ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ІНТЕГРАЛЬНИХ МДН- СТРУКТУР

•Послідовність операцій цієї технології показана на рис. Вирощується товстий (до 1,5 мкм) шар окису кремнію SiO2 (а); за допомогою фотолітографії витравляється «вікно» (б); це вікно покривається тонким шаром SiO2 (0,2 мкм) (в); потім уся пластина покривається шаром матеріалу затвора (алюміній, хром, молібден) (г); за допомогою фотолітографії залишається шар металу тільки над тією областю, де буде затвор (д); шляхом дифузії та іонного легування створюються p+- області витоку і стоку (причому електрод затвора служить маскою) (е).

Технологія виготовлення МОН (МДН) - структур

Опанасюк А.С.102

ІЗОЛЯЦІЯ

•Усі елементи напівпровідникових інтегральних схем містяться в єдиному кристалі. Тому ізоляція елементів від кристала і один від одного є дуже важливою. Застосовуються такі способи ізоляції:

•1. Ізоляція за допомогою p-n – переходу (рис. а). Перехід зміщується у зворотному напрямі за допомогою негативного потенціалу (порядку кількох вольтів), який стало подається на підкладку. Перехід має дуже високий опір (кілька мегомів). Це зумовлене застосуванням кремнію з шириною забороненої зони ∆W=1,12 еВ.

•Ізоляція цього виду найбільш проста і дешева. У «кишенях» в подальшому формуються активні та пасивні елементи.

•2. Ізоляція за допомогою шару діелектрика (рис. б). Між «кишенями» і кристалом кремнію утворюють тонкий діелектричний шар двоокису кремнію SiO2. Якість ізоляції поліпшується, але виготовлення ускладнюється. Порівняно з попереднім способом ізоляції зменшується паразитна ємність між «кишенею» і кристалом.

Різновиди ізоляції напівпровідникових ІС

Опанасюк А.С.103

БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ

•При виготовленні транзисторів напівпровідникових ІС, як правило, використовується кремнієва підкладка p - типу. Отже, інтегральні біполярні транзистори мають n-p-n – структуру. Завдяки застосуванню кремнію, збільшується допустима робоча температура (до 150 0C); зменшуються зворотні струми; легко можна через окиснення одержати захисний шар SiO2. n-p-n – структура поліпшує частотні властивості транзисторів, оскільки електрони мають більшу рухливість, ніж дірки. Біля колекторного переходу область колектора повинна мати знижену концентрацію донорних домішок, щоб при зростанні товщини переходу зменшувалася його бар'єрна ємність і зростала напруга пробою. Область емітера n+- типу – для зменшення опору і збільшення рівня інжекції. Для біполярних транзисторів ІС; =200; fгр=500 МГц; СКП =0,5 пФ; UKпроб ≤ 50 В; UЕпроб ≤ 8.

•У інтегральних біполярних транзисторів, як правило, відсутнє джерело зміщення бази. Отже, для них режим відсічки – це активний режим при малих струмах (IK< IKmin, рис.).

Прохідні характеристики інтегральних біполярних транзисторів

Опанасюк А.С.104

БАГАТОЕМІТЕРНІ ТРАНЗИСТОРИ

•Чотирьохемітерні біполярні транзистори з об'єднаними колекторами і базами – це сукупність чотирьох незалежних транзисторних структур (оскільки взаємодія електродів через електрично нейтральну базу практично відсутня). До кожного емітера багатоемітерного транзистора E1, E2, E3, E4 (рис.) може бути ввімкнене своє джерело відпираючої напруги. До інших джерел такий імпульс напруги не потрапляє, оскільки емітерні переходи, що не працюють у цей момент, перебувають під зворотною напругою. Кількість емітерів у такому транзисторі обмежена максимально допустимою відстанню між ними l ≤ 10 мкм і становить, як правило, 4 - 8.

•Окрім багатоемітерних, у напівпровідникових ІС поширені і багатоколекторні транзистори. Структура їх ідентична до багатоемітерних транзисторів, просто емітери стають колекторами, а колектор – емітером.

Супербета - транзистори

•За рахунок надзвичайно тонкої бази (l = 0,2 - 0,3 мкм) коефіцієнт β цих транзисторів становить декілька тисяч. Однак напруга пробою у цих транзисторів UKпроб ≤ 1,5-2 В. При великих напругах настає пробій змикання.

Багатоемітерний транзистор

Опанасюк А.С.105

БТ З БАР'ЄРОМ ШОТТКІ

•Для підвищення швидкодії транзистора у ключовому режимі (зниження часу розсмоктування неосновних носіїв у базі) застосовується легування бази золотом, яке прискорює рекомбінацію. Але більш ефективним з цією метою є застосування транзисторів з бар'єром Шотткі, у яких колекторний перехід зашунтований діодом Шотткі (рис. ).

•Діод Шотткі побудований на основі контакту «метал-напівпровідник» і має випрямні властивості. У цій конструкції діод Шотткі створюється у місці контакту металу з високоомною колекторною областю. У режимі відсічки і активному режимі потенціал колектора більший за потенціал бази ( К> Б), діод Шотткі закритий, і транзистор із бар'єром Шотткі працює як звичайний біполярний транзистор. У режимі насичення К< Б діод Шотткі відкривається, основна частина базового струму протікає у колектор через відкритий діод. Тому надлишковий заряд у базі не накопичується, і через це при вимкненні транзистора (при переході з режиму насичення до режиму відсічки або активного режиму) буде відсутньою стадія розсмоктування надлишкового заряду у базі.

Транзистор з бар'єром Шотткі

Опанасюк А.С.106

МОН (МДН)- ТРАНЗИСТОРИ

•Інтегральні МДН - структури найчастіше виготовляються з індукованим каналом. З цією метою за планарно-дифузійною технологією створюються n+ – «кишені» витоку і стоку. На переходах між «кишенями» і підкладкою підтримується зворотна напруга, тобто здійснюється ізоляція (рис.1).

•У деяких ІС застосовують пари МОН (МДН)-транзисторів з каналами n - і p - типу на одному кристалі. Такі пари називаються комплементарними транзисторами (КМОН, КМДН). Вони відрізняються надзвичайно малим споживанням струму (рис. 2).

Опанасюк А.С.107

ДІОДИ

•Замість діодів застосовуються біполярні транзистори у діодному вмиканні. Існує п'ять варіантів такого вмикання.

•У цих варіантах різною є пробійна напруга. У варіантах 1, 3 і 4 Uпроб = (5-7) В. У варіантах 2 і 5 Uпроб = (20-50) В. У варіантах 1 і 4 зворотні струми малі, бо площа емітерного переходу менша за площу

колекторного. Найбільший зворотний струм у схемі 3 за рахунок паралельного вмикання переходів.

•Найбільшу швидкодію виявляє варіант 1 (час перемикання – одиниці наносекунд). У варіанті 4, де також застосовується тільки емітерний перехід, час перемикання в кілька разів вищий. Обидва варіанти мають мінімальну ємність (частки пФ). Варіанти 1 і 4 застосовуються у швидкодійних низьковольтних схемах. Варіант 3 має максимальний час перемикання (до 100 нс) і дещо більшу ємність.

•Найчастіше застосовуються варіанти 1, 4. Варіант 1 у прямому вмиканні використовується як стабілізатор для стабілізації 0,7 В (або як напруги, кратної 0,7 В, при послідовному з'єднанні таких діодів).

Інтегральні діоди

Опанасюк А.С.108

РЕЗИСТОРИ

•Так звані дифузійні резистори одержують з бази інтегрального біполярного транзистора (рис.). Опір таких резисторів залежить від концентрації домішок напівпровідника і геометричних розмірів ділянки кристала.

• Номінал опору перебуває в межах десятків Ом – десятків кОм, розсіювана потужність становить 0,1 Вт, допуск номіналу – 15 - 20%. На відміну від звичайних активних опорів дифузійні резистори є частотозалежними з причини впливу бар'єрної ємності ізолюючого – переходу.

•У напівпровідникових ІС застосовуються і т. зв. квазілінійні резистори на МДН – транзисторах з індукованим каналом (рис.). У них використовується ділянка вихідної (стокової) характеристики до настання перекриття каналу. Змінюючи величину напруги Uз, ми перестроюємо квазілінійний резистор. Опір таких елементів набуває значень від сотень Ом до десятків кОм.

•Можуть застосовуватися також т.зв. пінч-резистори, в яких реалізується структура польового транзистора з керувальним p–n переходом.

Опанасюк А.С.109

КОНДЕНСАТОРИ

•Найчастіше застосовуються дифузійні конденсатори, в яких основним параметром є бар'єрна ємність p-n

– переходу, що, як відомо, залежить від площі переходу, діелектричної проникності ε напівпровідника, концентрації домішок і прикладеної зворотної напруги (рис. )

•Ємність цих елементів набуває значень від 500 до 1500 пФ з допуском ±20%. Номінал ємності визначає фіксована зворотна напруга. Дифузійні конденсатори можуть працювати і як конденсатори змінної ємності: змінюючи зворотну напругу від 1 до 10 В, змінюють ємність у 2-2,5 раза.

•У напівпровідникових ІС застосовують МОН– конденсатори (т. зв. металооксидні конденсатори) (рис.).

•Однією обкладкою є дифузійний шар n+, на якому створюється плівка SiO2. Поверх цього шару наноситься алюмінієва плівка, яка відіграє роль другої обкладки. Ємність С ≤ 500 пФ, допуск ±25%. У таких конденсаторах, на відміну від дифузійних, немає необхідності строго дотримуватися полярності вмикання. Крім того, в них відсутня нелінійна залежність ємності від напруги.

Опанасюк А.С.110

ІС З ІНЖЕКЦІЙНИМ ЖИВЛЕННЯМ

•Традиційними недоліками біполярних ІС є:

мала щільність упакування; висока розсіювальна потужність.

•Ці недоліки подолані в ІС з інжекційним живленням. Ці схеми – насамперед логічні елементи, побудовані відповідно до принципу інжекційного живлення. Вони називаються інтегральною інжекційною логікою (ІІЛ або І²Л). Застосовуються в ВІС, зокрема у мікропроцесорах (серії К 582, К584). І²Л - елементи не мають аналогів у дискретних транзисторних схемах. За щільністю упакування вони перевищують навіть МОН-структури, а за рівнем розсіюваної потужності наближається до КМОН - структур. При цьому зберігається висока швидкодія, властива біполярним ІС. Основою І²Л елемента є схема рис. Елемент являє собою структуру, що складається з двох фізично об'єднаних транзисторів: горизонтального p-n-p і вертикального n-p-n. Емітерна область p-n-p транзистора називається інжектором і підкладається до позитивного полюса джерела живлення (+Е). Від одного інжектора можуть живитися декілька схем. Вертикальний n-p-n транзистор має кілька колекторів, які служать вихідними виводами логічного елемента. Особливості конструкції: спільна область n – типу є водночас базою p-n-p транзистора та емітером n-p-n транзистора і підключається до корпуса; спільна область p – типу служить колектором p-n- p транзистора і базою n-p-n транзистора. За такої фізичної структури не потрібна ізоляція між окремими елементами І²Л, оскільки вони мають спільну n – область. Через це досягається висока щільність упакування (10000 елементів на кристалі). Весь елемент займає площу, що дорівнює площі одного багатоемітерного транзистора. Зображений на рис. типовий елемент І²Л – це логічний елемент НІ (ключ – інвертор).

Елемент І²Л

Опанасюк А.С.111