Тема №6 (1086267)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Глава 6. Интегральные схемы.

6.1. Общие понятия.

Блоки и узлы радиоэлектронной аппаратуры на втором этапе развития электронной техники (после электронных ламп) строились на полупроводниковых приборах. Но воз­никла мысль, а можно ли отдельные блоки и узлы создать в одном корпусе на одной подложке или в одном кристалле полупроводника. Эта идея начала реализовываться в миро­вой промышленности с конца шестидесятых годов.

Интегральная схема (ИС) — это конструктивно за­конченное изделие электронной техники, выполняющее опре­деленную функцию, и содержащее совокупность транзисторов, полупроводниковых диодов, резисторов, конденсаторов и дру­гих элементов, электрически соединенных между собой.

Теория, методы расчета и технология изготовления ИС составляют основное содержание микроэлектроники.

По технологии изготовления различают полупроводниковые (т. е. монолитные), пленочные и гибридные ИС.

В полупроводниковой ИС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника, обычно кремния. Как правило, для полупроводниковых ИС характерно создание всех элементов одновременно в ходе единого технологического цикла.

В пленочных ИС все элементы и межэлементные соеди­нения выполнены в виде проводящих, диэлектрических и резистивных пленок (слоев) на подложке. Такие ИС содержат, как правило, только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, межсоединения). Вариантами пленочных ИС являются тонкопленочные с толщиной пленок 1...3 мкм и менее и толстопленочные с толщиной пленок свыше 3...5 мкм. Деление пленочных ИС обусловлено не столько толщиной пленок, сколько методом их нанесения в процессе создания пассивных элемен­тов. Пассивные элементы тонкопленочных схем наносят на подложку преимущественно с использованием термовакуумного распыления и катодного осаждения, а пассивны элементы толстопленочных схем получают нанесением и вжиганием проводящих и резистивных паст.

Наряду с полупроводниковой и пленочной широко используется гибридная технология, в которой сочетаются тонкопленочные или пассивные толстопленочные элемен­ты с полупроводниковыми активными, называемыми ком­понентами гибридной схемы. Частным случаем гибридной ИС является многокристальная ИС, содержащая в качестве компонентов несколько бескорпусных полупроводни­ковых схем на одной подложке. Наиболее распространены в настоящее время полупроводниковые и гибридные ИС.

Число элементов в данной ИС характеризует ее степень интеграции. В соответствии со степенью интеграции все ИС условно делят на малые (МИС — до 10² элементов на кри­сталл), средние (СИС — до 10³), большие (БИС — до 10⁴), сверхбольшие (СБИС — до 10⁶), ультрабольшие (УБИС — до 10⁹) и гигабольшие (ГБИС — более 10⁹ элементов на кри­сталл). Иногда степень интеграции определяют величиной k=lgN, где N — число элементов, входящих в ИС, а значение k определяется до ближайшего целого числа в сторону увеличения. Например, ИС первой степени интеграции (k = l) со­держит до 10 элементов, второй степени интеграции (k = 2) — свыше 10 до 100, третьей степени интеграции (k = 3) — свыше 100 до 1000 и т. д.

При всем своем многообразии ИС по функциональному назначению делятся на два основных класса — аналоговые (частный случай — линейные) и цифровые. Аналоговые ИС предназначены для усиления, ограничения, частотной филь­трации, сравнения и переключения сигналов, изменяющих­ся по закону непрерывной функции.

Цифровые ИС предназначены для преобразования (обра­ботки) сигналов, изменяющихся по закону дискретной фун­кции (например, выраженных в двоичном или другом циф­ровом коде). Цифровые ИС представляют собой множество транзисторных ключей, обладающих двумя устойчивыми состояниями (разомкнутым и замкнутым). Основным видом цифровых схем являются логические ИС, выполняю­щие одну или несколько логических функций, простейши­ми из которых реализуются такие функции, как «И», «ИЛИ», «НЕ» и др.

Полупроводниковые ИС по конструктивно-технологичес­кому принципу бывают биполярные, т. е. использующие биполярные транзисторы, и МДП, т. е. построенные на МДП-транзисторах. Кристаллом ИС называется структура, содержащая элементы, межэлементные соединения и контактные площадки (металлизированные участки, служащие для присоединения внешних выводов). В большинстве полупроводниковых ИС элементы располагаются в тонком (тол­щина 0,5... 10 мкм) приповерхностном слое полупроводни­ка. Так как удельное сопротивление полупроводника неве­лико (1...10 Ом), а элементы должны быть изолированы друг от друга, необходимы специальные изолирующие области.

6.2. Элементы биполярных полупроводниковых ИС.

Типичная структура полупроводниковой ИС, выполненная по биполярной технологии, показана на рис. 6.1. В такой ИС отдельные элементы, сформированные в «карма­нах» с проводимостью n-типа, оказываются электрически изолированными друг от друга обратносмещенным p-n-переходом, для чего на подложку p-типа кремния подается отрицательный потенциал. Предварительно создаваемые локальные области (называемые «карманами») служат для исключения взаимного влияния активных и пассивных элементов и могут быть изолированы друг от друга кроме p-n-переходом диэлектриком или комбинированным мето­дом с применением p-n-переходов и диэлектрика.

В качестве резисторов в биполярных ИС используют уча­стки однородного полупроводника; в качестве конденсато­ров — обратносмещенные p-n-переходы. Индуктивность не создается в толще полупроводника, а может наноситься в виде спирали из металла на поверхности полупроводника.

Диоды и транзисторы, используемые в ИС, изготовляют по планарной технологии, то есть их выводы находятся на одной поверхности. Планарная технология позволяет в те­чение единого технологического процесса получать одно­временно различные элементы.

Рис. 6.1. Интегральная схема с изоляцией р-n-переходом:

а — электрическая схема; б — топология;

1 — металлическое межсоединение; 2 — слой SiO₂;

А, Б, В, — соответствующие друг другу точки на рис. а и б.

При конструировании ИС стремятся применять диоды эквивалентные переходам эмиттер-база или коллектор-база транзисторной структуры. В этом случае диоды изготавливают в едином технологическом цикле с остальными элементами.

Соединение элементов в полупроводниковой ИС может осуществляться несколькими способами, основным из ко­торых является нанесение металлических тонкопленочных проводящих дорожек (чаще всего алюминиевых), изолированных от элементов кристалла слоем диэлектрика, чаще всего оксида кремния SiO₂; с помощью проволочных соеди­нений.

Количество кристаллов ИС, получаемых в едином техно­логическом процессе на одной пластине, чаще всего крем­ния, зависит от размера кристалла, в свою очередь завися­щего от количества элементов в схеме, и диаметра пластин. Площадь кристалла ИС в зависимости от ее сложности составляет 1...100 мм², наиболее распространены размеры 10...50 мм².

6.3. Элементы ИС на МДП-структуре.

В качестве активных элементов в ИС могут использо­ваться кроме биполярных полевые транзисторы со струк­турой «металл-диэлектрик (оксид)-полупроводник», т.е. МДП-транзисторы или МОП-транзисторы. В соответствии с этим все монолитные ИС разделяются на три основных вида: МДП ИС (МОП ИС), биполярные и биполярно-полевые ИС. МДП ИС могут быть реализованы на транзисторах с каналом p-типа (p-МДП ИС, p-МОП ИС) и каналом n-типа (n-МДП ИС, n-МОП ИС), а также на комплементарных, т. е. использующих одновременно p- и n-типы, МДП-транзисторах (КМДП ИС, КМОП ИС). Биполярно-полевые ИС представляют собой объединенные в одном кристалле биполярные и КМДП ИС (БиКМДП ИС, БиКМОП ИС).

Основными элементами современных МДП ИС являются МДП-транзисторы с каналом n-типа. Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому в ИС на n-канальных МДП-резисторах достигается самая высокая (в 3-10 раз) степень интеграции, но они уступают биполярным ИС по быстродействию.

Рис. 6.2. Схема полевого транзистора с резистором:
а - эквивалентная схема; б - топология МОП-резистора

В комплементарных МДП ИС применяют МДП-транзисторы с ин­дуцированными каналами n- и р-типа, для этих ИС характерна очень малая потребляемая мощность.

МОП-транзистор может использоваться в качестве конденсатора и резистора, при этом значение емкости и сопротивления можно изменять в определенных пределах путем изменения потенциала на управляющем электроде (т. е. на затворе).

В качестве резистора МДП-транзистор используется при U_зи=0, т. е. при этом сопротивление канала имеет наиболь­шее значение. Сопротивление между выводами стока и ис­тока в этом случае обратно пропорционально отношению ширины канала b к его длине L, т. е. b/L. Эта зависимость позволяет проводить расчет топологии для получения необ­ходимого сопротивления резистора.

На рис. 6.2 приведена схема МДП-транзистора, исполь­зуемого в качестве резистора. Структура МДП-конденсатора показана на рис. 6.3. Диэлектриком в этом конденсато­ре является термически выращенная пленка диоксида крем­ния SiO₂. Одним из электродов является пленка напыленного металла на SiO₂, являющимся диэлектриком, другим — сильнолегированная n⁺-область кремния, лежащая под оксидом. Высокоомный n-слой и
p-кремний подложки образу­ют изолирующий p-n-переход. Емкость МДП-конденсатора зависит прямо пропорционально площади и обратно пропорциональна толщине оксидной пленки. Уменьшение толщины оксидной пленки для получения емкости большей величины имеет ограничения, так как неоднородность структуры очень тонкой пленки может привести к замыка­нию обкладок конденсатора.

Рис.6.3. МДП-конденсатор

Изготавливают МДП ИС методами планарной техноло­гии. Трудоемкость изготовления МДП ИС на 30% ниже, чем биполярных ИС, так как технологический цикл изго­товления МДП ИС состоит из 22 основных операций, а би­полярных ИС — из 32.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лекций