При изготовлении ИС применяется также операция напыления самых различных веществ – металлов, диэлектриков, полупроводников. Для этого напыляемое вещество нагревается в вакууме до температуры испарения. Пары вещества, оседая на всех холодных поверхностях, например, на подложке, конденсируются, т.е. возвращаются в твёрдое состояние. Толщина напыленного слоя зависит, прежде всего, от длительности такой операции. В ИС это, как правило, металлические плёнки, образующие контакты металл-полупроводник и проводники между элементами.
5.Методические указания по выполнению работы
Настоящая лабораторная работа не нуждается в подробных методических указаниях. Для её выполнения достаточно по любому учебнику [2,3], лекциям или данному описанию ознакомиться с основными технологическими операциями технологии изготовления интегральных схем
– фотолитографией, диффузией примесей, эпитаксией и напылением. Порядок применения этих операций при изготовлении биполярного транзистора можно изучить при выполнении лабораторной работы, войдя в меню в раздел «обучение». Рекомендуется работать в этом разделе до тех пор, пока не будет освоен порядок этапов изготовления. Порядок операций изготовления МДП транзистора намного проще и может быть установлен по аналогии самостоятельно.
Если это предлагается сделать преподавателем, перейдите к режиму «формирование структуры». Здесь можно самостоятельно изготовить интегральную схему, причём программа будет указывать на допущенные ошибки.
Завершается работа сдачей «зачёта» в режиме «зачёт».
6.Содержание отчета
1.Название лабораторной работы.
2.Рисунок сформированной в результате выполнения лабораторной работы структуры с указанием, какие интегральные электронные элементы она содержит.
7.Контрольные вопросы
1. Как осуществляется фотолитография?
9
2.Как осуществляется диффузия примесей?
3.Как осуществляется эпитаксия?
4.Чем отличается диффузионный примесный слой от эпитаксиального?
5.Что такое фоторезист? Что такое фотошаблон?
6.Какие вещества подвергаются травлению при изготовлении ИС?
7.Какие вещества напыляются при изготовлении ИС?
8.От чего зависит минимальный топологический размер, т.е. наименьший размер частей элементов ИС?
9.Какой слой выполняет функцию маски? Как этот слой формируется?
10.Изобразить устройство биполярного транзистора в ИС.
11.Изобразить устройство МДП транзистора с заданным преподавателем типом канала.
12.Последовательными рисунками пояснить процесс изготовления МДП транзистора, интегрального диода, интегрального резистора, интегрального конденсатора.
10
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9 ИССЛЕДОВАНИЕ КЛЮЧА НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ МДП ТРАНЗИСТОРАХ
1.Цель работы
Изучение основных свойств ключа на комплементарных МДП транзисторах (КМДП-ключ), определение средней работы переключения КМДП-ключа, её связи с минимальным топологическим размером.
2. Домашнее задание
Изучить раздел «Краткие теоретические сведения». К выполнению работы допускаются студенты, способные объяснить устройство и особенности КМДП-ключа. Подготовить бланк отчета со схемой КМПключа и рисунком, поясняющим устройство комплементарных МДПтранзисторов (Рис. 2,3).
3.Задание
1.С использованием программы Microcap получить для исходной схемы передаточную характеристику Uвых= f(Uвх) и определить потребляемую мощность статического состояния Рстат.
2.Получить временные диаграммы в режиме переключений, определить среднее время переключения t и средний потребляемый ток I, рассчитать среднюю потребляемую мощность Р.
3.Рассчитать среднюю работу переключения Pt.
4.Изменить согласно заданному преподавателем варианту параметры транзисторов схемы, повторить действия п.п. 2 – 3.
5.Определить минимальный топологический размер видоизменённого варианта.
4.Краткие теоретические сведения
Качественные показатели современной электронной аппаратуры определяются, в основном, уровнем интеграции цифровых интегральных схем (ЦИС), а также свойствами примененных в них транзисторных ключей, которые образуют основу логических элементов, ячеек и регистров памяти и других функциональных узлов ЦИС.
Одним из главных параметров ключей ЦИС является средняя потребляемая мощность
Р = (P0 + Р1)/2, |
(1) |
11
где P0 – потребляемая мощность в состоянии 0 (низкий уровень выходного напряжения), P1 – потребляемая мощность в состоянии 1 (высокий уровень). Параметр Р определяет предельное количество ключей в ЦИС и ее степень интеграции. Из-за опасности перегрева потребляемая ЦИС мощность (она же
– мощность Pрасс, рассеиваемая в виде тепла) обычно не превышает нескольких десятков Вт даже при принудительном теплоотводе.
Другим важнейшим параметром ключей ЦИС является среднее время переключения
t = (t01 + t10)/2 , |
(2) |
где t01 – время изменения состояния 0 в состояние 1, t10 – время изменения состояния 1 в состояние 0. Эти времена измеряются в реальных условиях на входе и на выходе, когда источником сигнала и нагрузкой являются другие такие же ключи.
Среднее время переключения определяет скорость передачи сигнала в последовательных цепочках ключей, характерных для ЦИС. С этим связано другое название параметра – «среднее время задержки распространения сигнала». Очевидно, что параметр t определяет быстродействие ЦИС и цифровой электронной аппаратуры в целом. Но ни сама по себе малая потребляемая мощность ключей (при невысоком быстродействии), ни высокое быстродействие (при недостаточно малой потребляемой мощности) не позволяют построить ЦИС с высокими качественными показателями. Поэтому качество ключей лучше всего характеризует комплексный критерий качества – средняя работа переключения P х t = Pt. К началу 80-х годов был достигнут уровень Pt порядка 100 пДж, к началу 90х – 1 пДж, в настоящее время уже превзойдён уровень Pt 0,01 пДж. Благодаря этим достижениям появились такие сверхбольшие ЦИС, как многоядерные процессоры компьютеров, содержащие миллиарды транзисторов.
Если предположить, что в ЦИС происходит изменение состояния всех m КМДП-ключей на каждом периоде тактовой частоты f , то рассеиваемая в виде тепла мощность составит величину
Ppacc = mf P t . |
(3) |
Поэтому, не уменьшая количество ключей ЦИС и тактовую частоту, при ограниченном выделении тепла, совершенствовать ЦИС можно, только уменьшая Pt.
12
Уменьшение Pt достигается, прежде всего, сокращением размеров транзисторов. При уменьшении площади полевого МДП-транзистора уменьшаются его междуэлектродные емкости, а также барьерная емкость перехода транзистор-подложка. При уменьшении площади р-n переходов биполярного транзистора уменьшаются его барьерные емкости, а также барьерная емкость перехода коллектор-подложка. Все эти емкости, требующие времени на заряд и разряд в процессе работы ключей, ограничивают их быстродействие. Поэтому важнейшим технологическим параметром является минимальный топологический размер w, т.е. минимальный размер частей транзисторов, при котором еще обеспечиваются необходимые их характеристики и который может быть получен на предприятии – изготовителе. У большинства типов транзисторных ключей в процессе их переключения указанные емкости заряжаются и разряжаются с перепадом напряжения, близким к напряжению источника питания U. Таким образом, каждое изменение состояния сопровождается превращением в тепло энергии CU2/2, где С – суммарная емкость ключа, т.е. общая емкость транзисторов и соединений, приходящихся на один ключ. При этом полное переключение, т.е. изменение состояния и возврат в исходное состояние приводит к удвоенной величине CU2. Этот минимум достижим только в КМДП-ключах.
Схема КМДП – ключа приведена на рис. 1. Здесь ёмкость С условно отображает суммарную ёмкость ключа. В МДП-транзисторах, в зависимости от знака и величины напряжения на затворе, полупроводник под затвором может обогащаться или обедняться подвижными носителями заряда. При напряжении по модулю больше порогового Uо тип проводимости изменяется на противоположный и образуется канал – слой полупроводника, по которому может протекать ток от истока к стоку. Комплементарной называют такую пару МДП-транзисторов, в одном из которых образуется канал n-типа при положительном, а в другом – канал р-типа при отрицательном напряжении на затворе, рис. 2.
13
Рис. 1
Рис. 2 Так как затворы транзисторов соединены и образуют вход, входное
напряжение открывает только n-канальный или только р-канальный транзистор. При 1 на входе (высокий потенциал) канал существует только в n-канальном, а при 0 на входе только в р-канальном МДП-транзисторе. Поэтому один из транзисторов всегда закрыт, и в обоих статических состояниях ток от источника не потребляется. Расход энергии и выделение тепла возникают только при изменениях состояния, чем и объясняется исключительно низкое энергопотребление и повсеместное применение КМДП-ключей в современной электронике. Следует помнить, что в емкости энергия не расходуется – она накапливается в ней при заряде, когда открывается р-канальный транзистор и возвращается при разряде через открывшийся n-канальный транзистор. Токи заряда и разряда протекают через каналы транзисторов, обладающие активным сопротивлением, где и выделяется тепло. Следовательно, для КМДП-ключа
Pt = CU2. |
(4) |
14