Элементы интегральных микросхем

Главные достоинства интегральных схем (ИС) состоят в том, что они имеют малые размеры и массу, потребляют малую мощность от источников питания, обладают высокой надежностью за счет уменьшения числа паяных соединений, высоким быстро­действием, так как при очень коротких соединительных линиях между элементами время прохождения сигналов по этим линиям уменьшается, имеют относительно низкую стоимость.

ИС имеют и некоторые недостатки. Прежде всего они являются маломощными. Соединения между микросхемами делаются по старым принципам, занимают значительный объем и снижают надежность.

Цифровые ИС характерны тем, что они работают в импульсном режиме и могут находиться в одном из двух резко различных состояний, поскольку в современ­ных ПЭВМ применяется двоичная система счисления, в которой используются только две цифры — 0 и 1. Аналоговые ИС работают в таких режимах, когда изменения токов и напряжений происходят непрерывно по тому или иному закону, например по синусоидальному. К аналоговым схемам относятся усилители, генераторы и различные преобразователи сигналов.

Пленочные и гибридные ИС

Пленочные ИС имеют подложку из диэлектрика (стекло, керамика и др.). Пассивные элементы, т. е. резисторы, конденсаторы, катушки и соединения между элементами, в таких схемах выполняются в виде различных пленок, нанесенных на подложку. Активные элементы (диоды, транзисторы) не делаются пленочными, так как не удалось добиться их хорошего качества. Таким образом, пленочные ИС содержат только пассивные элементы.

Подложки представляют собой диэлектрические пластинки толщиной 0,5 — 1 мм, тщательно отшлифованные и отполированные. Для резисторов на подложку наносят резистивные пленки. На рис. 8.1 показана структура пленочных резисторов.

Рис. 8.1. Пленочный резистор

1 – резистивная пленка; 2 – вывод; 3 – подложка

Гибридная ИС, состоящая из конденсатора, транзистора и резистора, показана на рис. 8.2. Это может быть, например, часть усилительного каскада. Проводники от транзистора присоединяются к соответствующим точкам схемы чаще всего методом термокомпрессии.

Рис. 8.2. Структура и электрическая схема гибридной интегральной микросхемы

Полупроводниковые ИС

Полупроводниковые ИС имеют элементы выполненными в приповерхностном слое и на поверхности полу­проводниковой подложки, которая представляет собой пластинку кремния толщиной 200 — 300 мкм. Размеры кристалла бывают обычно от 1,5 х 1,5 до 10 x 10 мм. По сравнению с пленочными и гибридными ИС полупроводниковые микросхемы имеют наибольшее число элементов в единице объема и наивысшую надежность.

Изоляция. Поскольку все элементы делаются в единой полупроводниковой подложке, то важно обеспечить изоляцию элементов от подложки и друг от друга. Наиболее простой и дешевой является изоляция p — n - переходом. В этом случае в подложке (П), например, из кремния типа р, методом диффузии делаются области типа п, называемые «карманами» (рис. 8.3). В «карманах» в дальнейшем формируются необходи­мые пассивные или активные элементы, а p — n - переход между «карманом» и подложкой постоянно находится под обратным напря­жением. Кремниевый р — n – переход при обратном напряжении имеет очень высокое сопротивление (несколько мегаом), которое и вы­полняет роль изоляции.

Рис. 8.3. Изоляция элементов p — n - переходом

Биполярные транзисторы формируют по планарно-эпитаксиальной технологии. Методом диффузии в подложке создают области коллектора, базы и эмиттера (рис. 8.4). Структура транзистора углубляется в подложку не более чем на 10—15 мкм, а линейные размеры транзистора на поверхности не превышают нескольких десятков микрометров.

Рис. 8.4. Биполярный транзистор полупроводниковой ИС

Как, правило, изготовляются транзисторы типа п — р — п. Внутренний (скры­тый) п⁺ - слой с повышенной концентрацией примесейв коллекторе служит для уменьшения сопротивления и, следовательно, по­терь мощности в области коллектора. Но область коллектора должна иметь пониженную концентрацию примесей, чтобы переход имел большую толщину. Тогда барьерная емкость у него будет меньше, а напряжение пробоя — выше. Область эмиттера также часто делают п⁺ - типа для уменьшения сопротивления и увеличения инжекции. Сверху на транзисторе создается защитный слой оксида Si0₂. От об­ластей коллектора и базы часто делают по два вывода, для того чтобы можно было соединить данный транзистор с соседними элементами без пересечений соединительных линий.

Типичные параметры биполярных транзисторов полупроводниковых ИС таковы: коэффициент усиления тока базы 200, граничная частота до 500 МГц, емкость коллектора до 0,5 пФ, пробивное напряжение коллекторного перехода до 50 В, а эмиттерного до 8 В.

В полупроводниковых ИС всегда образуются некоторые паразитные элементы. Например, из рис.8.4 видно, что наряду с транзистором типа п⁺ — р — п, созданным в подложке типа р, существует па­разитный транзистор р — п — р, в который входят подложка, области коллектора и базы. А транзистор п⁺ — р — п вместе с подложкой образует паразитный тиристор п⁺ — р — п — р. Вследствие обратного напряжения на изолирующем переходе паразитные транзистор и тиристор нормально заперты, но при попадании каких-либо импульсов помех может произойти нежелательное отпирание и срабатывание этих эле­ментов.

Многоэмиттерные транзисторыприменяются в цифровых полупроводниковых ИС (рис. 8.5). Для примера взят четырехэмиттерный транзистор. Такой транзистор можно отпирать подачей импульса прямого напряжения на любой из четырех эмиттерных переходов.

Рис. 8.5. Многоэмиттерный транзистор

В многоэмиттерном транзисторе работающий эмиттер вместе с базой и другим, соседним эмиттером образует паразитный n⁺ - p – n⁺ - транзистор. Чтобы уменьшить влияние последнего, между соседними эмиттерами делают расстояние не менее 10 мкм, т. е. у паразитного транзистора получается сравнительно толстая база.

Супербета-транзистор имеет толщину базы всего лишь 0,2 — 0,3 мкм и за счет этого коэффициент усиления тока достигает нескольких тысяч. Однако максимальное напряжение U_КБв этих транзисторах не превышает 1,5 — 2 В. При большем напряжении проис­ходит смыкание коллекторного перехода с эмиттерным.

Составные транзисторы,применяемые в ИС, представляют собой пару транзисторов, соединенных так, что получается элемент с очень высоким коэффициентом усиления . Чаще всего встречается так называемая пара Дарлинг­тона (рис. 8.6). Результирующий коэффициент усиления такого составного транзистора:

. (8.1)

При = 100 получают = 10⁴. Практически может достигать нескольких тысяч.

Рис. 8.6. Электрическая схема составного транзистора

Транзистор с коллектором Шотки представляет собой биполяр­ный транзистор, у которого коллекторный переход шунтирован диодом Шотки. Его достоинством является отсутствие диффузионной емкости, и за счет этого рабочие частоты диода доходят до 3-15 ГГц. На рис. 8.7 показаны схема транзистора с коллектором Шотки и структура такого транзистора в полупроводниковой ИС. В нем алюминиевая металлизация обеспечивает невыпрямляющий контакт с базой типа р, но создает выпрямляющий контакт, т.е. диод Шотки, с коллектором n – типа. При работе такого транзистора в режиме ключа значительно повышается быстродействие.

Рис. 8.7. Транзистор с барьером Шотки

МОП-транзисторы все больше вытесняют в ИС биполярные транзисторы. Это объясняется важными преимуществами МОП-транзисторов, в частности их высоким входным сопротивлением и простотой технологии. Особенно просто изготовляются МОП-транзисторы с индуцированным каналом. Для них в кристалле р-типа надо лишь создать методом диффузии п⁺-области истока и стока (рис. 8.8). На переходах между этими областями и под­ложкой поддерживается обратное напряжение, и таким образом осуществляется изоляция транзисторов от кристалла и друг от друга. Аналогичной является изоля­ция канала от кристалла.

Рис. 8.8. МОП-транзистор по­лупроводниковой ИС с индуци­рованным каналом n-типа

На рис. 8.9 изображена в разрезе часть полупроводниковой ИС, соответ­ствующая схеме рис. 8.2, т. е. состоящая из диффузионного конденсатора, транзистора и резистора.

Рис. 8.9. Полупроводниковая ИС