ІНТЕГРАЛЬНА СХЕМА, Енциклопедія Навколишній світ
ІНТЕГРАЛЬНА СХЕМА (ІВ), мікроелектронна схема, сформована на крихітній платівці (кристаліку, або «чіпі») напівпровідникового матеріалу, зазвичай кремнію, яка використовується для керування електричним струмом та його посилення. Типова ІС складається з безлічі з'єднаних між собою мікроелектронних компонентів, таких як транзистори, резистори, конденсатори і діоди, виготовлені в поверхневому шарі кристала. Розміри кремнієвих кристалів лежать в межах приблизно від 1,3?1,3 мм до 13?13 мм. Прогрес у галузі інтегральних схем призвів до розробки технологій великих та надвеликих інтегральних схем (ВІС та НВІС). Ці технології дозволяють отримувати ІВ, кожна з яких містить багато тисяч схем: в одному чіпі може налічуватися понад 1 млн. компонентів. також Напівпровідникові електронні прилади.
Інтегральні схеми мають цілу низку переваг перед своїми попередниками – схемами, які збиралися з окремих компонентів, що монтуються на шасі. ІВ мають менші розміри, більш високу швидкодію та надійність; вони, крім того, дешевше і меншою мірою схильні до відмов, викликаних впливами вібрацій, вологи і старіння.
Мініатюризація електронних схем виявилася можливою завдяки особливим властивостям напівпровідників. Напівпровідник – це матеріал, що має набагато більшу електропровідність (провідність), ніж такий діелектрик, як скло, але істотно менший, ніж провідники, наприклад, мідь. У кристалічних ґратах такого напівпровідникового матеріалу, як кремній, при кімнатній температурі є занадто мало вільних електронів, щоб забезпечити значну провідність. Тому чисті напівпровідники мають низьку провідність. Однак введення до кремнію відповідної домішкизбільшує його електричну провідність. також ТРАНЗИСТОР.
Легують домішки вводять у кремній двома методами. Для сильного легування або в тих випадках, коли точне регулювання кількості домішки, що вводиться, необов'язково, зазвичай користуються методом дифузії. Дифузію фосфору або бору виконують, як правило, в атмосфері домішки, що легує, при температурах між 1000 і 1150° С протягом від півгодини до декількох годин. При іонній імплантації кремній бомбардують високошвидкісними іонами домішки, що легує. Кількість домішки, що імплантується, можна регулювати з точністю до декількох відсотків; точність у деяких випадках важлива, оскільки коефіцієнт посилення транзистора залежить від кількості домішкових атомів, імплантованих на 1 см 2 бази (див. нижче).
Виробництво.
Виготовлення інтегральної схеми може зайняти до двох місяців, оскільки деякі області напівпровідника потрібно легувати з високою точністю. В ході процесу, званого вирощуванням, або витягуванням кристала, спочатку отримують циліндричну заготівлю кремнію високої чистоти. З цього циліндра нарізають пластини завтовшки, наприклад, 0,5 мм. Пластину в кінцевому рахунку ріжуть на сотні маленьких шматочків, званих чіпами, кожен з яких в результаті проведення технологічного процесу, що описується нижче, перетворюється на інтегральну схему.
Процес обробки чіпів починається з виготовлення масок кожного шару ІВ. Виконується великомасштабний трафарет, що має форму квадрата площею прибл. 0,1 м2. На комплекті таких масок містяться всі складові ІС: рівні дифузії, рівні міжз'єднань тощо. Вся отримана структура зменшується фотографічно до розміру кристаліка і відтворюється пошарово на скляній пластині. На поверхні кремнієвої пластинивирощується тонкий шар двоокису кремнію. Кожна пластина покривається світлочутливим матеріалом (фоторезистом) та експонується світлом, що пропускається через маски. Неекспоновані ділянки світлочутливого покриття видаляють розчинником, а за допомогою іншого хімічного реагенту, що розчиняє двоокис кремнію, останній витравлюється з тих ділянок, де він тепер не захищений світлочутливим покриттям. Варіанти цього базового технологічного процесу використовуються у виготовленні двох основних типів транзисторних структур: біполярних та польових (МОП).
Біполярний транзистор.
Такий транзистор має структуру типу n-p-n або набагато рідше типу p-n-p. Зазвичай технологічний процес починається з пластини сильно сильно легованого матеріалу p-типу. На поверхні цієї пластини епітаксійно вирощується тонкий шар слабо легованого кремнію n-типу; таким чином, вирощений шар має ту саму кристалічну структуру, що і підкладка. Цей шар повинен містити активну частину транзистора – у ньому будуть сформовані індивідуальні колектори. Пластина спочатку поміщається у піч із парами бору. Дифузія бору в кремнієву пластину відбувається тільки там, де її поверхня була оброблена травленням. В результаті формуються області та вікна з матеріалу n-типу. Другий високотемпературний процес, у якому використовуються пари фосфору та інша маска, служить для формування контакту з колекторним шаром. Проведенням послідовних дифузій бору та фосфору формуються відповідно база та емітер. Товщина бази зазвичай становить кілька мікронів. Ці крихітні острівці провідностей n- і p-типу з'єднуються в загальну схему за допомогою міжз'єднань, виконаних з алюмінію, що облягається з парової фази або напилюванням у вакуумі. Інодіз цією метою використовуються такі шляхетні метали, як платина і золото. Транзистори та інші схемні елементи, наприклад, резистори, конденсатори та індуктивності, разом з відповідними міжз'єднаннями можуть формуватися в пластині методами дифузії в ході послідовності операцій, створюючи в результаті закінчену електронну схему. також ТРАНЗИСТОР.
МОП-транзистор.
Найбільшого поширення набула МОП (метал-окис-напівпровідник) - структура, що складається з двох близько розташованих областей кремнію n-типу, реалізованих на підкладці p-типу. На поверхні кремнію нарощується шар його двоокису, а поверх цього шару (між областями n-типу і трохи захоплюючи їх) формується локалізований шар металу, що виконує роль затвора. Дві згадані вище області n-типу, звані витоком і стоком, є сполучними елементами для входу і виходу відповідно. Через вікна, передбачені двоокису кремнію, виконуються металеві з'єднання з витоком і стоком. Вузький поверхневий канал з матеріалу n-типу з'єднує витік та стік; в інших випадках канал може бути індукованим - створюваним під дією напруги, що додається до затвора. Коли на затвор транзистора з індукованим каналом подається позитивна напруга, розташований під затвором шар p-типу перетворюється на шар n-типу, струм, керований і модульований сигналом, що надходить на затвор, тече від витоку до стоку. МОП-транзистор споживає дуже невелику потужність; він має високий вхідний опір, відрізняється низьким струмом ланцюга стоку та дуже низьким рівнем шумів. Оскільки затвор, оксид і кремній утворюють конденсатор, пристрій широко використовується в системах комп'ютерної пам'яті (див. нижче). У комплементарних, або КМОП-схемах, МОП-структури застосовуються якнавантажень і споживають потужності, коли основний МОП-транзистор перебуває у неактивному стані.
Після завершення обробки пластини розрізають на частини. Операція різання виконується дисковою пилкою з алмазними кромками. Кожен кристалик (чіп, або ІС) полягає потім у корпус одного з кількох типів. Для приєднання компонентів ІС до рамки виводів корпусу використовується золотий дріт завтовшки 25 мкм. Товстіші висновки рамки дозволяють під'єднати ІС до електронного пристрою, в якому вона працюватиме.
Надійність.
Надійність інтегральної схеми приблизно така ж, як у окремого кремнієвого транзистора, еквівалентного за формою та розміром. Теоретично транзистори можуть безвідмовно служити тисячі років – один із найважливіших факторів для таких сфер застосування, як ракетна та космічна техніка, де єдина відмова може означати повний провал проекту, що здійснюється.
Мікропроцесори та мінікомп'ютери.
Вперше представлені публічно в 1971 р. мікропроцесори виконували більшість основних функцій комп'ютера на єдиній кремнієвій ІВ, реалізованій на кристалі розміром 5ґ5 мм. Завдяки інтегральним схемам стало можливим створення мінікомп'ютерів - малих ЕОМ, де всі функції виконуються на одній або кількох великих інтегральних схемах. Така вражаюча мініатюризація призвела до різкого зниження вартості обчислень. Міні-ЕОМ, що випускаються в даний час, ціною менше 1000 дол. за своєю продуктивністю не поступаються першим дуже великим обчислювальним машинам, вартість яких на початку 1960-х років доходила до 20 млн. дол. Мікропроцесори знаходять застосування в устаткуванні для зв'язку, кишенькових калькуляторах, наручних годинниках, селекторах телевізійних каналів, електронних іграх, автоматизованомукухонному та банківському устаткуванні, засобах автоматичного регулювання подачі палива та нейтралізації відпрацьованих газів у легкових автомобілях, а також у багатьох інших пристроях. Більшість світової електронної промисловості, оборот якої перевищує 15 млрд. дол., однак залежить від інтегральних схем. У масштабах усього світу інтегральні схеми знаходять застосування у обладнанні, сумарна вартість якого становить багато десятків мільярдів доларів.
Комп'ютерні пристрої.
В електроніці термін «пам'ять» зазвичай відноситься до якогось пристрою, призначеного для зберігання інформації в цифровій формі. Серед безлічі типів пристроїв, що запам'ятовують (ЗУ) розглянемо ЗУ з довільною вибіркою (ЗУПВ), прилади із зарядовим зв'язком (ПЗС) і постійні ЗУ (ПЗУ).
У ЗУПВ час доступу до будь-якого осередку пам'яті, що знаходиться на кристалі, однаково. Такі пристрої можуть запам'ятовувати 65536 біт (двійкових одиниць, зазвичай 0 і 1), по одному біту на комірку, і являють собою широко використовується тип електронної пам'яті; кожному чіпі вони налічується ок. 150 тис. компонентів. Випускаються ЗУПВ ємністю 256 Кбіт (К = 2 10 = 1024; 256 К = 262144). У пристроях пам'яті з послідовною вибіркою циркуляція запам'ятовуваних бітів відбувається ніби по замкнутому конвеєру (ПЗЗ використовується саме такий тип вибірки). У ПЗЗ, що є ІС спеціальної конфігурації, пакети електричних зарядів можуть розміщуватися під розташованими на малих відстанях один від одного крихітними металевими пластинками, електрично ізольованими від чіпа. Заряд (або його відсутність) може, таким чином, переміщатися напівпровідниковим пристроєм від одного осередку до іншого. В результаті з'являється можливість запам'ятовування інформації у виглядіпослідовності одиниць та нулів (двійкового коду), а також доступу до неї, коли це потрібно. Хоча ПЗЗ не можуть конкурувати із ЗУПВ за швидкодією, вони здатні обробляти більші обсяги інформації при менших витратах, і їх використовують там, де пам'ять із довільною вибіркою не потрібна. ЗУПВ, виконане на такій ІВ, є енергозалежним, і записана в ньому інформація втрачається при відключенні живлення. У ПЗУ інформація заноситься під час виробничого процесу зберігається постійно.
Розробки та випуск ІВ нових типів не припиняються. У програмованих ПЗУ (СППЗУ), що стираються, є два затвори, розташовані один над іншим. При подачі напруги на верхній нижній затвор може придбати заряд, що відповідає 1 двійкового коду, а при перемиканні (реверсі) напруги затвор може втратити свій заряд, що відповідає 0 двійкового коду. також ОРГТЕХНІКА І КАНЦЕЛЯРСЬКЕ ОБЛАДНАННЯ; КОМП'ЮТЕР; ЕЛЕКТРОННІ ЗАСОБИ ЗВ'ЯЗКУ; ІНФОРМАЦІЇ НАКОПЛЕННЯ І ПОШУК.
Мейзда Ф. Інтегральні схеми: технологія та застосування. М., 1981 Зі С. Фізика напівпровідникових приладів. М., 1984 Технологія НВІС. М., 1986 Малер Р., Кеймін С. Елементи інтегральних схем. М., 1989 Шур М.С. Фізика напівпровідникових пристроїв. М., 1992