3.5. Изоляция элементов ис
Все элементы ИС расположены в кристалле полупроводника, т.е. в проводящей среде. Поэтому существует опасность возникновения электрической связи элементов с подложкой а также возникновением связей между элементами через подложку. Схема соединений при этом нарушается, что недопустимо.
Основным методом изоляции элементов от подложки является изоляция закрытыми p-n переходами. Поскольку внешние, граничащие с подложкой слои всех элементов являются полупроводником n-типа, а подложка – полупроводник р-типа, между элементами и подложкой существуют p-n переходы (см. рис. 8 – 12). Достаточно закрыть эти переходы подачей обратного напряжения, чтобы перевести их в закрытое состояние, в котором тока в переходе почти нет.
На рис. 13 показано, как такая изоляция осуществляется в ИС с n-канальными МДП-транзисторами. Диоды здесь условно отображают
Рис. 13
существование p-n переходов между всеми частями транзистора и подложкой. К подложке подведено отрицательное напряжение, которое должно быть по модулю больше, чем напряжение на любой части транзистора. В этом случае оно будет обратным для всех переходов и они будут заперты.
Закрытый p-n переход идеальной изоляции не обеспечивает. В нём протекает небольшой обратный ток, у p-n перехода есть также некоторая барьерная ёмкость. То и другое должно учитываться при разработке ИС.
Принципиально возможна и диэлектрическая изоляция элементов ИС. Примером такой изоляции являются ИС «кремний на сапфире», рис. 14.
Рис. 14
Синтетический сапфир, в отличие от драгоценного природного сапфира, относительно недорог и довольно часто применяется в различных технических устройствах. Он является отличным кристаллическим диэлектриком, очень прочен, прозрачен, устойчив к самым разным воздействиям. Его отличительной особенностью является также идеальное совпадение параметров кристаллической решётки с параметрами решётки кремния. Поэтому на поверхности сапфировой подложки можно с помощью эпитаксии наращивать кристаллический кремний. С помощью фотолитографии и травления наращенный сплошной слой кремния разделяется на островки, в которых формируются транзисторные структуры. Изоляция в этом случае близка к идеальной, поскольку транзисторы отделяют друг от друга воздушные зазоры, а снизу – сапфир.
3.6. Корреляция параметров элементов ис
Важнейшим общим свойством элементов ИС всех типов является сильная корреляция параметров. Функция корреляции – отражает степень близости случайных величин или функций. Так, типичной случайной функцией времени является уличная температура. В Москве и Подмосковье она отличается незначительно (сильная корреляция), в Москве и в какой-нибудь удалённой точке земного шара эти температуры могут отличаться очень сильно (корреляция близка к нулю).
Параметры любых созданных человеком объектов, в том числе, параметры элементов ИС – это всегда случайные величины. Реальные параметры всегда, пусть незначительно, отличаются от идеальных из-за погрешностей производства. В ИС эти отличия обусловлены, в частности, несовпадением толщины слоёв полупроводника в изготовленных элементах с идеальными заданными значениями толщины. ИС создаются на основе принципа группового изготовления, т.е. изготавливаются сразу все элементы ИС. Поэтому погрешности технологических операций скажутся на отклонении толщин слоёв и параметров всех элементов одинаково. Их параметры будут отличаться от идеала на один и тот же процент (сильная корреляция).
Пусть, например, в ИС используется делитель напряжения вида рис. 15.
Рис. 15
Главным параметром делителя является коэффициент передачи по напряжению КU = UВЫХ / UВХ = R2 / (R1 + R2) = 1 / (R1/R2 + 1). Очевидно, что этот параметр зависит не от абсолютной величины сопротивлений, а от отношения R1/R2. Поэтому, если в результате погрешностей технологии величины R1 и R2 отклонятся от идеала на один и тот же процент, главный параметр КU останется абсолютно точным.
Сильная корреляция параметров элементов ИС широко используется в разработке ИС. Отношения параметров элементов при этом являются своего рода эталонами, от которых зависят главные параметры.