Интегральные микросхемы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ П. О. СУХОГО»

 

Кафедра «Промышленная электроника»

 

 

РЕФЕРАТ

На тему:

«Интегральные микросхемы»

 

 

                                                                                              Выполнил студент 

                                                                                              Группы ПЭ – 11

                                                                                             Маркевич Дмитрий

                                                                                             Проверил преподаватель

                                                                                             Ковалев А. В.

 

 

 

Гомель 2015

Введение

 

Микроэлектроника - это одно из направлений электроники, которое призвано создать миниатюрную высоконадёжную аппаратуру с малой потребляемой мощностью, низкой стоимостью и прочим.

Интегральной микросхемой, или сокращённо ИМС, называют монолитное изделие, предназначенное для исполнения функций заданного каскада или целой системы, компоненты которого соединены между собой определённым образом, и которые нельзя отделить один от другого демонтажными операциями.

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС, чипом) - ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение чип-компоненты означает «компоненты для поверхностного монтажа» (в отличие от компонентов для пайки в отверстия на плате).

 

1. Устройство интегральных  микросхем

 

Создание и непрерывное совершенствование технологии интегральных микросхем связано с быстрым развитием информационной и вычислительной техники и значительным в связи с этим усложнением электрических и электронных схем приборов и устройств. Применение ИМС как самостоятельных функциональных узлов кардинальным образом решает проблемы уменьшения габаритов, снижения потребляемой энергии, повышения надежности и быстродействия приборов и устройств и в особенности электронных вычислительных машин.

Важными характеристиками интегральных микросхем в числе прочих являются степень интеграции и плотность упаковки. Степень интеграции характеризует количество элементов в микросхеме. ИМС первой степени интеграции имеют до 10 элементов, второй - до 102 элементов и т. д. Под плотностью упаковки понимают количество элементов и компонентов в 1 см3 объема микросхемы. В современных полупроводниковых ИМС степень интеграции достигает шести, а плотность упаковки принципиально может быть доведена до 105 эл/см3 и выше, линейные размеры отдельных элементов могут быть менее 1 мкм. Площадь полупроводникового кристалла обычной микросхемы составляет в зависимости от сложности 0,3 - 6 мм2.

Мых в ЭВМ, может достигать 40 мм~ и выше. Дальнейшее увеличение площади кристалла нецелесообразно в связи с возрастающей вероятностью наличия в кристаллической решетке дефектов, делающих непригодной всю микросхему.

Различают аналоговые микросхемы, которые непрерывно отслеживают и воздействуют на сигнал, и цифровые микросхемы, которые дискретно преобразуют и обрабатывают информацию. Микросхемы классифицируют по степени интеграции, которая равна логарифму от числа деталей n, размещённых в одной ИМС: k = ln n. По методу получения различают три вида ИМС: плёночные, полупроводниковые и гибридные.

В плёночных ИМС детали и соединения осуществляют путём получения плёнок малой толщины с различными свойствами, выполненных на подложке из не проводящего электрический ток материала. Плёночные микросхемы разделяют на две группы: на тонкоплёночные с толщиной плёнки менее 1 мкм и толстоплёночные с большей толщиной, часто составляющей порядка 20 мкм. Различие тонкоплёночных и толстоплёночных ИМС заключено не только в количественной толщине плёнок, но прежде всего в технологии их нанесения.

В полупроводниковых ИМС детали и соединения образованы специальными технологическими методами в кристалле полупроводника. Совмещённой называют такую полупроводниковую ИМС, в которой одна часть деталей выполнена методом тонкоплёночной, а другая часть - методом полупроводниковой технологии.

В гибридных ИМС, сокращённо называемых ГИС, резисторы и некоторые другие пассивные компоненты получают на диэлектрической подложке методом тонкоплёночной технологии, а дискретные бескорпусные активные компоненты располагают рядом на подложке и соединяют проволокой с контактными площадками.

 

1.1 Полупроводниковые  интегральные микросхемы

 

Наибольшее распространение получили ИС, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Их называют полупроводниковыми.

Для изготовления полупроводниковых микросхем используют кремниевые монокристаллические пластины диаметром не менее 30 - 60 мм и толщиной 0,25 - 0,4 мм. Элементы микросхемы - биполярные и полевые транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы - формируют в полупроводниковой пластине методами, известными из технологии дискретных полупроводниковых приборов (селективная диффузия, эпитаксия и др.). Межсоединения выполняют напылением узких проводящих дорожек алюминия на окисленную (т.е. электрически изолированную) поверхность кремния, имеющую окна в пленке окисла в тех местах, где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмиттера, базы, коллектора транзистора и т.д.). Для соединения элементов микросхемы с ее выводами на проводящих дорожках создаются расширенные участки - контактные площадки. Методом напыления иногда изготавливают также резисторы и конденсаторы.

 

Рис. 1 - Основные части микросхемы

 

Рис. 2 - Интегральный биполярный транзистор, изолированный электронно-дырочным переходом

Рис. 3 - Интегральный много-эмиттерный транзистор

 

Изготовление полупроводниковых микросхем осуществляют групповым методом, при котором на одной пластине 1 (рис. 3) одновременно создают большое число (до 300 - 500) одинаковых функциональных структур (наборов элементов и межсоединений). Одновременной обработке подвергается до 20 пластин. После выполнения всех операций по формированию элементов и межсоединений пластину разрезают на отдельные платы 2, называемые кристаллами. Каждый кристалл содержит одну функциональную структуру. Его закрепляют на основании корпуса 3, контактные площадки соединяют с выводами микросхемы с помощью тонких проводников, затем на основание надевают крышку корпуса 4 и корпус герметизируют, чем обеспечивается защита кристалла от воздействий окружающей среды.

Рассмотрим теперь особенности устройства элементов полупроводниковых микросхем, которые обусловлены необходимостью изоляции элементов от тела кристалла, обладающего заметной электрической проводимостью. Изоляцию элементов осуществляют либо с помощью дополнительного электронно-дырочного перехода, находящегося под обратным напряжением, либо с помощью тонкого слоя диэлектрика, например двуокиси кремния. Первый способ более прост и дешев и поэтому наиболее распространен, но он не позволяет получить ток утечки на тело кристалла менее 10 нА и емкость элемента по отношению к телу кристалла менее 2пФ. Второй способ более сложен и дорог, но снижает ток утечки в тысячи раз, а емкость - в десятки раз.

Биполярные транзисторы. Структура транзистора, изолированного электронно-дырочным переходом, показана на рис. 1.4. Электрод коллектора К расположен в интегральных транзисторах на верхней поверхности кристалла, там же находятся электроды эмиттера Э и базы Б. Чтобы в этих условиях обеспечить низкоомный путь для коллекторного тока к электроду коллектора K, под n-областью коллектора создают скрытый слой n+, обладающий повышенной проводимостью. Изолирующий переход образуется вдоль линии, разделяющей «-область коллектора и «+-область его скрытого слоя от р+-областей и р-области тела кристалла.

 

Рис. 4 - Интегральные полупроводниковые диоды (схема соединения)

 

Рис. 5 - Интегральный МДП-транзистор

 

Транзисторы полупроводниковых микросхем могут иметь несколько отдельных эмиттеров при одной базе и одном коллекторе. Такие транзисторы называются многоэмиттерными. Их устройство показано на рис. 5, а способы использования рассмотрены в гл. 4. Если в полупроводниковой микросхеме применяют диэлектрическую изоляцию элементов, то транзисторы имеют такую же двухпереходную структуру, как и их дискретные аналоги.

Значения параметров интегрального биполярного транзистора определяются, как обычно, концентрационным профилем структуры, площадью переходов, электрофизическими параметрами материала. Максимальный коллекторный ток может достигать 50 мА, коэффициент передачи тока базы от 20 до 50, обратные токи переходов менее 10 нА, максимальное коллекторное напряжение до 40 В, предельная рабочая частота до 1000 МГц. Освоены способы изготовления транзисторных структур имеющих коэффициент передачи тока базы до нескольких тысяч.

Полупроводниковые диоды. Для упрощения технологического цикла диоды изготавливают на основе транзисторных структур. Для быстродействующих диодов используют эмиттерный переход при соединенном с базой коллекторе (рис. 6, а). Для диодов, которые должны иметь большое пробивное напряжение, используют коллекторный переход, а эмиттер соединяют с базой (рис. 6, б). Во втором случае скорость переключения получается в десятки раз ниже из-за большего значения неравновесного заряда, накапливающегося не только в области базы, но и в области коллектора, а также из-за большей емкости перехода.

МДП-транзисторы. Эти приборы не нужно специально изолировать от тела кристалла, так как у них область «сток - канал - исток» уже изолирована от тела кристалла электронно-дырочным переходом, образующимся вдоль линии, разделяющей р-область тела кристалла от л+-области истока, л-области канала и л+-области стока, и этот переход имеет обратное смещение в рабочем режиме (рис. 5). Площадь, занимаемая на подложке МДП-структурой оказывается при этом в сотни раз меньше, чем у биполярных структур, что позволяет получить значительно большую плотность размещения элементов на подложке.

Интегральные МДП-транзисторы имеют следующие значения параметров: ток стока до 10 мА, напряжение стока до 30 В, входное сопротивление - десятки МОм, предельная частота - сотни МГц. Таким образом, интегральные МДП-транзисторы являются сравнительно низкочастотными элементами, что обусловлено большими межэлектродными емкостями.

Конденсаторы. В полупроводниковых микросхемах применяют в основном р-n-конденсаторы, в качестве которых используют коллекторный переход 1 транзисторной структуры (рис. 6). Эмиттерную область в данном случае не формируют. Изолирующий р-n-переход 2 отделяет р-n-конденсатор от тела кристалла. Выводами конденсатора являются алюминиевые электроды 3, 4. Конденсаторы, один вывод которых должен быть соединен с телом кристалла, могут выполняться на основе изолирующего перехода.

Емкость р-n-конденсатора определяется площадью перехода и обычно не превышает 100 пФ. Добротность низкая - не более 10, отклонение от номинала большое - до 30%, температурный коэффициент емкости до 10~3 град-1.

 

Рис. 6 - Интегральный конденсатор

 

Рис. 7 - Диффузионный резистор

 

Малый диапазон емкостей, низкая добротность, высокий температурный коэффициент и зависимость емкости от приложенного напряжения не позволяют в ряде случаев использовать р-n-конденсаторы. Тогда применяют пленочные конденсаторы типа «металл - диэлектрик - металл». Их выполняют последовательным напылением трех тонких слоев (проводящего, изолирующего и проводящего) на изолирующую пленку двуокиси кремния, находящуюся на поверхности полупроводниковой пластины. Емкость таких конденсаторов достигает 500 пФ при отклонении от номинала не более 5-10%, добротность - до 100, температурный коэффициент до 10~4 град-1, рабочее напряжение - до 60 В.

Применяют также конденсаторы типа МДП, у которых нижнюю обкладку образует эмиттерный слой транзисторной структуры, диэлектриком является пленка двуокиси кремния, а верхняя обкладка - металлическая. Вследствие большого сопротивления потерь нижней (полупроводниковой) обкладки такие конденсаторы несколько уступают конденсаторам с металлическими обкладками, но проще их в изготовлении. По сравнению с параметрами р-n-конденсаторов параметры МДП-конденсаторов значительно выше.

Резисторы. Для формирования в полупроводниковой пластине области, обладающей требуемым электрическим сопротивлением, обычно используют базовый слой транзисторной структуры (рис. 9) и, иногда, эмиттерный или коллекторный слои. Такие резисторы называются диффузионными. Алюминиевые межсоединения 1 имеют контакт с резистивным элементом 2 через окна в изолирующей пленке двуокиси кремния. Электронно-дырочный переход 3 изолирует резистивный элемент от тела кристалла.

Поскольку такие параметры диффузионных слоев, как толщина, концентрация и распределение примеси, задаются требованиями к транзисторным структурам, необходимое сопротивление резистивного элемента может быть получено лишь путем выбора слоя и его ширины и длины. Эмиттерный слой, имеющий более высокую концентрацию примесей, используют для получения резисторов с малым сопротивлением (от 2 до 30 Ом), а базовый слой - с большим сопротивлением (от 100 Ом до 20 кОм). Отклонение от номинала достигает 20%, предельная частота - до 100 МГц, максимальное рабочее напряжение 5 и 20 В соответственно и температурный коэффициент 1-10-4 град-1 и 1-10-3 град-1, соответственно.

В полупроводниковых микросхемах обычно применяют диффузионные резисторы, но если требуемый номинал сопротивления не может быть с их помощью реализован, то в качестве резистивного элемента используют дорожки из пленки высокоомного металла напыленные, как и межсоединения, на изолирующую пленку двуокиси кремния, покрывающую поверхность кристалла.