Проектирование электронной элементной базы наносистем. Книга 5

 
 
 
 
 
 
 
 
КОМПЛЕКТ 

учебно-методических комплексов дисциплин 
по тематическому направлению деятельности 
национальной нанотехнологической сети 

«НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

Проектирование электронной элементной базы наносистем 

БИБЛИОТЕКА «НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

 
В семнадцати книгах 
 
 
 1. МЕТОДЫ МИКРОСКОПИИ 

 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 
В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 3. ВЫСОКОВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  
В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 4. МНОГОКОМПОНЕНТНОЕ 3D-ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НАНОСИСТЕМ 

 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 

 6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАНОСЕНСОРОВ 

 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 

 8. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ НАНОСИСТЕМ 

 9. МЕТОДЫ ЛИТОГРАФИИ В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 10. ЭЛИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ 

 11. ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ 

 12. ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ 

 13. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
НАНОСИСТЕМ 

 14. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МИКРО- 
И НАНОСИСТЕМ 

 15. БИОНАНОИНЖЕНЕРИЯ 

 16. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 17. САПР НАНОСИСТЕМ 

 
 
 
 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана 
Москва 2011 

Введение 
3 

В.В. Макарчук, И.А. Родионов 
 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
ЭЛЕКТРОННОЙ 
ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 
 
 
 
Учебно-методический комплекс 
по тематическому направлению деятельности 
ННС «Наноинженерия» 
 
 
 
Под редакцией заслуженного деятеля науки РФ, 
члена-корреспондента РАН, профессора 
В. А. Шахнова 
 
 
Допущено учебно-методическим объединением вузов 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению 152200 «Наноинженерия» 
 

 

Проектирование электронной элементной базы наносистем 

УДК 621.382 
ББК 32.844 
 
М15 
 
УМК подготовлен в соответствии с заданием государственного  контракта 
№ 16.647.12.2008 на выполнение работ в рамках направления 2-й федеральной 
целевой программы «Развитие инфраструктуры  
наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы» 
 
Рецензенты: 

кафедра «Вакуумная электроника» Московского физико-технического 
института (зав. кафедрой, академик РАН  А. С. Бугаев); 
кафедра «Электроника и информатика» Российского государственного 
технологического университета им. К. Э. Циолковского 
(зав. кафедрой, профессор  С. Б. Беневоленский) 
 
 

М15 

Макарчук В. В.

Проектирование электронной элементной базы наносистем : 

учеб. пособие / В. В. Макарчук, И. А. Родионов. – М. : Изд-во МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2011. – 160 с. : ил. (Библиотека «Наноинжене-
рия» : в 17 кн. Кн. 5).

 
ISBN 978-5-7038-3496-1 (кн. 5) 
 
ISBN 978-5-7038-3509-8 

Методические материалы по дисциплине «Проектирование электронной 
элементной базы наносистем» содержат нормативную базу, рекомендации 
по организации и проведению лекций, практических занятий, семинаров, 
лабораторных работ и деловых игр, перечень учебных видео- и 
аудиоматериалов, слайдов, типовых плакатов и другие дидактические материалы, 
необходимые для работы профессорско-преподавательского состава 
по данной дисциплине.  
Для студентов, аспирантов и преподавателей высших технических 
учебных заведений по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем 
подготовки «Наноинженерия». Будут полезны всем, занимающимся 
вопросами нанотехнологий, наноинженерии, проектированием МЭМС/ 
НЭМС, созданием электронных систем различного назначения. 
УДК 621.382 
ББК 32.844 
 
 
 Макарчук В. В., Родионов И. А., 
2011 
 
 Министерство образования 
 
 
и науки РФ, 2011 
ISBN 978-5-7038-3496-1 (кн. 5) 
 Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
 
им. Н. Э. Баумана, 2011 

Введение 
5 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Успех в продвижении России по нанотехнологическому пути 
развития во многом будет зависеть от эффективности системы 
подготовки кадров, для создания и развития которой необходимо 
современное и качественное учебно-методическое обеспечение. 
Основная особенность нанотехнологии – ее междисциплинарный 
характер, который требует особых методических приемов 
и подбора соответствующего научного и учебного материала. 
В настоящее время имеется существенная нехватка учебно-
методического обеспечения такого характера. Поэтому адаптация 
учебно-методического обеспечения для подготовки кадров по программам 
высшего профессионального образования для тематических 
направлений ННС и его апробация на базе ведущих университетов 
Российской Федерации направлены на реализацию инновационной 
модели образования, подразумевающую тесную связь 
учебного и научно-исследовательского процесса на базе проектных 
методов обучения, современных экспериментальных методик 
и перспективных технологических процессов создания наномате-
риалов, наноструктур, приборов, устройств и систем на их основе. 
Современные образовательные программы должны обеспечивать 
приобретение студентами профессиональных навыков и компетенций, 
необходимых для эффективной и самостоятельной работы 
в наноиндустрии. 
В связи с этим актуальной задачей является разработка и издание 
УМК, которые обеспечат учебно-методическую поддержку 
подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным 
программам высшего профессионального образования по тематическому 
направлению деятельности ННС «Наноинженерия» образовательными 
учреждениями высшего профессионального образования 
на территории Российской Федерации. 
Целью создания данного комплекта УМК является повышение 
эффективности междисциплинарной подготовки бакалавров и магистров 
путем распространения передового опыта в разработке 

Проектирование электронной элементной базы наносистем 

УМО среди вузов, осуществляющих подготовку по тематическим 
направлениям ННС, и внедрения компонентов вариативного 
маршрутного обучения на базе адаптированного учебно-методического 
комплекса дисциплин по тематическому направлению деятельности 
ННС «Наноинженерия». 
УМК разработаны коллективом авторов в рамках реализации 
федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры 
наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы». 
На базе представленных УМК создана вариативная система 
маршрутного междисциплинарного обучения студентов по тематическому 
направлению деятельности ННС «Наноинженерия», 
обеспечивающая подготовку квалифицированных специалистов 
с соответствующими профилями. Разработаны электронные версии 
учебно-методических комплексов дисциплин на основе Web-
версии, соответствующей стандарту SCORM 2004, 3rd edition 
(http://nanolab.iu4.bmstu.ru). 
Глубокую благодарность авторы выражают рецензентам: А. С. Бугаеву – 
академику РАН, заведующему кафедрой Московского физико-
технического института, и С. Б. Беневоленскому – профессору,  
заведующему кафедрой Российского государственного технологического 
университета им. К. Э. Циолковского, чьи замечания способствовали 
улучшению содержания УМК. 
Разработанные 17 УМК обеспечат учебно-методическую поддержку 
подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным 
программам высшего профессионального образования 
по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем подготовки «
Наноинженерия» образовательными учреждениями высшего 
профессионального образования на территории Российской Федерации. 

Авторы будут признательны читателям за все замечания по содержанию 
УМК, которые следует направлять по адресу: 105005, 
Москва, 2-я Бауманская ул., МГТУ им. Н. Э. Баумана. 
 
В. А. Шахнов 

Введение 
7 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

БИС
–
большая интегральная схема

ДТЛ
–
диодно-транзисторная логика

ИИЛ
–
интегральная инжекционная логика

ИМС
–
интегральная микросхема

КД
–
конструкторская документация

КМДП
–
комплементарная металл–диэлектрик–полупроводник 
структура (на базе полевых транзисторов с дополняющими 
типами проводимости каналов)

КР
–
курсовая работа

ЛЭ
–
логический элемент

МДП
–
металл–диэлектрик–полупроводник

ПХЭ
–
передаточная характеристика элемента

РТЛ
–
резисторно-транзисторная логика

САПР
–
система автоматизированного проектирования

СБИС
–
сверхбольшая интегральная схема

СПХ
–
статическая передаточная характеристика

ТП
–
технологический процесс

ТТЛ
–
транзисторно-транзисторная логика

ТТЛШ
–
транзисторно-транзисторная логика с диодами 
Шоттки

ЭВС
–
электронно-вычислительное средство

ЭС
–
электронное средство

Проектирование электронной элементной базы наносистем 

ВВЕДЕНИЕ 

Дисциплина «Проектирование электронной элементной базы 
наносистем» относится к специальным дисциплинам программы 
подготовки бакалавров и магистров по направлению «Наноинже-
нерия и микросистемная техника», реализуемому в МГТУ им.  
Н. Э. Баумана и изучается в весеннем семестре 3-го года обучения. 
Цель лекционного курса состоит в том, чтобы дать будущему 
специалисту знания в области схемотехники существующих в 
настоящее время логических элементов и схем, являющихся основой 
построения микро- и наносистем различного назначения. 
Знания существующей элементной базы, используемой при 
проектировании современных цифровых устройств, в дальнейшем 
необходимы им при выполнении курсовой работы в осеннем семестре 
4-го года подготовки, которой заканчивается обучение студентов 
данной дисциплине.  
Методологически дисциплина построена по блочному принципу 
и разбита на шесть блоков. 
В первом блоке рассматриваются математические основы теории 
цифровых устройств, в частности алгебры логики, или, как ее 
еще называют, булевой алгебры. В этом же блоке изложены вопросы 
обозначений логических устройств в конструкторской документации 
согласно действующим стандартам. 
Во втором блоке приводится классификация существующей 
элементной базы микроэлектроники и рассматриваются основные 
функциональные параметры, характеризующие техническое совершенство 
и качество работы логических элементов, используемых 
при построении электронных блоков микро- и наносистем. 
В третьем блоке рассмотрена схемотехника логических элементов 
микро- и наносистем, в которых активными приборами являются 
биполярные транзисторы. Это наиболее широкий класс логических 
устройств, который на протяжении нескольких десятилетий 
доминировал при разработке цифровой аппаратуры различного 
назначения. 

Введение 
9 

Четвертый блок посвящен схемотехнике логических элементов 
на инжекционных транзисторах. Несмотря на то что в настоящее 
время этот вид логических элементов применяется относительно 
редко, авторы сочли необходимым привести его, поскольку именно 
появление инжекционной логики впервые позволило создать 
действительно целые микросистемы на кристалле. 
В пятом и шестом блоках излагается схемотехника логических 
элементов, построенных на полевых транзисторах с индуцированным 
каналом, являющаяся в настоящее время основой построения 
современных БИС и СБИС. Помимо этого в пятом блоке кратко 
излагается физика работы полевого транзистора с индуцированным 
каналом. Блок подготавливает студентов к изучению схемо-
техники логических элементов на полевых транзисторах с дополняющим 
типом проводимости каналов, которые стали основной 
элементной базой перспективных микро- и наносистем. 
В основу представляемого здесь конспекта лекций положены материалы 
одноименного курса, читаемого авторами на факультете 
«Информатика и системы управления» в МГТУ им. Н. Э. Баумана. 

1. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 

Цель дисциплины: изучение основных методов и принципов 
построения цифровых блоков электронной аппаратуры микро-  
и наносистем. Получение практических навыков работы с современными 
САПР цифровых и аналоговых узлов электронной аппаратуры 
для микро- и наносистем. 
Задачи дисциплины – получение теоретических и практических 
навыков разработки в области схемотехники существующих 
в настоящее время логических элементов и схем, являющихся основой 
построения микро- и наносистем различного назначения. 

1.1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ 

1.1.1. БУЛЕВА АЛГЕБРА 

Математический аппарат, описывающий действие дискретных 
устройств, базируется на алгебре логики, или, как ее еще называют, 
булевой алгебре, названной в честь английского математика 
Джорджа Буля. 

СПРАВКА

Джордж Буль (1815–1864) – английский математик, создатель алгебры логики, 
названной впоследствии в его честь булевой алгеброй. Родился в семье торговца. 
Самоучка. В конце карьеры – профессор математики в католическом колледже 
в Корке (Англия). 

Имел 5 дочерей, в том числе будущую знаменитую писательницу Этель 
Войнич, автора широко известного в свое время романа «Овод», посвященного 
освободительной борьбе итальянского народа против австрийского господства.

На практике булева алгебра впервые была применена американским 
ученым Клодом Шенноном в 1938 г. при исследовании 
электрических цепей с контактными выключателями.