7 Основи мікроелектроніки

7.1 Основні поняття і визначення

Мікроелектроніка – це галузь електроніки, пов'язана з розробленням, виготовленням і експлуатацією мікроелект­ронних виробів.

Історична довідка

Розвиток електронної техніки у другій половині ХХ століття відбувається за такими етапами.

1 50-ті роки ХХ ст. – етап вакуумної електроніки. Елементна база останньої – елекронно-вакуумні прилади. Відбувається мініатюризація електронних ламп і пасивних елементів, оптимізація їх характеристик і параметрів, засто­совується об'ємний монтаж. Це дозволило підвищити щільність упакування до 200 елементів на 1 дм³ (0,2 елемента на 1 см³).

2 60-ті роки ХХ ст. – етап дискретної напівпровідни­кової електроніки. Здобутки цього етапу відображені, зокрема, в попередніх розділах цього навчального посіб­ника. Поява і широке впровадження транзисторів, які разом з мініатюрними пасивними елементами утворюють якісний стрибок у мініатюризації пристроїв електроніки, сприяють підвищенню надійності, економічності, зниженню габаритів і маси. Актуалізуються функціонально-вузловий метод конструювання електронної техніки: не з окремих радіоде­талей, а з уніфікованих функціональних вузлів – підсилювачів, генераторів, перетворювачів, тригерів тощо. Застосовуються модулі (мікромодулі) із щільністю упаку­вання 2 елементи на 1 см³.

3 70-ті роки ХХ ст. – етап мікроелектроніки. Перехід до застосування інтегральних схем (ІС). «Схема» в цьому терміні набуває нового значення: це пристрій, вузол. «Інтегральна» вказує на об'єднання великої кількості електрично з'єднаних елементів у одному виробі (корпусі). В ІС зникає необхідність застосування численних паяних з'єднань, які знижують надійність; зменшуються габарити і маса, а відтак вартість електронних виробів, оскільки зменшується кількість складальних і монтажних операцій. ІС на цьому етапі містять у собі 10-40 еквівалентних елементів (біполярних транзисторів, резисторів, конденсаторів, МДН-структур тощо). Кожна інтегральна схема виконує порівняно просту закінчену функцію (підсилювач, формувач, логічний елемент, тригер, лічильник тощо) і оформляється в автономному корпусі. Подальший розвиток мікромініатюризації до 1000 елементів на кристалі.

4 80-ті роки ХХ ст. – етап комплексної мікромініатюри­зації електронної техніки, етап великих інтегральних схем (ВІС) і надвеликих інтегральних схем (НВІС). ВІС порів­няно з ІС малого рівня інтеграції більш надійні, дешевші, менші за габаритами. Поява мікропроцесорів дозволила замінити апаратурне (схемне) проектування електронної техніки програмуванням універсальних структур згідно з виконуваною ними функцією.

5 90-ті роки ХХ ст. – оголошений етап так званої функ­ціональної мікроелектроніки. Втім, на пострадянському просторі внаслідок великих політико-економічних зрушень цей етап був значною мірою підважений, хоча світова електроніка продовжувала неухильно розвиватися. Елементна база цього етапу – ІС, які функціонують на базі нових фізичних явищ і принципів (оптоелектроніка, акусто­електроніка, хемоелектроніка, магнітоелектроніка тощо). Особливістю елементів функціональної мікроелектроніки є застосування середовищ з розподіленими параметрами, в яких не вдається виділити окремі області, що виконують функції звичайних радіоелементів. Тому зрештою це елект­ронні схеми, які не містять елементів і міжз’єднань у звичайному розумінні. Такі схеми можна характеризувати лише в цілому з огляду на виконувану ними функцію, причому вони можуть мати такі характеристики, яких не мають звичайні радіосхеми.

Мікроелектронний виріб – електронний пристрій з високим ступенем інтеграції (об'єднання) електрорадіоелементів.

Інтегральна схема (ІС) – мікроелектронний виріб, який виконує певну функцію перетворення та обробки сигналів і має високу щільність упакування електрично з'єднаних елементів (більше ніж 5 елементів на 1 см³). З точки зору виготовлення і експлуатації ІС розглядається як єдине ціле і складається з елементів та компонентів.

Елемент ІС – частина ІС, що реалізує функцію будь-якого радіоелемента (транзистор, діод, резистор, конденса­тор). Він не може бути відділеним від ІС як самостійний виріб і виконаний у кристалі ІС. Наприклад, елементами ІС є біполярні транзистори і діоди у напівпровідникових мікросхемах, плівкові резистори в гібридних мікросхемах.

Компонент ІС – частина ІС, яка реалізує функцію будь-якого електрорадіоелемента. Однак компонент є самостійним виробом, що виготовляється окремо від ІС і може бути відділений від ІС. Наприклад, біполярні транзистори і діоди в гібридних ІС.

Напівпровідникова ІС – це ІС, у якої всі елементи і міжз’єднання виконані в об'ємі і на поверхні напівпровідникової пластини (рис. 7.1).

Плівкова ІС - це ІС, у якої всі елементи і міжз’єднання виконані у вигляді різних плівок, нанесених на поверхню діелектричної підкладки.

Гібридна ІС являє собою комбінацію плівкових пасивних елементів і активних компонентів, розміщених на спільній діелектричній підкладці (рис. 7.2).

Рисунок 7.1 – Структура напівпровідникової ІС

Рисунок 7.2 – Структура ГІС

Суміщена ІС  це мікросхема, в якій активні елементи розміщені в об'ємі напівпровідникового кристала, а пасивні, виготовлені за плівковою технологією, наносяться на попередньо ізольовану діелектриком поверхню напівпровідникового кристала (рис. 7.3).

Рисунок 7.3 – Структура суміщеної ІС

Елементи конструкції ІС

Корпус ІС – призначений для захисту ІС від зовнішніх впливів і для з'єднання із зовнішніми електричними колами за допомогою виводів. Разом із корпусними випускаються і безкорпусні ІС.

Підкладка ІС – заготовка, призначена для виготовлення на ній елементів гібридних ІС, міжз’єднань і контактних площадок.

Напівпровідникова пластина  заготовка з напівпровід­никового матеріалу, яка застосовується для виготовлення напівпровідникових інтегральних схем (рис. 7.4. поз. 1).

Кристал ІС, чіп – частина напівпровідникової пластини (прямокутник 5х5 мм), у об'ємі і на поверхні якої сформовані елементи ІС, міжз’єднання і контактні площадки (рис. 7.4. поз. 2).

Контактні площадки – металізовані ділянки на підкладці або кристалі, призначені для приєднання до виводів корпуса ІС, а також для контролю її електричних параметрів і режимів (рис. 7.4. поз. 3).

Рисунок 7.4 – Напівпровідникова пластина, чіп, контактна площадка

Мікроскладання – мікроелектронний виріб, який вико­нує певну функцію і складається з елементів, компонентів і інтегральних схем (корпусних і безкорпусних) з метою мікромініатюризації електронної техніки.

Мікроблок – мікроелектронний виріб, який, окрім мікроскладань, містить ще інтегральні схеми й компоненти.

Серія ІС – це сукупність ІС, які можуть виконувати різноманітні функції, але мають єдине конструктивно-технологічне використання і призначені для спільного застосування (напр., серія 133, серія 155, серія 140).

Класифікація інтегральних схем

1 За технологією виготовлення ІС поділяють на:

• напівпровідникові;

• плівкові;

• гібридні.

2 За функціональними призначеннями:

• аналогові (АІС);

• цифрові (ЦІС).

3 За ступенем інтеграції, який оцінюється показником , де – число елементів і компонентів у складі ІС:

• малої інтеграції:

Ne ≤ 10, ,

10<Ne≤100, ;

• середньої інтеграції:

100<Ne≤1000, ;

• великі інтегральні схеми (ВІС):

1000<Ne≤10000, ;

• надвеликі інтегральні схеми (НВІС): 10000<Ne≤100000, .

4 За функціональними можливостями:

• універсальні;

• спеціалізовані.

5 За типом основного активного елемента:

• ІС на біполярних транзисторах;

• ІС на уніполярних транзисторах (МДН, КМДН).

6 За конструктивним виконанням:

• корпусні;

• без корпусні.

Система умовних позначень інтегральних схем

Упроваджена на підставі ГОСТ 17021-75.

1-й елемент: 1, 5, 6, 7 – напівпровідникові ІС;

2, 4, 8 - гібридні ІС;

3 - інші (плівкові, вакуумні).

3-й елемент: ЛА – логічний елемент І – НЕ; ЕН – стабі­лізатор напруги; ТВ – JК тригер; ТМ – D-тригер; ТМ  D-тригер; ТР – RS-тригер; ІP – регістр; ІE – лічильник; СА – компаратор; ПВ – АЦП; ПА – ЦАП; УВ – підсилювач ВЧ; УР – підсилювач проміжної частоти; УН – підсилювач НЧ; УВ – відеопідсилювач; УЕ – емітерний повторювач; ФВ – фільтр ВЧ; ФН – фільтр НЧ; ГС – генератор синусоїдних сигналів.