ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 20.03.2024
Просмотров: 88
Скачиваний: 0
порівняно з дифузійними резисторами (виготовленими за напівпровідниковою технологією).
Рисунок 7.5 – Плівкові резистори: 1 – резистивна плівка (ніхром);
2 – провідникова плівка (алюміній);
3 – діелектрична підкладка
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 конденсатори створюються шляхом почергового нанесення на діелектричну підкладку провідникових і діелектричних плівок (рис. 7.6).
С ≤104 пФ 5%
Рисунок 7.6 – Плівковий конденсатор
243
Плівкова технологія дозволяє виконувати також індуктивності (у тому числі й трансформатори) у вигляді плоских спіралей прямокутної форми (рис. 7.7). На площі, яка не перевищує 25 мм², можна одержати індуктивність L ≤ 0,5 мкГн. Наноситься також феромагнітна плівка для формування осердя.
Рисунок 7.7 – Плівкова котушка індуктивності
7.3 Напівпровідникові інтегральні схеми
7.3.1 Технологія
Напівпровідникова (монолітна, твердотіла) 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 – 200300 мкм, горизонтальні розміри – від 1,5 х 1,5 мм до
6,0 х 6,0 мм.
244
Планарно-дифузійна технологія виготовлення біполярних напівпровідникових інтегральних схем
На кремнієвому кристалі (рис. 7.8) 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 кислотою. Цей процес називається фотолітографією. На ділянках 5 утворюються вікна, через які здійснюється процес дифузії донорних атомів із нагрітого газу 6.
Рисунок 7.8 – 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.
Ця планарно-дифузійна технологія має такі недоліки:
нерівномірний розподіл домішок у областях;
245
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 планарно-епітаксійною технологією,
відзначаються рівномірним розподілом домішок (рис. 7.9).
Рисунок 7.9 – Планарно-епітаксійна біполярна структура
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.
7.3.2 Технологія виготовлення інтегральних МДНструктур
Послідовність операцій цієї технології показана на рис. 7.10. Виконується 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
246
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).
Рисунок 7.10 – 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 (7.11 а) Перехід
зміщується у зворотному напрямі за допомогою негативного потенціалу (порядка кількох вольтів), який стало подається на підкладку. P- n – перехід має дуже
високий опір (кілька мегомів). Це зумовлене застосуванням кремнію з шириною забороненої зони ∆W=1,12еВ.
247
а) б)
Рисунок 7.11 – Різновиди ізоляції напівпровідникових ІС
Ізоляція цього виду найбільш проста і дешева. У «кишенях» в подальшому формуються активні та пасивні елементи.
2 Ізоляція за допомогою шару діелектрика (рис. 7.11 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.
7.3.3 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 150ºC); зменшуються зворотні струми; легко можна через окиснення одержати захисний шар SiO2. n-p-n – структура поліпшує частотні властивості транзисторів, оскільки електрони мають більшу рухомість, 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 ; |
fãð 500 МГц; |
CÊÏ 0, 5пФ; UÊï ðî á ≤ 50 В; |
UÅï ðî á 8.
248
У інтегральних біполярних транзисторів, як правило, відсутнє джерело зміщення бази. Отже, для них режим відсічки – це активний режим при малих струмах
( IK < IK min , рис. 7.12).
Рисунок 7.12 – 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. 7.13) може бути ввімкнене своє джерело відпираю-
чої 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 обмежена максимально допустимою відстанню між ними l ≤ 10 мкм і становить, як правило, 4 - 8.
Окрім багатоемітерних, у напівпровідникових ІС поширені і багатоколекторні транзистори. Структура їх ідентична до багатоемітерних транзисторів, просто емітери стають колекторами, а колектор – емітером.
249
Рисунок 7.13 – Багатоемітерний транзистор
Супербета - транзистори
За рахунок надзвичайно тонкої бази (l = 0,2 - 0,3 мкм) коефіцієнт β цих транзисторів становить декілька тисяч. Однак напруга пробою у цих транзисторів UÊï ðî á ≤ 1,5-2В.
При великих напругах настає пробій змикання.
Біполярні транзистори з бар'єром Шотткі
Для підвищення швидкодії транзистора у ключовому режимі (зниження часу розсмоктування неосновних носіїв у базі) застосовується легування бази золотом, яке прискорює рекомбінацію. Але більш ефективним з цією метою є застосування транзисторів з бар'єром Шотткі, у яких колекторний перехід зашунтований діодом Шотткі
(рис. 7.14).
Рисунок 7.14 – Транзистор з бар'єром Шотткі
250
Діод Шотткі побудований на основі контакту «металнапівпровідник» і має випрямні властивості. У цій конструкції діод Шотткі створюється у місці контакту металу з високоомною колекторною областю. У режимі відсічки і активному режимі потенціал колектора більший за потенціал бази ( K Á ), діод Шотткі закритий, і
транзистор із бар'єром Шотткі працює як звичайний біполярний транзистор. У режимі насичення K Á діод
Шотткі відкривається, основна частина базового струму протікає у колектор через відкритий діод. Тому надлишковий заряд у базі не накопичується, і через це при вимкненні транзистора (при переході з режиму насичення до режиму відсічки або активного режиму) буде відсутньою стадія розсмоктування надлишкового заряду у базі.
7.3.4 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. 7.15).
Рисунок 7.15 – Інтегральний МДН транзистор
У деяких ІС застосовують пари МОН (МДН)- транзисторів з каналами n - і p - типу на одному кристалі.
Такі пари називаються комплементарними транзисторами
251
(КМОН, КМДН). Вони відрізняються надзвичайно малим споживанням струму (рис. 7.16).
Рисунок 7.16 – Інтегральна КМДН-структура
7.3.5 Діоди
Замість діодів застосовуються біполярні транзистори у діодному вмиканні. Існує п'ять варіантів такого вмикання.
Рисунок 7.17 – Інтегральні діоди
У цих варіантах різною є пробійна напруга. У варіантах 1, 3 і 4 Uï ðî á (5 7) В. У варіантах 2 і 5 Uï ðî á (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
252
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).
7.3.6 Резистори
Так звані дифузійні резистори одержують з бази інтегрального біполярного транзистора (рис. 7.18). Опір таких резисторів залежить від концентрації домішок напівпровідника і геометричних розмірів ділянки кристала.
Рисунок 7.18 – Напівпровідниковий інтегральний резистор
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 p-n –
переходу.
У напівпровідникових ІС застосовуються і т. зв.
квазілінійні резистори на МДН – транзисторах з індукованим каналом (рис. 7.19). У них використовується ділянка вихідної (стокової) характеристики до настання перекриття каналу. Змінюючи величину напруги U ç , ми
253
