Тема 11. Інтегральні мікросхеми
Задачі та принципи мікроелектроніки
Мікроелектроніка – це науково-технічний напрямок електроніки, що охоплює проблеми дослідження, конструювання та виготовлення високонадійних і економічних мікромініатюрних електронних схем та пристроїв за допомогою комплексу фізичних, хімічних, схемотехнічних та інших методів.
Першою задачею мікроелектроніки є створення максимально надійних електронних схем і пристроїв. Ця задача розв’язується в основному шляхом використання якісно нових принципів виготовлення електронної апаратури, тобто шляхом відмови від використання дискретних елементів електронної апаратури і створення інтегральних мікросхем, в яких формування активних елементів (транзисторів, діодів), пасивних елементів (резисторів, конденсаторів) та з’єднувальних елементів електронної схеми відбувається на поверхні чи в об’ємі напівпровідникового кристалу, або на поверхні діелектричної підкладки в єдиному технологічному циклі. При цьому мінімальна кількість внутрішньосхемних з’єднань дає можливість різко підвищити надійність мікроелектронної апаратури.
Другою задачею мікроелектроніки є зниження вартості електронних схем і пристроїв. Ця задача розв’язується шляхом формування за єдиний технологічний цикл структур різних елементів, між елементних з’єднань та контактних майданчиків для багатьох інтегральних мікросхем на відносно великій напівпровідниковій пластині або на діелектричній підкладці з наступним розділенням відповідно на кристали або на плати інтегральних мікросхем. При цьому вдається уникнути багатьох нераціональних технологічних операцій і значно скоротити кількість зборочних операцій.
Поряд з вирішенням вищезгаданих задач мікроелектроніки, створення і використання інтегральних мікросхем приводить до різкого зменшення маси та об’єму електронної апаратури, а також до суттєвого зниження споживаної потужності.
Інтегральною мікросхемою називають мікроелектронний виріб, що виконує певну функцію перетворення, обробки сигналу і (або) нагромадження інформації та має високу густину упаковки електрично з’єднаних елементів, який з точки зору вимог до випробувань, прийомки, поставки та експлуатації розглядається як єдине ціле.
Густина упаковки інтегральної мікросхеми – це відношення кількості елементів інтегральної мікросхеми до її об’єму без врахування об’єму виводів. Другим параметром, який характеризує ступінь складності інтегральної мікросхеми або кількість елементів, що містяться в ній, є ступінь інтеграції. Якщо інтегральна мікросхема містить до 10 елементів включно, то її називають інтегральною мікросхемою першого ступеня інтеграції; від 10 до 100 елементів – другого ступеня інтеграції; від 100 до 1000 елементів – третього ступеня інтеграції і т.д. Інтегральну мікросхему, яка містить 500 елементів і більше, виготовлених по біполярній технології, або 100 елементів і більше, виготовлених по МДН-технології, називають великою інтегральною мікросхемою (ВІС).
Класифікація інтегральних мікросхем
Інтегральні мікросхеми класифікують за технологією виготовлення, за функціональним призначенням та за іншими ознаками.
За конструкторсько-технологічною ознакою розрізняють напівпровідникові та гібридні інтегральні мікросхеми.
Напівпровідникова інтегральна мікросхема – це інтегральна мікросхема, всі елементи й міжелементні з’єднання якої виконані в об’ємі та на поверхні напівпровідника.
Основними активними елементами напівпровідникових інтегральних мікросхем можуть бути або біполярні транзистори, або польові транзистори в якості яких звичайно використовують МДН-транзистори з індукованим каналом. Відповідно розрізняють біполярні та МДН інтегральні мікросхеми. Елемент біполярної інтегральної мікросхеми повинні бути ізольованими один від одного для усунення паразитної взаємодії.
Гібридна інтегральна мікросхема – це інтегральна мікросхема, частина якої може бути виділена як самостійний виріб з точки зору вимог до випробувань, прийомки, поставки та експлуатації.
Частину гібридної інтегральної мікросхеми, яку можна виділити як самостійний виріб, називають компонентом інтегральної мікросхеми ( на відміну від елемента, який виконаний невіддільно від кристалу напівпровідникової інтегральної мікросхеми абор від підкладки гібридної інтегральної мікросхеми). До складу гібридної інтегральної мікросхеми можуть входити в якості компонентів не лише транзистори або діоди, але й цілі напівпровідникові інтегральні мікросхеми.
Пасивні елементи гібридних інтегральних мікросхем виготовляють звичайно на ситаловій, керамічній або скляній підкладці шляхом нанесення різних діелектричних, резистивних і металевих плівок. На цій же підкладці виконують міжелементні та міжкомпонентні з’єднання, а також контактні майданчики.
За функціональним призначенням всі інтегральні мікросхеми прийнято ділити на аналогові та цифрові.
Аналогова інтегральна мікросхема – це інтегральна мікросхема, призначена для перетворення і обробки сигналів, які змінюються по закону неперервної функції. В основі аналогових інтегральних мікросхем лежать елементарні підсилювальні каскади.
Цифрова інтегральна мікросхема – це інтегральна мікросхема, призначена для перетворення і обробки сигналів, які змінюються по закону дискретної функції. В основі цифрових інтегральних мікросхем лежать транзисторні ключі, здатні знаходитися у двох стійких станах: відкритому та закритому.
Методи ізоляції елементів інтегральних мікросхем
Всі елементи напівпровідникових інтегральних мікросхем та компонентів гібридних інтегральних мікросхем, виконані в об’ємі кристалу, мають бути ізольовані один від одного для виключення паразитної взаємодії між ними. Виняток становлять лише МДН-транзистори в зв’язку з особливостями своєї структури. Для розділення окремих елементів використовують два способи: ізоляцію їх обернено зміщеними р-n переходом та діелектричну ізоляцію.