Коледов Л.А. - Технология ИС, страница 7

При этом, естественно, объемы производства каждого устройства будут сравнительно небольшими. Но уже одна только разработка БИС и СБИС занимает несколько месяцев, а ее освоение в производстве — до нескольких лет. Качественным скачком, определившим выход из противоречивой ситуации, явилось создание БИС, функции которых могли быть заданы подачей по определенной программе на их входы внешних электрических импульсов. Возможность функциональной перестройки с помощью программирования является отличительной чертой интегральных схем микропроцессоров.

Появление микропроцессорных БИС и СБИС является результатом поступательного развития и взаимного обогащения технологии микроэлектроники и микросхемотехники (высокая степень интеграции, создание схемотехнически сложных устройств в одном кристалле) и вычислительной техники (развитие архитектуры ЭВМ, алгоритмических языков и программного обеспечения). Как известно, процессор — это основная 29 "ь'„а Ейлпл ргг 35 Ле П ло вг Лз л4 Соанаотная разработка ГДР н СССР !!а1.

30 3! часть ЭВМ, непосредственно осуществляющая процесс обработки данных и управляющая им. Микропроцессором (МП) называется программно-управляемое устройство, осуществляющее обработку цифровой информапии и построенное на одной илн нескольких СИС, БИС или СБИС. Микропроцессорный комплект микросхем (МПК) — это набор микросхем, предназначенных для совместного применения, включающий необходимое и достаточное их количество для построения вычислительной техники. Базовым микропроцессорным комплектом называется минимальный набор интегральных микросхем, необходимый и достаточный для построения микропроцессора, Микросхема, предназначенная для построения различных узлов и устройств ЭВМ или микро-ЭВМ и входящая в состав микропроцессорного комплекта, называется микропроцессорной интегральной микросхемой. Как вычислительные устройства микропроцессоры характеризуются простотой управления, малым потреблением энергии, небольшими габаритными размерами, возможностью встраивания в объект контроля нли управления, возможностью адресации к большим объемам памяти, а как изделия электронной техники — конструктивно-технологическим исполнением, степенью интеграции, надежностью, стоимостью, способом защиты от внешних воздействий.

В табл. 1,3 приведен перечень выпускаемых промышленностью и широко используемых микропроцессорных комплектов, из которой видно, что большинство из них выпускаются с использованием Таблицу 1.3, Ваикропроцессорные комплекты БИС н СИС различных вариантов МДП-технологии.

По технологии изготовления, базирующейся на биполярных транзисторах (И'Л, ТТЛ, ТТЛШ), выпускают секционированные микропроцессоры, с наращиваемой разрядностью обрабатываемых чисел: 2п, 4п, 8п и т. д., где и=1, 2, 3,- Микропроцессорные БИС и СБИС являются типичными предСтавителями программно-перестраиваемых интегральных микросхем. Вторым путем сокращения номенклатуры БИС является построение БИС на основе базового кристалла, представляющего собой матрицу не соединенных между собою элементов, электрические связи между которыми формируются в соответствии с назначением БИС на этапе формирования разводки групповым способом с помощью одного или нескольких заказных фотошаблонов. Такие БИС называются матричными или (нногда) полузаказными. На основе одного базового кристалла можно изготовить сотни функционально различных устройств. Весь процесс разработки матричной БИС от составления технического задания до получения опытных образцов занимает несколько недель.

Применение системы автоматического проектирования (САПР) позволяет еще больше сократить цикл разработки и подготовки производства матричных БИС. функциональные элементы матричных БИС выбирают исходя из технологии изготовления базового кристалла и схемотехнического базиса. Наиболее часто при использовании биполярных транзисторов используют ЭСЛ, ТТЛ, ТТЛШ и И'Л базисы, а при использовании МДП-транзисторов — и-канальные и КМДП-устройства. Набор элементов, входящих в библиотеку матричной БИС, содержит как отдельные элементы или простые логические ячейки типа И вЂ” НЕ; ИЛИ вЂ” НЕ, так и достаточно сложные узлы, широко используемые в аппаратуре, например различные триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, мультиплексоры, усилители и т. п. 'Т' Сглбий рТ3 й! Рис.

1,22. Злектрнческак схема и топологии кчейкн ТТЛ матричной БИС На рис. 1.22, а, б показан набор элементов типовой ячейки ТТЛ- матрицы и компоновка этих элементов в базовом кристалле, выполненная с учетом минимизации занимаемой площади. Для удобства трассировки межэлементных соединений как внутри ячейки, так и между ячейками, элементы и контактные площадки имеют унифицированные размеры и регулярное расположение. В качестве примера укажем, что отечественной промышленностью выпускаются быстродействующие ЭСЛ матричные ВИС серий К1520ХМ! и К 1 520 ХМ 2.

Рис. 2.1. Всртикальнаи структура интегрального ила- иарно-анитаксиального транзистора на-р-л-тина Ппелпжкп и пзпляипя йп>п Зяеп>егер Кпллекя>пр Г л а в а 2. КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 2.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА Название транзистора — биполярно>й — означает, что в физических процессах, проходящих в этом полупроводниковом приборе, участвуют как электроны, так и дырки.

Движение носителей заряда может быть вызвано двумя причинами: наличием градиента концентрации носителей илн наличием градиента электрического потенциала. В первом случае возникает диффузия носителей, во втором — дрейф носителей в электрическом поле. Если действуют обе причины, то полный ток носителей состоит из диффузионной и дрейфовой составляющих. В полупроводнике р-тнпа основные носители — дырки, в полупроводнике п-типа — злектронь< И в электронный, и в дырочный полупроводник могут быть тем или иным способом введены неосновнь<е носители. Процесс введения неосновных носителей называется инжек«ией.

Предположим для определенности, что в поверхностный слой дырочного полупроводника осуществляется инжекция электронов. Инжектированные электроны благодаря градиенту концентрации начнут диффундировать с поверхности в объем полупроводника. В нем появится электронный ток. Избыточный заряд неосновных носителей — электронов — будет немедленно компенсирован таким же зарядом дырок, притягиваемых к поверхности из глубины полупроводника.

Если инжекция неосновных носителей осуществляется постоянно под действием внешнего электрического поля, возникнут потоки электронов и дырок, направленные в разные стороны. Неосновные носители — электроны — будут двигаться в глубь полупроводника, а основные носители — дырки — в сторону инжектирующей поверхности, вблизи которой происходит интенсивная ре- 32 комбинация дырок с электронами. Полный ток в цепи — величина постоянная, поэтому его электронная и дырочная составляющая меняются в разные стороны: с удалением от поверхности электронный ток убывает (из-за рекомбинации), а дырочный ток растет. Вдали от поверхности дырочная составляющая — главная и имеет чисто дрейфовый характер (дырки двигаются в поле, созданном внешним напряжением); наоборот, в непосредственной близости к поверхности ток почти чисто электронный и обусловлен диффузией электронов.

При инжекции электронов в неоднородно легированный полупроводник с внутренним электрическим полем, их диффузия будет сочетаться с дрейфом под действием этого поля. Так как легнрование кремниевой пластины донорными или акцепторными примесями при изготовлении микросхем осуществляется с рабочей стороны поверхности, то в полупроводниковых слоях всегда имеется градиент концентрации примеси и движение в них носителей тока является комбииирован><ым. Вертикальная структура интегрального биполярного транзистора (см.

рис, !.12) показана на рис. 2.!. Этот транзистор изготовлен по планарно-эпитаксиальной технологии, оба р-я перехода получены диффузией примесей (вначале акцепторной в эпитаксиальный слой а-типа, затем доиорной в только что сформированную область р-типа). В процессе первой диффузии формируется базовая область транзистора, р-я переход база — коллектор (коллекториый) и р-я переход эмнттер — база (эмиттерный). Рабочей (активной) областью транзистора называется область, расположенная под донной частью эмиттера (на рис.

2.1 она заштрихована). Остальные области транзистора являются пассивными, т. е. в какой-то мере паразитными. Их наличие обусловлено конструктнвно-технологическими причинами Вырежем под контактом к эмиттеру брусочек материала (см. пунктир на рис. 2.!) и рассмотрим процессы, протекающие в нем при включении транзистора по схеме с общей базой (рис. 2.2). На этом рисунке буквой ш обозначена ширина базовой области транзистора, а резисторы га и г„имитируют пассивные области базы и коллектора.

Эмиттерный и коллекторный переходы транзистора не являются независимыми. Взаимодействие между ними обеспечивается малой 2 з,ма 33 суд, "Гбг)г бтбт (нд "рт Рис. 2.2. Нормальное вилюченне лр-р-л-транзистора, работавшего в активном режиме Рнс.

2.3. Структура планарно.зпнтаксиального пер-и-транзистора (о) распределение концентраций (б) н результирующее распределение (в) активных примесей, распределение основных и неосновных носителей заряда в отсутствии внешнего электрического поля Точки . обе»пенные об»астн р-н пере»опон, етре»кн — напра«. пенне «ектора напр»вен»оста ану ре нею ааектрпческото поа» шириной базы. У современных транзисторов ш(! мкм, теоретически минимальное значение ш может быть равным 0,03...0,05 мкм. Диффузионная длина носителей тока гораздо больше ширины базы и составляет 5...

!О мкм. Основные свойства транзистора определяются процессами в базе. Если база легирована активной примесью однородно, то движение носителей в ней чисто диффузионное, Если же в базе имеется градиент концентрации примеси, то в ней есть внутреннее электрическое поле и тогда движение носителей в ней будет комбинированным. Транзисторы с однородной базой называют бездрейфовьеми, с неоднородной — дрейфовыми. Дрейфовые транзисторы имеют в полупроводниковых микросхемах наибольшее распространение. Распределение концентрации атомов донорной примеси в эмиттере Ф и коллекторе )т'„, и атомов акцепторной примеси в базе Ф„ в областях дрейфового транзистора (рис. 2.3, а) показано на рис.

2.3, б, модуль суммарного распределения !)у', — Ф.! — — на рис. 2.3, в. Распределение основных и неосновных носителей заряда в этих областях в условиях равновесия дано на рис. 2.3, г. 34 При нормальном включении транзистора на эмиттерном переходе действует прямое напряжение, а на коллекторном — обратное (см. рис, 2.2, 2.3, а). При этом электроны инжектируются из эмигггра в базу, проходят через нее почти без потерь (потери электронов на рекомбинацию невелики, так как ширина базы мала) и попадают в коллектор, находящийся под положительным потенциалом.