Радиоматериалы и компоненты лекции / Л21ОпМЭ

СТАВРОПОЛЬСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ УЧИЛИЩЕ СВЯЗИ

Кафедра радиоэлектроники

«УТВЕРЖДАЮ»
НАЧАЛЬНИК КАФЕДРЫ №5						Экз.№
полковник		В. Никулин
			199 г.

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине

Электронные, твердотельные приборы и микроэлектроника

для курсантов

2 –х курсов СВВИУС

Тема:

№

Лекция	№ 21	Основные положения микроэлектроники
				Обсуждено на заседании кафедры (ПМК)
								199 г.
				Протокол №

Ставрополь 1997 г.

Учебные и воспитательные цели:
Время ........................	90 мин.
Учебно-материальное обеспечение
Распределение времени лекции
Вступительная часть ........................	мин.
Проверка готовности курсантов к лекции..............................	5 мин.
Учебные вопросы лекции: 1. Задачи и основные этапы микроминиатюризации. 2. Полупроводниковые ИМС. Заключение	мин.
Задание курсантам для самостоятельной работы..................	мин.

Задание курсантам для самостоятельной учебной работы, список рекомендуемой литературы и методические указания

Использованная при подготовке лекции литература

1.

2.

3.

	Лекцию разработал
	доцент кафедры № 5 полковник В. Пакин
" " 1998 г.

1. Задачи и основные этапы микроминиатюризации

Бурное развитие радиоэлектроники, усложнение РЭА, повышение требований к ней привели к необходимости использования очень большого числа элементов для изготовления аппаратуры. В частности, особенно много их требовалось для электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Создание таких машин, да и многих других типов РЭА из дискретных элементов, то есть элементов, представляющих собой самостоятельные изделия (диоды, транзисторы, конденсаторы и др.) стало практически невозможным из-за их относительно малой надежности, больших габаритов и потребляемой мощности.

Проблема миниатюризации традиционна для радиоэлектроники, но значение ее непрерывно растет по мере расширения областей применения РЭА, усложнения радиооборудования и повышения ответственности выполняемых им функций. Для функциональных узлов аппаратуры удобным показателем уровня миниатюризации является плотность упаковки, характеризуемая отношением числа элементов, содержащихся в узле, к объему, занимаемому узлом.

Опыт показал, что при сборке маломощных функциональных узлов из готовых электрорадиоэлементов не удается поднять плотность упаковки выше 2 эл/см³ даже при использовании самых миниатюрных полупроводниковых приборов и пассивных элементов.

В последние 30 лет получила широкое распространение иная технология изготовления функциональных узлов и блоков, при которой процессы изготовления входящих в узел электрорадиоэлементов и процессы объединения их в функциональную конструктивно завершенную структуру совмещаются. Эта технология получила название интегральной (от латинского integre – целый, неразрывно связанный). Функциональные узлы РЭА, изготовляемые методом интегральной технологии, были названы интегральными микросхемами. Приставка "микро" подчеркивает характерную особенность интегральной технологии – высокий уровень миниатюризации, достигаемый в ее изделиях. Интегральная технология позволяет получить в тысячи раз большую плотность упаковки при невысокой стоимости и большой надежности. Эта замечательная черта интегральной технологии, открывшая широкие возможности миниатюризации радиоэлектронных изделий, и явилась причиной широкого и быстрого внедрения интегральных микросхем в РЭА, где они в настоящее время стали основным типом функционального узла.

Р

Микроэлектроника – область электроники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения -микроэлектронных изделий (ГОСТ 17021-75)

езультаты перехода к принципиально новой технологии, совмещающей процессы изготовления элементов и процессы объединения их в конструктивно завершенную функциональную структуру, оказались столь существенными, что знаменовали подъем всей электроники на качественно новый уровень. Интегральная технология изменила представление об оптимальных функциональных структурах радиоэлектронных устройств и их функциональном базисе. Произошло формирование специальной отрасли электроники, разрабатывающей проблемы конструирования и производства электронных изделий на базе интегральной технологии. Эта отрасль получила название микроэлектроники.

П

Модуль – функционально и конструктивно законченный простейший узел аппаратуры, собранный из дискретных элементов на печатной плате.

Микромодуль – функционально и конструктивно законченный миниатюрный узел РЭА, собранный из специальных микроэлементов плотно размещенных в одном объеме.

ереход к микроэлектронике произошел постепенно. Сначала в РЭА на дискретных элементах стали применять вместо старого навесного (объемного) монтажа печатные схемы. Они представляли собой нанесенные на платы из диэлектрика соединительные провода в виде металлических пленок, к которым припаивались дискретные элементы. Объем аппаратуры при этом снижался. Далее стали конструировать РЭА из модулей и микромодулей – смонтированных в миниатюрных корпусах устройств (усилители, генераторы, различные преобразователи и др.). Микромодули можно было быстро заменять в случае отказа. Специально для таких микромодулей были разработаны миниатюрные диоды, транзисторы, резисторы, конденсаторы, катушки и другие элементы. В некоторых микромодулях использовались миниатюрные печатные схемы. Однако и микромодули не дали полного решения проблемы.

Следующий шаг вперед в создании сложнейших типов РЭА позволили сделать интегральные микросхемы (ИМС). Главные достоинства ИМС – малые размеры и масса, малая потребляемая мощность, высокая надежность за счет уменьшения числа паяных соединений, высокое быстродействие, относительно низкая стоимость. В табл. 1 дано сравнение типов схем по плотности монтажа и по надежности. Конечно, приведены лишь средние значения.

Таблица 1 Плотность монтажа и надежность различных схем РЭА

Вид схемы	Число элементов в 1 см^3	Интенсивность отказов, ч^-1
Ламповая с навесным монтажом Транзисторная с навесным монтажом На микромодулях Интегральная микросхема	10^-1 1 10 10^2 – 10^6	10^-5 10^-6 10^-7 10^-8 – 10^-9

По числу элементов (степени интеграции) ИМС подразделяются на:

• п

  Элемент ИС – часть ИС, реализующая функцию простого радиоэлемента (например, транзистора, диода, резистора и т.п.), которая неотделима от кристалла или подложки и не может рассматриваться как самостоятельное изделие.

  ростые ИС – до 10 элементов;

• средние ИС – от 10 до 100 элементов;

• большие ИС – от 100 до 1000 элементов;

• сверхбольшие ИС – свыше 1000 элементов.

В зависимости от функционального назначения ИС делятся на две основные группы – аналоговые и цифровые. К аналоговым относят ИС, предназначенные для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции (аналоговых), цифровым ИС – предназначенные для преобразования и обработки сигналов, представленных в цифровом коде (дискретных).

Основные типы микросхем:

• пленочные, в которых элементы и соединения выполнены в виде различных пленок (проводящие, резистивные и диэлектрические) на подложке из диэлектрика;

• полупроводниковые, элементы которых выполнены внутри и на поверхности полупроводниковой подложки, называемой кристаллом;

• гибридные, содержащие кроме элементов, неразрывно связанных с поверхностью подложки, простые и сложные дискретные элементы, называемые компонентами (например, бескорпусные транзисторы, кристаллы полупроводниковых ИС).

ИМС выпускаются в виде серий, которые содержат совокупность ИС, выполняющих различные функции, но имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного применения. Интегральные схемы одной серии, как правило, имеют единые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям и уровням сигналов.

Таким образом, микроэлектроника является логическим продолжением развития электронной элементной базы, на первом этапе которого преимущественно использовались электронные лампы, на втором – дискретные полупроводниковые приборы, на третьем – интегральные микросхемы. В настоящее время микроэлектроника находится на четвертом этапе своего развития, характеризующемся широким использованием больших интегральных схем (БИС), для нее характерен быстрый переход от фундаментальных физических исследований к инженерному воплощению их результатов. Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Быстрые темпы ее развития в значительной степени обусловлены созданием крупных научно-промышленных комплексов, позволивших осуществить планомерное и концентрированное использование средств в области исследований, разработки и производства ИМС. В короткие сроки решены важнейшие вопросы в области схемотехники, технологии и конструирования ИМС, созданы сверхчистые материалы, специальное технологическое оборудование, разработаны методы обеспечения и оценки качества и надежности ИМС.

Применение ИМС подтвердило их неоспоримое преимущество как основной элементной базы современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). При этом резко повысилась надежность, улучшились технико-экономические характеристики РЭА. Можно утверждать, что широкое внедрение ИМС позволяет успешно решать сложные проблемы комплексной микроминиатюризации РЭА, к которым относятся:

1. замена аналоговых способов обработки информации цифровыми, что устраняет необходимость применения многих трудно поддающихся микроминиатюризации узлов, таких как фильтры, накопители и др.;

2. переход к многоканальной обработке информации;

3. конструирование аппаратуры с высокой степенью избыточности на основе модульных принципов;

4. создание дополнительных децентрализованных вычислительных средств в общем комплексе, например программирующих вспомогательных узлов, встроенных испытательных и ремонтных средств, запасных каналов.

Ведущее место в микроэлектронике занимают полупроводниковые микросхемы, имеющие наиболее высокие плотность упаковки и надежность (наименьшую интенсивность отказов). Именно на их основе делаются большие и сверхбольшие ИС.

2. Полупроводниковые интегральные микросхемы

В полупроводниковых ИМС все элементы выполнены внутри (в приповерхностном слое) и на поверхности полупроводниковой подложки, называемой кристаллом. Полупроводниковые интегральные микросхемы могут быть изготовлены как на полупроводниковых, так и на диэлектрических подложках. Поэтому главным классификационным признаком является тип подложки. По этому признаку ИМС можно разделить на два типа (рис.1): ИМС на полупроводниковых и диэлектрических подложках. Среди полупроводниковых материалов наибольшее распространение для изготовления ИМС получили кремний и арсенид галлия. Следует отметить, что первая ИМС была создана на германии.

По типу используемых транзисторов полупроводниковые ИМС принято подразделять на биполярные и МОП ИМС. Кроме того, в последнее время все большее значение приобретают ИМС, построенные на основе полевых транзисторов (ПТ) с управляющим p-n переходом. К этому классу, в частности, относятся ИМС на арсениде галлия, ПТ с затвором в виде диода Шоттки. ПТ с управляющим переходом до настоящего времени не нашли широкого применения в ИМС на кремнии. Однако эти приборы считаются перспективными для создания СБИС.

В

Рис. 1. Классификационная диаграмма полупроводниковых ИМС

настоящее время намечается тенденция к построению ИМС с одновременным использованием биполярных и полевых транзисторов. Известны ИМС, в которых используют биполярные транзисторы в сочетании с нормально закрытыми ПТУП. Такие ИМС получили название инжекционно-полевой логики. Возможно и совместное использование биполярных и МОП-транзисторов в составе одной микросхемы, что, однако, в настоящее время считается технологически и экономически неоправданным.

Таким образом, биполярными принято считать полупроводниковые ИМС с компонентами, выполненными на основе БТ. Активными элементами в биполярных ИМС являются транзисторы, в основном типа n-p-n, а пассивными – элементы транзисторной структуры:

• диоды и конденсаторы – эмиттерный и коллекторный p-n переходы и переходы металл-полупроводник (диоды Шоттки);

• резисторы – диффузионные или эпитаксиальные коллекторные области.

МОП ИМС являются разновидностью полупроводниковых микросхем с компонентами на основе полевых транзисторов с изолированным затвором. Как правило, этот класс микросхем строится или на транзисторах с каналом одного типа проводимости, или на каналах взаимодополняющего типа электропроводности.

Биполярные и МОП ИМС изготовляют по планарно-эпитаксиальной технологии путем многократного повторения процессов формирования фото (электронно) резистивных масок, травления, легирования и оксидирования, нанесения полупроводниковых, диэлектрических и металлических слоев.

В качестве подложки используют кремниевые пластины толщиной 300 мкм и диаметром 60 – 100 мм или пластины из арсенида галлия толщиной 300 мкм и диаметром 20 – 40 мм.

Рассмотрим некоторые особенности элементов полупроводниковых ИМС.

Биполярные транзисторы. Они делаются по планарной или планарно-эпитаксиальной технологии. Методом диффузии в кристалле создаются области коллектора, базы и эмиттера. На рис. 2 транзистор показан в разрезе и в плане. Структура транзистора углубляется в кристалл не более чем на 15 мкм, а линейные размеры транзистора на поверхности не превышают нескольких десятков микрон.

Как правило, изготовляются транзисторы типа n-p-n. Внутренний (скрытый) слой с повышенной концентрацией примесей n⁺ в коллекторе служит для уменьшения сопротивления и, следовательно, потерь мощности в области коллектора. Область эмиттера также часто делают типа n⁺ для уменьшения сопротивления и повышения инжекции.

С

Рис.2. Биполярный транзистор типа n-p-n

верху на транзисторе создается защитный слой оксида SiO₂. От областей коллектора и базы часто делают два вывода (рис. 2), для того чтобы можно было данный транзистор соединить с соседними элементами без пересечений соединительных линий. Такие пересечения весьма нежелательны, так как значительно усложняют производство и снижают надежность ИМС.

Т

Действительно, в месте пересечения надо на нижнюю соединительную линию нанести диэлектрическую пленку, а поверх нее нанести верхнюю соединительную линию, т.е. сделать две лишние технологические операции. Кроме того, место пересечения всегда представляет опасность в отношении пробоя от случайных перенапряжений.

ипичные параметры биполярных транзисторов полупроводниковых ИМС:

• коэффициент передачи тока базы – 200;

• граничная частота до 500 МГц;

• емкость коллектора до 0,5 пФ;

• пробивное напряжение коллекторного перехода до 50 В;

• пробивное напряжение эмиттерного перехода до 8 В.

Многоэмиттерные транзисторы. Помимо обычных транзисторов цифровых ИМС применяются также многоэмиттерные транзисторы. Принцип устройства таких транзисторов и их УГО приведены на рис. 3. Для примера взят четырехэмиттерный транзистор. Такой транзистор можно отпирать подачей импульса прямого напряжения на любой из четырех эмиттерных переходов. К каждому эмиттеру подключается свой источник отпирающего импульса.

Важно, чтобы такой импульс не проник в другие источники входных импульсов, так как эмиттерные переходы, не работающие в данный момент, будут находиться под обратным напряжением.

Н

Рис.3. Структура и УГО многоэмиттерного транзистора

апример, если на эмиттер Э₁ подан импульс отрицательного напряжения, то p-n переход этого эмиттера отпирается и в транзисторе возникает коллекторный ток. Отрицательный потенциал Э₁ передается на базу типа p, а поскольку эмиттеры Э₂, Э₃ и Э₄ имеют нулевой потенциал, то на их p-n переходах получается обратное напряжение, резко увеличивается сопротивление и, таким образом, импульс, поданный на Э₁, не будет попадать в цепи эмиттеров Э₂, Э₃ и Э₄, т.е. эти цепи развязаны друг с другом. Если бы четыре разных источника отпирающих импульсов были подключены вместе к одному эмиттеру, то развязки не получилось бы. В этом случае для развязки в цепь каждого источника входного сигнала включают диоды, что значительно сложнее, чем применение одного многоэмиттерного транзистора.

Следует обратить внимание, что в многоэмиттерном транзисторе работающий эмиттер вместе с базой и другим, соседним, эмиттером образует паразитный транзистор. Чтобы уменьшить влияние последнего, между соседними эмиттерами делают расстояние не менее 10 мкм, то есть у такого транзистора получается сравнительно толстая база.

Подобно многоэмиттерным транзисторам применяются многоколлекторные транзисторы. Их структуру можно представить себе, если в схеме на рис. 3 четыре эмиттера включить как коллекторы, а коллектор заставить работать как эмиттер.

Составной транзистор представляет собой пару транзисторов, соединенных так, что получается элемент с очень высоким коэффициентом . Чаще всего применяется так называемая пара Дарлингтона (рис.4). Легко показать, что:

iб2 = iэ1 = (1 + 1) iб;	()
iк = iк1 + iк2 = 1iб1 + 2iб2.	()

Если значение i_б2 подставить во второе равенство и разделить полученное выражение на i_б, то получим результирующий коэффициент передачи тока составного транзистора:

        .

()

П

Рис. 4. Составной транзистор

рактически  может достигать величины нескольких тысяч.

Диоды (транзисторы в диодном включении). В последние годы в качестве диодов стали применять биполярные транзисторы диодном включении. Это оказалось удобным для производства. Характеристики диодов в значительной степени определяются способом включения транзистора, поэтому при проектировании интегральных диодов имеется широкая возможность получения заданных параметров.

На рис. 5. показаны пять различных вариантов построения интегральных диодов на основе структуры интегрального планарно-эпитаксиального транзистора, а также их эквивалентные схемы. В этих вариантах использованы:

1. переход эмиттер – база при короткозамкнутом переходе база – коллектор;

2. переход эмиттер – база при разомкнутой коллекторной цепи;

3. переход база – коллектор при отсутствии эмиттерной области (при формировании интегрального диода процесс эмиттерной диффузии был исключен);

4. коллектор и эмиттер короткозамкнуты и, следовательно, получаются два параллельно включенных диода, один из которых представляет собой переход эмиттер – база, а другой – переход база – коллектор;

5. переход база – коллектор при короткозамкнутом переходе эмиттер –база.

Характерное отличие интегрального диода от дискретного заключается в наличии паразитной емкости и паразитного транзистора. Интегральный диод можно рассматривать как трехполюсный прибор, третьим электродом которого служит подложка. Влияние паразитного транзистора, включающего в себя базу, коллектор и подложку, учитывают при проектировании полупроводниковых ИМС. Если интегральный диод смещен в прямом направлении, то э

Рис. 5. Варианты использования транзистора в качестве диода:

а) УГО и структуры диодов; б) полная эквивалентная схема

миттерный переход паразитного транзистора также будет смещен в прямом направлении во всех случаях включения, кроме варианта .

Так как паразитный транзистор работает в режиме усиления, то часть тока через диод ответвляется в подложку, то есть ток, втекающий в диод, не равен току, вытекающему из него. Величина ответвляющегося тока зависит от коэффициента передачи тока паразитного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Коэффициент инжекции паразитного транзистора обычно достаточно мал, поэтому коэффициент передачи тока в схеме СОЭ такого транзистора не превышает 1…3. Активные свойства паразитного транзистора обычно уменьшают путем легирования золотом коллекторной области транзистора n-p-n или базовой области транзистора типа p-n-p. Этим достигается резкое уменьшение коэффициента переноса носителей заряда через базу паразитного транзистора.

Важным параметром интегрального диода, характеризующим свойства его вольтамперной характеристики (вах), является падение прямого напряжения при заданной величине прямого тока. Если ток через диод мал, то падение напряжения идеализированными характеристиками переходов.

При достаточно большом прямом токе вах диода можно записать в упрощенном виде

,

()

откуда легко определить падение прямого напряжения при заданном значении прямого тока:

.

()

Кроме того, при больших токах существенную роль играют также последовательные объемные сопротивления соответствующих областей. Наименьшее падение напряжения при одинаковых значениях тока наблюдается для варианта I. Это объясняется тем, что в этом случае диод работает как транзистор с замкнутым коллекторным переходом. Электроны, инжектируемые эмиттером, передаются через базу, достигают коллекторного перехода и свободно попадают в коллектор. Поэтому основная часть входного тока проходит через коллектор, и падение напряжения на сопротивлении базы будет значительно меньше, чем в других диодных структурах. В варианте V транзисторная структура находится в инверсном включении; так как инверсный коэффициент передачи тока мал, то базовый ток, протекающий через такую структуру, будет большим, что в свою очередь вызовет значительное падение напряжения на диоде.

При обратном смещении интегрального диода необходимо учитывать, что напряжения, прикладываемые к диоду и изолирующему p-n переходу, не должны превышать пробивных напряжений соответствующих переходов. Максимально допустимое обратное напряжение для вариантов I, II и IV ограничивается напряжением пробоя перехода эмиттер – база, а для вариантов III и V – напряжением пробоя перехода коллектор – база. Напряжение пробоя перехода эмиттер – база обычно составляет 5…7 В, перехода коллектор – база – 50…60 В и перехода коллектор – подложка – свыше 70 В.