экзаменационные вопросы и ответы / 10 Транзистор. Физическая модель транзистора / Полупроводниковые приборы

Теория↓↓↓ Справочник↓ Практикум↓ Контроль знаний↓ Об ЭУМК↓

Аналоговая электроника

1 Полупроводниковые приборы

Полупроводником называется вещество, которое по своей удельной электрической проводимости располагается между проводником и диэлектриком (имеют узкую запрещенную зону), и отличается от проводника сильной зависимостью проводимости от внешних воздействий и концентрации примесей.

1.1 Зонная теория полупроводников

Если электрон атома в кристаллической решетке остается связанным с ядром, то он находится в зоне валентности, если оторван от ядра, то в зоне проводимости. Между этими зонами расположена запрещенная зона. Такой энергией электрон обладать не может(рис 1-1).

Рис.1-1 Энергетические зоны

Полупроводниковыми свойствами могут обладать как простые вещества, например, алмаз С, теллур Те, селен Se (красный), серое олово - Sn, так и химические органические и неорганические соединения: арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, фосфид индия InP, карбид кремния SiC, бензол, нафталин, нафтацен и т.д. Типичными представителями полупроводников являются элементы четвертой группы периодической системы: германий Ge и кремний Si.

Атомы полупроводника в кристаллической решетке связаны между собой парноэлектронными (ковалентными) связями. Эти связи непрочные, легко разрываются при нагревании, освещении, электризации.

Связи непрочные, легко разрываются при нагревании, освещении, электризации(рис.1-2).

Рис.1-2 Кристаллическая решетка полупроводника

При удалении электрона остается дырка, имеющая положительный заряд, равный заряду электрона. В чистом полупроводнике количество электронов и дырок одинаково np=nn=ni.

Число носителей заряда ni=AeΔE/kT – зависит от температуры и ширины запрещенной зоны.

Каждая ковалентная связь образуется парой электронов, составленной из одного электрона от первого, и одного - от второго атомов. В химически чистом полупроводнике все ковалентные связи заполнены и при температуре абсолютного нуля, в отличие от металлов, у полупроводников отсутствуют свободные носители зарядов. С увеличением температуры окружающей среды часть электронов возбуждается и, разрывая ковалентную связь, переходит в зону проводимости, создавая собственную электронную проводимость полупроводника. Одновременно в полупроводнике возникает незаполненная ковалентная связь - дырка. Такая связь может быть восстановлена за счет электрона соседнего атома, т.е. разрушения соседней ковалентной связи. Многократное повторение подобных ситуаций создает видимость перемещения дырки по объему кристалла, которая, имея положительный заряд, создает собственную дырочную проводимость полупроводника. Процесс генерации злектронно-дырочных пар может происходить не только под воздействием тепла, но и за счет любых процессов, способных сообщить электрону количество энергии, достаточное для разрыва ковалентной связи. Процесс генерации всегда сопровождается обратным процессом - рекомбинацией, то есть соединением электрона с дыркой с образованием нейтрального атома. В результате при постоянстве внешних условий в полупроводнике наступает равновесие, при котором число генерируемых пар носителей заряда равно числу рекомбинирующих.

1.2 Примесные полупроводники

В чистом полупроводнике на образование пары требуется затратить значительное количество энергии и его проводимость при комнатной температуре весьма мала.

Значительно увеличить проводимость можно, легируя полупроводник трехвалентными или пятивалентными примесями. В пятивалентной примеси (сурьма Sb, фосфор Р, мышьяк As) один электрон не участвует в ковалентных связях и легко переходит в свободную зону при сообщении ему энергии гораздо меньшей, чем необходимо для разрыва ковалентной связи. В результате атом примеси, отдав электрон, становится устойчивым неподвижным положительным ионом. Такие примеси называют донорными. а легированные ими полупроводники - полупроводниками n-типа. Проводимость примесного полупроводника принято называть примесной проводимостью. Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а неосновными дырки.

Трехвалентный атом примеси, наоборот, для заполнения четвертой ковалентной связи стремится отобрать электрон у ближайшего атома полупроводника. При этом образуется устойчивый отрицательный ион и дырка, Полупроводник с такими примесями называется полупроводником р-типа, сами примеси (алюминий Al, бор В, индий In.) - акцепторными. В полупроводнике р-типа основными носителями заряда являются дырки, а неосновными - электроны.

В примесных полупроводниках при комнатной температуре практически все атомы примеси находятся в возбужденном состоянии, причем количество созданных ими основных носителей намного превышает количество неосновных, возникающих путем обычной термогенерации электронно-дырочных пар. В результате этого примесная проводимость гораздо выше собственной проводимости полупроводника, в значительно меньшей степени зависит от внешних факторов и определяется главным образом концентрацией легирующей примеси.

1.3 Полупроводниковый диод

Основой всех полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (p-n переход). Он образуется на границе двух полупроводников с различными типами проводимости {глава 1.2}. Поскольку концентрация носителей заряда в области р-n перехода резко неоднородна, по законам диффузии основные носители (дырки в "р" области и электроны в "n" области), будут диффундировать в прилегающие области, создавая диффузионный ток.

Неосновные носители заряда (дырки в n-области и электроны в р-области) начнут дрейфовать в возникшем электрическом поле, создавая дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току. В результате наступает динамическое равновесие, суммарный ток перехода будет равен нулю и на переходе установится контактная разность потенциалов, составляющая 0,3-0,4 В для германиевых переходов и 0,7-1,0 В для кремниевых. Если к переходу подключить источник эдс положительным полюсом к р области, а отрицательным - к n области, то результирующая разность потенциалов на переходе уменьшится. Переход откроется и начнет проводить ток за счет возрастания диффузии основных носителей заряда из n-области в р-область. При этом дрейфовый ток через переход уменьшится. Такое включение перехода принято называть включением в прямом направлении (прямо смещенный переход).

Рис 1-3 Прямое включение p-n перехода

Приложение напряжения в обратном направлении (плюсом к n, а минусом - к р-области) приведет к увеличению разности потенциалов на переходе, а значит к уменьшению диффузионного тока и увеличению дрейфового. Поскольку дрейфовый ток создается неосновными носителями заряда, которых в полупроводнике значительно меньше, чем основных, суммарный ток через переход будет очень мал. Такое состояние перехода принято называть закрытым.

Рис.1-4 Обратное включение p-n перехода.

При отсутствии внешнего электрического поля, диффузионный ток равен току проводимости.

Iперехода=Iдиф-Iпров=0.

1. Если приложенное внешнее поле усиливает поле перехода (+к n слою), то Iдиф уменьшится, Iпров увеличивается.

Iперехода= -I0 (обратный ток).

2. Если ослабить поле перехода (+ к р слою), то Iдиф увеличивается, Iпров уменьшится. Iперехода>> I0, Iперехода=Iпр.

Поэтому p-n переход называется полупроводниковым диодом.

Его обозначение в схемах + p - n

Iпр.

Полупроводниковые приборы, состоящие из одного р-n перехода и предназначены для выпрямления переменного тока, называют выпрямительными диодами. В таких диодах используется основное свойство перехода - способность хорошо проводить ток только в одном направлении.

Характеристики полупроводникового диода

Рис 1-5 Прямая и обратная ветви характеристики диода

Основные параметры выпрямительного диода: максимальное значение выпрямленного тока Iвыпр, прямое падение напряжения на переходе при максимальном выпрямленном токе Uпр, максимально допустимое обратное напряжение Uo6p, величина обратного тока Iо при

Uo6p. Обычно Iвыпр = 10 мА - 10 А; Unp = 0,2 - 1,5 В; Uo6p = 10 В – 1кВ Iо = 1 мкА - 100 мкА.

Если в выпрямительном диоде обратное напряжение превысит напряжение пробоя Uпроб (обычно Uo6p = 0,8Uпроб), ток резко возрастет и диод выйдет из строя, что объясняется увеличением числа носителей в области перехода под действием ударной ионизации в сильном электрическом поле и последующей усиленной термогенерацией разогревшегося перехода.

Маркировка (обозначение) диодов

В обозначении диода используют буквы и цифры:

Г (или 1) – германиевый диод; К (или 2) – кремниевый диод.

Дальше идут цифры:101-399 –выпрямительные диоды; 401-499 – универсальные диоды.

Рис 1-6 Внешний вид полупроводниковых диодов

1.4 Стабилитрон

Повышая концентрацию примесей {глава 1.2}, в кремниевых диодах можно добиться обратимости процесса электрического пробоя. При этом на обратной ветви ВАХ {глава 1.3} образуется участок, на котором большие изменения тока через переход вызывают небольшие изменения напряжения(рис.1-7). Диоды, имеющие такую ВАХ, называются стабилитронами, или опорными диодами, так как они используются для стабилизации напряжения.

Рис 1-7 Вольт амперная характеристика стабилитрона

Основными параметрами стабилитронов являются: Iмин, Iмакс соответственно минимальный и максимальный токи стабилизации, определяющие рабочий участок ВАХ. Обычно значение Iмин лежит в пределах от 3 мА до 100 мА, а Iмакс - от 10 мА до 3 А.

Uстаб.ном - номинальное напряжение стабилизации, обычно от 1 до200 В;

Rдин=dU/dI - динамическое сопротивление, где dI,dU - приращения тока и напряжения на рабочем участке ВАХ, обычно Rдин=10-

100Ом.

Устабилитрона обратное напряжение остается практически постоянным при условии

Iобрмакс>= I>= Iобр, мин.

Рис.1-8 Схема включения стабилитрона

Uнестаб = Uстаб+Iстаб Rогран

Uстаб= 3,3 В – 150 В

Iстаб, мин = 2 – 5 мА

Iстаб, макс = 30 – 500 мА

Стабилизирующие свойства характеризуются коэффициентом стабилизации:

Kстаб=(ΔUнестабUстаб) / (UнестабΔUстаб) Кстаб = 5-10 .

Для повышения коэффициента стабилизации применяется каскадное соединение стабилизирующих ячеек.

Рис.1-9 Каскадное соединение стабилитронов

Недостаток многоячеечного стабилизатора - большие потери напряжения на ограничительных резисторах. Для увеличения стабилизированного напряжения применяется последовательное соединение стабилитронов.

Рис.1-10 Последовательное соединение стабилитронов

Если стабилитроны включить встречно,то при подаче на них переменного напряжения происходит двустороннее ограничение выходного напряжения(рис).

Рис.1-11 Встречное соединение стабилитронов

Параллельное соединение стабилитронов не применяется т.к. в момент включения всегда открывается стабилитрон с наименьшим Uстаб.и остальные стабилитроны остаются закрытыми.

Рис.1-12 Внешний вид стабилитронов

1-маломощный стабилитрон;

2-мощный стабилитрон с креплением на теплоотводе

1.5Транзисторы

1.5.1Структура транзистора

Транзистор представляет собой трехслойный полупроводниковый прибор со слоями чередующегося типа проводимости {глава 1.2}. Существуют транзисторы типа pnp и npn.

Рис.1-13 Структура транзистора

Эмиттер – p-полупроводник с большим количеством примесей.

База – n-полупроводник с малым количеством примесей. Слой базы очень тонкий,порядка 1 мкм.

Коллектор – p полупроводник со средним количеством примесей. Переход эмиттер-база называется эмиттерным переходом, переход база-коллектор – коллекторным переходом.

Наиболее часто транзистор включается так ,что эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном.

При включении транзистора из эмиттера в базу инжектируется большое количество дырок, которые путем диффузии распространяются в базе, доходят до коллекторного перехода и втягиваются им, образуя большой коллекторный ток. Iк-≈Iэ , но Iк- < Iэ.

Поведение транзистора описывается 2-я уравнениями:

Iэ = Iб + Iк и Iк = αIэ +Iк0 , где α – коэффициент передачи тока транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ). α=0,9 –

0,995.

Рис.1-14 Условные обозначения транзисторов

Рис.1-15 Внешний вид транзисторов различной мощности

1.5.2 Схемы включения транзистора

1. Схема с общей базой (ОБ)

Рис.1-16 Схема ОБ

Транзистор можно использовать для усиления сигнала. Если Uкб >>Uэб и Rк >> Rэ, тогда при почти одинаковых токах в цепи эмиттера и коллектора на Rк будет значительно большее падение напряжения чем на Rэ, то есть происходит усиление напряжения, а

значит и мощности сигнала.

2. Схема с общим эмиттером (ОЭ):

Рис.1-17 Схема ОЭ

Транзистор включенный по схеме ОЭ усиливает как напряжение так и ток. Iэ = Iк + Iб и Iк = βIб+(β+1)Iкб0, где β – коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером. β=α/(1-α), зависит от толщины базы и находится в пределах β=10 – 200.

3.Схема с общим коллектором (ОК)

Рис.1-18 Схема ОК

В этой схеме Uвых < Uвх , но Uвых ≈ Uвх то есть усиление по напряжению не происходит, но усиливается ток приблизительно в β раз.

Поэтому схема называется эмиттерный повторитель (повторяет напряжение).

1.5.3 Характеристики транзистора (схема ОБ)

Рис.1-19 1,2 Входная и выходная характеристики

1.Входные характеристики: Iэ =f(Uэб) при Uкб =const.

2.Выходные характеристики: Iк=f(Uкб) при Iэ =сonst.

3Проходные характеристики: Iк=f(Iэ) при Uкб =const.

Рис 1-19 Проходная характеристика

При Uк = 0 входная характеристика является прямой ветвью BАX эмиттерного р-n - перехода. С ростом Uкб ВАХ смещается влево, так как рост обратного тока коллектора дополнительно открывает р-n переход и Iэ ≠ 0 при Uэб = 0. Для Iэ= 0 выходная характеристика является обратной ветвью коллекторного перехода. Если же Iэ> 0 , то Iк> 0 даже при Uкб = 0 за счет захвата инжектированных эмиттером носителей заряда полем потенциального барьера коллекторного перехода. При этом с ростом Uэб Iэ быстро достигает максимального значения, так как уже при малых Uкб основная часть инжектированных носителей захватывается коллектором.

1.5.4 Физическая модель транзистора

При расчете электронных схем реальный транзистор в схеме заменяется нижеприведенной моделью ,которая достаточно точно отображает его свойства.

Рис.1-20 Физическая модель транзистора

Rэ =10 – 30 Ом, Rб =100 – 300 Ом, Rк =104 - 105 Ом

Транзистор можно рассматривать как четырехполюсник:

Рис.1-21 Транзистор как четырехполюсник

Тогда его можно описать системой h параметров:

Для определения h-параметров, воспользуемся методом короткого замыкания и холостого хода.

a) Короткое замыкание на выходе. Следовательно U2 =0.

h11=Zвх - входное сопротивление

h21б =α – коэффициент усиления по току в схеме с общей базой

h21Э =β - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером

1

b) Холостой ход на входе (I1=0),тогда

U1 =h12U2, h12=U1/U2 – коэффициент обратной передачи по напряжению

I2=h22U2, h22=I2/U2 =yвых - выходная проводимость.

1.5.5 Полевые (канальные) транзисторы (ПТ)

ПТ - полупроводниковый прибор, в котором ток через канал управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком. В ПТ, в отличие от биполярного транзистора {глава 1.5.1}, по полупроводниковому каналу перемещаются носители заряда только одного знака (только электроны или только дырки).

Канал - это область в транзисторе, сопротивление которой зависит от потенциала на затворе. Электрод, из которого в канал поступают основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные носители заряда уходят из канала - стоком. Электрод, регулирующий поперечное сечение канала, называется затвор.

ПТ изготавливают из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с каналами р и n - типов.

Полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода

Это полупроводниковый прибор, в котором проводимостью канала можно управлять, подавая напряжение на закрытый р-n переход. На рисунке 1-22 приведена структура, схема включения и условное обозначение ПТ с каналом n-типа и затвором в виде р-n перехода.

В ПТ с каналом n-типа основные носители заряда в канале - электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока. Iс. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее р-п переход, образованный n-областью канала и р-областью затвора.

Поэтому в ПТ с каналом n-типа Uси>0, Uзи<0. В ПТ с каналом р-типа Uси<0, Uзи>0.

Рис 1-22 Полевой транзистор

1-вывод стока;2-затвор;3-канал;4-вывод затвора;5-вывод стока

На рисунке 1-23 показано как происходит изменение поперечного сечения канала из-за изменения ширины запирающего слоя при подаче напряжений между электродами транзистора. При подаче запирающего напряжения на р-n переход между затвором и каналом (рис. 1-23а) возникают равномерные слои, обедненные носителями зарядов и обладающие высоким удельным сопротивлением, что приводит к уменьшению ширины канала.

Рис.1-23. Перекрытие канала ПТ при различных напряжениях на электродах

Напряжение, приложенное между стоком и истоком (рис.1-236), вызывает появление неравномерного обеднённого слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.

Если одновременно подать напряжение Uси>0 и Uзи <0 (рис.1-22в), то сечение канала будет определяться действием этих двух напряжений. Минимальное сечение канала определяется их суммой:Uси+|Uзи|.Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания:Uси+|Uзи|=Uзап, обеднённые области смыкаются, ширина канала уменьшается до капилляра и динамическое сопротивление резко возрастает.

Зависимость тока стока Iс от напряжения Uси при постоянном напряжении на затворе Uзи, определяют выходные или стоковые характеристики (рис,1-24).

Рис.1-24.Выходная вольтамперная характеристики ПТ с каналом n-типа.

На начальном участке характеристики Uси + |Uзи| < Uзап и ток Iс возрастает с повышением Uси. При повышении напряжения стокисток до величины Uси =Uзап- |Uзи| происходит смыкание канала, и рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение, приложенное к затвору ПТ. смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения U и тока Iс. Дальнейшее повышение напряжения Uси приводит к пробою р-n перехода между затвором и каналом, что выводит транзистор из строя.

По выходным характеристикам ПТ можно построить переходную характеристику Iс =f(Uзи) . На участке насыщения она практически не зависит от напряжения Uси.

Входная характеристика ПТ: Iз = f (Uзи) не используется, так как переход между затвором и каналом закрыт, ток затвора очень мал и им можно пренебречь.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Это полупроводниковый прибор, в котором для дальнейшего уменьшения тока утечки затвора Iз между металлическим затвором и каналом, находится тонкий слой диэлектрика (SiO2), a р-n переход отсутствует. Такие ПТ называют МОП-транзисторами (структура металл - диэлектрик - полупроводник).

Рис.1-25 Полевой транзистор с изолированным затвором

Вольтамперные характеристики ПТ с изолированным затвором аналогичны характеристикам ПТ с затвором в виде р-n перехода. Но изолированный затвор позволяет работать и при напряжении Uзи>0, когда канал расширяется и увеличивается ток Iс.

Основные параметры ПТ:

1)крутизна переходной характеристики S = dIc/dUзи при Uси = const и

2)дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения Rc=dUси/dIс при Uзи = const.

1.6Другие полупроводниковые приборы

1.6.1Тиристоры

Рис.1-26 Тиристор

Тиристор-четырехслойный полупроводниковый прибор..Содержит четыре слоя чередующегося типа проводимости {глава 1.5.1}, образующих три перехода (рис.1-25) К крайним слоям прикладывается прямое напряжение, но средний 2-й переход включен в обратном направлении и ток в цепи очень мал (участок 1). При некотором напряжении Uвкл начинается лавинный пробой и ток резко возрастает

(участок 3)-тиристор включается.

К среднему р (или n) слою подключен вывод управляющего электрода У. Прикладывая к нему небольшое напряжение Uупр можно уменьшить напряжение включения Uвкл.

На рис.1-27 показан процесс включения тиристорв с помощью управляющего электрода.Между источником и нагрузкой Rнагр

включен тиристор. Так как Uпит < Uвкл, то тиристор закрыт, тока в нагрузке нет (рис.1). При подаче короткого положительного импульса от

блока управления тиристор включается(рис.2) и дальше становится неуправляемым. Выключить его можно только снизив ток до величины Iвыкл . При работе тиристора в цепи переменного тока это происходит автоматически.

Рис 1-27 Схема управления тиристором

1.6.2 Фотоэлектронные полупроводниковые приборы

Существует целый ряд диодов, использующих самые различные явления и эффекты, имеющие место в р-n переходе {глава 1.3}. Так, варикап (емкость, управляемая напряжением) использует зависимость емкости обратносмещенного перехода от приложенного напряжения. Фотодиод основан на явлении генерации носителей заряда в область перехода и возникновении фотоэдс под действием света. Светодиод основан на свойстве электронно-дырочных пар испускать квант света при их рекомбинации и т.д.

Рис.1-28 Виды оптоэлектронных приборов

Рис.1-29 Фотодиод в режиме генерации фотоЭДС.

При освещении р-п перехода происходит разрыв ковалентных связей образовавшиеся неосновные носители {глава 1.5.1} втягиваются переходом В слоях возрастает количество основных носителей (в р-слое - дырок, в п-слое - электронов), что создает разность потенциалов между слоями, зависящую от освещенности перехода(рис 1-29).

Рис.1-30

Если в цепь фотодиода включить источник ЭДС в обратном направлении (рис1-30), то при освещении возрастает количество носителей и обратный ток возрастает пропорционально величине светового потока Ф.Возникающий ток почти не зависит от величины приложенного напряжения(рис 1-31).

Рис.1-31 ВАХ фотодиода Рис.1-32 Включение светодиода

Светодиод представляет собой излучающий р-п переход,свечение которого вызвано рекомбинацией носителей при смещении перехода в прямом направлении под действием приложенного напряжения (рис.1-32).

Фототранзистор -это обычный транзистор {глава 1.5.1}, в корпусе которого сделано окошечко, через которое световой поток попадает на базу При освещении базы фототранзистора образовавшиеся носители втягиваются переходами, увеличивается ток базы. Это вызывает значительно большее изменение тока коллектора, так как транзистор подключен к источнику ЭДС.

Оптрон - полупроводниковый прибор, в котором происходит передача сигналов от входной к выходной части электронного устройства с помощью фотонов, без использования гальванических, магнитных или иных связей.

Оптрон состоит из светодиода, оптическое излучение которого воздействует на светоприемник - фоторезистор, фототиристор или фототранзистор. Оба полупроводниковых элемента заключены в общий корпус. Выводы от светодиода являются входом, а выводы от светоприемника - выходом оптрона. Величиной выходного сигнала оптрона управляют, изменяя величину входного сигнала.

1.6.3 Интегральные микросхемы

Микросхема - это конструктивно законченное микроэлектронное изделие, выполняющее определеннуо функцию преобразования информации, содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (транзисторов. диодов. резисторов. конденсаторов и др.), изгототовленных в едином технологическом цикле.

Микросхемы изготавливают групповым методом, тиражируя одновременно в одной партии от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч микросхем. По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делят на три группы: полупрововодниковые. пленочные и гибридные. В полупроводниковой интегральной микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки, в пленочной интегральной микросхеме все элементы и соединения между ними выполнены в виде пленок В настоящее время методами пленочной технологии реализуются только пассивные элементы микросхем - резисторы, конденсаторы и индуктивности. В гибридной микросхеме в качестве активных электрорадиоэлементов используется навесные дискретные полупроводниковые приборы или полупроводниковые интегральные микросхемы, а в качестве пассивных элементов-пленочные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и соединяющие их пленочные проводники.

Механической основой такой микросхемы является диэлектрическая подложка.Она выполняет функции механического основания, изоляции элементов друг от друга. теплоотвода.Подложки выпускаются в виде тонких круглых или прямоугольных пластин.

Для полупроводниковых микросхем используюг монокристаллические полупроводниковые (кремний,арсенид галлия ) и монокристаллические диэлектрические (сапфир) подложки.На них в дальнейшем формируют слой полупроводникового материала ,в котором создают элементы микросхем.

Показателем сложности микросхемы является степень интеграции К. которая характеризуется числом содеращихся в ней элементов и компонентов N: К =lgN. где К округляется до ближайшего большего целого числа. По степени интеграции микросхемы подразделяют на:

а) Малые интегральные схемы (МИС) - это схемы 1- 2-й степени интеграции, содержащие от нескольнж до 100 элементов и компонентов, в состав которых входит один или несколько видов функциональных аналоговых или логических элементов. Например, логических элементов И, ИЛИ, НЕ, триггеров, усилителей, фильтров и т.д.

в) Средние интегральные схемы [СИС] - схемы 2-3-й степени интеграции, содержащие от нескольких десятков до 1000 элементов и компонентов, в состав которых входят один или несколько одинаковых функциональных узлов электронных устройств (регистр, счетчик, дешифратор, постоянное запоминающее устройство).

г) Большие интегральные схемы (БИС) - схемы 3-4-й степени интеграции, содержащие от нескольких сотен до 10000 элементов. в состав которых входят одно или несколько функциональных устройств (арифметико-логическое устройство, оперативное запоминающее устройство ,перепрограммируемое постоянное запоминающее.

д) Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС] - это интегральные схемы 5-7 степени интеграции представляющиесобой законченное микроэлектронное изделие ,способное выполнять функции аппаратуры (например, микропроцессор).

Рис.1-33 Полупрводниковая ИС

Наибольшей степенью интеграции обладают полупроводниковые микросхемы. На рис.1-33 показаны полупроводниковая микросхема инвертора и его принципиальная схема. Элементы для наглядности расположены в одну линию.Все элементы размещены в одной кремниевой пластине {глава 1.2.1} р-типа. Для исключения взаимного влияния активные и пассивные элементы размещаются в островках, изолированных от подложки. Сверху подложка защищена изоляционным слоем, на который нанесены проводящие дорожки, соединяющие элементы между собой.

Для производства микросхем применяется планарная технология, помогающая одновременно получать большое количество микросхем в едином технологическом процессе. На одной пластине кремния создаются различные структуры, образующие законченную схему, включающую активные и пассивные элементы.