Интегральные микросхемы

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Российский государственный университет нефти и газа им. Губкина

Кафедра ТЭЭП

Домашнее задание №1

по дисциплине: «Физические основы электротехники»

На тему:

«Интегральные микросхемы»

Выполнил: студент группы АС-10-4 Устиц Руслан

Проверил: доцент Крылова Т.В.

Москва 2012

Общие понятия

Интегральная микросхема (ИМС) – это микроэлектронное устройство, состоящее из множества простейших элементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов), которые соединены между собой по определенной схеме и позволяет реализовать определенную функцию преобразования электрических сигналов.

В наше время совершенствование технологии ИМС является одной из важнейших задач электротехники. Это связано с тем, что информационная и вычислительная техника быстро развивается и с каждым днем необходимы все более совершенные и сложные электрические и электронные приборы. Применение ИМС позволяет уменьшить габариты и потребляемую энергию тех или иных приборов, а также повысить их надежность и быстродействие.

Важными характеристиками интегральных схем являются степень интеграции и плотность упаковки. Степень интеграции характеризует количество элементов в микросхеме, а плотность упаковки обозначает количество элементов микросхемы на единицу объема. В настоящее время девятая степень интеграции является самой большой (В мае 2011 фирмой Altera была выпущена самая большая в мире микросхема, состоящая из 3,9 млрд. транзисторов).

Микросхемы также различают по технологии изготовления: гибридные и полупроводниковые (а также пленочные и смешанные). Различие заключается в том, что гибридные микросхемы используют пленочную технологию (пассивные элементы и проводники представлены как проводящие пленки, а активные элементы как навесные транзисторы и диоды), а полупроводниковые используют активные и пассивные элементы, которые выполнены в объеме и на поверхности кристалла полупроводника. Также допускаются случаи, когда при производстве микросхемы используют обе технологии.

Производство

Производство интегральных микросхем можно поделить на следующие этапы:

1. Окисление – создание пленки диоксида кремния, которая является отличным диэлектриком, защищающая пластину от воздействия внешней среды

2. Фотолитография – защита определенных участков пластины. Минимальный размер деталей рисунка — половина длины волны (определяется дифракционным пределом). Электронно-лучевая литография позволяет достигать разрешения в 1 нм благодаря более короткой длине волны электронов по сравнению со светом

3. Травление – позволяет делать «окна» в пленке, что позволяет получить доступ к поверхности самого кристалла

4. Диффузия – формирование p- и n- областей на заданных участках полупроводника. Существует также более сложная технологически двухэтапная диффузия. Она позволяет более точно дозировать количество введенных примесей, благодаря чему процесс легче контролировать. Помимо это в конце процесса обрабатываемый участок оказывается покрытым защитной окисной пленкой

5. Ионное легирование – облучение полупроводниковой пластины ускоренными до определенной скорости ионами примесей. Это хорошо контролируемый процесс

6. Эпитаксия – процесс ориентированного наращивания путем осаждения при высокой температуре слоя полупроводника на поверхности полупроводниковой пластины

7. Напыление – создание контактных площадок и проводников

Гибридные интегральные микросхемы (ГИС)

По сравнению с полупроводниковыми интегральными микросхемами ГИС имеет лучшие электрические характеристики пассивных элементов (более высокая добротность, температурная и временная стабильность, меньшее число и менее заметное влияние паразитных элементов). Также при гибридном исполнении можно обеспечить изготовление изделий достаточно большой мощности, что важно при создании аналоговых устройств, управляющих мощными входными цепями.

ГИС состоит из изолирующего основания (подложки), на поверхности которого методом напыления через маски или нанесением специальных паст размещены пленочные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки, проводники). Для защиты ГИС помещают в корпус

• Пленочный резистор. Располагается на поверхности диэлектрической подложки. Наносится на нее путем напыления хрома, нихрома или других материалов. Сопротивление такого резистора зависит от материала, толщины напыляемого слоя, геометрических размеров и конфигураций проводящей дорожки

• Пленочный конденсатор. Такие конденсаторы относятся к числу наиболее распространенных элементов ГИС. Представляет собой структуру состоящую из 3 слоев (две металлические пленки разделенные пленкой диэлектрика). Характеристики конденсатора определяются свойствами применяемых материалов.

• Индуктивная катушка. Изготавливаются в виде пленочных спиралей. Толщина пленочной спирали зависит от рабочей частоты и определяется глубиной проникновения электромагнитной волны в материал пленочного проводника. Для изготовления пленочных спиралей применяют материалы с высокой электропроводностью.

• Проводники. Выполняются в виде пленочных дорожек из металлов с высокой удельной электрической проводимостью (алюминия, меди, золота)

ГИС широко используется в аналоговой аппаратуре, благодаря использованию различных навесных компонентов, которые дают высокие схемотехнические возможности. ГИС позволяют реализовать широкий класс функциональных электронных схем – усилителей, преобразователей, коммутаторов, вторичных источников питания, являясь при этом экономически целесообразными в условиях серийного и даже мелкосерийного производства.

ГИС – широко распространенный, постоянно совершенствующийся, развивающийся конструктивно-технологический вариант изготовления изделий микроэлектроники. Создание ГИС – одна из ступеней микроминиатюризации микроэлектронных устройств, комплексов и систем, перспективное направление развития научно-технического прогресса в области микроэлектроники.

Полупроводниковые интегральные микросхемы

Полупроводниковые ИС изготавливаются путем формирования в монокристаллическом теле полупроводника структуры ИС при помощи технологических операций. Создаются различные области, обладающие дырочной (р-область) и электронной (n-область) проводимостями. Плотность упаковки в полупроводниковых интегральных микросхемах доходит даже до нескольких тысяч элементов и более на 1 квадратный мм. ­Полупроводниковые интегральные микросхемы в сборе помещают в металлический или пластмассовый корпус

• Биполярный транзистор. Трехэлектродный полупроводниковый прибор имеющий структуры n-p-n или p-n-p-типа. В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки

• Резистор. Это участки полупроводника, легированного примесями методом диффузии. Сопротивление таких резисторов зависит от размеров и формы участка

• Конденсатор. Используются обратно-смещенные p-n-переходы. Из-за малой площади p-n-перехода емкость таких конденсаторов обычно не выше нескольких сотен пикофарад.

• Индуктивные элементы. Практически не используются из-за большой трудности при изготовлении.

Полупроводниковые интегральные микросхемы являются наиболее распространенным типом интегральных микросхем, обеспечивающих максимальную миниатюризацию и надежность. Они также обладают высоким быстродействием, что позволяет создать высокочастотные усилители и быстродействующие логические микросхемы с временем задержки менее 0,1 нс. При массовом производстве являются наиболее дешевыми. Изготовление сразу большого количества микросхем в едином технологическом цикле позволяет существенно усложнять их схему и увеличивать количество активных и пассивных элементов практически без повышения трудоемкости изготовления. Небольшие партии микросхем выгоднее делать используя гибридную технологию.

Также полупроводниковые интегральные микросхемы могут использовать МДП – транзисторы вместо биполярных. МДП – транзисторы полностью изолированы друг от друга и не требуют специальной изоляции, что значительно повышает плотность расположения элементов на кристалле. Также существует технология, которая позволяет изготавливать на одной пластине полупроводникового материала несколько сотен интегральных схем одновременно. Такая технология получила название планарно-эпитаксиальная.

По своему функциональному назначение интегральные микросхемы делятся на линейно-импульсные и логические. Различие в том, что линейно-импульсные обеспечивают примерно пропорциональную зависимость между входными и выходными сигналами, а логические представляют собой устройства с несколькими входами и выходами, причем входные и выходные напряжения могут принимать лишь определенные значения.