- •Электроника
- •Содержание
- •1.1 Основы алгебры логики………………………………………………..5
- •1 Цифровые интегральные микросхемы
- •1.1 Основы алгебры логики
- •1.1.1 Основные определения
- •1.1.2 Некоторые логические функции и реализующие их логические элементы
- •1.1.3 Основные законы и соотношения алгебры логики
- •Сочетательный закон
- •Распределительный закон
- •1.2 Параметры цифровых интегральных микросхем
- •1.2.1 Параметры цифровых интегральных микросхем (цимс), имеющие размерность напряжение.
- •1.2.2 Параметры, соответствующие размерности тока.
- •1.2.3 Параметры, имеющие размерность мощности.
- •1.3.2 Характеристики дтл.
- •1.4 Транзисторно – транзисторная логика.
- •1.5 Ттл со сложным инвертором.
- •1.6 Ттл с открытым коллекторным выходом.
- •1.7 Ттл с тремя состояниями на выходе
- •1.8 Транзисторно-транзисторная логика Шоттки
- •1.9 Комплиментарная мдп логика
- •2 Операционные усилители
- •2.1 Параметры и характеристики оу
- •2.3 Дифференциальный усилитель
- •2.4 Составной транзистор
- •2.5 Источник тока
- •2.6 Схема сдвига уровня
- •2.7 Эмиттерный повторитель
- •2.8 Инвертирующий усилитель на оу.
- •2.9 Неинвертирующий усилитель
- •3 Технологические основы производства полупроводниковых интегральных микросхем
- •3.1 Подготовительные операции
- •3. 2 Эпитаксия
- •3.3 Термическое окисление
- •3.4 Литография
- •3.5 Легирование
- •3.5.2 Ионная имплантация.
- •3.6.1 Термическое (вакуумное) напыление.
- •3.6.2 Катодное напыление.
- •3.6.3 Ионно-плазменное напыление.
- •4 Полупроводниковые
- •4.1 Методы изоляции элементов в ппимс
- •4.1.1 Изоляция элементов обратно смещенными pn-переходами.
- •4.1.2 Резистивная изоляция.
- •4.1.3 Диэлектрическая изоляция
- •4.2 Планарно-эпитаксиальный биполярный транзистор
- •4.2.1 Этапы изготовления
- •4.2.2 Распределение примесей.
- •4.2.3 Эквивалентная схема.
- •4.3 Планарно-эпитаксиальный биполярный транзистор
- •4.4 Разновидности биполярных транзисторов
- •4.4.1 Многоэмиттерный транзистор.
- •4.4.2 Транзистор с барьером Шоттки.
- •4.4.3 Транзисторы р-n-р
- •4.5 Интегральные диоды
- •4.6 Полевые транзисторы
- •4.6.1 Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом
- •4.6.3 Мноп-транзистор.
- •4.7 Полупроводниковые резисторы
- •4.7.1 Диффузионные резисторы.
- •4.7.2 Ионно-легированные резисторы.
- •4.8 Полупроводниковые конденсаторы
- •5.1 Подложки гимс.
- •5.2 Резисторы.
- •5.3 Конденсаторы
- •5.4 Катушки индуктивности
4.7.2 Ионно-легированные резисторы.
За последнее время все большее распространение получают ионно-легированные резисторы, которые в отличие от диффузионных резисторов получаются не диффузией, а локальной ионной имплантацией примеси.
Структура ионно-легированного резистора такая же, как у диффузионного (рисунок 4.17д), но глубина имплантированного р-слоя значительно меньше глубины базового слоя и составляет всего 0,2-0,3 мкм. Кроме того, ионная имплантация позволяет обеспечить сколь-угодно малую концентрацию примеси в слое. Оба фактора способствуют получению весьма высоких удельных сопротивлений слоя - до 10-20кОм/. При этом номиналы сопротивлении могут составлять сотни килоом, ТКС меньше, чем у диффузионных резисторов, и лежит в пределах 3-5%/0С, а разброс сопротивлений не превышает ± (5-10)%.
Поскольку толщина имплантированного слоя мала, к нему трудно осуществить омические контакты. Поэтому по краям резистивного слоя на этапе базовой диффузии формируют узкие диффузионные р-слои, с которыми осуществляется омический контакт обычным способом.
4.7.3 Эквивалентная схема.
Характерной особенностью любого интегрального резистора является наличие у него паразитной емкости относительно подложки или изолирующего кармана. В простейшем диффузионном резисторе такой паразитной емкостью является барьерная емкость перехода между рабочим р-слоем и эпитаксиальным n-слоем кармана.
Строго говоря, совокупность резистора и паразитной емкости представляет собой распределенную RС-линию. Однако для приближенных расчетов удобнее пользоваться эквивалентными схемами с сосредоточенными постоянными: П-образной или Т-образной (рисунок 4.17е). На этой схеме R - сопротивление резистора, СП - усредненная емкость перехода. RC- цепочка снижает частотные свойства и увеличивает переходные процессы в схеме.
Рассмотренные эквивалентные схемы действительны и для других вариантов резисторов: когда рабочими являются змиттерный или коллекторный слой, а также при диэлектрической изоляции элементов. Однако количественные результаты оказываются разными. Например, при использовании диэлектрической изоляции постоянная времени может быть в несколько раз меньше.
4.8 Полупроводниковые конденсаторы
В биполярных полупроводниковых ИМС роль конденсаторов играют обратно смещенные р-n переходы. У таких конденсаторов хотя бы один из слоев является диффузионным, поэтому их называют диффузионными конденсаторами.
4.8.1 Диффузионный конденсатор.
Типичная структура диффузионного конденсатора, в котором используется переход коллектор - база, показана на рисунке 4.18а. Емкость такого конденсатора в общем случае имеет вид:
С = C0S, (4.3)
где С0- удельная емкость р-n перехода, S-площадь конденсатора. Оптимальной, конфигурацией является форма близкая к квадрату.
Например, если C0= 150 пФ/мм2 и С =100 пФ, то S 0,8 мм. Как видим, размеры конденсатора получились сравнимыми с размерами кристалла.
Используя не коллекторный, а эмиттерный р-n переход, можно обеспечить в 5-7 раз большие значения максимальной емкости. Это объясняется большей удельной емкостью эмиттерного перехода, поскольку он образован слоями с более высокой концентрацией, а, следовательно, меньшей толщиной р-n перехода. Возможно совместное использование эмиттерного и коллекторного переходов.
Рисунок 4.18
Основные параметры диффузионного конденсатора приведены в таблице 4.2 для обоих вариантов конденсаторов - с использованием коллекторного и эмиттерного переходов. Как видим, основное преимущество при использовании эмиттерного перехода - большие значения максимальной емкости. По пробивному напряжению этот вариант уступает варианту с использованием коллекторного перехода.
Эквивалентная схема конденсатора приведена на рисунке 4.18б.
Таблица 4.2
Тип |
С0, пФ/мм2 |
, % |
ТКЕ, %/0С |
UПР, В |
Q (1 МГц) |
конденсатора | |||||
Переход БК |
150 |
±20 |
-0,1 |
50 |
5-10 |
Переход БЭ |
1000 |
±20 |
-0,1 |
7 |
5-10 |
МОП-структура |
300 |
±25 |
0,02 |
20 |
100 |
Необходимым условием для нормальной работы конденсатора является обратное смещение р-n перехода. Следовательно, напряжение на конденсаторе должно иметь строго определенную полярность. Кроме того, емкость зависит от напряжения. Это значит, что конденсатор является нелинейным с вольт-фарадной характеристикой, как у варикапа. Однако чаще требуются линейные конденсаторы с постоянной емкостью, которые способны пропускать без искажения переменные сигналы и «блокировать» (т. е. не пропускать) постоянные составляющие сигналов, они успешно выполняет такую функцию при наличии постоянного смещения Е, превышающего амплитуду переменного сигнала.
С другой стороны, является возможность менять значение емкости, меняя смещение Е. Следовательно, конденсатор можно использовать не только в качестве «обычного» конденсатора с постоянной емкостью, но и в качестве конденсатора с электрически управляемой емкостью или, как говорят, конденсатора переменной емкости. Однако диапазон электрической регулировки ограничен: меняя смещение Е от 1 до 10 В можно изменить емкость конденсатора всего в 2-2,5 раза.
Из-за высокого сопротивления коллекторного n-слоя добротность таких конденсаторов низкая.
4.8.2 МОП-конденсатор.
Интегральным конденсатором, принципиально отличным от диффузионного, является МОП-конденсатор. Его типичная структура показана на рисунке 4.18в. Здесь над эмиттерным n+- слоем с помощью дополнительных технологических процессов выращен слой тонкого (0,08-0,12 мкм) окисла. В дальнейшем, при осуществлении металлической разводки, на этот слой напыляется алюминиевая верхняя обкладка конденсатора. Нижней обкладкой служит эмиттерный n+ - слой.
Основные параметры МОП-конденсаторов приведены в таблице 4.2. Добротность выше, так как сопротивление r значительно ниже из-за n+-слоя.
Важным преимуществом МОП-конденсаторов по сравнению с диффузионным является то, что они работают при любой полярности напряжения, т. е. аналогичны «обычному» конденсатору. Однако МОП-конденсатор, как и диффузионный, тоже нелинейный. Паразитная емкость МОП-конденсаторов учитывается с помощью уже известной эквивалентной схемы (рисунок 4.18г), где под емкостью СП следует понимать емкость между n-карманом и р-подложкой.
В заключение заметим, что в МОП-транзисторных ИМС, в отличие от биполярных, изготовление МОП-конденсаторов не связано с дополнительными технологическими процессами: тонкий окисел для конденсаторов получается на том же этапе, что и тонкий окисел под затвором, а низкоомный полупроводниковый слой - на этапе легирования истока и стока. Изолирующие карманы в МОП-технологии, как известно, отсутствуют.
ГИБРИДНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Гибридными интегральными микросхемами (ГИМС) называют микросхемы, в которых пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивности) выполнены в виде пленок на диэлектрической подложке, а полупроводниковые электронные приборы (диоды, транзисторы, диодные и транзисторные матрицы, ППИМС) – навесные.
Фрагмент ГИМС приведен на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1
Микросхемы с толщиной пленок менее 1 мкм называют тонкопленочными, а с толщиной более 1 мкм - толстопленочными ГИМС. Напыление тонких пленок осуществляется методами, описанными в разделе 3.6, а получение толстых пленок в 5.
Конфигурации тонко- и толстопленочных элементов одинаковы, но их конкретные геометрические размеры (при заданных электрических параметрах) могут существенно различаться в связи с использованием совершенно разных материалов. Пленочные элементы нет необходимости изолировать друг от друга, так как все они выполняются на диэлектрической подложке. Поскольку расстояния между элементами сравнительно большие, паразитные емкости практически отсутствуют и их учет на эквивалентных схемах обычно не имеет смысла.