Общие сведения о микроэлектронике

ЭТО ВАЖНО. Микроэлектроника – это область электротехники, связанная с созданием и применением миниатюризированных электронных элементов, узлов, блоков и целых устройств. Микроэлектроника базируется на интегральных микросхемах (ИМС).

ИМС – это изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которые могут рассматриваться как единое целое.

ЭТО ВАЖНО. Другими словами ИМС – это маленькие электронные устройства, содержащие множество элементов (резисторов, транзисторов, конденсаторов и т.д.), которые объединены конструктивно и электрически с помощью общей технологии в общий корпус.

ЭТО ВАЖНО. В зависимости от способа интеграции элементов, т.е. от производственной технологии, ИМС бывают: полупроводниковыми; многослойными (тонко- или толстопленочными); гибридными (сочетание дискретных элементов и тонкопленочных ИМС), называемых еще «чипами».

Полупроводниковые ИМС - полупроводниковый кристалл, в толще которого выполняются все компоненты схемы: полупроводниковые приборы и полупроводниковые резисторы. Поверхность полупроводника покрывается изолирующим слоем окисла, по которому в нужных местах расположен слой металла, обеспечивающий соединение между элементами схемы. Для примера на рис.15.1, а показана часть схемы, состоящая из резистора, диода и транзистора, а на рис.15.1, б – разрез полупроводникового кристалла, в толще которого выполнены указанные схемные элементы. Изоляция элементов друг от друга осуществляется с помощью p-n переходов, смещенных в обратном направлении. Для этого к подложке р-типа прикладывается наиболее отрицательный потенциал. После создания слоя окисла на поверхности и нанесения соединений кристаллы полупроводника помещают в герметизированный пластмассовый или стеклянный корпус, имеющий выводы во внешнюю цепь.

Полупроводниковые ИМС обладают следующими особенностями:

1. В кристалле полупроводника могут быть выполнены полупроводниковые приборы (диоды, биполярные и полевые транзисторы) и полупроводниковые резисторы. В качестве конденсаторов с емкостью 200¸400 пФ используют емкости полупроводниковых диодов, смещенных в обратном направлении. Конденсаторы большой емкости и магнитные элементы (дроссели, трансформаторы) в составе полупроводниковых ИМС невыполнимы.

2. Точность воспроизведения параметров компонентов полупроводниковой ИМС невелика.

3. Технология изготовления ИМС очень сложна. Экономически оправдан выпуск этих изделий только очень крупными партиями (10⁴ экземпляров и более).

4. Масса и габариты полупроводниковых ИМС очень малы, на одном кристалле кремния (размером несколько квадратных сантиметров) могут располагаться десятки и сотни тысяч отдельных элементов схемы.

Гибридные ИМС. Основу их конструкции составляет пленочная схема: пластина диэлектрика, на поверхности которого нанесены в виде пленок толщиной порядка 1 мкм компоненты схемы и соединения между ними. Этим способом легко выполнимы пленочные проводниковые соединения, резисторы и конденсаторы. Резисторы больших номиналов выполняют в виде плоской спирали, что обеспечивает минимальную площадь, занимаемую элементом. Сопротивление таких резисторов может достигать 10⁵ Ом.

Пленочный конденсатор состоит из трех пленочных слоев: металл – диэлектрик – металл. За счет малой толщины диэлектрика емкость пленочных конденсаторов может достигать 10000 пФ и более.

Дроссели также могут быть выполнены в виде спирали, но они имеют небольшую индуктивность, не более 10 мкГн.

Бескорпусные полупроводниковые приборы, конденсаторы больших номиналов и магнитные элементы в гибридных ИМС выполняются навесными: эти элементы приклеиваются в определенных местах к плате, далее соединяют их с элементами пленочной схемы, затем плата с пленочной схемой и навесными элементами помещается в герметизированный корпус, имеющий определенное количество выводов.

Гибридные ИМС обладают следующими основными свойствами:

1. Наиболее предпочтительными элементами являются резисторы и конденсаторы. Число их в ИМС должно быть небольшим, так как их установка и монтаж требуют больших затрат труда.

2. Точность воспроизведения параметров в гибридных ИМС значительно выше, чем у полупроводниковых. Возможна подгонка номиналов резисторов и конденсаторов (например, путем соскабливания части пленки).

3. Технология изготовления гибридных ИМС значительно проще, чем полупроводниковых.

4. Стоимость выпуска нового типа гибридных ИМС меньше, чем полупроводниковых, поэтому экономически оправдан выпуск гибридных ИМС малыми партиями (сотни и даже десятки экземпляров).

5. Массогабаритные показатели гибридных ИМС хуже, чем полупроводниковых, и число компонентов в одной схеме обычно не больше нескольких десятков.

ЭТО ВАЖНО. В зависимости от характера обрабатываемых сигналов ИМС бывают цифровыми (триггеры, логические схемы, счетчики и т.д.) и аналоговыми (усилители, преобразователи и т.д.).

Цифровые ИМС унифицированные и находят широкое применение в ЭВМ, автоматических устройствах, системах управления вторичных источников электроэнергии и т.п. Более разнообразны аналоговые ИМС, среди которых наибольшее применение находят операционные усилители (ОУ).

ЭТО ВАЖНО. Классификация ИМС:

1) по степени интеграции (числу элементов в кристалле): малой (до 100 элементов), средней (до 1000 элементов), большой (до 10000 элементов) и сверхбольшой интеграции (свыше 10000 элементов);

2) в зависимости от рассеиваемой мощности: маломощные (до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 3 Вт) и мощными (свыше 3 Вт);

3) по значению предельной частоты: низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (от 3 до 30 МГц), высокочастотные (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц);

4) по быстродействию: малого быстродействия (свыше 50 нс), среднего быстродействия (от 50 до 5 нс) и большого быстродействия (ниже 5 нс).

Создание ИМС позволяет уменьшить объем, массу и себестоимость электронной аппаратуры, снизить потребление электроэнергии, тем самым повысить КПД устройства, увеличить быстродействие схем (скорость передачи информации) и надежность их работы. Основными недостатками ИМС являются плохая теплопередача и высокая чувствительность к внешним магнитным полям.