И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Затем на фоторезист воздействуют ультрафиолетовыми лучами (рис. 9.28,б) через так называемый фоеоизаблон (3), представляющий собой фотопластинку с соответствующим рисунком, состоящим из прозрачных и непрозрачных участков. Такой фотошаблон получается путем фотографирования с чертежа, выполненного на бумаге.
Облученные участки (4) фоторезиста становятся кислотостойкими. Далее кислотой вытравливаются слои 1 и 2 на необлученных участках. Такой метод носит название фоеолиеографии. На этих участках образуется «окно» (5), через которое осуществляется диффузия донорных атомов (б) из на~регата газа (рис. 9.28,«,г). В результате в кристалле создается и-область («карман»). Фоторезист, оставшийся на облученных участках, смывается специальным растворителем. Затем все повторяется, т.
е, создается на всей поверхности слой ЯОз, на нем слой фоторезиста, он облучается через другой фотошаблон, и образуется «окно» меньшего размера, через которое методом диффузии акцепторных атомов внутри и-области создается р-область, и т.д. 158 Рнс. 9.28. Схема изготовления полупровод- никовой ИС Интегральные микросхемы могут быть изготовлены либо по биполярной технологии, т. е. на основе структур биполярных транзисторов, либо по МДП-технологии, основанной на МДП- структурах. Сравнение показывает, что МДП-технология проще и дешевле. Для создания МДП-схем требуется значительно меньше технологических операций. Схемы на МДП-структурах превосходят схемы на биполярных структурах по плотности упаковки, степени интеграции, потребляемой мощности (ниже), входному сопротивлению (выше), но уступают по быстродействию.
Ведутся разработки по повышению быстродействия МДП-схем. Для этого снижают паразитные емкости, применяют каналы и-типа с примесями, способствующими увеличению подвижности носителей. Иногда применяют комбинированную технологию, в которой сочетаются биполярные и МДП-структуры. 9.4.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ НА ПРИБОРАХ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ И С ИНЖЕКЦИОННЫМ ПИТАНИЕМ Приборы с зарядовой связью 1ПЗС) относятся к приборам с переносом заряда. Они основаны на принципе переноса заряда вдоль цепочки конденсаторов и в последние годы стали применяться в микроэлектронике — в запоминающих устройствах, линиях задержки, фильтрах, устройствах для обработки сигналов, логических устройствах,приемниках изображений, заменяющих передающие телевизионные трубки. Впервые ПЗС были изготовлены в 1969 г.
американсхими учеными Н. С. Бейлам и Г. Е. Смитом. Идею создания запоминающих устройств, состоящих из ряда конденсаторов, высказывал еше в 1934 г. В. К. Зворыкин, известный своими работами по передающим,телевизионным приборам. А в 1948 г. основатель кибернетики Н. Винер также указывал на возможность хранения информации в виде заряда конденсаторов и передачи этого заряда от одного конденсатора к другому. Устройство ПЗС поясняется рис.
9.29, иа котором изображен так называемый тректактный симметричный ПЗС, представляющий собой цепочку МОП-конденсаторов на общем кристалле р-типа. На входе и выходе такой цепочки могут быть диоды или полевые транзисторы. Размер каждого электрола вдоль цепочки составляет 10 — 15 мкм, промежуток между электродами 2— Ряс. 9.29. Устройство ИС на приборах с за- рядовой связью 4 мкм. Слой диэлектрика имеет толщину 0,1 мкм. Достоинство ПЗС— простота устройства.
Для ПЗС характерны два основных режима работы: 1) хранение информации в виде заряда в одном или нескольких конденсаторах; 2) перенос заряда из одного конденсатора в следующий вдоль цепочки. В. цифровых устройствах информация хранится или передается по двоичной системе, в которой наличие заряда означает 1, а отсутствие заряда — О.
В аналоговых устройствах количество Заряда может изменяться по определенному закону, соответствующему тому или иному сигналу. Электроды 1, 2, 3 составляют один элемент ПЗС. От входного электрода через переход и' -р происходит инжекция электронов. Напряжением на затворе можно регулировать ток инжекции. Перенос заряда от электрода 1 к электроду 2 и далее происходит при условии, если напряжения на электродах положительны и напряжение следующего электрода больше напряжения предыдущего электрода или равно ему, т. е.
если 11з > 11з > О, затем 11з > 1)з > 0 и т. д. Импульсы напряжения, подаваемые на электроды для переноса заряда и называемые тактовыми, обычно составляют 10 — 20 В. Процесс переноса заряда от одного электрода к другому поясняется рис. 9.30. В момент времени 1, заряд 12 находится под электродом 1. В этом случае 11з > О, а 1)з = 1)з — — О. Следующий момент Н соответствует подаче на электрод 2 напряжения Н„ равного Ги Тогда заряд частично переходит в область под электродом 2.При подаче на электрод 2 в момент зз напряжения, превышающего 11п т.
е. 1)з > Ни еще большая часть заряда перейдет в область под электродом 2. И наконец в момент зы когда 11з снижают до 0 и остается 1)з > О, заряд полностью переходит в область под электродом 2. Аналогично осуществляется перенос заряда от электрода 2 к электроду 3 и т. д. Хранение заряда в ПЗС ограничивается термогенерацией пар носителей 159 и,>п, иг=и;-о и;-и, о гг и,> и,.п и~о; и,>п Рис. 9.30.
Процесс переноса заряда в ПЗС заряда, за счет которой нарастает паразитный заряд. Ол должен быть во много раз меньше полезного заряда, характеризующего запоминаемый сигнал. Нарастание паразитного заряда определяет минимальную частоту срабатывания ПЗС, которая может составить десятки килогерц, и максимальпоевремяхранения информации, которое не превышает 100 мкс.
Для уменьшения паразитного заряда применяют охлаждение ПЗС. Быстродействие ПЗС ограничивается тем, что, хотя передача заряда от одного электрода другому осуществляется в основном за счет дрейфа, в конце этого процесса происходит диффузия, которая совершается значительно медленнее. Перенос заряда сопровождается некоторой его потерей, но все же достигнута такая эффективность, что переносится от 0,970 до 0,999 заряда.
Приближение эффективности переноса к единице снижает быстродействие. Практически быстродействие ПЗС характеризуется пределыгой частотой 1 ГГц. Рассмотренная трехтактная система ПЗС служит для переноса заряда в одном направлении. Но однонаправленная передача возможна и в двухтактлой системе, где в каждом элементе имеется не три, а два электрода специальной формы. Особый интерес представляют построенные на ПЗС формировангели сигналов изображения (ФСИ), иначе назы- 160 ваемые формировагнелями видеосигналов (ФВС). Они характеризуются конструктивной и технологической простотой, малыми размерами и массой, высокой долговечностью и надежностью, малой потребляемой мощностью, высокой чувствительностью, возможностью работы в спектрах видимых, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей.
Несмотря на ряд трудностей в осуществлении таких ФВС, опи, несомненно, весьма перспективны. Созданы ФВС на сотни тысяч элементов разложения, причем передающая камера имеет размеры пачки сигарет, массу 200 г и потребляет мощность 2 Вт. Приборы с инжекиионным пинганием впервые были предложены в 1971 г. для цифровых интегральных микросхем. По сравнению с обычным питанием микросхем принцип инжекционного питания имеет ряд преимуществ.
В микросхемах с инжекционным питанием достигается высокая степень интеграции и достаточно напряжения питания 0,5— 0,9 В. Для осуществления процесса переключения требуется ничтожно малая энергия 10 " Дж и даже менее. Устройство схем с инжекционным питанием очень простое, так как они состоят только из биполярных транзисторов без каких-либо дополнительных элементов и не требуют особой изоляции элементов. Можно допускать значительные изменения напряжения и тока питания без нарушения нормальной работы схемы. Схемы с иижекционным питанием работают в широком диапазоне температур: от — 60 до + 125 *С.
Технологический процесс производства этих схем проще, нежели других схем на биполярных транзисторах. Эти схемы особенно подходят для изготрвлепия больших интегральных схем, и в настоящее время выпускается уже много БИС с инжекционпым питанием, в частности БИС для микропроцессоров. Принцип устройства и работы ИС с инжекционным питанием поясняется на рис. 9 31 и 9 32. На рис. 9 31 изображена структура планарного транзистора типа и, — рг — нг с инжекционным питанием, представляющего собой одну ячейку ИС.
Кристалл типа н, лн й к Рнс. 9.3!. Планарный транзистор с ннжек- ционным питанием Е Рнс. 9.32. Включение транзистора с инжек- пионным питанием выполняет роль эмиттера. В отличие от обычных планарных транзисторов в данном случае применяется инверсное включение. Кроме того, в транзисторе имеется область типа р,, называемая инжектором (Он). Вместе с эмиттером (л,) и базой (р,) транзистора л,— рз — л, инжектор входит в состав транзистора рз — л, — рз. В этом транзисторе инжектор является эмиттером. Переход между инжектором и кристаллом называют ннжекеорн ым переходом, Работу транзистора с инжекционным питанием удобно рассмотреть по схеме на рис.
9.32. Здесь у каждого л — р-перехода знаками «+» и « †»вЂ” показаны объемные заряды, созданные атомами примесей. Пусть на инжекторный переход подано прямое напряжение от источника питания Е. Резистор В включен для ограничения напряжения и тока в инжекторном переходе. Под действием прямого напряжения происходит инжекция дырок из инжектора в эмиттерную область л,, а для нейтрализации избыточного заряда инжектированных дырок в эту область под действием напряжения Е приходят электроны. Избыточные электроны и дырки диффундируют через эмиттер к эмиттер- б и.
п. жвввбцов ному переходу л,— рз. Он обогащается носителями, потенциальный барьер в нем понижается, и сопротивление перехода уменьшается. Дырки и электроны диффундируют далее через базу рз к коллекторному переходу рз — лз и также понижают его потенциальный барьер и сопротивление. Таким образом, в обоих переходах транзистора л, -р,-л, сопротивление становится малым и этот транзистор работает в режиме, близком к режиму насыщения, т. е. выполняет роль замкнутого ключа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
