Электроника в вопросах и ответах - Страница 35

Применение интегральных микросхем вместо схем, состоящих из дискретных элементов, дает ряд преимуществ, из которых важнейшими являются: уменьшение габаритных размеров (миниатюризация) и массы устройства, увеличение надежности, снижение стоимости изготовления устройств и уменьшение потребления материалов. Введение интегральных микросхем позволило разработать устройства, изготовление которых при использовании дискретных элементов было бы вообще невозможным или неэкономичным.

Применение интегральных микросхем создает также и некоторые неудобства. Ограниченный выбор типов этих схем иногда вынуждает разработчиков «подгонять» свои решения к существующим интегральным микросхемам. Интегральные микросхемы создают также некоторые трудности при монтаже, в частности при пайке. Они крайне чувствительны к искрениям и коротким замыканиям в схеме.

Существуют четыре типа интегральных микросхем, отличающихся технологией изготовления и свойствами: полупроводниковые, тонкопленочные, толстопленочные, гибридные. Наиболее распространены полупроводниковые интегральные микросхемы.

Интегральные микросхемы можно разделить на две группы с точки зрения условий работы содержащихся в них элементов: цифровые интегральные микросхемы и аналоговые интегральные микросхемы (часто называемые линейными интегральными микросхемами). В цифровых схемах активные элементы выполняют роль переключателей, которые могут принимать два крайних состояния: отпирания и запирания (или включения и выключения). В аналоговых схемах произвольный входной сигнал (в определенном интервале линейной работы) вызывает соответствующий выходной сигнал. К цифровым схемам относятся триггеры, к линейным — усилители.

Это интегральные микросхемы, все пассивные и активные элементы которых изготовлены в одной пластинке полупроводника (монокристалле кремния). Большую часть пластинки по толщине составляет подложка, и только в тонком приповерхностном слое находятся элементы схемы и соединения между ними, созданные методом диффузионно-планарной технологии. Такая технология позволяет создать в пластинке полупроводника (кремния) области с разным типом проводимости (р и n), а также соединения этих областей с металлическими контактами. Области с разным типом проводимости образуют переходы, выполняющие функции резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. Тип проводимости определяется концентрацией примеси. Избыток доноров дает область с проводимостью типа n, избыток акцепторов — область с проводимостью типа р. Процесс изменения типа проводимости путем добавления примесей называется компенсацией.

Атомы примесей вводятся в полупроводник через поверхность с помощью диффузии, например путем помещения полупроводника в смесь паров с атомами примеси при достаточно высокой температуре. Возможно проведение даже тройной диффузии, при которой получают трехслойную структуру, содержащую два перехода; наиболее глубокой является первая диффузия. Ограничение областей, в которых путем диффузии примесей получают изменение типа проводимости, осуществляется с помощью слоев двуокиси кремния, предохраняющих от диффузии участки, покрытые таким слоем. Слой двуокиси кремния на пластинке создается окислением поверхности пластинки при высокой температуре. Вскрытие определенных участков (так называемых окошек) в слое окисла для проведения диффузии осуществляется растворением окисла в плавиковой кислоте. В процессе удаления слоев окисла с определенных участков поверхности пользуются фотомасками, облучаемыми ультрафиолетовыми лучами. Участки полупроводника, покрытые светочувствительной эмульсией и не засвеченные через маску (шаблон), образованную системой прозрачных и непрозрачных участков, вытравливаются. Этот процесс называется фотолитографией.

Слой окисла используется также для защиты поверхности полупроводника после окончания производственного процесса от загрязнений и влияния окружающей среды. Это — пассивация поверхности.

Полупроводниковые интегральные микросхемы являются наиболее распространенным типом интегральных микросхем, обеспечивающих максимальную миниатюризацию и надежность. При массовом производстве являются наиболее дешевыми. Плотность упаковки в полупроводниковых интегральных микросхемах доходит даже до нескольких тысяч элементов и более на 1 мм².

Изготовление диода осуществляется относительно просто. Используется процесс диффузии, создающий один р-n переход. Структура диода в интегральной микросхеме характеризуется плоским планарным) переходом, например таким, как на рис. 5.16.

Рис. 5.16. Структура полупроводникового диода в интегральной микросхеме:

_{1 — контакт; 2 — металлизация; 3 — двуокись кремния}

Электрические параметры диффузионного диода зависят от площади перехода, распределения и концентрации примесей. Транзисторы также изготавливаются на основе использования диффузии для получения двух переходов в планарной структуре (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Схематическая структура транзистора в интегральной схеме:

_{1 — первая, 2 — вторая, 3 — третья диффузии}

Сопротивление материала зависит от его удельного сопротивления (сопротивления, определенного на длине 1 см для поперечного сечения этого материала, равного 1 см²), длины, площади и температуры. У полупроводниковых интегральных микросхем резистор создается путем диффузии слоя типа р в полупроводнике типа n или наоборот (рис. 5.18).

Рис. 5.18. Структура резистора в полупроводниковой интегральной микросхеме

По двум концам созданной таким образом резистивной дорожки располагаются металлические контактные площадки, между которыми и «действует» сопротивление, зависящее от формы канала и количества примесей в нем. Ограничивающий такой канал переход, естественно, смещен в обратном направлении. Описываемым способом получают сопротивления от нескольких ом до нескольких десятков килоом. Точность диффузионного резистора невысокая и составляет обычно примерно 20 %, однако относительный разброс сопротивлений резисторов для интегральных микросхем одного типа составляет около ±2 %.

Емкостные элементы создаются путем использования емкости р-n перехода, смещенного в обратном направлении. Заряд в запирающем слое зависит от напряжения смещения. Кроме того, емкость перехода зависит от площади перехода и распределения в нем примесей. Легко получают емкости 100—1000 пФ/мм². Из-за ограниченной площади перехода возможности получения больших емкостей перехода также ограничены. Недостатками таких конденсаторов являются большая температурная зависимость, а также ограничение амплитуды переменного напряжения, поскольку переход в любых условиях работы должен быть смещен отрицательным напряжением, если он должен представить собой емкость и работа должна происходить в линейном диапазоне.