T T L á r a m k ö r ö k pedig a g y á r t á s b a vezetés és a termelés növekedésének fázisában vannak. Az integráltáramkör-család új elemei az injek­ ciós logikai integrált á r a m k ö r ö k I L , amelyek nagy lehetőségeket rejtenek magukban: 2

i9sVwTfm'fm6~~~wöím ms ím ím 1.

ábra

A digitális integrált á r a m k ö r ö k területén a MOS á r a m k ö r ö k jelentőségének fokozása v á r h a t ó . Fel­ tételezhető, hogy 1975-re a k i b o c s á t o t t digitális i n t e g r á l t á r a m k ö r ö k 50%-át MOS á r a m k ö r ö k alkot­ ják. A. k i b o c s á t o t t MOS i n t e g r á l t á r a m k ö r ö k szer­ kezetében is jelentős változás figyelhető majd meg. Egyre nagyobb a r á n y b a n fognak készíteni komple­ menter MOS és zafir alapú MOS á r a m k ö r ö k e t . A MOS á r a m k ö r ö k a nagy sebességű digitális integrált á r a m ­ körök területén is a bipoláris á r a m k ö r ö k komoly vetélytársaivá v á l n a k . A Schottky diódás ly.m csatorna hosszúságú MOS á r a m k ö r ö k m á r napjaink­ ban is 1 ns alatti késleltetési időt biztosítanak 1 pJ mellett. Rádióelektronikai berendezéseknél egyre i n k á b b eltekintenek az analóg á r a m k ö r technika alkalmazásától és ha lehetséges á t t é r n e k a digitális megoldások alkalmazására, ami észrevehetően meg­ v á l t o z t a t h a t j a a termelés eloszlását, b á r a lineáris integrált á r a m k ö r ö k fejlesztése és g y á r t á s i kapacitása v á r h a t ó a n nagyobb ü t e m b e n fog nőni, mint a digi­ tális integrált á r a m k ö r ö k é . A digitális integrált á r a m k ö r ö k szerkezetében jelentős változások v á r h a t ó k . A 2. ábra grafikonja egy készülék ú g y n e v e z e t t „ é l e t c i k l u s á n a k " 5 fázisát mutatja: I. II. III. IV. V.

A A A A A

g y á r t á s b a vezetés fázisa; termelés növekedésének fázisa; termelés stabilizálódásának fázisa; termelés h a n y a t l á s á n a k fázisa; termelés elhalásának fázisa.

A logikai á r a m k ö r ö k alaptípusai közül az R T L (ellen­ állás-tranzisztor logika) és a D T L (dióda-tranzisz-

TTL j ECL

J)TL

/

STTL

f

!•

II.

\RTL

III.

IV.

V.

\H313-VA2\ 2.

290

ábra

— a sebesség-teljesítményszorzat 0,1 pJ vagy keve­ sebb (a modern T T L áramköröknél 100 pJ), ami lehetővé teszi felhasználásukat kis teljesítményű, szabványos logikai m á t r i x o k k é n t , mikroproceszszorokként, valamint elektronikus órák és ipari berendezések logikai á r a m k ö r e i k é n t ; — a megoldás rugalmassága lehetővé teszi, hogy egy kristályon digitális és analóg eszközöket is létrehozzunk. Példaként szolgálhatnak: a digi­ tális voltmérők áramkörei, amelyek néhányszor 10 számláncot és dekodert tartalmaznak; a fix memóriák, léptető regiszterek és a kalkulátorok bonyolult logikai á r a m k ö r e i ; analóg digitális és digitális analóg átalakítók a m e m ó r i á k k a l és egyéb logikai egységekkel egy kristályon: digi­ tális á r a m k ö r ö k a színes televíziók jelének beállítására és ellenőrzésére; — a technológiai műveletekhez csupán öt maszkból álló maszksorozat szükséges. Olyan kapu-konst­ rukció a l a k í t h a t ó k i , amely szükségtelenné teszi az á r a m g e n e r á t o r o k és terhelő ellenállások felhasználását. Mindezek nagyon gazdaságos ter­ melést biztosítanak. A standard T T L á r a m k ö r ö k d r á g á k n a k bizonyulhatnak az I L á ra mkörökhöz viszonyítva. 2

Az injekciós logikai elemekben egészen egyszerű bipoláris szerkezetet h a s z n á l n a k fel, amelyben egy kapunak egy komplementer tranzisztorpár felel meg. A vertikális, t ö b b kollektoros n-p-n tranzisz­ tor i n v e r t e r k é n t m ű k ö d i k , m í g a horizontális p-n-p tranzisztort á r a m g e n e r á t o r n a k és terhelésnek alkal­ mazzák. K ü l ö n ellenállások felhasználása nem szük­ séges. (Egy tipikus T T L kapu 6—8 tranzisztort tartalmaz.) Talán a legjelentősebb, hogy a Si kristályon a két elem akkora területen elhelyezhető, a m e k k o r á t egy h a g y o m á n y o s tranzisztor igényelt, ami kiküszöböli a szigetelési p r o b l é m á k a t . Egy ilyen szerkezet bonyolultsága azonos egy p l a n á r tranzisztor bonyo­ lultságával. Az P L á r a m k ö r ö k sajátossága, hogy az inverter ele­ mek topológiájának v á l t o z t a t á s á v a l egy kristályon k ü ­ lönböző sebességű elemek készíthetők. H a például a bázisréteg az injektorra merőleges, akkor a bázisellen­ álláson létrejövő horizontális feszültségesés a bázis áramsűrűség csökkenéséhez vezet. Ahhoz, hogy minden kollektor kapcsolási sebessége'maximális le­ gyen az inverterek az injektorral párhuzamosan he­ ly ezen dők el, aminek következtében minden kollek­ torra egyenlő á r a m j u t , de ebben az esetben az elér­ h e t ő elemsűrűség csökken, így csupán konstrukciós megoldás kérdése, hogy a szükséges a r á n y t beállítsuk a sebesség és az elérhető elemsűrűség között.

VASZEKKÖV, A. A.: A 70-ES ÉVEK MIKROELEKTRONIKÁJA 1. Kalkulátor

logikai

egységének

Az áramkör tipnsa

PL CMOS Statikus, p-csatornás MOS áram­ körök „ÉS—VAGY" Statikus p-csatornás MOS áramkör kiürítéses üzemmódban dolgozó terhelő tranzisztorokkal „ÉS— VAGY" Dinamikus p-csatornás MOS áram­ körök „ É S - V A G Y " Dinamikus p-csatornás MOS áram­ körök „NEM—ÉS"

táblázat

kristályméretei Terület mm

A MOS és a P L áramkörök terü­ leteinek aránya

0,75 1,11

1 1,48

1,30

1,78

1,17

1,5<>

1,08

1,44

1,41

1,88

2

Az 1. táblázatban egy P L kalkulátor á r a m k ö r kristályméreteit hasonlítjuk össze különböző MOS áramkörök méreteivel. Az alapul vett P L és a Si vezérlőelektródás MOS á r a m k ö r ö k topológiai felépí­ tése megegyezett. Különösen rohamosan fognak kifejlődni a m e m ó ­ riarendszerekben felhasznált félvezető alapú integ­ rált áramkörök (2. táblázat). 2. 1970

A memóriák'teljes információkapa­ citása milliárd bitben Félvezetős memóriák információA félvezetős memóriák, %

44 1.1 3

1975

táblázat 1980

212

2240

70 33

2000 90

Komoly perspektívák állnak a statikus és különö­ sen a dinamikus félvezető alapú m e m ó r i á k előtt, amelyeket nagy működési sebesség és alacsony telje­ sítményigény jellemző. Már napjainkban kidolgozták 1024 bites, b e é p í t e t t vezérlőrendszerrel rendelkező bipoláris a k t í v m e m ó r i á k a t , MOS integrált á r a m k ö ­ rök terén pedig m á r elérték a 4 K , illetve a 8 K b i t kapacitást. Integrált áramkörök minden csoportjára jellemző az integráltság fokának növekedése. Az áttérés L S I áramkörökre, amelyek 1000-nél t ö b b elemet tartalmaznak egy kristályon, jelentős változásokat idéz elő a technológiai folyamatban is. Mindenekelőtt az ilyen integrált á r a m k ö r ö k g y á r t á ­ sa — az áramkörtervezéstől az ellenőrzésig — meg^ kívánja a teljes automatizálást elektronikus számító­ gép felhasználásával. A z új technológiai műveletek­ hez sorolhatjuk az elektronsugaras fotolitográfiát, az ionimplantációt, a plazma-kémiai m e g m u n k á l á s t stb. A Z L S I á r a m k ö r ö k fő fejlődési i r á n y a ezen á r a m ­ körök szubrendszerekké válásához vezet, amelyre egy tipikus példa az 5x5 mm-es kristályon elhelyezett 8 bites szószervezésű mikroprocesszor. A mikropro­ cesszor alapeleme egy 16X16 b i t szervezésű operatív memória. A memóriához a 16 regiszter valamelyikén keresztül férhetünk hozzá. Ez az egyedi felépítés

65536 8 bites szó t á r o l á s á t teszi lehetővé. A 25 „ m i k r o u t a s í t á s " teljes végrehajtásához 6 ;JLS idő szük­ séges. R. Noyce, az Intel cég elnöke szerint a mikropro­ cesszor létrejöttét egyenlő értékűnek t e k i n t h e t j ü k az elektromos motor létrehozásával, amelynek meg­ jelenése az emberi tevékenység minden területén forra­ dalmat v á l t o t t k i . A nagy integráltságé á r a m k ö r ö k létrejötte, fejlesz­ tése és g y á r t á s a a rádióelektronikai berendezés építés és a rádióelektronikai alkatrészek fejlődésének tör­ vényszerű következménye. A rádióelektronikai berendezések bonyolultságának fokozódása, a méretek, súly, megbízhatósági és ener­ getikai jellemzők i r á n t t á m a s z t o t t igény a nagyintegráltságú á r a m k ö r ö k létrejöttéhez vezetett, és szükségessé tette minden áramköri elem méretének jelentős csökkentését. I l y módon az integrált á r a m ­ körök kidolgozása hatással volt az á r a m k ö r i elem értelmezésére. Eddig az áramköri elemeken diódákat, tranzisztorokat, ellenállásokat, k o n d e n z á t o r o k a t stb. értettek, és az á r a m k ö r ö k ezekből az elleniekből épül­ tek fel. Elméleti szempontból ez az állapot nem változott, de bizonyos esetekben m á s á r a m k ö r ö k e t vagy funkciókat is elemeknek t e k i n t h e t ü n k . A fejlesztőket egyre i n k á b b foglalkoztatja az a gondolat, hogy az integrált á r a m k ö r ö k e t ne diszkrét elemekből állítsák össze, hanem olyan funkcionális egységekből, amelyek megvalósítása minden szem­ pontból kifizetődőbb lenne. Eltekintve attól, hogy a klasszikus integrált á r a m - • körök egyelőre domináló jelentőségűek maradnak, megállapítható, hogy fejlődési lehetőségeiket a k ö v e t ­ kező tényezők k o r l á t o z z á k : Energetikaikorlát A félvezető eszközökben információ hordozásra az elektromos töltést (q), használják, amelynek egy hőpotenciált K T / q kell legyőznie, ez pedig P = = ( K T / q ) 2 . R teljesítmény veszteséggel j á r . T = 300 °C hőmérsékletnél P = 10~ W , amely h a t á r é r t é k vala­ mennyi félvezető eszközre nézve. . 6

Hó'korlát A félvezető eszközök működésének jellemzője, hogy a készülékek bemeneti C k a p a c i t á s á t (amely m a g á b a foglalja a p-n átmenetek, illetve a MIS szerkezetek k a p a c i t á s á t ) , valamint a kontaktusok és vezetékek közötti k a p a c i t á s o k a t is, egy V működési feszültségre kell feltételeznünk. Ehhez egy P = C V / T teljesít­ m é n y r e van szükség ( t — az eszköz beállási ideje). Az eszköz túlmelegedésének megakadályozása érde­ kében, ezt a teljesítményt el kell v e z e t n ü n k . Az eddig elért P szint 1 0 J . Ez az érték korlátozza az elemsűrűséget és a működési sebességet (az elméleti h a t á r 10~ J) 2

_10

T

12

Konstrukciós

határ

Az integrált áramkörök, különösen a nagyintegráltságúak, bonyolult elektronikus á r a m k ö r ö k megvaló­ sítását teszik lehetővé nagyszámú, különböző elem egyesítése által (p-n á t m e n e t e k , MOS s t r u k t ú r á k , el­ lenállások, kondenzátorok kontaktusok, stb.). K ö v e t -

291

HÍRADÁSTECHNIKA XXV. ÉVF. 10. SZ.

kezesképpen, a klasszikus elemek felhasználása a növekvő integráltságú á r a m k ö r ö k b e n az úgynevezett mennyiségi tirannizmus" — a mennyiségi elural­ kodás — problémájához vezet. A nagy elemszám és az elektromos összekötések nagy száma, amelyet csak többrétegű fémezéssel v a l ó s í t h a t u n k meg, a kihozatal szempontjából h a t á r t állít (következésképpen kor­ látozódik a gyakorlatilag megvalósítható integrált­ sági fok) és ezen kívül nagyon nagyfokú integráltság esetében a megbízhatóság sem lehet jobb, mint 10 •> óra ' Funkcionális

határ

A rádióelektronikai berendezésekben a félvezető­ alapú integrált á r a m k ö r ö k lehetőségeiknek megfelelő­ en a logikai egységekben, a memóriarendszerben, vagy az erősítő fokozatokban kerülnek felhasználásra, ami e berendezések szerkezetének csak a felét teszi k i . Ugyanakkor a k o m m u t á c i ó s (különböző típusú relék, csatlakozók, végrehajtó eszközök), a lezáró (terminál) és kijelző egységekben az integrált á r a m ­ körök felhasználása nem s z á m o t t e v ő . A félvezető alapú mikroelektronikában új ten­ dencia figyelhető meg, amely a félvezetőkben leját­ szódó térfogati jelenségek felhasználását tűzi k i célul. Ide sorolhatjuk elsősorban az erős elektromos terek doménjeit (Gunn-effektus), az á r a m v e z e t ő k e t és a töltődési jelenségeket. A doméneken alapuló mikroelektronikai eszközök nagyon sok funkcioná­ lis lehetőséget rejtenek magukban. A Gunn-effektuson alapuló elemek az ultranagy-frekvenciás gene­ r á t o r o k k é n t és erősítőként t ö r t é n ő felhasználásukon kívül lehetőséget n y ú j t a n a k a következő funkcionális egységek megvalósítására: impulzuskódmodulátorok, k o m p a r á t o r o k , analóg-digitális átalakítók, neurisztor késleltető vonalak, logikai elemek teljes sorozata, összetett formájú jelgenerátorok, léptető regiszterek és memóriák. Ezen elemek alapján ultragyors kap­ csolási idejű á r a m k ö r ö k h o z h a t ó k létre (az elméleti h a t á r 10~ s), amelyek sebesség szempontjából leg­ a l á b b egy nagyságrenddel jobbak a legkiválóbb szilícium alapú áramköröknél, azonos disszipációs tel­ jesítmény mellett. 12

A Gunn-diódákon alapuló m i n i a t ű r U H F generá­ torok m á r t ú l j u t o t t a k a kidolgozás laboratóriumi fá­ zisán. Ezek a generátorok a klisztronokhoz képest kis zajszintűek és elegendően nagy teljesítményt biztosítanak ahhoz, hogy az 1—80 GHz t a r t o m á n y ­ ban m ű k ö d ő rádiólokációs berendezésekben felhasz­ n á l h a t ó k legyenek. Ezek a diódák lavina üzemű gene­ ráció esetében folyamatos ü z e m m ó d b a n 20—350 mW, míg impulzus ü z e m m ó d b a n 1—400 W kimenő telje­ s í t m é n y t biztosítanak. A tértöltés-felhalmozást kor­ látozó üzemmódú Gunn-dióda 3—6 k W impulzus teljesítményt biztosít 1,5—2 GHz frekvenciatarto­ m á n y b a n , 10—20%-os hatásfok mellett. A Gunn-dió­ dákon alapuló, impulzus ü z e m m ó d b a n használt U H F generátorok teljesítmény és frekvencia szempontjá­ ból felülmúlják az összes többi hasonló alkalmazási területű szilárdtest eszközt (tunnel dióda, lavina dióda stb.). A közeljövőben tervezik a tértöltés felhalmozást korlátozó ü z e m m ó d b a n m ű k ö d ő Gunn-diódák kidol­ gozását, amelyek kimenő teljesítménye impulzus

292

ü z e m m ó d b a n a 3—6 cm-es t a r t o m á n y b a n 10 k W lesz. Az áramvezető fonalak felhasználása a félvezető eszközökben szintén sok lehetőséget biztosít a fel­ használók számára, új funkcionális egységek létre­ hozására. Azok a funkcionális áramkörök, amelyekben a töl­ tésfelhalmozódás és t o v á b b í t á s effektusát alkalmaz­ zák m á r jelenleg is 3-10 elem/cm sűrűség elérését teszik lehetővé. Ezek az eszközök lényegében MOS szerkezetek és technológiai szempontból igen egy­ szerűek (a szükséges technológiai lépések száma a h a g y o m á n y o s MOS technológiához képest felére csök­ kent). A töltéstovábbító, vagy a töltéscsatolású esz­ közök (CGD) logikai áramkörök, késleltető vonalak, memóriarendszerek és kijelzőegységek alapelemeiül szolgálhatnak. A CCD eszközök technológiája a hagyo­ m á n y o s MOS tranzisztorokhoz viszonyítva meglehe­ tősen egyszerű, az á r a m k ö r területigényének majd­ nem tízszeres csökkenése (0,0016 m m / b i t ) ezen áramkörök önköltségének jelentős csökkenéséhez vezet. Már napjainkban is készültek egysoros 1600 elem felbontású 128x256 m á t r i x elemű fotoelektromos képátalakítók. A CCD eszközökkel elért m ű ­ ködésifrekvencia 1 GHz, 0,9999-es átviteli effektivitás mellett. Szilíciumnitrid szigetelésű térvezérlésű tran­ zisztorok (MNOS) felhasználásával lehetőség nyílik a félvezető alapú m e m ó r i á k egyik legjelentősebb h á t ­ r á n y á n a k , a tápfeszültség-kimaradás okozta infor­ mációvesztés leküzdésére. Az ilyen memóriák lehe­ tővé teszik 10 elem/cm sűrűség megvalósítását 10~ beírási idő mellett. 5

2

2

8

2

6

A nagy kapacitású, nagy sebességű memóriák meg­ valósíthatók az amorf anyagok alkalmazásán ala­ puló, szimmetrikus S-alakú feszültség — á r a m k a r a k terisztikával rendelkező kapcsolók segítségével is. Ezen eszközök kapcsolási ideje 1,5'10 s. Kalkogenid üvegből készült elemek alapján m á r sikerült létre­ hozni nagy elemsűrűségű, 256 b i t kapacitású fix memó­ riát. Á memóriakapacitás 10 bit-ig bővíthető. Ezek főbb előnyei: a sugárzásállóság (2—3 nagyságrend­ del jobb, m i n t a bipoláris áramköröknél), lehetőség energiaveszteség nélküli információ tárolására, a fe­ szültség-áram karakterisztika szimmetrikussága a küszöbfeszültség széles h a t á r o k o n belüli változása mellett, az eszközök t ö m e g g y á r t á s á n a k gazdaságos­ sága. Perspektivikus felhasználási lehetőségei: nagy kapacitású memóriák, adatmegjelenítő rendszerek (sík képernyők), sugárzásálló készülékek. Figyelembe véve az elmondottakat a mikroelektronikában t o v á b b ­ haladás v á r h a t ó ebben az új műszaki-tudományos irányban, vagyis a funkcionális mikroelektronikában, ahol információhordozóként t ö b b dimenziós jelet használnak, amelynek paraméterei dinamikusan ve­ zérlődnek, a szükséges időben a vezérlőjel hatására létrejövő közeginhomogenitások által. A funkcionális elektronika elemeinek legfőbb sajátossága, hogy nem választhatók szét elemi területekre, amelyek egy speci­ ális funkció kielégítésére szolgálnak és rendeltetésük­ nek megfelelően képesek feldolgozni t ö b b dimenziós funkciókat. Ez jelentősen megnöveli az információfelfolgozó rendszer termelékenységét, kibővíti a funkcionális lehetőségeket és a klasszikus integrált áramkörökhöz képest az integráció fokának ugrás­ szerű növekedését teszi lehetővé. -10

8

VASZENKOV, A. A.: A 70-ES ÉVEK MIKROELEKTRONIKÁJA

A funkcionális készülékek körében nyílnak a leg­ perspektivikusabb lehetőségek a koherens elektro­ mágneses h u l l á m o k a t (különösen az optikai tarto­ m á n y t ) , ezenkívül az akusztikai, a szpin- és plazma­ jelenségeket hasznosító eszközök terén. Az új információhordozók felhasználása, újabb lehetőségeket biztosít a funkcionális mikroelektro­ nika — optoelektronika, akusztoelektronika, magnetoelektronika, kvantum-mikroelektronika — főbb i r á n y a i n a k fejlődésére. Ezáltal olyan készülékek és rendszerek létrehozása válik lehetővé, amelyek minőségileg eltérnek a hagyo­ m á n y o s integrált á r a m k ö r ö k t ő l és kiemelkedő m ű ­ szaki paraméterekkel rendelkeznek. A következők­ ben részletesebben t á r g y a l j u k az új i r á n y z a t o k lehető­ ségeit. Optoelektronika Az utóbbi i d ő b e n rohamosan nő az optoelektronikai eszközök felhasználása az elektronikus berendezések­ ben. A funkcionális mikroelektronika a következő köve­ telményeket t á m a s z t j a a fényforrásokkal szemben: kis méretek, kis teljesítményszükséglet, nagy h a t á s ­ fok, megbízhatóság és é l e t t a r t a m , egyszerű kivitelez­ hetőség. Ezen kívül természetesen integrált blokk illetve v é k o n y r é t e g rendszer formájában megvalósít­ h a t ó k és nagy sebességűek kell hogy legyenek. Nap­ jainkban ezeknek a követelményeknek leginkább az infravörös t a r t o m á n y b a n m ű k ö d ő GaÁs és a l á t h a t ó t a r t o m á n y b a n sugárzó GaAsP injekciós fotodiódák felelnek meg. Sikerült létrehozni 2 W ( I = 1 A ) telje­ sítmény mellett 17000 N fényerejű eszközöket. Jelenleg a GaAlAs fotodiódák 1 m W körüli tipikus teljesítmény mellett (a n y i t ó i r á n y ú á r a m n é h á n y tized y.A) 500—2500 N fényerőt biztosítanak. A napjainkban k i b o c s á t o t t fotodiódák hatásfoka nem haladja meg az 1—3%-ot. Az elkövetkezendő évek feladata, hogy 10—20% hatásfokú fotodiódákat hoz­ zunk létre, amelyek vezérlőárama 1 m A alatti, fény­ ereje pedig eléri az 500—1000 N - t . Intenzív k u t a t á s o k folynak 4-rétegű fényemittáló diódák kidolgozására, amelyek S-alakú feszültség-áram karakterisztikával rendelkeznek majd (hatásfokuk 2,3%, kapcsolásisebes­ ségük 0,5 jus). Igen perspektivikusak t o v á b b á a heter o á t m e n e t e t felhasználó injekciós fényforrások. Az optoelektronikai rendszerekben fotovevőként jelenleg leggyakrabban fotodiódákat és fototranzisztorokat alkalmaznak. A fotodiódák nagy sebességet (néhány GHz) biz­ tosítanak, de szükségessé teszik a kapott jel utólagos erősítését. Az optronokban használatos Si alapú fototranzisztorok fotoáram-erősítési tényezője 300— —400 a 10 —10 Hz f r e k v e n c i a t a r t o m á n y b a n . Az optoelektronikai eszközök legperspektiviku­ sabb csoportja a galvanikus szétválasztást bizto­ sító optoelektronikai m i k r o á r a m k ö r ö k (3. táblázat). Meg kell jegyeznünk, hogy az intenzív fejlesztés eredményeképpen az optoelektronikai eszközök para­ méterei jelentősen javulnak, á r u k pedig rohamosan csökken. Az egyre n ö v e k v ő információ tömeg felfolgozása a h a g y o m á n y o s rádióelektronika módszereivel még 5

4

3. Optoelektronikai mikroáramkörök

Nagysebességű optoelektronikai átkapcsolok

táblázat

Rendeltetésük

Számítástechnikai rendszerek és kommunikációs vonalak egy­ ségeinek és csomópontjainak jó minőségű elektromos szét­ választására szolgál. (Az átkapcsolok bemeneti és kimeneti paramétereit illesz­ teni kell az adott logikai áram­ körtípushoz.) Ezek az eszközök felhasználha­ tók vezérlő számítógépek mé­ rőkapcsolóiként a jelek átkap­ csolására a mérőadókról az analóg átalakítókra, továbbá valamennyi szelektív, analóg jelfeldolgozásra szolgáló rend­ szerben. A jelvonal és a végrehajtó mecha­ nizmusok szétválasztására szol­ gál Felhasználhatók az analóg jelek funkcionális feldolgozását vég­ ző rendszerekben

Analóg jelek optoelektronikai kommutátorai

Optoelektronikai áramkapcsolók Analóg optoelektronikai eszkőzök Különleges felhasználású optoelektronikai eszközök

olyan jelentős módosítással sem lenne perspektiviku­ san megoldható, m i n t az optikai összekötések alkal­ m a z á s a . Csupán elvükben új módszerekkel — így optikai téren a koherens, i l l . nem koherens fény felhasználásával — lehet a jövőben ezt az alapvető fontosságú feladatot megoldani. Az információ feldolgozásra jelenleg felhasznál­ h a t ó optoelektronikai módszerek, amelyekhez hason­ ló módszert a modern rádióelektronikában még nem találunk, lehetőséget adnak egész sor olyan speciális számítógép kidolgozására, amelyek alkalmasak a k ö ­ vetkező matematikai műveletek elvégzésére: — összeadás, kivonás, szorzás, osztás kétdimenziós függvények integrálása; — k é t függvény kölcsönös korrelációja: — Furie transzformáció; — függvények lebontása. A nemkoherens optoelektronika segítségével m á r napjainkban megvalósíthatók olyan speciális szá­ mítógépek, amelyek a képlogikát használják fel és sebességük meghaladja a 10 művelet/s-ot Az ilyen gépekben az információk nagy tömegeinek feldolgo­ zása egyidejűleg t ö b b csatornán t ö r t é n i k ( t ö b b m i n t 10 ). Á koherens optika felhasználásával (például holog­ ráfia) olyan számítógépek valósíthatók meg, ame­ lyek m e m ó r i a k a p a c i t á s a 10 b i t és a beírás-kiolvasási ciklus mindössze 20 ns. Elképzelhető, hogy optikai mó dszerek bevezetésével az információfeldolgozás minden fázisában sikerül elérni a 10 * m ű v e l e t / s sebességet. A magneto-optikai h a t á s o n alapuló lasereket alkal­ mazó m e m ó r i á k k u t a t á s a is r e n d k í v ü l perspektivikus. Az ilyen eszközökben a beírt információk sűrűsége elérheti a 10 bit/cm -t. í g y megoldható 10 b i t k a p a c i t á s ú memória kidolgozása is. Ezek a m e m ó r i á k nagy sebességükkel (a frekvenciatartomány 100 12

4

13

1

8

3

14

293

HÍRADÁSTECHNIKA XXV. ÉVF. 10. SZ.

MHz-ig terjed) t ű n n e k k i és azzal, hogy az infor­ mációk többszöri á t í r á s á t és törlését, valamint hosszú idejű t á r o l á s á t teszik lehetővé. Akusztoelektronika A félvezetőkben létrejövő elektron-fonon kölcsön­ h a t á s alapján az a k u s z t i k á b a n és az U H F techniká­ ban jól h a s z n á l h a t ó passzív és a k t í v eszközök hoz­ h a t ó k létre. Piezo-elektromos félvezetőkből m i n i a t ű r ultra­ hang-generátorok és erősítők (800 MHz-ig), valamint késleltető vonalak készíthetők, amelyek felhasznál­ h a t ó k az információfeldolgozó és egyéb rendszerek­ ben. A piezo-elektromos félvezető anyagokon alapuló v é k o n y r é t e g integrált szűrők és rezonátorok frekven­ c i a t a r t o m á n y a eléri 100—3000 MHz-et. Az informá­ ciófeldolgozó optoakusztikai rendszerekben lasersugár-moduláló egységeket, fény deflektorokat hasz­ nálnak, amelyeknek kapcsolási ideje 10~ s. Rugalmas hullámok felhasználásával az U H F hálózatok elemeivel analóg fázisfordítókat, irányí­ t o t t csatolókat és csillapító egységeket hoznak létre. A felületi akusztikus jelenségeket felhasználva a lasersugarat (fénysugarat) vezérlő rendszerekben nagy integráció és funkcionális sűrűség érhető el. A felsorolt eszközök kis m é r e t ü k k e l és nagy meg­ bízhatóságukkal tűnnek k i . 8

Magnetoelektronika A cilindrikus mágneses doménokon (ortoferritek, ferritgránátok) alapuló memóriaegységek r e n d k í v ü l perspektivikusak. Egy — laboratóriumi feltételek mellett létrehozott — memóriaegység információ­ sűrűsége elérte a 10 bit/cm -t, információfeldolgozási sebessége pedig a 3 M bit/s-ot (feltételezhető, hogy a közeljövőben elérhetővé válik a 10 bit/cm ). 5 c m térfogatú, 6 W teljesítményű, 15 millió b i t k a p a c i t á s ú szilárdtest alapú mágneses m e m ó r i a k i ­ fejlesztése v á r h a t ó . A z ilyen típusú m e m ó r i á k á r a 2 » 1 0 cent/bit, az energiaveszteség pedig 1 0 J / b i t lesz. Ezeknek az eszközöknek a fő előnye, hogy a mágneses domének azonos elemekből álló rendszert alkotnak és általuk logikai függvények, m e m ó r i á k , k o m m u t á c i ó s rendszerek valósíthatók meg a hor­ dozóanyag szerkezeti egyenletességének m e g b o n t á s a nélkül. így a mágneses domének kristálya befejezett számítóközegnek t e k i n t h e t ő , melynek felületén to­ v á b b i á r a m k ö r ö k helyezhetők el, amelyek a legkülön­ bözőbb logikai kombinációk, átkapcsolási és memória­ funkciók ellátásra szolgálhatnak. Ezek az eszközök perspektivikusan a l k a l m a z h a t ó k a következő t e r ü l e t e k e n : számítógépek külső m e m ó ­ riája, videojelek rögzítésére alkalmas szilárdtest disz­ kek, speciális rendeltetésű mágneses integrált á r a m ­ körök, memóriával és hívógombbal rendelkező tele­ fonberendezések jeleinek átkapcsolására és a vizuális információ kijelzésére szolgáló egységek. Az anyagok k u t a t á s a sok perspektivikus lehető­ séget n y ú j t különböző funkcionális egységek építé­ sére — a mágneses félvezetők például kontaktus nél­ 5

2

7

2

3

- 3

294

küli összekötések ós vezérlések létrehozására ajánl­ h a t ó k , vagy a k t í v és U H F elemeket t a r t a l m a z ó U H F monolit integrált á r a m k ö r ö k t o v á b b á N és S alakú feszültségáram karakterisztikával rendelkező eszközök, H a l i - a d ó k a t helyettesítő és m á s egységek megvalósítására a l k a l m a z h a t ó k . A mágneses spinelek lehetővé teszik a ferritmemó­ riákkal analóg memóriák megvalósítását. A spinelek technológiája jelenleg k ö n n y e b b e n kivitelezhető, m i n t a ferriteké. E z e n k í v ü l olyan a k t í v eszközök is készíthetők belőlük, amelyek a beírással és kiolva­ sással p á r h u z a m o s a n közvetlenül a mágneses közeg­ ben elvégzik a szükséges információfeldolgozást is.

Kvantum mikroelektronika A k v a n t u m mikroelektronika egyike a mikro­ elektronika legígéretesebb i r á n y z a t a i n a k . Intenzív k u t a t á s folyik olyan memóriaelemek kidolgozására, amelyek a szupravezető-fém fázis á t m e n e t e t hasz­ nálják fel. Ilyen szupravezető elemek — kriotronok — lehetővé teszik kriotronokon alapuló L S I áramkörök létrehozását, amelyek logikai, memória és vezérlési funkciókat l á t n a k el. A kriotronokon alapuló asszo­ ciatív memóriaegységek kapacitása elérheti a 10 -től 10 bitet. A kriotronok lassú működése ( n é h á n y pis) és folyékony He felhasználásának szükségessége jelenleg a h a g y o m á n y o s félvezető alapú integrált áramkörökhöz képest komoly h á t r á n y o k n a k számít. A Josefson-effektus felfedezésével, amely k é t gyen­ gén kapcsolódó tunel á t m e n e t é n jelentkezik, lehetővé vált olyan információfeldolgozó rendszer felépítése, amely napjainkban rekordparaméterekkel rendelkezik Működési sebességük eléri a 10 ps-ot, a teljesítmény­ disszipáció pedig a 0,1 m W , így a működési sebesség és teljesítmény sorzata 1 0 ~ J nagyságrendben van, ami milliószor jobb, mint a szillícium alapú integrált á r a m k ö r ö k b e n elérhető h a t á r é r t é k . Josefson-effektuson alapuló L S I á r a m k ö r ö k fejlesztésénél a legfőbb nehézséget stabil és r e p r o d u k á l h a t ó , vékony (20 Á) 7

8

18

1972 Kis, integráltságé digitális integrált áramkörök

_14

Tejjesitmenytranzisztorok Bináris int. áramkörök Optaelektronika Miniatűr számitógépek Memóriák., Digitális, mérő készülékek

Kisjelű, tranzisztorok

Vevőcsövek

Kalkulátorok ^.

1977

LSI Bináris int. áramkörök •Lineáris int. áramkörök -\-Teljesifmény tranzisztorok —Kis. integráltsága dtgit. int; áramkörök

Kalkulátorok Memóriák Digitális mérőkészülékek —Telj. hybrid áramkörökMiniatűr számitógépek

Kisjelű tranzisztorok Funkcionális mikro­ elektronika \H313-VA1\

3.

ábra

VASZENKOV, A. A.: A 70-ES ÉVEK MIKROELEKTRONIKÁJA

szigetelőréteg elkészítése jelenti. Megállapítható, hogy a Josefson-effektuson alapuló eszközök létrehozása új minőségi ugrást jelent a mikroelektronika fejlő­ désében. Az eszközök életciklusát 1972-ben és 1977-ben a 3. ábra grafikonjai m u t a t j á k . L á t h a t ó , hogy 1977-ben az L S I á r a m k ö r ö k és az optoelektronikai eszközök a termelés stabilizálódásának fázisában, az alacsony

integráltságú á r a m k ö r ö k a termelés h a n y a t l á s á n a k fázisában, míg a funkcionális mikroelektronika készü­ lékei a g y á r t á s b a vezetés, illetve a termelés felfutásá­ nak fázisában lesznek. Az a l a p k u t a t á s o k frontjának és a funkcionális mikroelektronika a l a p v e t ő irá­ nyainak kiszélesítése a legfontosabb v é g r e h a j t a n d ó feladat az i p a r á g magas m ű s z a k i - t u d o m á n y o s poten­ ciáljának biztosítása érdekében.