Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

• Операционные усилители.

• Компараторы.

• Генераторы сигналов.

• Фильтры (в том числе на пьезоэффекте).

• Аналоговые умножители.

• Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители.

• Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока.

• Микросхемы управления импульсных блоков питания.

• Преобразователи сигналов.

• Схемы синхронизации.

• Различные датчики (например, температуры).

Цифровые схемы

• Логические элементы

• Триггеры

• Счётчики

• Регистры

• Буферные преобразователи

• Шифраторы

• Дешифраторы

• Цифровой компаратор

• Мультиплексоры

• Сумматоры

• Полусумматоры

• Микроконтроллеры

• (Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)

• Однокристальные микрокомпьютеры

• Микросхемы и модули памяти

• ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Аналогово-цифровые схемы

• цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые преобразователи (АЦП).

• Цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС).

• Трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet).

• Модуляторы и демодуляторы.

  • Радиомодемы

  • Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста

  • Трансиверы Fast Ethernet и оптических линий

  • Dial-Up модемы

  • Приёмники цифрового ТВ

  • Сенсор оптической мыши

• Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах

• Цифровые аттенюаторы.

• Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с последовательным интерфейсом.

• Коммутаторы.

• Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации

• Базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые первичные элементы.

Планарная технология интегральных схем

В качестве исходного материала для изготовления ИС используются пластины кремния толщиной не более 30-50мкм и диаметром 50-100мм, называемая подложкой, на поверхности или в объеме которой формируются элементы ИС. Основой формирования элементов на подложке является планарная технология, позволяющая групповым методом обрабатывать одновременно несколько десятков подложек с сотнями и тысячами ИС на каждой. После окончания технологического цикла подложки разрезаются на отдельные ИС. Элементы, изготовленные по планарной технологии, имеют плоскую структуру, р-п переходы и соответствующие контакты выходят на одну плоскость подложки. Окисная маска SiO₂ , нанесенная по поверхность подложки, служит для защиты поверхности и р-п переходов от внешних факторов, а также обеспечивает проникновение примеси только в определенные участки подложки. Основными и наиболее сложными элементами ИС являются транзисторы. ИС транзисторы бывают биполярными и МДП (МОП). МДП – более перспективны, т.к. управляются напряжением , что обуславливает меньшую потребляемую мощность.

Изготовление биполярных транзисторов методом планарно-диффузионной технологии:

- за основу берется подложка из кремния р-типа;

- путем термического окисления кремния на поверхности подложки формируется тонкая защитная пленка SiO₂;

- изготавливается первая оксидная маска, для чего делаются окна в пленке SiO₂. Маска выполняется методом фотолитографии, который состоит в следующем. Поверхность SiO₂ покрывается тонким слоем светочувствительной эмульсии – фоторезиста. На фоторезист проектируется требуемый рисунок маски, после чего изображение проявляется, и засвеченные участки фоторезиста отравляются, обнажая окисную пленку. Затем с помощью травления обнаженные участки окисной пленки растворяются, образуя окна, через которые производится диффузия примеси n-типа, проникающая в глубину подложки.

В результате образуются слои n-типа, изолированные от подложки и от соседних островков с помощью запертых р-n переходов. Такие слои – островки являются основой для создания всех элементов ИС. На полученных островках формируются планарные транзисторы. Для этого описанным выше способом изготавливается вторая оксидная маска, через которую вглубь островка, являющегося областью коллектора n-типа, осуществляется диффузия примеси р-типа и получается слой базы р-типа. Затем изготавливается третья оксидная маска, через которую в островки производится диффузия примеси п-типа и получается эмиттер n-типа. На заключительном этапе через четвертую оксидную маску напыляют металлизированные контакты на полученные слои и необходимые соединительные дорожки.

Недостатком планарно-диффузионной технологии является сравнительно малая четкость границ р-n переходов, диффузия примесей идет с поверхности подложки, концентрация на поверхности больше, чем в глубине. Указанный недостаток устраняется с помощью планарно-эпитаксиальной технологии.

Эпитаксия представляет собой процесс наращивания тонкого полупроводникового слоя на полупроводниковую подложку с любым типом проводимости, при котором кристаллическая решетка выращенного слоя является продолжением кристаллической решетки подложки.

Э тапы изготовления биполярных транзисторов, методом планарно-диффузионнй технологии:

- за основу берется обложка из кремния р-типа;

- путем термического окисления кремния на поверхности подложки создается защитная пленка;

- через окна вводится р-примесь для получения п-островков.

Дальнейшие этапы формирования на островках планарных транзисторов ничем не отличаются от подобных этапов планарно-диффузионной технологии. Использование тонкого эпитаксиального слоя позволяет получить равномерное распределение примеси по толщине и четкие р-n границы.

Технология изготовления интегральных МДП-транзисторов не отличается от рассматриваемой, однако количество операций сокращается в 3-4 раза, а занимаемая площадь уменьшается в 20-25 раз.

Лекция 13. Интегральные транзисторы, резисторы, конденсаторы, многоэмиттерные транзисторы, полевые транзисторы.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называется истоком. Электрод, через который основные носители заряды уходят из канала, называется стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала , - затвором.

Ток в полевых транзисторах определяется движением носителей только одного знака, поэтому это униполярные транзисторы. Полевые транзисторы изготавливаются из кремния.

В транзисторе с п-каналом основными носителями заряда являются электроны, которые движутся от истока с низким потенциалом к стоку с высоким потенциалом. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее р-п переход, образованный п-каналом и р-затвором.

В транзисторе с р-каналом основными носителями заряда являются дырки, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными U_си > 0, U _зи  0.

При подаче запирающего напряжения на электроды затвора и истока на границах канала возникает равномерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким сопротивлением. Это приводит к сужению проводящего канала. Ближе к стоку канал еще более сужается, т.к. разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении к стоку (сток более положителен, чем исток и запирающее напряжение еще больше). Сечение канала определяется действием двух напряжений U_си > 0, U_зи < 0. Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания обедненные слои смыкаются и сопротивление канала резко возрастает.

П ри пробое р-n перехода обратными напряжениями между затвором и каналом транзистор выходит из строя.

<- Выходная характеристика

Интегральные резисторы. Интегральные конденсаторы.

С оздание интегральных резисторов, представляющих собой тонкий (3мкм) слой полупроводника, происходит по планарной технологии в процессе диффузии примеси в островки подложки одновременно с формированием транзисторов в других островках подложки. Такие резисторы называются диффузионными. Изоляция резисторов от других элементов схемы и подложки осуществляется с помощью запертого р-п перехода. При этом используют базовый или эмиттерный слой транзисторной структуры. В первом случае получают высокоомные резисторы, во втором – низкоомные, т.к. базовый слой имеет значительно меньшую концентрацию основных носителей, чем эмиттерный.

В качестве конденсаторов ИС используются емкости обратно включенных р-п переходов транзисторов.

Интегральные многоэмиттерные транзисторы. Транзистор с барьером Шоттки. Интегральный полевой транзистор.

М ногоэмиттерные транзисторы

Такой транзистор можно отпирать подачей импульса прямого напряжения на один из эмиттерных переходов. Если на Э₁ подать импульс отрицательного напряжения, то р-п переход открывается и в транзисторе появляется коллекторный ток. Т.к. Э₂, Э₃, Э₄ имеют лучевой потенциал, то их переходы заперты и сигнал Э₁ не попадает в Э₂, Э₃, Э₄ , т.е. имеет место развязка сигналов. Если бы не было многоэмиттерного транзистора, то пришлось бы навешивать диоды для развязки сигналов и можно подавать в один эмиттер.

Транзистор с барьером Шоттки

Диод Шоттки имеет контакт металла с полупроводником и обладает выпрямляющими свойствами. Достоинство его заключается в отсутствии диффузионной емкости. Аl– металлизация р-базы создает выпрямляющий контакт с п-коллектором. Такой транзистор очень быстродействующий в режиме ключа.

Полевые транзисторы с р-п переходом: в кармане п-типа созданы области п⁺ типа.