3.4. Интегральные микросхемы

3.4.1. Термины и определения

Интегральной микросхемой (ИМС) называется совокупность нескольких взаимосвязанных элементов, изготовленных в едином технологическом цикле, на одной подложке. Подложка служит для размещения пассивных и активных элементов. Пассивные элементы: пленочные проводники с планарным (в одной плоскости) расположением; контактные площадки, резисторы и конденсаторы. Активные элементы: диоды и транзисторы.

ИМС выполняют функцию определенного электронного устройства. ИМС можно разделить на 3 основные типа: гибридные, пленочные и полупроводниковые.

Гибридной микросхемой является ИМС, в которой пассивные элементы выполнены в едином технологическом цикле на одной изолирующей подложке.

Активные элементы являются навесными, т.е. обычными дискретными (одиночными) транзисторами с гибкими проволочными выводами или с жесткофиксированной системой выводов, но без своих собственных корпусов (бескорпусные элементы).

Пленочной микросхемой является ИМС, в которой не только пассивные, но и активные элементы выполнены в виде пленок: тонкопленочные (с толщиной до 1 мкм) и толстопленочные (с толщиной > 1 мкм).

Полупроводниковой микросхемой является ИМС, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла.

В основу создания полупроводниковой ИМС положены групповой метод и планарная технология. Сущность группового метода состоит в том, что на пластине полупроводника одновременно изготавливается множество однотипных полупроводниковых функционально законченных узлов, состоящих их транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов. Затем пластина разрезается на сотни отдельных кристаллов, которые помещаются в корпусы с внешними выводами.

Элементы соединяются один с другим короткими металлическими полосками, напыляемыми на поверхность пластины. Для этого коммутационные электроды всех элементов выводятся на поверхность пластины и размещаются в одной плоскости (в одном плане). И технология изготовления называется планарной.

3.4.2. Компоненты имс

Резисторы. Выполняются в виде слоя полупроводника, изолированного от других элементов ИМС (рис.3.23). Максимальное сопротивление – 50 кОм, минимальное – 10 Ом. Разброс значений: 10-20%.

Рис.3.23. Структура полупроводникового резистора:Al – алюминиевые

выводы резистора; SiO₂ – изолирующая пленка;1 – эпитаксиальный слой

кремния n-типа, в котором диффузией создан резистор с проводимостью р-типа;

1-2 – изолирующий переход; 2 – кремниевая подложка.

В гибридных и пленочных ИМС используются пленочные резисторы, получаемые за счет нанесения резистивного вещества на изолирующую подложку. Сопротивление такого резистора достигает 1 МОм.

Конденсаторы. В качестве конденсаторов используют барьерную емкость обратно смещенного р-n перехода (рис.3.24).

Рис. 3.24. Варианты изготовления конденсаторов:

на переходе эмиттер-база (а), на переходе коллектор-база (б)

Переход эммитер-база обладает наибольшей удельной емкостью (порядка 1500пф/мм ), но наименьшим пробивным напряжением (рис.3.24,а). Переход коллектор-база обладает в 5-6 раз меньшей емкостью, но большим пробивным напряжением (рис.3.24,б).

Емкость диффузионного конденсатора зависит от приложенного напряжения, он может выполнять роль как постоянной, так и переменной емкости. Значение максимальной емкости – 500 пФ, максимальное допустимое рабочее U = 15-25 В.

Конденсаторы с МДП-структурой используют в МДП ИМС. Важное преимущество, по сравнению с диффузионным, что они работают при любой полярности напряжения. С_max = 300 пФ, U_раб = 30 В.

Индуктивности. Наиболее трудновыполнимые. В случае, когда нельзя обойтись, то применяют навесные катушки (или искусственно создают индуктивный эффект – отставание коллекторного тока по фазе от напряжения U_к на 90⁰).

Транзисторы. Они являются основными и наиболее универсальными элементами ИМС. В большинстве случаев используют биполярные транзисторы n-р-n типа.

Последовательность операций при планарной технологии представлена ниже (рис.3.25).

Рис 3.25. Последовательность операций при планарной технологии

1. Диффузия донорной примеси n-типа (рис.3.25,а).

2. Формирование "островков" (рис.3.25,б).

3. Повторная диффузия акцепторной примеси (р-типа) и формирование базовой области (рис.3.25,в).

4. Образование эмиттерной области (n-типа) и формирование контактных площадок (рис.3.25,г).

Помимо обычных биполярных транзисторов используют особые структуры – многоэмиттерный транзистор (МЭТ). Это совокупность нескольких n‑р-n – транзисторов, имеющих общую базу и общий коллектор Количество эмиттеров от 2 до 5…8 (рис.3.26).

Рис.3.26. МЭТ: а – структура, б – условное графическое обозначение

В качестве диода используют различные схемы включения биполярного транзистора n-р-n – типа (рис.3.27).

Рис.3.27. Различные исполнения диодов

Диодное включение транзистора осуществляется выполнением внутрисхемных металлизаций, проводимых после формирования всех элементов ИМС. В случае схемы (рис.3.27,а) в качестве диода используется коллекторный р‑n переход. Такой диод имеет относительно большое пробивное U до 50 В, но невысокое быстродействие. Диод (рис.3.27,б) использует переход эмиттер-база. Имеет повышенное быстродействие, но небольшое U_проб = 7 В. В качестве диодов общего назначения используют схемы, представленные на рис.3.27,в,г. Они имеют наибольшее значение допустимого обратного напряжений (до 50 В).