1.6. Элементы интегральных схем

Современная электроника характеризуется массовым выпуском изделий микроэлектроники — интегральных микросхем с быстрорастущей степенью интеграции. Интегральная микросхема (ИМС) — это совокупность нескольких взаимосвязанных элементов, изготовленных в едином технологическом цикле, на одной подложке; ИМС выполняет функцию определенного электронного устройства. В современных ИМС на 1 мм2 удается выполнить более 106 элементов. По способу изготовления и получаемой при этом структуре ИМС можно разделить на три основных типа: гибридные, пленочные и полупроводниковые.

Гибридной микросхемой является ИМС, в которой пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, токопроводящие дорожки

идр.) выполнены в едином технологическом цикле на одной изолирующей подложке, а активные элементы являются навесными, т.е. обычными дискретными транзисторами, но без своих собственных корпусов (бескорпусные элементы). Помимо различных диодов и транзисторов, навесными элементами могут быть конденсаторы больших емкостей и катушки индуктивности.

Пленочная микросхема — это ИМС, в которой не только пассивные, но и активные элементы выполнены в виде пленок. Вариантами технического исполнения пленочных ИМС являются тонкопленочные (с толщиной до 1 мкм) и толстопленочные (с толщиной свыше 1 мкм) схемы. Хорошими параметрами и свойствами обладают ИМС, у которых элементы выполнены на монокристаллических пленках (например, структуры «кремний на сапфире»).

Полупроводниковая микросхема — это ИМС, все элементы

имежэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла. Иногда полупроводниковую схему называют монолитной ИМС (микросхемой).

Как правило, ИМС разрабатываются и выпускаются предприя- тиями-изготовителями в виде серий; каждая серия характеризуется степенью комплектности. К серии ИМС относят совокупность ИМС, которые могут выполнять различные функции, но имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного использования. Серия содержит несколько ИМСразличныхтипов, которые, всвоюочередь, могутделитьсянатипо-

39

номиналы. Типономинал — это ИМС, имеющая конкретное функциональное назначение и свое условное обозначение.

Элементом ИМС называют часть ИМС, реализующую какуюлибо функцию полупроводникового прибора (пассивную или активную), которая выполнена неразрывно от кристалла (подложки) и не может быть выделена как самостоятельное изделие.

Взависимости от количества элементов n в ИМС принято де-

ление по степени интеграции K = ln n . Так, ИМС первой степени содержит до 10 элементов, второй степени — до 100, третьей — до 1000 и т.д. Интегральные схемы с K = 2...3 называют большими интегральными схемами (БИС), а с К > 3 — сверхбольшими интегральными схемами (СБИС).

Поскольку полупроводниковые ИМС — основной тип ИМС, сосредоточим основное внимание на элементах именно этих микросхем. Одна их особенностей элементов ИМС (по сравнению с аналогичными дискретными полупроводниковыми приборами) в том, что они имеютопределеннуюэлектрическуюсвязьсобщейподложной, аиногда и друг с другом. Другая важная особенность элементов ИМС — все они изготавливаются в едином технологическом цикле. В результате параметры элементов ИМС в значительной мере взаимосвязаны и ограничены, чегонетуобычныхполупроводниковых приборов.

Простейшим резистором ИМС является слой полупроводника, изолированный от других элементов ИМС. Существует несколько способов изоляции и самый распространенный из них — введение дополнительного p-n перехода в подложку, окружающего (изолирующего) каждый элемент (или группу элементов). Максимальное сопротивление резистора в полупроводниковой ИМС может достигать 50 кОм. Разброс сопротивлений относительно расчетного номинала в ИМС составляет 15...20 %. Резисторы, расположенные на одной подложке, могут изменять свое сопротивление одинаково, поэтому разброс их значений будет гораздо меньше — не более 3 %. Эта особенность играет важную роль и широко используется

вусилителях с глубокой отрицательной обратной связью.

Вгибридных и пленочных схемах используются пленочные резисторы, получаемые за счет нанесения резистивного вещества на изолирующую подложку. Сопротивление такого резистора зависит от материала, толщины пленки и может достигать значений порядка 1 МОм.

40

Для полупроводниковых ИМС основной и наиболее универсальный элемент — биполярный транзистор. В большинстве случаев в ИМС используются транзисторы n-p-n-типа. Значения параметров интегральных транзисторов: коэффициент усиления В=100, граничная частота fт = 300 МГц, максимально допустимое

напряжение Uк max = 40 В.

Помимо обычных биполярных транзисторов в ИМС широко используются особые структуры, не свойственные электронным устройствам на дискретных элементах. Это прежде всего многоэмиттерный транзистор (МЭТ). Особенности МЭТ состоят в размерах коллекторных и эмиттерных переходов, количестве эмиттеров, а также в конфигурации и расположении контактов.

В настоящее время в составе полупроводниковой ИМС могут быть изготовлены диоды почти любого типа. Однако при разработке ИМС всегда желательно использование однотипных структур. Такими структурами обычно являются биполярные транзисторы. Поскольку транзистор имеет два p-n перехода, то его можно использовать и в качестве диода. В полупроводниковых ИМС применяются различные схемы включения транзистора в качестве диода, т.е. интегральный диод — это биполярный транзистор, включенный определенным образом. При этом имеется возможность получать у интегральных диодов различные параметры.

Диодное включение транзистора (обычно n-p-n-типа) достигается при выполнении внутрисхемных металлизаций, проводимых после формирования всех элементов ИМС. На рис. 1.27 приведены пять схем включения биполярного транзистора в качестве диода. В первом случае в качестве диода (схема а) используется коллекторный p-n переход транзистора. Такой диод имеет относительно большое пробивное напряжение (до 50 В), но характеризуется невысоким быстродействием. Диод (схема б), использующий эмиттерный p-n переход, имеет повышенное быстродействие, но небольшое пробивное напряжение (до 7 В). Для диодов (схемы в и д) пробивное напряжение одинаково с диодом схемы б, а для г — схемы а. Самый большой обратный ток имеет место в диоде схемы д, где p-n переходы транзистора включены параллельно. Падение напряжения на диоде при заданном прямом токе максимально для диода (схема б) и минимально для диода (схема г). На практике чаще всего используются диоды (схемы б и в).

41

Рис. 1.27. Диодные включения биполярных интегральных транзисторов

Низковольтные стабилизаторы в ИМС выполняют, применяя p-n переходы, при прямом смещении. Такие стабилизаторы рассчитываются на напряжения, равные или кратные равновесной высоте потенциального барьера кремниевого p-n перехода, примерно составляющей 0,7 В. Здесь можно использовать один или несколько последовательно включенных интегральных диодов, работающих при прямом смещении. Обычно в низковольтных интегральных стабилизаторах используются диоды (рис. 1.27, схема в).

Широкое распространение в ИМС получили МДП-транзисторы. МДП ИМС имеют преимущества перед ИМС на биполярных транзисторах, прежде всего — лучшие массогабаритные показатели. При выполнении нескольких МДП-транзисторов на одной подложке получается, что их истоки и стоки оказываются разделенными встречно включенными p-n переходами «сток-подложка» и «исток-подложка». Поэтому гальваническая связь между элементами будет определяться лишь малыми обратнымитокамиэтихпереходов. Такимобразом, для МДП ИМС в большинстве случаев дополнительная изоляция элементов не требуется. Отсюда следует: МДП-транзисторы можно располагать ближе друг к другу и тем самым повышать плотность расположения элементов и использование площади подложки.

Поскольку интегральные МДП-транзистры не нуждаются в изоляции, их структура практически не отличается от структуры дискретных элементов. Важное преимущество МДП-транзисторов в полупроводниковых ИМС — возможность их использования в качестве различных элементов: резисторов, конденсаторов и др.

Широкое применение в микроэлектронике находят сочетания МДП-транзисторовсn- иp-каналами, которыепринятоназыватькомплиментарными МДП-транзисторами (КМДП). Сочетания биполяр- ныхn-p-n- иp-n-p-транзисторовобычноназываюткомплиментарными биполярнымиилипростокомплиментарнымитранзисторами.

42

Развитие микроэлектроники в последние годы тесно связано с использованиемновыхэффектовиявленийвтвердомтеле. Традиционные областиполупроводниковойэлектроникиимеютсвойпредел, определяемый конструктивной сложностью, технологичностью изготовления, снижениемнадежностиит. д. Наиболеепринципиальнаяимногообещающаяобластьмикроэлектроники— функциональнаяэлектроника.

Функциональным прибором является простая структура, способная выполнять функции всего устройства в целом. Для функциональной электроники характерно использование большого числа различных явлений. Помимочистоэлектрическихцепей, здесьиспользуютсяоптические, акустические, магнитныеидругиеявлениявтвердыхтелах.

Явления, связанные с механическими колебаниями упругой среды, обычно называют акустическими (или звуковыми). Основой акустоэлектроники является использование взаимодействия акустических и электрических сигналов. Практически все современные акустоэлектронные элементы — это приборы резонансного типа. Принцип действия их основаннаиспользованиипьезоэлектрическогоэффекта(пьезоэффекта).

Прямой пьезоэффект проявляется в образовании зарядов на поверхности твердого тела под действием механических напряжений. Обратный пьезоэффект проявляется в изменении геометрических размеров тела под действием приложенного электрического напряжения. Этиэффектыоченьяркопроявляютсявкварцевомрезонаторе.

Кварцевый резонатор — это однородная пластина монокристалла кварца. Чаще всего в кварцевом резонаторе возбуждаются продольные колебания (объемные акустические волны) по типу сжа- тие—растяжение. Основной электрический параметр кварцевых резонаторов — резонансная частота, которая жестко фиксирована. Основной размер, определяющий частоту колебаний кварцевого резонатора, — длина пластины. Кварцевые резонаторы обладают наибольшей стабильностью частоты.

В теле однородной кварцевой пластины нельзя обнаружить области, соответствующие индуктивности, емкости или сопротивлению. Тем не менее, кварцевая пластина выполняет функцию резонатора, т.е. заменяет несколько реактивных элементов и резисторов. В ней возбуждаются резонансные механические колебания за счет приложения переменного электрического поля и наоборот: при возбуждении колебаний механическим путем на обкладках резонатора появляется электрическое напряжение.

43