Интегральная микросхема. Интегральная микросхема (ИС)

• Название: Интегральная микросхема (ИС)
• Анкор: Интегральная микросхема
• Дата: 22.02.2020
• Размер: 322.5 Kb.
• Имя файла: Интегральная микросхема.doc
• Тип: Документы; #109458
• страница: 1 из 3

Интегральная микросхема (ИС)

(микросхема, интегральная схема)

ИС – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию обработки сигналов и имеющее высокую плотность размещения электрически соединенных элементов и компонентов.

Элемент ИС – часть ИС, выполняющая функцию транзистора, резистора или другого электрорадиоэлемента, изготовленного в едином технологическом цикле (при создании ИС) и не представляющая собой самостоятельного изделия.

Компонент ИС – представляет собой самостоятельное комплектующее изделие, которое устанавливается в ИС в процессе ее изготовления.

Все элементы ИС и их соединения выполнены в едином технологическом цикле на общей подложке.

Технологические процессы:

а) наращивание полупроводникового материала на кремниевой подложке;

б) термическое окисление кремния для получения слоя окисла SiO₂, защищающего поверхность кристалла от внешней среды;

в) фотолитография, обеспечивающая требуемые конфигурации пленок(SiO₂, металл и т.п.) на поверхности подложки;

г) локальная диффузия – перенос примесных атомов в ограниченные области полупроводника (в настоящее время – ионная имплантация легирующего вещества);

д) напыление тонких (до 1 мкм) пленок;

е) нанесение толстых (более 1 мкм) пленок путем использования специальных паст с их последующим вжиганием.

ИС изготавливаются методами интегральной технологии, имеющей следующие отличительные особенности:

1. Элементы, однотипные по способу изготовления, представляют собой или полупроводниковые p-n структуры с несколькими областями, различающиеся концентрацией примесей или пленочные структуры из проводящих, резистивных и диэлектрических пленок.

2. Одновременно в едином технологическом цикле изготавливается большое количество одинаковых функциональных узлов, каждый из которых, в свою очередь, может содержать до сотен тысяч и более элементов.

3. Сокращается количество технологических операций (сборка, монтаж элементов) на несколько порядков по сравнению с традиционными методами производства аппаратуры на дискретных элементах.

4. Размеры элементов и соединений между ними уменьшаются до технологически возможных пределов.

5. Низконадежные соединения элементов, выполненные с помощью пайки, исключаются и заменяются высоконадежными соединениями (путем металлизации).

По технологии построения ИС делятся на 2 группы:

• 
  полупроводниковые;
  
• 
  гибридные.
  

Полупроводниковая ИС – ИС, в который все элементы и межсоединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой кремневой подложки. Создаются на биполярной и МДП-структурах.

Гибридная ИС – ИС с элементами и межсоединениями в виде пленок, выполненных на поверхности диэлектрической подложки, а также с активными компонентами.

Гибридные ИС делятся на:

• 
  тонкопленочные;
  
• 
  толстопленочные.
  

Последовательность основных этапов построения полупроводниковой ИС:

1. 
   Выращивание кристалла кремния.
   
2. 
   Разрезка на пластины (200…300мкм, Ø 40 – 150мм).
   
3. 
   Очистка поверхности пластин.
   
4. 
   Получение элементов и их соединений на пластине.
   
5. 
   Разрезка пластин на отдельные части (кристаллы).
   
6. 
   Закрепление в корпусе.
   
7. 
   Подсоединение выводов с контактными площадками.
   
8. 
   Герметизация корпуса.
   

Пр. Фотолитография:

1. 
   Очистка пластин.
   
2. 
   Нанесение фоторезистора.
   
3. 
   Сушка.
   
4. 
   Совмещение с фотошаблоном и экспонирование.
   
5. 
   Травление SiO₂.
   
6. 
   Задубливание (сушка).
   
7. 
   Проявление.
   
8. 
   Удаление фоторезистора.
   

Пр. Толстопленочная технология:

1. 
   Очистка подложек.
   
2. 
   Трафаретная печать.
   
3. 
   Сушка и вжигание.
   
4. 
   Подгонка.
   
5. 
   Монтаж в корпусе.
   
6. 
   Армирование.
   
7. 
   Монтаж компонентов.
   
8. 
   Присоединение выводов.
   
9. 
   Герметизация.
   
10. 
    Испытания.
    

Особенности ИС (на примере полупроводниковой):

1. 
   ИС самостоятельно выполняет законченную, часто весьма сложную функцию. ИС может рассматриваться не только как элемент с определенными параметрами, но и как устройство с определенной электрической схемой.
   
2. 
   Снимаются принципиальные ограничения по усложнению функций аппаратуры, которые были свойственны традиционному построению радиоэлектронных устройств на дискретных элементах.
   
3. 
   На одном и том же кристалле можно реализовать узел различной сложности.
   
4. 
   Элементы ИС отличаются от аналогичных дискретных элементов:
   

• 
  Большой разброс параметров относительно расчетных (из-за малых размеров, невозможностью подгонки и подстройки).
  
• 
  Ограничение номинальных значений – сопротивлений и емкостей (из-за малой площади). Индуктивность вовсе не реализуется.
  
• 
  Однотипные элементы одной ИС характеризуется высокой идентичностью параметров и характеристик.
  
• 
  Наличие ряда паразитных параметров (токи утечки в подложку, появление емкостных и индуктивных связей между близкорасположенными элементами, соединениями и подложкой).
  

5. 
   В ИС при создании функционального узла предпочтение отдается активным элементам перед пассивными. При построении аналогичных узлов на дискретных элементах, наоборот, стремятся уменьшить количество дорогих активных элементов (транзисторов и т.п.).
   
6. 
   В ИС реализуются некоторые типы элементов, которые не имеют дискретных аналогов (многоэмиттерные транзисторы, элементы с инжекционным питанием, структуры с распределенными параметрами и др.).
   

Основные достоинства ИС:

1. 
   Высокая надежность.
   
2. 
   Малые размеры и масса.
   
3. 
   Экономичность.
   
4. 
   Быстродействие.
   

Недостатки:

1. 
   Небольшая выходная мощность.
   
2. 
   Сложность проектирования.
   

Элементы полупроводниковых ИС.

1. 
   Биполярные транзисторы – базовый элемент биполярной ИС. Как правило n-p-n. Могут иметь несколько эмиттеров (многоэмиттерные).
   

Изоляция от остальных элементов:

1. 
   p-n переходом;
   
2. 
   диэлектрической изоляцией (изопланарные транзисторы).
   

Для повышения быстродействия транзисторов шунтируют коллекторный переход диодом Шотки, в котором используется переход металл-полупроводник (у ДШ на 30% ниже ΔUпр).


2. Полупроводниковые диоды – используются эмиттерные или коллекторные переходы транзисторной структуры (обычно Э, а Б и К соединяют).

3. Полупроводниковые конденсаторы – на базе p-n переходов. Работают при закрывающем напряжении. С < = 100 пФ).

4. Резисторы – используются резистивные свойства областей Э (30-70 кОм), Б (10-100 кОм), К (2-100 Ом).

5. Элементы с инжекционным питанием. Ток возникает при вводе в базу (инжекции) избыточных носителей заряда. Для этого имеется специальный электрод – инжектор (генератор тока).

2 режима работы:

1) насыщение (инжекция, транзистор открыт);

2) отсечка (закрыт).

Достоинства:

1) большая плотность размещения элементов (инжектор используется на 10…20 элементов)

2) самые экономичные (потребляемая мощность 0,01…0,1 мВт)

3) работа переключения мала (1 пДж) (t_{задержки} × Р_{потреб. мощность})

6. МДП – транзисторы применяют с индуцированным и со встроенным каналом (канал n-типа).

Достоинства: 1) более технологичны (в 1,5 раза меньше операций по изготовлению);

2) меньшая площадь.

7. МДП – резисторы – используется сопротивление канала транзистора (> 200 кОм = f(U_{затвора})).

8. МДП – конденсаторы образуются металлическим затвором, подзатворным диэлектриком и сильно легированной областью n+ (С < = 1000 пФ)

9. Комплементарные МДП – транзисторы. Последовательное включение двух МДП – транзисторов с каналами разного типа проводимости.

+U_ИП

Вход

VT2 Вход – соединенные вместе затвора. Выход Выход – соединенные вместе стоки.

Вход 1 – VT2 вкл.

VT1 Вход 0 – VT1 вкл.

10. МНОП – транзисторы (+ Н – нитрид кремния)