Полупроводниковые твердые схемы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Твердые схемы представляют собой устройства, состоящие из кристаллов полупроводника, выполняющих функции активных и пассивных элементов схемы без внешних соединений. Активные элементы в таких схемах формируются из р --п - и п --р-переходов, создаваемых путем внесения донорных или акцепторных примесей.

Транзисторы в твердых схемах образуются двумя р -- n переходами, получаемыми на одном монокристалле полупроводника. Диоды выполняют методом планарной (плоской) структуры в едином технологическом цикле с изготовлением транзисторов. Первоначально диодам придают транзисторную структуру, а затем в зависимости от назначения диода пользуются р --п - или n --р-переходами.

Резисторы образуются методом диффузии с номинальными значениями до 500 кОм. Отделение их от остальной части схемы осуществляется методом изолирующей диффузии. Точность диффузионных резисторов составляет ±10 %.

Конденсаторы в твердых схемах выполняют с помощью барьерной емкости р --л-перехода. Для заданного материала емкость таких конденсаторов зависит от ширины и площади перехода.

Таким образом, в твердых схемах электронные элементы получают путем создания в полупроводниковой пластине участков, которые в совокупности выполняют функции, аналогичные функциям электронных схем. Создание самых разнообразных схемных решений обеспечивается надежной изоляцией отдельных областей, которая, как правило, осуществляется включением дополнительных переходов в обратном направлении. Внутрисхемные соединения и контактные площадки для присоединения внешних выводов выполняют напылением пленки алюминия на поверхность пластины кремния. Внешние выводы присоединяют методом термокомпрессии. Для защиты от внешних механических и климатических воздействий готовую схему герметизируют в корпус, имеющий два ряда жестких штырьковых выводов круглого или прямоугольного сечения.

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах -- самые экономичные (по потреблению тока):

МОП-логика (металл-окисел-полупроводник логика) -- микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;

КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) -- каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).

Микросхемы на биполярных транзисторах:

РТЛ -- резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

ДТЛ -- диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

ТТЛ -- транзисторно-транзисторная логика -- микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;

ТТЛШ -- транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки -- усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки;

ЭСЛ -- эмиттерно-связанная логика -- на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, -- что существенно повышает быстродействие;

ИИЛ -- интегрально-инжекционная логика.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространенными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества -- достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и ее целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 -- сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но и наиболее энергопотребляющими, и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

По состоянию на 2009 год альянс ведущих разработчиков и производителей микросхем работает над тех. процессом 32 нм.

Современная интегральная микросхема состоит из десятков миллионов простейших "МОП-транзисторов. Остановимся более подробно на процессе изготовления микросхем, первый этап которого - получение кремниевых подложек.

Создание таких подложек начинается с выращивания цилиндрического по форме монокристалла кремния. В дальнейшем из таких монокристаллических заготовок (болванок) нарезают круглые пластины (wafers), толщина которых составляет приблизительно 1/ 40 дюйма, а диаметр -- 200 мм (8 дюймов) или 300 мм (12 дюймов). Это и есть кремниевые подложки, служащие для производства микросхем.

При формировании пластин из монокристаллов кремния учитывается то обстоятельство, что для идеальных кристаллических структур физические свойства в значительной степени зависят от выбранного направления (свойство анизотропии). К примеру, сопротивление кремниевой подложки будет различным в продольном и поперечном направлениях. Аналогично, в зависимости от ориентации кристаллической решетки, кристалл кремния будет по-разному реагировать на какие-либо внешние воздействия, связанные с его дальнейшей обработкой (например, травление, напыление и т. д.). Поэтому пластина должна быть вырезана из монокристалла таким образом, чтобы ориентация кристаллической решетки относительно поверхности была строго выдержана в определенном направлении.

Как уже отмечалось, диаметр заготовки монокристалла кремния составляет либо 200, либо 300 мм. Причем диаметр 300 мм -- это относительно новая технология. Понятно, что на пластине такого диаметра может разместиться далеко не одна микросхема, даже если речь идет о процессоре Intel Pentium 4. Действительно, на одной подобной пластине-подложке формируется несколько десятков микросхем (процессоров), но для простоты мы рассмотрим лишь процессы, происходящие на небольшом участке одного будущего микропроцессора.

Похожие статьи




Полупроводниковые твердые схемы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Предыдущая | Следующая