Дарис / Дәріс 2

Дәріс 2. Базалық жартылай өткізгіш аспаптар және логикалық элементтер

1. Сандық nMДП және КМДП интегралды сұлбалар.

2. nMДП транзисторындағы логикалық интегралды сұлбалар.

1. МДП-транзисторлары биполярлық секілді жартылай өткізгішті ИМС-да кеңінен қолданылады. Олар өрістік транзисторларға жатады. Олардың жұмысы көлденең электр өрісі мен жартылай өткізгіштің өткізгіштік қабатын модуляциялауға негізделген. МПД-транзисторлары р- және n- түріндегі өткізгіш және индукцияланатын каналмен дайындалады. Индукцияланатын р- каналды транзистордың құрылымы 3 - суретте көрсетілген. Ол қалыңдығы 0,2...0,4 мм, бастапқы концентрациясы 1 см³ көлемге, реті 10¹⁴...10¹⁶ атомдардан келетін және меншікті кедергісі 1...10 ОМ болатын n- түріндегі кремний төселімінен тұрады. Жоғарғы 2-қабатта 10...20 мкм қашықтықта SiO₂ тотығынан «терезе» өңделеді. Сонан соң бұл терезеге диффузия әдісімен төселімнің таңбасына қарама-қарсы таңбалы қоспа ендіріледі. Соның нәтижесінде р⁺ түріндегі А ағып келу, Б бастау облыстары түзіледі; қабаттың тереңдігі 2...3 мкм-ге жетеді. Бастаудың, ағып кетудің және бекітпенің шығыстары металл буымен тозаңдатылған пленка (4) болады. МДП- жартылай өткізгіш, ал диэлектригі- SiO₂ тотық пленкасынан тұратын конденсаторды еске түсіреді. Егер бекітпеге кернеу түсірсе, онда каналдағы бастау мен ағып кету арасында зарядтарды тасымалдаушылардың қайта бөлінуі басталып, электродтар арасындағы кедергі және ток өзгереді. МДП-транзисторлары өнеркәсіпте қарапайым, параметрлерінің тұрақтылығы үшін қолданылуда жан-жақтылығымен ерекшеленеді. МДП - транзисторларының басты артықшылығы оларды тек активтік элементтер ретінде пайдалану ғана емес, пассивтік элементтер - резисторлары және конденсаторлары ретінде де пайдаланудың мүмкіншілгінің барлығында.

Сурет 1. транзисторларды диодтық қосудың бес вариантының схемасы

Диодтар цифрлық және аналогтық МДП-транзисторларында кеңінен қолданылады. Оларды биополярлық транзисторлар секілді, p-n ауысулардың және диффузиялық немесе эпитаксиальдық қабаттардың негізінде іске асырады. Сурет 1 транзисторларды диодтық қосудың бес вариантының схемасы көрсетілген. Диодтық схема (1) коллектор мен базаны тұйықтаудан пайда болған, эмиттерлік ауысу жұмысшы болып табылады; 2-схемада база эмиттермен қосылған және диод коллекторлық ауысудан тұрады; 3-схемада эмиттер мен коллектор тұйықталған, коллекторлық және эмиттерлік ауысулар жұмысшы болып табылады; 4-схемада тек эмиттерлік ауысу жұмыс жасайды, коллекторлық изоляцияланған, 5-схемада керісінше, коллекторлық ауысу жұмыс жасайды. Әрбір диодтың бес схеманың әр түрлі статикалық және динамикалық параметрлері бар болады.

Микросхеманың пассивтік элементтері

ИМС-ның пассивтік элементтеріне резисторлар, конденсаторлар және индуктивтік элементтер жатады.

Резисторларды әр түрлі тәсілдермен алуға болады. Микрокөлемнің резистор немесе жартылай өткізгіштік кристалдың бетінің бөлігі немесе тура не кері бағыттағы p-n ауысуы, тағы сол сияқты МДП-транзисторларының каналы болуы мүмкін. Интегралдық жұқа- және қалың пленкалық резисторлар кең тараған. Резисторлардың негізгі параметрлері: номинальдық кедергісі (оммен), ауданға қатысты меншікті кедергісі р_s , Ом/квадрат, жіберілуге тиісті максималь қуаты Р_max, Вт, жіберілуге тиісті максималь тогы I_max, резистордың температуралық кедергі коэффициенті (РТК,%). Бұл параметрлер резистордың алғашқы материлдарынан, дайындау тәсілінен және конфигурацияларынан тәуелді болады.

Диффузия әдісі бойынша жартылай өткізгіш бетінің бөлігінде орындалған резистор 2-суретінде көрсетілген. Кристалдың (1) денесінде 10 мкм тереңдікке дейін ойылып «қалта» (2) жасалған. Онда пластинаға қатысты қарсы таңбалы өткізгіштік поликристалды қабат өсірілген. Эпитаксиальдық қабат бетіне қоспалау үшін қоспа (3) ендіріледі. Бет тотық қабаты SiO₂ мен (4) қорғалады, терезелеріне металл пленкасы 5 тозаңдандырылған. Эпитаксия кезінде түзілген p-n ауысуы резисторды кристалдың басқа бөліктерінен изоляциялайды. Кедергінің номиналь мәні, тасымалдаушының N конденсациясынан, резистордың геометриялық параметрлері – l ұзындығынан, w енінен, d терендігінен, сол сияқты электронның q және олардың қозғалғыштығы u-ден тәуелді болады. Сонда келергі R=1/quNwd=pl/wd, мұндағы p=1/quN .

Сурет 2. Диффузия әдісі бойынша жартылай өткізгіш бетінің бөлігінде орындалған резистор

Тасымалдаушылардың ең үлкен концентрациясы бетке жақын жерде байқалатындықтан, меншікті диффузиялық кедергіні шартты түрде беттік деп есептейді ол ом квадратпен өлшенеді және квадраттан тәуелсіз болады. Сонда R=p l/w. Суреттен байқалатыны, бір тқтас технологиялық циклда, диффузиялық резисторларды транзисторларды транзисторлармен бірге бір мезгілде қалыптастырады.

Пленкалық резисторлар жазық диэлектрлік төселімдерде әр түрлі конфигурациялы жіңішке металл жолағы түрінде жасалады. Резисторлар жұқа пленкалы және қалың пленкалы деп ажыратылады. Жұқа пленкалы резисторларды вакуумда маска арқылы дайындайды. Кедергінің номинальдық мәні резисторлардың геометрялық өлшемінен тәуелді және пленкаматериалының меншікті кедергісі мына өрнекпен есептеледі: R= pl/wd (р- материалдың меншікті кедергісі, l- жолақтың ұзындығы, w және d – пленканың ені мен қалыңдығы). Сеткография әдісімен дайындалатын қалың пленкалы резисторлар да кең тараған: төселімге тор трафарет арқылы резистивтік пастаны жағып, қыздырыпжасытады. Жұқа пленкалының да қалың пленкалы резисторлардың түзетілуі (корректірленуі) лазер сәулелерінің көмегімен 0,1% дәлдікпен жүргізіледі. Пленкалық резисторлардың номинальдық мәндерінің диапазоны бірнеше омнан басталып 500 кОм-ға дейін жетеді.

2. ИМС-ның МДП-резисторлары бірдей технологиялық циклда транзисторларға ұқсас әдістермен дайындалады. Каналдың конфигурациясынан тәуелді болатын кедергі транзисторлардың каналы резистор болып саналады және бекітпедегі жабық кернеуде 0,1-ден 500 кОм-ға дейінгі мәніне жетеді.

ИМС-конденсаторы транзисторлық құрылым негізінде де, пленка негізінде де жүзеге асырылуы мүмкін. Конденсаторлар біраз орын алатындықтан оларды негізінен аналогтық ИМС-да қолданады. Көбіне, конденсатор ретінде кері бағытта ығысқан p-n ауысуы пайдаланады- биполярлық транзисторлардың эмиттерлік және коллекторлық ауысуларының параллель қосылуы болып табылады. Мұндай конденсатордың сыйымдылығы жұмыс кернеуді U_жұм =25...50 В болғанда, 100 пФ-дан аспайды. Төзілімділігі Q=1/10.

МДП-конденсаторлары барша көп таралған. Конденсатордың төменгі астарры төселімнің жартылай өткізгіштік күшті қоспаланған қабаты болып табылады, диэлектрик ретінде қалыңдығы 1 мкм-ға дейін жететін SiO₂ қабаты қызмет атқарады, ал жоғарғы астарының ролін алюмимен тозаңдатылған пленка атқарады. Мұндай конденсатордың сыйымдылығы 500 пФ/мм²-қа дейін жетеді; ол тұрақты кернеудің полярлығымен тәуелді емес; тесілу кернеу 50 В-ке дейін болады.Q

Сурет 3. Пленкалық конденсатор

Пленкалық конденсаторларды (3-сурет) көп қабатты пленкалар қалыптасатын диэлектрлік төселімдерде (1) дайындайды: төменгі-металл қабаты 2, диэлектрлік қабаты 3, металл қабаты 4 және т.б.; екі астардан ток өткізетін жол 5 тозаңдатылған. Пленкалық конденсаторлар параметрлерінің өте жоғары тұрақтылығымен айрықшаланады. Жазық конденсатордың сыйымдылығы мына түрде анықталады: мұндағы ε_r-салыстырмалы диэлектрик –өтімділік; ε₀-8,86*10^-12ф/м- электрлік тұрақтылық; S-астарлардың ауданы; d-диэлектриктің қалыңдығы.

Қазіргі кездегі ИМС-да қолданылатын пленкалық конденсаторлардың сыйымдылығы 10⁵ пФ (шегі +20%), тесілу кернеуі 500 В/мм²-қа дейін, сыйымдылықтың температуралық коэффициенті 5*10^-4 С^-1.

Индуктивтілігі 30 мкГн-ге дейінгі индуктивтік элементтерді ИМС-ның бетіне жазық спиаль түрінде жұқа магниттік пленкаларды орналастыру арқылы алады. Егер индуктивтіктің мәні үлкен болу керек болса, онда гибридтік ИМС қолданылады.