6. Элементы интегральных схем

6.1.Общие сведения об интегральных схемах (ис)

По конструктивно-технологическому признаку различают:

а) полупроводниковые ИС (составляют основу современной микроэлектроники)

Элементы полупроводниковых ИС выполняются в приповерхностном слое полупроводниковой подложки (ссылка на плакат)

В настоящее время различают следующие полупроводниковые ИС: биполярные, МОП (металл-окисел-полупроводник), БИМОП ─ сочетание первых двух со всеми их положительными качествами.

Размеры кристаллов у современных полупроводниковых ИС достигает 20×20мм². Количество элементов, которые можно разместить на одном кристалле, характеризуют степенью интеграции (максимальная степень интеграции составляет 10⁶ элементов на одном кристалле)

б) плёночные ИС (содержат только пассивные элементы и, если плёночную схему дополняют активными элементами, то такие схемы называют гибридными (ГИС) ─ на лекции демонстрируются разновидности гибридных схем) Существует понятие большой ГИС, но по этому названию нельзя оценивать степень интеграции такой разновидности ИС. Вообще, ГИС ─ это гибкий, дешёвый, хорошо приспособленный к решению специальных задач тип ИС.

Элементы плёночных ИС выполнены в виде в виде плёнок, нанесённых на поверхность диэлектрической подложки. Толщина плёнок составляет от 1 до 2 мкм у тонкоплёночных ИС и от 10 до 20 мкм у толстопленочных. В состав гибридных схем могут входить дискретные элементы ─ навесные.

в) Совмещённые ИС ─ активные элементы выполнены в приповерхностном слое кристалла, а пассивные элементы наносятся на изолированную поверхность в виде плёнок.

Математические и физические модели элементов интегральных схем несколько отличаются от моделей дискретных элементов: элементы ИС имеют электрическую связь с подложкой, а, в отдельных случаях, и друг с другом. Выгодной особенностью ИС является тот факт, что все элементы ИС изготавливаются в одном технологическом цикле, в то время как дискретный элемент ─ это конструктивно законченное одиночное изделие. Но при изготовлении элементов ИС можно изменять только конфигурацию элементов (длину и ширину), и нельзя изменять глубину слоёв и их электрофизические параметры. Таким образом, параметры дискретных элементов можно варьировать более свободно, чем параметры элементов ИС.

В процессе развития микроэлектроники появились такие «универсальные» элементы как многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы, транзисторы с барьером Шоттки, приборы с зарядовой связью и др.

У автора учебного пособия И.П. Степаненко «Основы микроэлектроники» приводится пример, который позволяет оценить значение перехода от этапа транзисторной техники к микроэлектронике. Требуется изготовить компактное электронное устройство, содержащее 10⁶ компонентов. Решим эту проблему с помощью дискретных элементов с усреднёнными параметрами: мощностью 15 мВт, размером 1см³ (с учётом межсоединений), массой 1 Г, ценой 50 коп, вероятностью отказа 10^-5 ч^-1 (вероятностью выхода из строя) Даже упрощённый расчёт такого изделия дал такие результаты: рассеиваемая мощность составляет 1,5 МВт, габариты 100 м³, масса 100 т, стоимость 50 млн. руб (без учёта затрат на изготовление изделия)На его монтаж, даже при двухсменной работе, потребуется 10 чел.-лет, частота отказа элементов составляет 1 отказ за 3 сек. Следовательно, устройство получилось очень громоздким и тяжёлым и, самое главное, неработоспособным.