Интегральные схемы

 

 

 

Транзисторы полупроводниковых микросхем  могут иметь несколько отдельных  эмиттеров при одной базе и  одном коллекторе. Такие транзисторы  называются многоэмиттерными. Их устройство показано на рис. 1.5. 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. 1.6,а). Для диодов, которые должны иметь большое пробивное напряжение, используют коллекторный переход, а эмиттер соединяют с базой (рис. 1.6,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 n+-области истока, n-области канала и n+-области стока, и этот переход имеет обратное смещение в рабочем режиме (рис. 1.7). 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. 1.8). 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.

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 парамерами 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. 1.9) 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. Эти резисторы называются пленочными.

В качестве резисторов в полупроводниковых микросхемах  используют также канал МДП-транзистора. Сопротивление при этом может регулироваться изменением напряжения, подаваемого на затвор (минимальное сопротивление около 10 Ом).

Пленочные интегральные микросхемы.

Второй разновидностью микросхем являются пленочные микросхемы, подразделяемые на тонкопленочные и толстопленочные. Более совершенны и шире распространены тонкопленочные микросхемы. Их выполняют на диэлектрической подложке (из стекла, ситал-ла, керамики), элементами их являются резисторы и конденсаторы. Иногда используют индуктивные элементы.

Резисторы изготавливают напылением на подложку 3 (рис. 1.11) через трафарет тонкой пленки высокоомного материала (нихром, тантал, сплав МЛТ) нужной конфигурации. Концы полученного ре-зистивного элемента 1 соединяют с пленочными контактными площадками 2, выполняемыми из металла, обладающего высокой электропроводностью (алюминий, медь, золото).

Электрическое сопротивление  такого резистора может быть от 10 Ом до 1 МОм в зависимости от толщины, ширины и длины резистивной полоски, а также удельного сопротивления материала. Отклонение от номинала 5 — 10 %; применяя подгонку, можно получить отклонение менее 0,1 %. Температурный коэффициент сопротивления (50 — 500)-10-6 град-1. Допустимая удельная мощность рассеяния составляет 1 — 3 Вт/см2. Благодаря малой собственной индуктивности тонкопленочные резисторы имеют частотный диапазон до 1000 МГц.

Конденсаторы выполняют на диэлектрической  подложке 1 (рис. 1.12) последовательным напылением трех слоев: металл — диэлектрик — металл. Металлические слои 3, образующие обкладки конденсатора, изготовляют обычно из алюминия. В качестве диэлектрика 2 используют окись кремния, окись алюминия, боросиликатное стекло и др. Емкость такого конденсатора в зависимости от площади обкладок, толщины и диэлектрической проницаемости диэлектрика составляет от 100 до 5000 пФ при рабочем напряжении до 60 В. Температурный коэффициент емкости (35 — 400)10~в град-1, частотный диапазон до 300 — 500 МГц.

Индуктивные элементы могут быть выполнены в виде однослойных многовитковых спиралей, однако индуктивность их не превышает 20 мкГн при добротности не более 50.

На базе пленочной  технологии до сих пор не удалось  создать достаточно надежные транзисторы  или другие активные элементы, поэтому  пленочные микросхемы имеют ограниченное самостоятельное применение и большей частью составляют основу гибридных микросхем.

Гибридные интегральные микросхемы.

 

Гибридные микросхемы изготавливают  на диэлектрической подложке, их пассивные элементы R, С, L, межсоединения и контактные площадки выполняют по пленочной технологии, т. е напылением. Применяют групповой метод обработки, при котором на одну подложку наносят до 16 — 18 идентичных групп элементов и межсоединений, затем подложку разрезают на части — платы каждая из которых содержит элементы и межсоединения одного функционального узла.

Транзисторы для  гибридных микросхем изготавливают  отдельно, в целях экономии объема в бескорпусном оформлении иногда в виде сборки. Их параметры имеют примерно те же численные значения, что и у дискретных аналогов. Бескорпусные транзисторы защищают от воздействий внешней среды специальным влагостойким покрытием.

Монтаж транзистора 1 (рис. 1.13) на плате осуществляют термокомпрессионной сваркой шариковых 3 или балочных 5 выводов с контактными площадками 2 либо с помощью проволочных выводов.

Общий вид платы  гибридной микросхемы показан на рис 1 14 а, На диэлектрическую подложку наносят через трафарет резистивные  полоски Ri, R2, Rз из высокоомного материала, затем через другой трафарет распылением металла, имеющего высокую электропроводность, наносят нижнюю обкладку О, конденсатора С, межсоединения и контактные площадки 1 — 5. Далее через третий трафарет наносят пленку диэлектрика конденсатора Д и, наконец, через четвертый трафарет наносят последний слой — верхнюю обкладку конденсатора 02. Транзистор Т приклеивают к подложке и проволочными выводами подсоединяют к соответствующим контактным площадкам.

                             На рис. 1.14,б показана принципиальная схема рассмотренного устройства. Оно функционально незавершено, поскольку может быть использовано (в усилителе с общим эмиттером, в эмиттерном повторителе и т. п.) лишь при подключении к нему ряда внешних элементов. Такая функциональная незавершенность обычно возникает из-за трудностей выполнения некоторых элементов (например, катушек) в виде, пригодном для монтажа внутри микросхемы. Иногда микросхему специально оставляют функционально незавершенной, чтобы расширить сферу ее использования.

Гибридные микросхемы могут выполняться  и на основе толстопленочной технологии, более дешевой, но, как уже указывалось, менее совершенной. Подложка для толстопленочной микросхемы имеет размеры 16X10X1 или 10X10X1 мм и выполняется из высокоглиноземистой керамики, имеющей хорошую адгезию к наносимым материалам. Элементами толстопленочной микросхемы являются резисторы и конденсаторы, их выполняют так же, как и межсоединения, путем нанесения на поверхность подложки через сетчатый трафарет специальных проводящих, резистивных и диэлектрических паст, подвергаемых после нанесения термической обработке. Получаемые таким образом резисторы могут иметь сопротивление от 5 Ом до 70 кОм с разбросом (после подгонки) до 1 %, при удельной мощности рассеяния до 0,5 Вт/см2. Конденсаторы имеют емкость рт 60 до 350 пФ, добротность до 50, пробивное напряжение до 150 В. Температурный коэффициент у резисторов ±5-10~4 град-1, конденсаторов 4-10~4 град-1. Бескорпусные транзисторы и диоды монтируют в толстопленочных гибридных микросхемах обычным способом.

По числу содержащихся в корпусе микросхем элементов  различают шесть степеней интеграции: первая степень — от 1 до 101; вторая — от 10 до 102; третья — от 102 до 103; четвертая — от 103 до 104; пятая — от 104 до 105; шестая — от 105 до 106 элементов.

Интегральные  микросхемы, содержащие более 100 элементов, принято называть микросхемами повышенного  уровня интеграции, используется также  термин «большие интегральные схемы» (БИС) он соответствует четвертой-пятой степеням интеграции

Микросхемы повышенного  уровня интеграции имеют по сравнению с микросхемами малого уровня интеграции значительно лучшие габаритные характеристики, меньшую стоимость в расчете на один функциональный элемент, а также ряд других преимуществ благодаря которым удается существенно улучшить основные технико-экономические характеристики аппаратуры.

 

 

Источники:

1. Уильямс А. Применение интегральных схем. Практическое руководство. Том I (1987).
2. Якубовский С.В.Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы
3. http://radiowiki.ru/