Полупроводниковые интегральные схемы

Полупроводниковыми интегральными схемами именуют функциональные узлы, выполненные в одном кристалле полупроводника разными технологическими приемами обработки полупроводниковых материалов.

В следствии обработки кристаллов способами диффузии, осаждения, травления, маскировки и другими приобретают отдельные области, эквивалентные или емкости, или активным сопротивлениям. Эти области малы и не имеют резких границ.

Кристаллом значительно чаще помогает монокристаллический кремний, отличающийся хорошими технологическими особенностями.

Сопротивления в полупроводниковых интегральных схемах возможно взять наложением контактов на поверхность кристалла из полупроводникового материала (рис. 1).

Потому, что электрические особенности сопротивлений определяются в основном природой материала кристалла, эти сопротивления отличаются маленькими собственными шумами, хорошей линейностью, высоким хорошей стабильностью и температурным коэффициентом во времени.

Конденсаторы приобретают, применяя емкость р-п-перехода. Такие конденсаторы мало подвержены влиянию температуры и отличаются хорошей стабильностью во времени.

При повышенных требованиях к линейности конденсатора, и в случае если нереально соблюсти полярность включения, используют конденсаторы, в которых роль диэлектрика играется слой окисла на поверхности кремния, появляющийся при нагревании материала в воздухе воздуха либо кислорода. В ненужных местах пленку окисла вытравливают, а для получения контакта, напыляют слой металла.

Комбинируя конденсаторы и резисторы из полупроводникового материала, возможно создавать цепи RC с распределенными постоянными.

диоды и Транзисторы приобретают, нанося на возвышающиеся участки платы способом диффузии проводящий слой.

самый трудный процесс — создание индуктивных элементов. Имеются, но, сообщения о разработке полупроводниковых диодов, эквивалентная схема которых при определенных условиях представляет собой громадную индуктивность, соединенную последовательно с отрицательным сопротивлением.

Разработка изготовления полупроводниковых интегральных схем складывается из 15—20 операций. На первом этапе технологического Цикла ведется обработка материала (резка, шлифовка и т. д.).

На последующих операциях приобретают переходы и создают контакты, используя напыление металла и селективную диффузию, по окончании чего направляться расчленение на отдельные элементы, заключение и присоединение выводов в оболочку.

Рис. 1. Образование сопротивления в поту-проводниковых интегральных схемах

Эта разработка имеет следующие преимущества:

— устраняется около 80% соединений между элементами, а следовательно, значительно уменьшается число паяных соединений; помимо этого, области, образующие отдельные элементы, находятся в количестве материала, что ликвидирует опасность выхода прибора из строя, связанную с различием температурных коэффициентов;

— из-за малой массы увеличивается устойчивость к внешним действиям;

— маленькое число технологических операций разрешает вести тщательный контроль.

Проверка надежности работы радиоустройств, выполненных по принципу полупроводниковых интегральных схем, продемонстрировала прекрасные результаты: надежность этих схем существенно выше надежности простых устройств.

Разглядим для примера разработку изготовления полупроводникового интегрального узла — демодулятора.

Несложный демодулятор амплитудно-модулированных сигналов (AM) складывается из диода, и конденсатора и резистора, служащих нагрузкой.

На рис. 2, а представлена внешняя геометрия узла, выполненного на базе кремниевого кристалла и разрешающего взять требуемые электрические характеристики.

Дабы более наглядно продемонстрировать роль разных областей полупроводникового кристалла, его модель совмещена с соответствующей электрической схемой. Область, имеющая цилиндрическую форму, употребляется в качестве диода; громадная прямоугольная область осуществляет функции конденсатора; узкий прямоугольный брус играет роль резистора.

Размеры кристалла 0,31 X 0,47 см2. Кремниевый кристалл проводимости р-типа имеет поверхностный слой и-типа толщиной 5 мкм, образованный диффузией сурьмы.

Расположенный на расстоянии 5 мкм от поверхности кристалла р-п-переход позволяет без проблем взять конденсатор и диод.

Сначала кристалл полностью покрывают защитным материалом (тёмным воском либо окисью кремния), а после этого очищают определенный участок и погружают в травильный раствор; по окончании окончания травления на пластинке образуется паз, продемонстрированный на рис. 3, б. При предстоящей обработке определенные участки поверхности опять покрывают защитным материалом, а кристалл погружают в не сильный раствор для травления.

Внешний вид кристалла по окончании данной операции продемонстрирован на рис. 3, в. При втором травлении образуется громадной немного поднятый над основанием небольшой участок и прямоугольник цилиндрической формы.

Рис. 2. Демодулятор амплитудно-модулированных сигналов: а —внешняя геометрия узла, б —принципиальная схема

Полупроводниковые интегральные схемы

Рис. 3. Этапы обработки кремниевого кристалла: а —кремниевая заготовка с диффузионным поверхностным слоем, б —получение паза способом травления, в—получение выступов способом вторичного травления, г—изготовление омических контактов

Последняя операция — изготовление омических контактов для четырех областей — продемонстрирована на рис. 3, г.

Функциональные полупроводниковые схемы. Среди полупроводниковых выделяются функциональные полупроводниковые схемы.

Они отличаются тем, что в них нереально отождествить отдельные структурные области с элементами радиосхемы; такие схемы возможно оценивать лишь в целом по делаемой ими функции.

Функциональные полупроводниковые схемы, подобно интегральным, приобретают, создавая в кристалла локальные неоднородности, разрешающие создавать нужное управление потоком объемных зарядов посредством электрических и магнитных полей. Разработка изготовления функциональных полупроводниковых схем имеет большое количество неспециализированного с разработкой изготовления полупроводниковых интегральных схем.

В базе создания функциональных схем лежат те же физические явления, что и в базе создания интегральных схем, но их количество больше; так, к примеру, взаимодействие и накопление объемных зарядов, термоэлектрические эффекты, эффект Холла. Помимо этого, функциональные схемы имеют более широкие потенциальные возможности.

На рис. 4 продемонстрирована схема функционального блока, что составлен из двух областей (доменов), соприкасающихся по одной поверхности раздела.

Материал, форма и размеры одного из доменов подобраны так, что он оказывает сопротивление R1 проходящему току, второй домен кроме этого характеризуется активным сопротивлением (есть резистивным), но подобран так, что имеет сопротивление R2.

Рис. 4. Схема функционального полупроводникового блока, складывающегося из двух доменов

Рис. 5. Схема выпрямителя простой конструкции

Сотрудничество доменов по поверхности раздела подобно сотрудничеству обкладок конденсатора, т. е. соответствует включению в схему некоей ем-

Рис. 6. Схема функционального полупроводникового блока-выпрямителя: 1 — рсзнстивный домен, 2 — изолирующий домен, 3 —термоэлектрический домен кости.

Вторым примером поверхностей раздела и использования доменов между ними есть функциональный блок-выпрямитель для питания транзисторных схем.

Схема выпрямителя простой конструкции продемонстрирована на рис. 5, а схема функционального полупроводникового блока-выпря-мителя — на рис. 6.

Напряжение переменного тока, приложенное к резистивному домену, приводит к выделению тепла. Тепло проходит через средний домен (изолятор для тока, но хороший проводник тепла) в термо электрический домен, где тепловая энергия преобразовывается в электрическую.

Fundamentals of electrical engineering. Topic: Integrated circuits. 24 edition.


Вы прочитали статью, но не прочитали журнал…

Читайте также: