Файл: Конспект.pdf

ГІБРИДНА ТЕХНОЛОГІЯ

•Гібридна технологія полягає у наступному (рис.). На відшліфовану діелектричну підкладку (скло, кераміка) за допомогою масок наносяться плівки резистивних і провідникових матеріалів, а також контактні площадки. Активні елементи за плівковою технологією, як уже зазначалося, не виготовляються, а виробляються окремо, у безкорпусному виконанні, а потім підпаюються. Підкладка розрізається на окремі ІС, які вкладаються до корпусів і приєднуються до контактних площадок виводів. Корпуси герметизуються і маркуються.

•Розрізняють два різновиди плівкових ІС:

•товстоплівкові, у яких товщина нанесених плівок d > 10 мкм;

•тонкоплівкові, у яких d ≤ 1-2 мкм.

•Нанесення резистивних і провідникових плівок здійснюється через випарювання у вакуумі різноманітних матеріалів за допомогою трафаретів: ніхрому, двоокису олова і т.ін.

•Плівкові резистори (рис.) мають значно більший діапазон номінальних значень і менший розкид параметрів порівняно з дифузійними резисторами (виготовленими за напівпровідниковою технологією).

•Опір плівкового резистора залежить від товщини і ширини плівки, її довжини і матеріалу. Для створення більших опорів застосовуються з'єднання кількох плівок, резистори зигзагоподібної форми тощо.

Плівкові резистори:

1 – резистивна плівка (ніхром);

2 – провідникова плівка (алюміній);

3 – діелектрична підкладка

ПЛІВКОВІ КОНДЕНСАТОРИ

•Плівкові конденсатори створюються шляхом почергового нанесення на діелектричну підкладку провідникових і діелектричних плівок (рис.1).

•Плівкова технологія дозволяє виконувати також індуктивності (у тому числі і трансформатори) у вигляді плоских спіралей прямокутної форми (рис. 2). На площі, яка не перевищує 25 мм², можна одержати індуктивність L ≤ 0,5 мкГн. Наноситься також феромагнітна плівка для формування осердя.

ТЕХНОЛОГІЯ СТВОРЕННЯ IC

•Напівпровідникова (монолітна, твердотільна) технологія більш придатна для масового виробництва ІС з високим ступенем інтеграції, характеристики яких не критичні щодо розкиду параметрів пасивних елементів, їх температурної нестабільності і впливу паразитних зв'язків. За напівпровідниковою технологією виготовляється більшість цифрових інтегральних схем і багатофункціональних аналогових ІС. Надійність напівпровідникових мікросхем значно вища, ніж у

гібридних ІС, внаслідок невеликої кількості припаювань.

•Усі елементи напівпровідникових ІС виконані всередині напівпровідникового кристала – чіпа.

Товщина чіпа – 200-300 мкм, горизонтальні розміри – від 1,5 1,5 мм до 6,0 6,0 мм.

•Планарно-дифузійна технологія виготовлення біполярних напівпровідникових інтегральних схем

•На кремнієвому кристалі (рис.) створюється тонкий шар двоокису SiO2. На нього наноситься шар 1 фоторезиста. Це речовина, яка під дією опромінення стає кислотостійкою. Фоторезист опромінюється ультрафіолетовими променями через фотошаблон 3 (фотопластинка з відповідним рисунком із прозорих і непрозорих ділянок). Опромінені ділянки 5 витравлюються травником. Цей процес називається фотолітографією. На ділянках 5 утворюються вікна, через які здійснюється процес дифузії донорних атомів із нагрітого газу 6.

Технологія виготовлення біполярних структур ІС

•Таким чином, у кремнієвому кристалі формуються n – області (так звані «кишені»), які відповідають емітерам усієї сукупності біполярних транзисторів цієї ІС. При повторенні операцій послідовно формуються області бази, потім − колектора. Паралельно формуються пасивні елементи, а на поверхні кристала – міжз'єднання і контактні площадки.

•Планарно-дифузійна технологія має такі недоліки:

•нерівномірний розподіл домішок у областях;

•нерівномірний опір колектора і збільшення його значення;

•відсутні чіткі межі переходів, що призводить до зменшення напруги пробою між колектором і підкладкою;

•підкладка дуже впливає на електричні параметри транзистора ІС.

•Натомість біполярні інтегральні транзистори, виготовлені за планарноепітаксійною технологією, відзначаються рівномірним розподілом домішок (рис.

).

•У них на p-підкладці вирощується колектор n - типу. Для зменшення опору колектора, а отже, зниження втрат потужності і ступеня впливу підкладки створюють прихований n+- шар, який має менший порівняно з епітаксійним n -

шаром опір. Цей прихований шар створюється за допомогою додаткової дифузії донорних домішок у відповідні ділянки підкладки.

Планарно-епітаксійна біполярна структура

ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ІНТЕГРАЛЬНИХ МДНСТРУКТУР

•Послідовність операцій цієї технології показана на рис. Вирощується товстий (до

1,5 мкм) шар окису кремнію SiO2 (а); за допомогою фотолітографії витравляється «вікно» (б); це вікно покривається тонким шаром SiO2 (0,2 мкм) (в); потім уся пластина покривається шаром матеріалу затвора (алюміній, хром, молібден) (г); за допомогою фотолітографії залишається шар металу тільки над тією областю, де буде затвор (д); шляхом дифузії та іонного легування створюються p+- області витоку і стоку (причому електрод затвора служить маскою) (е).

Технологія виготовлення МОН (МДН) - структур

ІЗОЛЯЦІЯ

•Усі елементи напівпровідникових інтегральних схем містяться в єдиному кристалі. Тому ізоляція елементів від кристала і один від одного є дуже важливою. Застосовуються такі способи ізоляції:

•1. Ізоляція за допомогою p-n – переходу (рис. а). Перехід зміщується у зворотному напрямі за допомогою негативного потенціалу (порядку кількох вольтів), який стало подається на підкладку. Перехід має дуже високий опір (кілька мегомів). Це зумовлене застосуванням кремнію з шириною забороненої зони ∆W=1,12 еВ.

•Ізоляція цього виду найбільш проста і дешева. У «кишенях» в подальшому формуються активні та пасивні елементи.

•2. Ізоляція за допомогою шару діелектрика (рис. б). Між «кишенями» і кристалом кремнію утворюють тонкий діелектричний шар двоокису кремнію SiO2. Якість

ізоляції поліпшується, але виготовлення ускладнюється. Порівняно з попереднім способом ізоляції зменшується паразитна ємність між «кишенею» і кристалом.

Різновиди ізоляції напівпровідникових ІС

БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ

•При виготовленні транзисторів напівпровідникових ІС, як правило,

використовується кремнієва підкладка p - типу. Отже, інтегральні біполярні транзистори мають n-p-n – структуру. Завдяки застосуванню кремнію, збільшується допустима робоча температура (до 150 0C); зменшуються зворотні

струми; легко можна через окиснення одержати захисний шар SiO2. n-p-n – структура поліпшує частотні властивості транзисторів, оскільки електрони мають більшу рухливість, ніж дірки. Біля колекторного переходу область колектора повинна мати знижену концентрацію донорних домішок, щоб при зростанні товщини переходу зменшувалася його бар'єрна ємність і зростала напруга пробою. Область емітера n+-типу – для зменшення опору і збільшення рівня інжекції. Для біполярних транзисторів ІС; =200; fгр=500 МГц; СКП =0,5 пФ; UKпроб ≤ 50 В; UЕпроб ≤

8.

•У інтегральних біполярних транзисторів, як правило, відсутнє джерело зміщення

бази. Отже, для них режим відсічки – це активний режим при малих струмах (IK<

IKmin, рис.).

Прохідні характеристики інтегральних біполярних транзисторів

БАГАТОЕМІТЕРНІ ТРАНЗИСТОРИ

•Чотирьохемітерні біполярні транзистори з об'єднаними колекторами і базами

–це сукупність чотирьох незалежних транзисторних структур (оскільки взаємодія електродів через електрично нейтральну базу практично відсутня). До кожного

емітера багатоемітерного транзистора E1, E2, E3, E4 (рис.) може бути ввімкнене своє джерело відпираючої напруги. До інших джерел такий імпульс напруги не потрапляє, оскільки емітерні переходи, що не працюють у цей момент, перебувають під зворотною напругою. Кількість емітерів у такому транзисторі

МОН (МДН)- ТРАНЗИСТОРИ

•Інтегральні МДН - структури найчастіше виготовляються з індукованим каналом. З цією метою за планарно-дифузійною технологією створюються n+ – «кишені» витоку і стоку. На переходах між «кишенями» і підкладкою підтримується зворотна напруга, тобто здійснюється ізоляція (рис.1).

•У деяких ІС застосовують пари МОН (МДН)-транзисторів з каналами n - і p - типу на одному кристалі. Такі пари називаються комплементарними транзисторами (КМОН, КМДН). Вони відрізняються надзвичайно малим споживанням струму (рис. 2).

•Замість діодів застосовуються біполярні транзистори у діодному вмиканні.

Існує п'ять варіантів такого вмикання.

•У цих варіантах різною є пробійна напруга. У варіантах 1, 3 і 4 Uпроб = (5-7) В. У варіантах 2 і 5 Uпроб = (20-50) В. У варіантах 1 і 4 зворотні струми малі, бо площа емітерного переходу менша за площу колекторного. Найбільший зворотний струм у схемі 3 за рахунок паралельного вмикання переходів.

•Найбільшу швидкодію виявляє варіант 1 (час перемикання – одиниці наносекунд). У варіанті 4, де також застосовується тільки емітерний перехід, час перемикання в кілька разів вищий. Обидва варіанти мають мінімальну ємність (частки пФ).

Варіанти 1 і 4 застосовуються у швидкодійних низьковольтних схемах. Варіант 3 має максимальний час перемикання (до 100 нс) і дещо більшу ємність.

•Найчастіше застосовуються варіанти 1, 4. Варіант 1 у прямому вмиканні використовується як стабілізатор для стабілізації 0,7 В (або як напруги, кратної 0,7 В, при послідовному з'єднанні таких діодів).

Інтегральні діоди

Інтегральні діоди

РЕЗИСТОРИ

•Так звані дифузійні резистори одержують з бази інтегрального біполярного транзистора (рис.). Опір таких резисторів залежить від концентрації домішок напівпровідника і геометричних розмірів ділянки кристала.

•Номінал опору перебуває в межах десятків Ом – десятків кОм, розсіювана потужність становить 0,1 Вт, допуск номіналу – 15 - 20%. На відміну від звичайних активних опорів дифузійні резистори є частотозалежними з причини впливу бар'єрної ємності ізолюючого – переходу.

•У напівпровідникових ІС застосовуються і т. зв. квазілінійні резистори на МДН – транзисторах з індукованим каналом (рис.). У них використовується ділянка вихідної (стокової) характеристики до настання перекриття каналу. Змінюючи

величину напруги Uз, ми перестроюємо квазілінійний резистор. Опір таких елементів набуває значень від сотень Ом до десятків кОм.

•Можуть застосовуватися також т.зв. пінч-резистори, в яких реалізується структура польового транзистора з керувальним p–n переходом.

КОНДЕНСАТОРИ

•Найчастіше застосовуються дифузійні конденсатори, в яких основним параметром є бар'єрна ємність p-n – переходу, що, як відомо, залежить від площі переходу, діелектричної проникності ε напівпровідника, концентрації домішок і прикладеної зворотної напруги (рис. )

•Ємність цих елементів набуває значень від 500 до 1500 пФ з допуском ±20%. Номінал ємності визначає фіксована зворотна напруга. Дифузійні конденсатори можуть працювати і як конденсатори змінної ємності: змінюючи зворотну напругу від 1 до 10 В, змінюють ємність у 2-2,5 раза.

•У напівпровідникових ІС застосовують МОН– конденсатори (т. зв. металооксидні конденсатори) (рис.).

•Однією обкладкою є дифузійний шар n+, на якому створюється плівка SiO2. Поверх цього шару наноситься алюмінієва плівка, яка відіграє роль другої обкладки. Ємність С ≤ 500 пФ, допуск ±25%. У таких конденсаторах, на відміну від дифузійних, немає необхідності строго дотримуватися полярності вмикання. Крім того, в них відсутня нелінійна залежність ємності від напруги.

ІС З ІНЖЕКЦІЙНИМ ЖИВЛЕННЯМ

•Традиційними недоліками біполярних ІС є:

мала щільність упакування; висока розсіювальна потужність.

•Ці недоліки подолані в ІС з інжекційним живленням. Ці схеми – насамперед логічні елементи, побудовані відповідно до принципу інжекційного живлення. Вони називаються інтегральною інжекційною логікою (ІІЛ або І²Л).

Застосовуються в ВІС, зокрема у мікропроцесорах (серії К 582, К584). І²Л - елементи не мають аналогів у дискретних транзисторних схемах. За щільністю упакування вони перевищують навіть МОН-структури, а за рівнем розсіюваної потужності наближається до КМОН - структур. При цьому зберігається висока швидкодія, властива біполярним ІС. Основою І²Л елемента є схема рис. Елемент являє собою структуру, що складається з двох фізично об'єднаних транзисторів: горизонтального p-n-p і вертикального n-p-n. Емітерна область p-n-p − транзистора називається інжектором і підкладається до позитивного полюса джерела живлення (+Е). Від одного інжектора можуть живитися декілька схем. Вертикальний n-p-n − транзистор має кілька колекторів, які служать вихідними виводами логічного елемента. Особливості конструкції: спільна область n – типу є водночас базою p-n-- p транзистора та емітером n-p-n − транзистора і підключається до корпуса; спільна область p – типу служить колектором p-n-p − транзистора і базою n-p-n − транзистора. За такої фізичної структури не потрібна ізоляція між окремими елементами І²Л, оскільки вони мають спільну n – область. Через це досягається висока щільність упакування (10000 елементів на кристалі). Весь елемент займає площу, що дорівнює площі одного багатоемітерного транзистора. Зображений на рис. типовий елемент І²Л – це логічний елемент НІ (ключ – інвертор).

Елемент І²Л

ІС З ІНЖЕКЦІЙНИМ ЖИВЛЕННЯМ

•Його електричну схему можна подати у вигляді пари комплементарних біполярних

транзисторів: V2 – багатоколекторний транзистор n-p-n, основа ключа; V1 - p-n-p – транзистор, постійно відкритий, який служить у схемах І²Л джерелом струму IГ. Цей струм створюється інжекцією дірок через ЕП p-n-p – транзистора V1. Тому емітер, який виконує функцію джерела струму, вважається інжектором, а самі елементи – логічними елементами з інжекційним живленням.

•Величина Е = 1,0 - 1,5 В. Через це логічні рівні схеми малі і становлять: U1 = 0,75 В; U0 = 0,05 В. І²Л-елемент працює у позитивній логіці. Якщо Uвх =U1 = 0,75 В, то багатоколекторний транзистор V2 відкритий, струм IГ = IК1 тече в його базу, насичуючи прилад. При цьому на всіх колекторах V2 буде низький потенціал: Uвх = U0 = 0,05 В. Якщо ж Uвх = U0 = 0,05 В, то транзистор V2 закривається, і струм IГ =IК1 потече у вхідне коло. На виході І²Л-інвертора буде Uвх = U1 = 0,75 В – високий потенціал.