Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Дарис / Дәріс 1

.doc
Скачиваний:
62
Добавлен:
18.02.2016
Размер:
538.11 Кб
Скачать

Дәріс 1. Базалық жартылай өткізгіш аспаптар және логикалық элементтер

1. Жартылай өткізгішті диодтар мен транзисторлар.

2. Транзистор– транзистор логикалы (ТТЛ) сұлбалар және эммитерлі байланысқан логикалы сұлбалар.

1. Осы заманғы физиканың, химияның, металлургияның және басқа да салалардың қол жеткен жетістіктерінің арқасында, 1мм3 ауданшаға бірнеше мыңдаған элементтрді интеграциялау(жинақтау) дәрежесіне қарай интегралдық схемалар алуға мумкіндік туды.

Интегралдау дәрежесі дегеніміз активтік заттың бір өлшем ауданына, не бір өлшем көлеміне, келетін элементтер саны. Элементтерінің саны 103 және одан да көп болған микросхемаларды, көбіне үлкен дәрежеде интеграцияланған микросхемалар деп атайды.

Интегралдық микросхема (ИМС) деп кристалға біріктірілген активтік және пассивтік элементтердің байланысқан электрлік жиынынан тұратын микроэлектрондық бұйымдарды немесе ортақ төселімде тораптың функциялық біткен түрін айтады. Электр радиобөлшектерінің дайындалып жасалуы және олардың араларының қосылып біріктірілген технологиялық процестерін интегралдық деп атайды. Технологиялық әдіспен дайындалуына байланысты микросхемалар жартылай өткізгіштік, пленкалы, бірлескен және гибридтік деп бөлінеді.

Жартылай өткізгішті кристалда немесе диэлектрлік төселімде активтік және пассивтік элементтер бір-бірінен изоляцияланып орналасады және сым арқылы қосылады.

Активтік элементтерге – транзисторлар мен диодтар, ал пассивтіктерге – резисторлар, конденсаторлар және индуктивтік элементтер жатады. Өткізгіштер ретінде көбінесе алюминий пленкасының жолақтары, сол сияқты асыл металдар және олардың құймалары (Al, Au, Ag, Pt және т.б.) алынады.

Жартылай өткізгіштік ИМС. Мұндай түрдегі ИМС-тар моно- немесе поликристалды жартылай өткізгіштің көлемінде, оның бетін пайдаланатындай етіп орындалады. Активтік және пассивтік элементтерінің электрлік қосылыстары изоляцияланған қабаттармен бөлініп, локальдық облыстарды алыптұрады. Жартылай өткізгішті ИМС-тің интеграциясыжоғары дәрежеде болады: 1м3 көлеміндегі элементтердің тығыздығы бірнеше мыңға жете алады; олардың бір-біріне қосылу(жалғану) саны минимумға жететіндіктен, олар максималь сенімділік қасиетке ие болады. ИМС үшін қажетті материал кремний, себебі оның технологиялық және жұмыс сипаттамалары жақсы және параметрлерінің тұрақтылығына қарағаттанарлық; оның тотығының пленкасы SiO2 , изоляциялық қасиеті айрықша болып келеді. Ол мынада: ИМС-тің барлық активтік және пассивтік элементтері бір кристалға топталған, өзара бі-бірінен изоляцияланған, сонымен қатар олар бір-бірімен функциялық тәуелділіктеріне қарай жалғанған.

Диаметрі 30...60мм, қалыңдығы 0,15...0,2мм, меншікті кедергісі ρ≈5*10 Ом*см жоғары омды n- немесе p-түріндегі кремний пластинасы барлық ИМС-тің ортақ төселімі болып саналады. Онда транзисторлардың, резисторлардың және т.б. элементтердің құрылымдық схемасын жасау үшін үш ретті диффузияланатын планарлық және эпитаксиальды-планарлық технологиялық, фотолитографиялық, химиялық өңдеу және басқа да әдістерді қолданады. Технологиялық процесс 100-ден артық амалдардан тұрады, ережеге сай автоматтандырылған және ЭЕМ-мен басқарылады.

Жартылай өткізгіштік ИМС-тің көлемдік бөлігі 1-суретте көрсетілген. Монокристалдың қалыңдығында (1) тереңдетіп ойылған қалталар (4),олардың беттері тотық қабатымен (6) жабылып, изоляцияланған. Тереңдікке (4) қалыңдығы 50мкм болатын n-түріндегі кремний қабаты отырғызылған. Ажарлағаннан, жылтыратқаннан, өңдегеннен және жуғаннан кейін, диффузиялық әдіспен p-түріндегі (2) облысты, 3 және 5 жақсы

Сурет 1. Жартылай өткізгіштік ИМС-тің көлемдік бөлігі

электрөткізгіштік қоспалар облысын қарастырады. Сол процестердің әрбіреуіне тоқталайық.

Диффузия деп Менделеев кестесінің үшінші немесе бесінші тобындағы элементтердің қоспасын таза жартылай өткізгіш кристалға ендіріп, қоспалауды айтады. Диффузия p-n ауысуларын жасау үшін қолданылады. Диффузиялық қабаттың қалыңдығы 3...5 мкм-ден аспайды.

Кедергі мынадай шамаларға тәуелді болады R= ρƖ ⁄ω,

мұндағы ρ – ұзындығы Ɩ ені ω болатын бөліктің меншікті кедергісі.

Тотығу деп 10000С температураға дейін қыздырылған кристалдың бөлігіне қыздырылып аса қаныққан су буымен әсер етіп, сол кристалдың бетінің бөлігінде Si тотығының пленкасын алуды айтады. Пленканың қалыңдығы және оның өсуі бу фазасындағы ауа концентрациясынан және температураға тәуелді болады. Көбінесе қалыңдық 1,5мкм-ден аспайды.

Фотолитография деп кристалдың бетін химиялық жолмен өңдеуді айтады. Фотолитография фотомаска-трафареттерді қорғаушы паста – фоторезистаны кристалл бетіне жағып, олардың кристалдармен қосылуын, ультракүлгін сәулелермен сәулелендіру және келесі химиялық өңдеуге, жуу және кептіруге дайындау болып табылады.

Фотолитография әдісінің ажыратқыштық қабілеті 1мм-ге 200 және одан да артық сызықтарға дейін барады. Сондықтан бұл әдіспен 2мкм өлшемді элементтерді қалыптастыруға болады.

Химиялық өңдеу. Бұл әдіспен кремнийді өңдеу тұрақтандырғыш реаганаттардың қатысумен сұйық немесе бу тәрізді қышқылда, әр түрлі қышқылдың қоспасында немесе сілтілерде жүргізіледі.

Эпитаксия дегеніміз кремнийлік төселімге атомдық кремнийді тұндыру процесінде алынған пленка, ол құрыдымның негізінің жалғасы ретінде қызмет етеді. Көбіне, бір құрылымды (мысалы, n- түрлі) қоспалы пленканы, р- түрлі басқа ққұрылмынды қоспаның негізіне тұндырады. Әр түрлі электр өткізгіштік жағдайында пленка мен негіздердің шекарасында р-n ауысуы туады. Эпитаксиальдық-планарлық құрылымда пленканың қалыңдығы 25 мкм-ға дейін жетеді, онда ИС-ның барлық элементтерді орналасады; 200 мкм қалыңдыққа дейінгі пластина конструктивтік элементі болып табылады.

Жартылай өткізгіштік ИС топтау әдісімен жасалады. Диаметрі 60 мм бір пластинаға элементтер және аралық байланыстар - 300...500 құрылымдар жиыны тіреледі; 20...30 партия пластиналары параллель өңделеді. Одан әрі кристалды бөліктерге бөліп кеседі, олар корпустарға бекітіледі.

Пленкалық ИС жұқа және қалың пленкалы болып бөлінеді. Жұқа пленкалы ИС-ның төселімінің негізі сапфирадан, керамикадан, шыныдан немесе басқа диэлектрлік материалдан тұрады. Оларда активтік, пассивтік элементтер, изоляциялық қабаттар, жұқа металл қабаттары түріндегі жалғастыру сымдары, жартылай өткізгішті немесе 1 мкм-ге дейінгі қалыңдықты диэлектрлік пленкалар қалыптасады. Төселімге трафарет-масска арқылы тозаң ендірілп пленка қапталады. Тозаңдатудың әр түрлі әдістері қолданылады. Термиялық тозаңдау вакуусде жүргізгенде, кейбір металдардың булану температурасы қайсыбір материалдың балқу температурасынан төмен болады, мысалы, хром (tбал≈1800, tбулану≈12000С), титан (tбал≈1720, tбулану≈15400С), магний (tбал≈650, tбулану≈4400С), кремний (tбал≈1415, tбулану≈13400С) және т.б. Электронды-сәулелік буландырғыштарда баяу балқитын материалдар (металдар, диэлектриктер) жоғары үлеткіш кернеулермен (10 кВ-қа дейін) қыздырылады, буланады, иондалады, маска арқылы бұйымға тұндырылады (шөгеді).

Металдар мен диэлектриктерді жанама жолмен қыздырып, буландыру да жиі кездеседі.

Бейтарап төселмдерге белгілі бір бірізділікпен түсірілген (әкелінген) металл, диэлектрик, жартылай өткізгіш пленкалар жұқа пленкалы ИМС болып табылады.

Температураға төзімді және жылу өткізгіштігі жоғары керамикалық төселімдерден, мысалы, алундадан (96% Al2 O3) қалың пленкалы ИМС дайындалады. Төселімге өткізгіш және резисвитік паста-органикалық сұйықпен байланыстырылған өлшенген, шынылар, металл тотықтары және асыл металдардың ұнтақтары әкелініп салынады. Әкелінген паста трафаретмаска тор арқылы жағылады. Күйдіріп алғаннан кейін төсеніште пассивтік элементтер, қосу өткізгіштері және түйіспелі ауданшалар түзіледі. Пленканың қалыңдығы 20 мкм-ге дейін жетеді. Қалың пленкалы элементтердің негізгі кемшілігі параметрлерінің айтарлықтай шашыралқылығы.

Бірлескен (гибридтік) ИМС-те жартылай өткізгіштік және пленкалық ИМС-тің қасиеттері бірлескен болып саналады. Жартылай өткізгіштің көлемінде барлық активтік элементтер жасалады, ал сонан соң осындай төсеніштің бетінде, пленкалық пассивті элементтер және ток өткізгіш жолдар қалыптасады.

Басқа варианттағы бірлескен ИМС-тің негізгі диэлектриктік төселімді пленкалық ИМС болып табылады. Оған дискретті дайындалған активтік микрокомпоненттер қойылады. Мұндай ИМС-терді гибридтік деп атайды. Күшейткіштік каскадтың гибридтік ИМС-нің жалпы түрі. Диэлектрлік төселімге жұқа пленкалы әдіспен күшейткіш схемасының пассивті элементтері бекітілген(2, ә-сурет): конденсатор 3, резисторлар 4,5 және 9 , сол сияқты 2,6,8,10,11 түйіспе ауданшалары. Пленкалық бөлшектер- конденсатор, резисторлар, түйіспе ауданшалары диэлектрикті және металдарды термиялық әдіспен тозаңдату арқылы орындалған. ИМС-тің активтік компоненті корпуссыз транзистор болады. Ол төселімге бектіліп, схеманың тиісті нүктелеріне қосылады.

Сурет 2. Диэлектрлік төселімге жұқа пленкалы әдіспен күшейткіш схемасы

Интегралдық микросхемалардың активтік элементтері

ИМС-ның активтік элементтеріне биополярлық, көп эмиттерік және өрістік транзисторлар, диодтар, тиристорлар және компоненттер жатады. Элементтердің ең күрделісі транзисотрлар болып табылады.

2. Интегралдықпен дайындалған транзисторлардың ерекше бір айырмашылықтары бар, атап айтқанда, олардың үш шығысы-базасы, эмиттер мен коллетор пластинаның бір жағына орналасқандығы, оған қоса барлық транзисторлар және ИМС-ның басқа элементтері бір-біріне жақын орналасқан, сондықтан кейде жұмыс сипаттамаларына олардың өзара ықпалдары да себеп болады.

ИМС-да p-n-р транзисторлары да, n-p-n құрылымды транзисторлар да қолданыла береді, бірақ осының ішінде ең көп қолданылатыны - n-p-n түрі. Оның себебі мынада: олардың әсері етуі өте тез жүреді және дайындау технологиясы да қарапайым.

ИМС-тің элементтерінің элеткрлік изоляциясын екі тәсілмен: р-n ауысулары және тотық пленкаларының қабаттарымен жүзеге асырады. P-n ауысуын изоляция үшін пайдалану оны дайындаудың қарапайымдылығымен, өнеркәсіптік дәстүрмен және жақсы жөнге қойылған технологиялық процесімен түсіндіріледі. Изоляциялайтын p-n ауысуы жалпы жағдайда, екі өзара толықтыратын негізгі n-p-n және p-n-p зиянды түріне тән n-p-n-p төрт қабатты құрылымдыға жатады. Бұл құрылымның кемшілгі, оның тікелей ығысып қалған мезетте изоляциялайтын p-n ауысуының өткізгіштігінің және ағып кету тогының артуы. Бұл ағып кететін токтың шамасы ондаған наноамперге жетеді. Екінші кемшілігі, жиілік сипаттамасына зиянды әсерін тигізетін, электрод аралық сыйымдылықтың өсуі болып табылады. Жартылай өткізгіштің ИМС-ның элементтерін бөлудегі тиімді тәсіл SiO2 пленкасы болып табылады. Мұны кремнийді эпитаксиальды өсіру: алдында <<қалтаның>> бетіне тотық ендіріледі.

Сурет 3. Индукцияланатын р- каналды транзистордың құрылымы

Соседние файлы в папке Дарис