计算机硬件(简介 发展历程)

分类(1、按集成度划分 2、按结构划分 3、按编程工艺划分 组成)

制膜技术(简介 优点 对激光器要求 相关产品)

PLD

计算机硬件

简介

可编程逻辑器件PLD（programmable logic device) ：PLD是做为一种通用集成电路生产的，他的逻辑功能按照用户对器件编程来决定。一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片了。

发展历程

早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器(PROM)、紫外线可按除只读存贮器(EPROM)和电可擦除只读存贮器(EEPROM)三种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。

其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以， PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。这一阶段的产品主要有PAL和GAL。PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列(PLA)，它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。PLA器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在PAL的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑GAL，如GAL16V8,GAL22V10 等。它采用了EEPROM工艺，实现了电可按除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为了弥补这一缺陷，20世纪80年代中期Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型 CPLD和与标准门阵列类似的FPGA，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它ASIC相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。

分类

1、按集成度划分

（1）低集成度芯片。早起出现的PROM、PAL、可重复编程的GAL都属于这类，可重构使用的逻辑门数大约在500门以下，称为简单PLD。

（2）高集成度芯片。如现在大量使用的CPLD、FPGA器件，称为复杂PLD。

2、按结构划分

（1）乘积项结构器件。其基本结构为“与-或”阵列的器件，大部分简单PLD和CPLD都属于这个范畴。

（2）查找表结构器件。由简单的查找表组成可编程门，再构成阵列形式。大多数FPGA是属于此类器件。

3、按编程工艺划分

（1）熔丝型器件。早期的PROM器件就是采用熔丝结构的，编程过程是根据设计的熔丝图文件来烧断对应的熔丝，达到编程和逻辑构建的目的。

（2)反熔丝型器件。是对熔丝技术的改进，在编程处通过击穿漏层使得两点之间获得导通，这与熔丝烧断获得开路正好相反。

（3）EPROM型。称为紫外线擦除电可编程逻辑器件，是用较高的编程电压进行编程，当需要再次编程时，用紫外线进行擦除。

（4）EEPROM型。即电可擦写编程软件，现有部分CPLD及GAL器件采用此类结构。它是对EPROM的工艺改进，不需要紫外线擦除，而是直接用电擦除。

（5）SRAM型。即SRAM查找表结构的器件，大部分FPGA器件都采用此种编程工艺，如Xilinx和Altera的FPGA器件。这种方式在编程速度、编程要求上要优于前四种器件，不过SRAM型器件的编程信息存放在RAM中，在断电后就丢失了，再次上电需要再次编程（配置），因而需要专用的器件来完成这类配置操作。

（6）Flash型。Actel公司为了解决上述反熔丝器件的不足之处，推出了采用Flash工艺的FPGA，可以实现多次可编写，同时做到掉电后不需要重新配置，现在Xilinx和Altera的多个系列CPLD也采用Flash型。

组成

·一个二维的逻辑块阵列，构成了PLD器件的逻辑组成核心。

·输入/输出块：连接逻辑块的互连资源。

·连线资源：由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入/输出块之间的连接。

制膜技术

简介

脉冲激光沉积（PLD）Pulsed Laser Deposition是近年来发展起来的使用范围最广，最有希望的制膜技术。

简单来说，脉冲激光沉积PLD(Pulsed Laser Deposition)就是脉冲激光光束聚焦在固体靶面上，激光超强的功率使得靶物质快速等离子化，然后溅镀到目标物上。

优点

1.由于激光光子能量很高，可溅射制备很多困难的镀层：如高温超导薄膜，陶瓷氧化物薄膜，多层金属薄膜等； PLD可以用来合成纳米管，纳米粉末等。

2.PLD可以非常容易的连续融化多个材料，实现多层膜制备。

3.PLD可以通过控制激光能量和脉冲数，精密的控制膜厚。

对激光器要求

1.尽可能避免热效应：激光波长越短，越容易实现“冷加工”所以193nm,248nm的准分子激光器和266nm,355nm的高次谐波ND:YAG固态激光器为客户所常用。

2.大能量，短脉冲创造超过靶材的阈值的功率密度。

3.比较高的重复频率，提升溅射速度。

4.激光器使用简单，寿命长，易于维护（这一点Nd:YAG固态激光器要好于准分子激光器）。

相关产品

激光光源部分：法国Quantel公司的脉冲Nd:YAG激光器， (链接)

推荐型号：

1.Brillant B 系列：即插即用型3倍频（355nm），4倍频（266nm）结构；用户使用方便，也是商用PLD系统OEM厂家的选择。

2.YG980系列：高能量输出，工作稳定，维护方便。是科研用PLD系统的首选。

测试系统部分：

1.等离子体光谱测试系统： 英国Andor公司，

2.真空腔残余气体分析仪：美国SRS公司 RGA200等

3.红外热像仪：美国Electrophysics公司 PV320等

PLD

PLD(Pulsed Laser Deposition)脉冲激光沉积,也被称为脉冲激光烧蚀（pulsed laser ablation，PLA），是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。

历史背景

早于1916年，爱因斯坦（Albert Einstein）已提出受激发射作用的假设。可是，首部以红宝石棒为产生激光媒介的激光器，却要到1960年，才由梅曼（Theodore H. Maiman）在休斯实验研究所建造出来。总共相隔了44年。使用激光来熔化物料的历史，要追溯到1962年，布里奇（Breech）与克罗斯（Cross）利用红宝石激光器，汽化与激发固体表面的原子。三年后，史密斯（Smith）与特纳（Turner）利用红宝石激光器沉积薄膜，视为脉冲激光沉积技术发展的源头。

发展历程

不过，脉冲激光沉积的发展与探究，处处受制。事实上，当时的激光科技还未成熟，可以得到的激光种类有限；输出的激光既不稳定，重复频率亦太低，使任何实际的膜生成过程均不能付诸实行。因此，PLD在薄膜制作的发展比其它技术落后。以分子束外延（MBE）为例，制造出来的薄膜质素就优良得多。

往后十年，由于激光科技的急速发展，提升了PLD的竞争能力。与早前的红宝石激光器相比，当时的激光有较高的重复频率，使薄膜制作得以实现。随后，可靠的电子Q开关激光（electronic Q-switches lasers）面世，能够产生极短的激光脉冲。因此，PLD能够用来做到将靶一致蒸发，并沉积出化学计量薄膜。由于紫外线辐射，薄膜受吸收的深度较浅。之后发展出来的高效谐波激光器（harmonic generator）与激基分子激光器（excimer）甚至可产生出强烈的紫外线辐射。自此以后，以非热能激光熔化靶物质变得极为有效。

自1987年成功制作高温的Tc超导膜开始，用作膜制造技术的脉冲激光沉积获得普遍赞誉，并吸引了广泛的注意。过去十年，脉冲激光沉积已用来制作具备外延特性的晶体薄膜。陶瓷氧化物（ceramic oxide）、氮化物膜（nitride films）、金属多层膜（metallic multilayers），以及各种超晶格（superlattices）都可以用PLD来制作。近来亦有报告指出，利用PLD可合成纳米管（nanotubes）、纳米粉末（nanopowders），以及量子点（quantum dots）。关于复制能力、大面积递增及多级数的相关生产议题，亦已经有人开始讨论。因此，薄膜制造在工业上可以说已迈入新纪元。

PLD的机制

PLD的系统设备简单，相反，它的原理却是非常复杂的物理现象。它涉及高能量脉冲辐射冲击固体靶时，激光与物质之间的所有物理相互作用，亦包括等离子羽状物的形成，其后已熔化的物质通过等离子羽状物到达已加热的基片表面的转移，及最后的膜生成过程。所以，PLD一般可以分为以下四个阶段：

1. 激光辐射与靶的相互作用

2. 熔化物质的动态

3. 熔化物质在基片的沉积

4. 薄膜在基片表面的成核（nucleation）与生成

PLD主要优点

1. 易获得期望化学计量比的多组分薄膜，即具有良好的保成分性；

2. 沉积速率高，试验周期短，衬底温度要求低，制备的薄膜均匀；

3. 工艺参数任意调节，对靶材的种类没有限制；

4. 发展潜力巨大，具有极大的兼容性；

5. 便于清洁处理，可以制备多种薄膜材料。