Інтегральні мікросхеми
Міністерство освіти та науки РФ
Федеральне агентство з освіти
український державний університет нафти та газу ім. Губкіна
Домашнє завдання №1
з дисципліни: «Фізичні засади електротехніки»
Виконав: студент групи АС-10-4 Устиць Руслан
Перевірив: доцент Крилова Т.В.
Інтегральна мікросхема (ІМС) – це мікроелектронний пристрій, що складається з безлічі найпростіших елементів (транзисторів, діодів, резисторів, конденсаторів), які з'єднані між собою за певною схемою та дозволяє реалізувати певну функцію перетворення електричних сигналів.
У наш час удосконалення технології ІМС є одним із найважливіших завдань електротехніки. Це пов'язано з тим, що інформаційна та обчислювальна техніка швидко розвивається і з кожним днем необхідні все більш досконалі та складніші електричні та електронні прилади. Застосування ІМС дозволяє зменшити габарити та споживану енергію тих чи інших приладів, а також підвищити їх надійність та швидкодію.
Важливими характеристиками інтегральних схем є ступінь інтеграції та щільність упаковки. Ступінь інтеграції характеризує кількість елементів у мікросхемі, а густина упаковки позначає кількість елементів мікросхеми на одиницю об'єму. В даний час дев'ятий ступінь інтеграції є найбільшим (У травні 2011 фірмою Altera було випущено найбільшу у світі мікросхему, що складається з 3,9 млрд. транзисторів).
Мікросхеми також розрізняють за технологією виготовлення: гібридні та напівпровідникові (а також плівкові та змішані). Відмінність полягає в тому, що гібридні мікросхеми використовують плівкову технологію (пасивні елементи та провідники представлені як провідні плівки, а активні елементи якнавісні транзистори і діоди), а напівпровідникові використовують активні та пасивні елементи, які виконані в обсязі та на поверхні кристала напівпровідника. Також допускаються випадки, коли під час виробництва мікросхеми використовують обидві технології.
Виробництво інтегральних мікросхем можна розділити на такі етапи:
Окислення – створення плівки діоксиду кремнію, яка є відмінним діелектриком, що захищає пластину від впливу зовнішнього середовища
Фотолітографія – захист певних ділянок пластини. Мінімальний розмір деталей малюнка – половина довжини хвилі (визначається дифракційною межею). Електронно-променева літографія дозволяє досягати роздільної здатності в 1 нм завдяки більш короткій довжині хвилі електронів у порівнянні зі світлом
Травлення – дозволяє робити «вікна» у плівці, що дозволяє отримати доступ до поверхні самого кристала
Дифузія – формування p- та n-областей на заданих ділянках напівпровідника. Існує також складніша технологічно двоетапна дифузія. Вона дозволяє точніше дозувати кількість введених домішок, завдяки чому процес легше контролювати. Крім цього, в кінці процесу оброблена ділянка виявляється покритою захисною окисною плівкою.
Іонне легування – опромінення напівпровідникової пластини прискореними до певної швидкості іонами домішок. Це добре контрольований процес
Епітаксія – процес орієнтованого нарощування шляхом осадження за високої температури шару напівпровідника на поверхні напівпровідникової пластини
Напилення – створення контактних майданчиків та провідників
Гібридні інтегральні мікросхеми (ГІС)
Порівняно з напівпровідниковими інтегральними мікросхемами ГІС має найкращі електричні характеристики.пасивних елементів (вища добротність, температурна та тимчасова стабільність, менша кількість і менш помітний вплив паразитних елементів). Також при гібридному виконанні можна забезпечити виготовлення виробів досить великої потужності, що важливо при створенні аналогових пристроїв, що управляють потужними вхідними ланцюгами.
ГІС складається з ізолюючої основи (підкладки), на поверхні якої методом напилення через маски або нанесенням спеціальних паст розміщені плівкові елементи (резистори, конденсатори, індуктивні котушки, провідники). Для захисту ГІС поміщають у корпус
Плівковий резистор. Розташовується на поверхні діелектричної підкладки. Наноситься на неї шляхом напилення хрому, ніхрому або інших матеріалів. Опір такого резистора залежить від матеріалу, товщини шару, що напилюється, геометричних розмірів і конфігурацій провідної доріжки.
Плівковий конденсатор. Такі конденсатори відносяться до найбільш поширених елементів ГІС. Є структурою, що складається з 3 шарів (дві металеві плівки розділені плівкою діелектрика). Характеристики конденсатора визначаються властивостями матеріалів, що застосовуються.
Індуктивні котушки. Виготовляються у вигляді плівкових спіралей. Товщина плівкової спіралі залежить від робочої частоти та визначається глибиною проникнення електромагнітної хвилі в матеріал плівкового провідника. Для виготовлення плівкових спіралей використовують матеріали з високою електропровідністю.
Провідники. Виконуються у вигляді плівкових доріжок із металів із високою питомою електричною провідністю (алюмінію, міді, золото)
ГІС широко використовується в аналоговій апаратурі завдяки використанню різних навісних компонентів, які дають високі схемотехнічні можливості. ГІСдозволяють реалізувати широкий клас функціональних електронних схем – підсилювачів, перетворювачів, комутаторів, вторинних джерел живлення, будучи при цьому економічно доцільними в умовах серійного та навіть дрібносерійного виробництва.
ГІС - широко поширений конструктивно-технологічний варіант виготовлення виробів мікроелектроніки, що постійно вдосконалюється. Створення ГІС – один із ступенів мікромініатюризації мікроелектронних пристроїв, комплексів та систем, перспективний напрямок розвитку науково-технічного прогресу в галузі мікроелектроніки.
Напівпровідникові інтегральні мікросхеми
Напівпровідникові ІВ виготовляються шляхом формування в монокристалічному тілі напівпровідника структури ІВ за допомогою технологічних операцій. Створюються різні області, що мають дірочну (р-область) та електронну (n-область) провідності. Щільність упаковки в напівпровідникових інтегральних мікросхемах сягає навіть декількох тисяч елементів і більше на 1 квадратний мм. Напівпровідникові інтегральні мікросхеми в зборі поміщають у металевий чи пластмасовий корпус
Біполярний транзистор. Триелектродний напівпровідниковий прилад, що має структури n-p-n або p-n-p-типу. У біполярному транзисторі, на відміну інших різновидів, основними носіями є і електрони, і дірки
Резистор. Це ділянки напівпровідника, легованого домішками шляхом дифузії. Опір таких резисторів залежить від розмірів та форми ділянки
Конденсатор. Використовуються обернено-зміщені p-n-переходи. Через малу площу p-n-переходу ємність таких конденсаторів зазвичай не вище кількох сотень пікофарад.
Індуктивні елементи. Практично не використовуються через велику труднощі привиготовлення.
Напівпровідникові інтегральні мікросхеми є найпоширенішим типом інтегральних мікросхем, що забезпечують максимальну мініатюризацію та надійність. Вони також мають високу швидкодію, що дозволяє створити високочастотні підсилювачі та швидкодіючі логічні мікросхеми з часом затримки менше 0,1 нс. При масовому виробництві є найдешевшими. Виготовлення відразу великої кількості мікросхем в єдиному технологічному циклі дозволяє суттєво ускладнювати їх схему та збільшувати кількість активних та пасивних елементів практично без підвищення трудомісткості виготовлення. Невеликі партії мікросхем вигідніше робити, використовуючи гібридну технологію.
Також напівпровідникові інтегральні мікросхеми можуть використовувати МДП – транзистори замість біполярних. МДП - транзистори повністю ізольовані один від одного і не вимагають спеціальної ізоляції, що значно підвищує густину розташування елементів на кристалі. Також існує технологія, яка дозволяє виготовляти одній пластині напівпровідникового матеріалу кілька сотень інтегральних схем одночасно. Така технологія отримала назву планарно-епітаксіальна.
За своїм функціональним призначенням інтегральні мікросхеми діляться на лінійно-імпульсні та логічні. Відмінність у тому, що лінійно-імпульсні забезпечують приблизно пропорційну залежність між вхідними та вихідними сигналами, а логічні являють собою пристрої з кількома входами та виходами, причому вхідні та вихідні напруги можуть набувати лише певних значень.