Введение в микроэлектронику

1 — металлическое межсоединение; 2 — слой SiO2;

А, Б, В, — соответствующие друг другу точки на рис. а и б.

При конструировании ИС стремятся применять диоды эквивалентные переходам эмиттер-база или коллектор-база транзисторной структуры. В этом случае диоды изготавливают в едином технологическом цикле с остальными элементами.

Соединение элементов в полупроводниковой ИС может осуществляться несколькими способами, основным из ко­торых является нанесение металлических тонкопленочных проводящих дорожек (чаще всего алюминиевых), изолированных от элементов кристалла слоем диэлектрика, чаще всего оксида кремния SiO2; с помощью проволочных соеди­нений.

Количество кристаллов ИС, получаемых в едином техно­логическом процессе на одной пластине, чаще всего крем­ния, зависит от размера кристалла, в свою очередь завися­щего от количества элементов в схеме, и диаметра пластин. Площадь кристалла ИС в зависимости от ее сложности составляет 1 .100 мм2, наиболее распространены размеры 10 .50 мм2.

6.3. Элементы ИС на МДП-структуре.

В качестве активных элементов в ИС могут использо­ваться кроме биполярных полевые транзисторы со струк­турой «металл-диэлектрик (оксид)-полупроводник», т.е. МДП-транзисторы или МОП-транзисторы. В соответствии с этим все монолитные ИС разделяются на три основных вида: МДП ИС (МОП ИС), биполярные и биполярно-полевые ИС. МДП ИС могут быть реализованы на транзисторах с каналом p-типа (p-МДП ИС, p-МОП ИС) и каналом n-типа (n-МДП ИС, n-МОП ИС), а также на комплементарных, т. е. использующих одновременно p- и n-типы, МДП-транзисторах (КМДП ИС, КМОП ИС). Биполярно-полевые ИС представляют собой объединенные в одном кристалле биполярные и КМДП ИС (БиКМДП ИС, БиКМОП ИС).

Основными элементами современных МДП ИС являются МДП-транзисторы с каналом n-типа. Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому в ИС на n-канальных МДП-резисторах достигается самая высокая (в 3-10 раз) степень интеграции, но они уступают биполярным ИС по быстродействию.

Рис. 6.2. Схема полевого транзистора с резистором: а - эквивалентная схема; б - топология МОП-резистора

В комплементарных МДП ИС применяют МДП-транзисторы с ин­дуцированными каналами n- и р-типа, для этих ИС характерна очень малая потребляемая мощность.

МОП-транзистор может использоваться в качестве конденсатора и резистора, при этом значение емкости и сопротивления можно изменять в определенных пределах путем изменения потенциала на управляющем электроде (т. е. на затворе).

В качестве резистора МДП-транзистор используется при Uзи=0, т. е. при этом сопротивление канала имеет наиболь­шее значение. Сопротивление между выводами стока и ис­тока в этом случае обратно пропорционально отношению ширины канала b к его длине L, т. е. b/L. Эта зависимость позволяет проводить расчет топологии для получения необ­ходимого сопротивления резистора.

На рис. 6.2 приведена схема МДП-транзистора, исполь­зуемого в качестве резистора. Структура МДП-конденсатора показана на рис. 6.3. Диэлектриком в этом конденсато­ре является термически выращенная пленка диоксида крем­ния SiO2. Одним из электродов является пленка напыленного металла на SiO2, являющимся диэлектриком, другим — сильнолегированная n+-область кремния, лежащая под оксидом. Высокоомный n-слой и p-кремний подложки образу­ют изолирующий p-n-переход. Емкость МДП-конденсатора зависит прямо пропорционально площади и обратно пропорциональна толщине оксидной пленки. Уменьшение толщины оксидной пленки для получения емкости большей величины имеет ограничения, так как неоднородность структуры очень тонкой пленки может привести к замыка­нию обкладок конденсатора.

Рис.6.3. МДП-конденсатор

Изготавливают МДП ИС методами планарной техноло­гии. Трудоемкость изготовления МДП ИС на 30% ниже, чем биполярных ИС, так как технологический цикл изго­товления МДП ИС состоит из 22 основных операций, а би­полярных ИС — из 32.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение интегральной схемы.

2. Как различают ИС по технологии изготовления?

3. Расскажите о делении ИС по степени интеграции.

4. Как различают ИС по функциональному назначению?

5. Расскажите об элементах биполярных ИС.

6. Расскажите об элементах ИС на МДП-структурах.

Глава 7. Большие интегральные схемы.

7.1. Общие положения.

Ранее говорилось, что большими интегральными схемами называют полупроводниковые ИС, содержащие более 103 элементов на кристалл.

Развитие современных технологических процессов изго­товления ИС позволяет значительно уменьшать минималь­ные технологические размеры с одновременным увеличе­нием размеров кристалла, т.е. создавать ИС с большой степенью интеграции, называемые большими интегральными (БИС).

БИС являются сложными схемами, реализующими узлы и целые электронные устройства. Различают монолитные и гибридные БИС. Среди монолитных БИС наибольшее распространение получили полупроводниковые БИС на основе МДП-структур, что обусловлено малыми размерами их активных элементов, а также более простой технологией изготовления по сравнению с монолитными БИС на основе биполярных структур.

По функциональному назначению различают БИС, предназначенные для использования в микропроцессорных комплектах в качестве запоминающих устройств, аналого-цифровых и цифровых преобразователей, усилителей и др. БИС явля­ются основной элементной базой микро-ЭВМ, а также ши­роко используются для создания ЭВМ других типов, что обеспечивает повышение их надежности, уменьшение га­баритных размеров и массы, а также существенное сниже­ние потребляемой ими мощности.

То есть по функциональному назначению БИС также могут быть цифровыми, или логическими, и аналоговыми, или линейными. К первым относятся декадные счетчики, накапливающие сумматоры, полные арифметические бло­ки, упоминаемые ранее запоминающие устройства и др.

Специальные БИС для ЭВМ, выполняющие не логичес­кие функции, т.е. аналоговые, имеют очень большую но­менклатуру. К этим БИС можно отнести усилители записи и считывания различных запоминающих устройств (ЗУ), преобразователи уровней, времязадающие схемы, схемы стабилизаторов напряжений, дифференциальные операционные усилители, компарато­ры, усилители индикации и др.

Для преобразования аналоговых сигналов в цифровой эк­вивалент используют аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а для обратного преобразования цифровых уровней в аналоговые — цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).

АЦП — это электронное устройство, осуществляющее автоматическое преобразование непрерывно изменяющейся аналоговой величины в цифровой код. Процесс аналого-цифрового преобразования в общем случае включает про­цедуры квантования (дискретизация непрерывной вели­чины по времени, уровню или обоим параметрам одновре­менно) и кодирования.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15