Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы и их элементы

Общие определения. Классификация. Технология изготовления полупроводниковых схем

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ.

Маркировка тиристоров

Выпускаемые с 1980 года тиристоры имеют классификацию и систему обозначений (маркировку), установленные ГОСТ 20859.1 – 89. В основу обозначений тиристоров положен буквенно –цифровой код:

D B₁ X₁ X₂ X₃ B₂.

D - материал

B₁ - подкласс тиристоров

B₁ Î {Н, У}

Н - неуправляемые (динисторы)

У- управляемые

X₁ - назначение прибора

Если B₁ = Н, то X₁ Î {1, 2}

1 - динисторы малой мощности (коммутируемые токи не более 100 мA)

2 - динисторы средней мощности (коммутируемые токи до 10 A)

Если B₁ = У, то X₁ Î {1, 2, 7; 3, 4, 8; 5, 6, 9}

1, 2, 3 - незапираемые (тринисторы малой, средней, большой мощности соответственно)

3, 4, 8 – запираемые (малой, средней, большой мощности соответственно)

5, 6, 9 - симисторы (малой, средней, большой мощности соответственно)

X₂, X₃ - порядковый номер

B₂ - классификационная литера.

технология изготовления. Классификация

Микросхема - изготовленные в едином технологическом процессе электронные изделия, выполняющие определенную функцию преобразования электрического сигнала, имеющие высокую плотность упаковки электрически соединенных между собой элементов и представляющие единое целое с точки зрения требований к испытаниям, приемке и эксплуатации.

Разработка и внедрение интегральных схем положило начало новому этапу в развитии электроники и значительно увеличило ее возможности.

Транзисторы, конденсаторы, сопротивления называются элементами микросхемы.

Отдельные цифровые узлы, способные функционировать самостоятельно называются компонентами микросхемы.

Рисунок 5.26. Виды интегральных микросхем

В зависимости от технологии изготовления интегральные схемы де-лятся на пленочные и полупроводниковые. Пленочные микросхемы могут быть тонкопленочными и толстопленочными. Если пленочные схемы содержат и элементы и компоненты их относят к гибридным схемам. Затраты на тонкопленочную технологию на 50% больше, чем на толстопленочную, но первая дает более качественные микросхемы. С помощь пленочной технологии можно изготовить только резисторы и межсоединения.

Совмещенная технология - активные элементы изготавлива-ются в глубине полупроводника, а пассивные - на поверхности диэ-лектрика по пленочной технологии.

Интегральная схема, в которой все элементы и их соединения выполняются в виде сочетания неразъемно связанных n -p – переходов в одном полупроводниковом кристалле, называет-ся полупроводниковой.

Интегральная схема, содержащая подложку (диэлектрическое основание), все пассивные элементы на поверхности которой вы-полняют в виде однослойных или многослойных пленочных струк-тур, соединенных неразъемными пленочными проводниками, а полупроводниковые приборы и другие компоненты (например трансформаторы) размещены на подложке в виде дискретных навесных деталей, называется гибридной.

Количественную оценку параметров микросхемы производят с помощью двух наиболее важных показателей:

· уровня интеграции ;

· плотности упаковки.

Уровень интеграции – количество входящих в микросхему элементов.

Десятичный логарифм от уровня интеграции, округленного до ближайшего большего десятичного числа, – называют степенью ин-теграции .

(5.16)

Схемы малой степени интеграции (МИС) имеют 10 эле-ментов. Схемы средней степени интеграции имеют 100 элементов и т.д.

Количество элементов и компонентов, содержащихся в 1см³ объема, называют плотностью упаковки.

Современные микросхемы имеют , а плотность упаковки 10⁵ эл/см³. Площадь полупроводникового кристалла сос-тавляет от 0,3 до 0,6 мм² (площадь кристаллов, применяемых в ЭВМ составляет 40мм² и более).

Исходным материалом для изготовления полупроводниковой интегральной схемы являются пластины кремния толщиной не более 50мкм и диаметром до 100мкм, называемые подложкой. Их изготавливают, разрезая кремниевый стержень, выращенный в насыщенных растворах, на тонкие пластинки. В интегральных схемах последнего поколения вместо кремния используют арсенид галлия. В основе формирования элементов на подложке лежит планарная технология с двумя разновидностями: планарно-диффузионной и планарно – эпитаксиальной.

Планарная технология - обеспечивает возможность создания сложных полупроводниковых структур в глубине кристалла с выводом электродов на одну поверхность. При планарно - диффузионной технологии исходную пластину монокристалла покрывают тонким защитным слоем диэлектрика. Затем защитный слой покрывают тонким слоем светочувствительной эмульсии – фоторезиста.

Фоторезист - материал, меняющий свои свойства от воздействия света. После этого способом фотолитографии изготавливают первую оксидную маску. На поверхность фоторезиста проектируется требуемый рисунок маски.

Рисунок 5.27. Формирование р – подложки; нанесение оксида и фоторезиста; засветка фоторезиста через шаблон

После этого изображение проявляется и засвеченные участки стравливаются, обнажая защитный слой. С помощью плавиковой кислоты, защитный слой растворяется на участках незащищенных фоторезистом.

а)

б)

Рисунок 5.28. Вытравливание фоторезиста (а); стравливание защитной пленки окисида кремния (б)

Через полученные окна осуществляют легирование подложки. Легирование - внесение примеси в кристалл полупроводника путем диффузии из газообразной среды. Диффузия – операция по формированию n-p- переходов на заданных участках полупроводника.

Изменяя тип и концентрацию примесей можно получить требуемую многослойную n-p- структуру в кристалле полупроводника.

а)

б)

Рисунок 5.29. Легирование определенным видом донорной (n) примеси (а); стравливание оставшегося фоторизиста

В результате сформировался коллекторный слой. Затем следуют второй и третий этапы, которые повторяют все шаги первого этапа.

Рисунок 5.30. Формирование базового слоя (7 шагов)

Рисунок 5.31. Формирование эмиттерного слоя (3 этап, 7 шагов)

4 этап:

1. Создание отверстий под будущие электроды.

2. Окисление.

3. Нанесение слоя фоторезиста.

4. Засветка.

5. Стравливание засвеченного фоторезиста.

6. Стравливание открытого окисла.

7. Стравливание оставшегося фоторезиста.

5 этап:

1. Создается требуемое межсоединение. Вся поверхность пластины покрывается алюминиевой пленкой путем осаждения из газообразной среды.

2. Поверхность покрывается фоторезистом.

3. Фоторезист засвечивается в соответствии с шаблоном.

Рисунок 5.32. Создание межсоединения

4. Смывается засвеченный фоторезист.

5. Открытая алюминиевая пленка стравливается.

6. Стравливается оставшийся фоторезист.

Рисунок 5.33. Разделение подложки на чипы

Планарно - эпитаксиальная технология дает возможность наращи-вать полупроводниковый слой на подложку любого типа проводи-мости. Причем кристаллическая структура наращенного слоя является продолжением кристаллической структуры подложки. Состав нара-щенного слоя (эпитаксиальной пленки) может отличаться от состава подложки. Затем повторяется весь процесс описанный для планарно- диффузионной технологии.

Подложка с совокупностью элементов и компонентов должна быть конструктивно защищена от воздействия окружающей среды. Для этого осуществляют герметизацию интегральной схемы с помощью изоляционных материалов (лак или компаунд) или с использованием методов вакуум-плотной герметизации. При вакуум – плотной герметизации кристалл или подложку помещают в герме-тизированный корпус прямоугольной или круглой формы. В зависимости от материала различают металлостеклянные, метал-локерамические, керамические и пластмассовый корпуса.

По своему функциональному назначению ИС делятся на цифровые и аналоговые. Цифровые (логические) ИС, принцип работы которых ба-зируется на использовании аппарата математической логики, пред-ставставляют собой устройства с несколькими входами (m) и выхо-дами (n), реализующие определенную логическую функцию:

, (5.17)

где j=1,2,3,…n;

х_i –информационные значения входных сигналов, равные логической единице или логическому нулю;

у_j – информационные значения выходных сигналов, которые также принимают значения логической единицы или логического нуля.

Для представления двоичных переменных в электронных устройст-вах используются электрические сигналы. Существуют два способа представления: потенциальный и импульсный. При потенциальном способе логическим нулю и единице соответствуют два различных потенциала. При импульсном способе логическим нулю и единице соответствует наличие или отсутствие импульсного сигнала в определенные моменты времени. Среди наиболее часто встречающихся логических функций можно отметить логическое отрицание «НЕ», логическое сложение «ИЛИ», логическое умножение «И», используя сочетание которых можно реализовать логическую функцию любой степени сложности и, таким образом, создать сколь угодно сложное в функциональном отношении цифровое устройство. Именно поэтому цифровые интегральные схемы являются базой для создания современных цифровых устройств обработки информации, в первую очередь, ЭВМ последних поколений.

Аналоговые микросхемы представляют собой устройства, которые обеспечивают пропорциональную зависимость между входными и выходными сигналами. Аналоговые ИС делятся на информационные и силовые. Информационные осуществляют функции усиления генерации, сравнения, модуляции, присущие информационной электронике, а силовые - функции преобра-зования параметров потока энергии, присущие силовой электронике. Наиболее сложными элементами полупроводниковых ИС являются транзисторы. Наиболее часто применяют биполярные транзисторы и их интегральные модификации: многоэмиттерные транзисторы и транзисторы Шоттки, а также полевые транзисторы (МДП).

Рисунок 5.34. Интегральный элемент: биполярный транзистор

:

а) б)

Рисунок 5. 35. Интегральный элемент: многоэмиттерный тран-зистор; структурная схема(а), схемотехническое изображение (б)

Транзисторы Шотки представляет собой биполярный транзистор в цепь обратной связи которого включен диод Шоттки.

а) б)

Рисунок 5.36. Эквивалентная схема (а) транзистора Шоттки;

схемотехническое изображение (б) транзистора Шоттки

Рисунок 5.37. Структурная схема транзистора Шоттки

Для формирования n-p-переходов полевых транзисторов, как правило, используют планарно – эпитаксиальную технологию. Схемы на основе полевых транзисторов широко распространены, поскольку их техно-логия производства более эффективна.

Рисунок 5.38. Структурная схема полевого транзистора

Рисунок 5.39.Структурная схема МДП - транзистора

В качестве диодов наиболее целесообразно использовать по конст-руктивно – технологическим соображениям биполярные тран-зисторы в диодном включении, то есть один n-p- переход, когда база транзистора соединена с коллектором или эмиттером. Существует пять вариантов реализации диодов на базе интегрального транзистора:

· на основе эмиттерного перехода (база – эмиттер);

· на основе коллекторного перехода (база – коллектор);

· на оснве эмиттерного перехода (база соединена с коллектором;

· на основе коллекторного перехода (база соединена с эмитте-ром);

· выводы с базы и с закороченных эмиттера и коллектора.

На рисунке 5. n-p- переходы транзистора представлены в виде двух диодов, включенных навстречу друг другу.

Рисунок 5.40. Диодное представление переходов интегрального транзистора

Рисунок 5.41. Биполярные транзисторы в диодном исполнении

а) Э-Б б) Б- К в)Э-Б, закорочены К-Б

г) Б-К, закорочены Б-Э д) Б – закороченные Э-К

Для изготовления резисторов ИС используют базовый или эмиттер-ный слой транзисторной структуры (рис.5. 41), при этом изоляция резисторов от других элементов осуществляется с помощью одного или нескольких n-p - переходов, включенных встречно и соединен-ных последовательно. Сопротивление таких резисторов находится в диапазоне от 10Ом до 50кОм.

Рисунок 5.42. Использование транзисторной структуры в качестве сопротивлений

В качестве конденсаторов в полупроводниковых ИС используют ем-оси, смещенных в обратном направлении n-p - переходов (барьер-

ные емкости) биполярных или полевых транзисторов. Недостатком таких конденсаторов является малая емкость (сотни пикофарад), обусловленная малыми размерами n-p - переходов.

Дата добавления: 2015-05-06