Общие сведения о микросхемах.

Общие сведения о микросхемах.

Классификация микросхем.

Все выпускаемые отечественные интегральные микросхемы (ММС) подразделяются на группы, подгруппы и виды. В зависимости от конструктивно-технического исполнения ИМС подразделяются на три группы: полупроводниковые, пленочные, гибридные.

 

Группы ИМС.

Полупроводниковые ИМС. Это микросхемы, все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла. Краткое определение полупроводниковых ИМС, как электронных полупроводниковых приборов данного во введении. Следует добавить, что составляющие полупроводниковую микросхему транзисторы, диоды, резисторы выполняются в приповерхностном слое тонкого полупроводникового кристалла, называется подложкой. Существуют и другие определения ИМС. Например, более общее, охватывающее все типы[1]: ИМС есть совокупность, как правило, большого количества взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т. п.), изготовленных в едином технологическом цикле на одной и той же несущей конструкции - подложке - и выполняющая определенную функцию преобразования сигнала.

Полупроводниковые ИМС составляют основу современной микроэлектроники и будут рассмотрены более подробно.

Пленочные ИМС. Это микросхемы, состоящие только из пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей), выполненных в виде разного рода пленок нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. Различают тонкопленочные (толщина пленок до 1÷2 мкм) и толстопленочные ИМС (толщина до 10÷20 мкм). Из-за отсутствия активных элементов функции пленочных ИС крайне ограничены.

Гибридные ИМС (ГИС). Это комбинация пассивных пленочных элементов и активных дискретных компонентов (транзисторов, диодов), расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные компоненты, входящие в состав ГИС, называют навесными компонентами, подчеркивая этим их обособленность от основного технологического цикла получения ГИС. Кроме транзисторов и диодов, навесными компонентами ГИС могут быть полупроводниковые ИМС.

Принадлежность конкретной ИМС к - соответствующей группе отражается первой цифрой в обозначении ИМС:

- 1,5,6,7 - полупроводниковые;

- 2,4,8 - гибридные;

- 3 - прочие (куда входят пленочные).

-

Подгруппы и виды ИМС.

Другой классификационный признак ИМС – подгруппы и виды. Ему соответствуют две буквы в обозначении ИМС. Деление на подгруппы и виды осуществляется в зависимости от характера выполняемых ими функций в радиоэлектронной аппаратуре. Например, подгруппы (1-я буква): генераторы, усилители, ключи, преобразователи и т. д. Микросхемы в подгруппе подразделяются на виды (2-я буква), различающиеся по роду тока, частоте, форме сигнала и др. например, подгруппа усилители (У) подразделяется на виды: усилитель низкой частоты (Н), высокой частоты (В), постоянного тока (Т) и т. д. Деление ИМС на подгруппы, виды и их условные обозначения установлены (рекомендованы) ОСТ11073.915 – 80. в таблице 8.1 в качестве примера приведены некоторые подгруппы и виды (наиболее часто применяемые) и их обозначения. Полная таблица всех подгрупп и видов довольно внушительна. Кроме того, по мере развития микроэлектроники ГОСТ периодически изменяется, что, как правило, приводит к появлению в обозначениях. Пользоваться нужно действующим

 

Аналоговые и цифровые ИМС.

В зависимости от вида обрабатываемого сигнала все микросхемы делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговыми называют микросхемы, предназначенные для обработки и преобразования аналоговых сигналов. К аналоговым сигналам относят сигналы, изменяющиеся по закону непрерывной функции. Например, усилители (У), генераторы (Г) в табл. 8.1 относятся к аналоговым ИМС.

Цифровыми называют микросхемы, предназначенные для обработки и преобразования цифровых сигналов. К цифровым сигналам относят сигналы, изменяющиеся по закону дискретной функции и выраженные в цифровом виде. В наиболее распространенной двоичной системе цифровой сигнал имеет два значения - нуль (0) и единица (1). Например, триггеры (Т), логические элементы (Л) в табл. 8.1 относятся к цифровым ИМС.

 

Степень интеграции.

Интегральные схемы подразделяют по функциональной сложности ИС. Функциональную сложность характеризуют степенью интеграции N, под которой понимают количество элементов в кристалле (чипе). Обычно N характеризуют количеством транзисторов в чипе. К настоящему времени N достигает 100000 и более. Повышение степени интеграции, а вместе с ней и сложности выполняемых микросхемой функции – одна на главных (объективных) тенденций микроэлектроники. Для количественной оценки введем условный коэффициент К степени интеграции (ГОСТ 17021 - 88):

                                       К=lgN,                                (8.1)

 

Таблица 8.1

Подгруппа ИМС (обозначения)	Вид ИМС (обозначения)	Обозначение подгруппы и вида
Генераторы (Г)	Гармонических сигналов (С)	ГС
	Прямоугольных сигналов (Г)	ГГ
	Сигналов специальной формы (Ф)	ГФ
	Линейно-изменяющихся сигналов (Л)	ГЛ
	Шума (М)	ГМ
	Прочие (П)	ГП
Усилители (У)	Низкой частоты (Н)	УН
	Высокой частоты (В)	УВ
	Постоянного тока (Т)	УТ
	Операционные (Д)	УД
	Дифференциальныые (С)	УС
	Прочие (П)	УП
Триггеры (Т)	Универсальные – типа JK (В)	ТВ
	RS – триггеры (Р)	ТР
	Счетные – типа Т (Т)	ТТ
	D – триггеры (М)	ТМ
	Прчие (П)	ТП
Схемы цифровых устройств (И)	Регистры (Р)	ИР
	Сумматоры (М)	ИМ
	Счетчики (Е)	ИЕ
	Шифраторы (В)	ИВ
	Дешифраторы (Д)	ИД
	Прочие (П)	ИП
Логические злементы (Л)	Элемент И (И)	ЛИ
	Элемент НЕ (Н)	ЛН
	Элемент ИЛИ (Л)	ЛЛ
	Элемент И-НЕ (А)	ЛА
	Элемент ИЛИ-НЕ (Е)	ЛЕ
	Элемент И-ИЛИ (С)	ЛС
	Элемент И-ИЛИ-НЕ (Р)	ЛР
	Элемент ИЛИ-НЕ / ИЛИ (М)	ЛМ
	Элемент И-НЕ / ИЛИ-НЕ (Б)	ЛБ

Величину К округляют до ближайшего целого большего числа. В зависимости от величины К различают:

- 1-ю степень интеграции, К=1, (N£10);

- 2-ю степень интеграции, К=2, (10<N£100);

- 3-ю степень интеграции, К=3, (100<N£1000),

и т.д.

Имеется шестая степень интеграции. На очереди ИМС седьмой степени интеграции.

На практике и в литературе, особенно в зарубежной, для оценки для оценки функциональной сложности широко используется другие понятия (термины): малая (МИС) или просто ИС, средняя (СИС), большая (БИС) и сверхбольшая (СБИС) микросхемы. Эти понятия зависят не только от N, но еще от функционального назначения и технологии изготовления (в нашей стране эти понятия также рекомендованы ГОСТ 17021-88). Эти данные приведены в таблице 8.2.

В зарубежной литературе сложность цифровых микросхем часто оценивают количеством эквивалентных вентилей (двухвходовых логических элементов – Usable gates). К настоящему времени количество эквивалентных вентилей в одной ИМС достигает 10000 и более.

Для характеристики уровня технологии производства ИС вводят показатель плотности упаковки, означающий количество транзисторов (элементов) на единицу площади (1мм²) чипа (кристалла). Плотность упаковки достигает 1000 транзисторов на 1мм² и более.

Таблица 8.2

Наименование ИС	Вид ИС	Число элементов N
ИС (IC)	Цифровая	1¸100
	Аналоговая	1¸100
СИС (MSI)	Цифровая	101¸1000
	Аналоговая	101¸500
БИС (LSI)	Цифровая	1001¸(0,5¸1)105
	Аналоговая	501¸10000
СБИС (VLSI)	Цифровая с регулярной структурой	Более 100000
	Цифровая с нерегулярной структурой	Более 50000
	Аналоговая	Более 100000

 Ранее, до выхода ГОСТ 17021-88 было иное определение понятий МИС, СИС, БИС, СБИС, которые можно встретить в нашей литературе. В столбце Наименование ИС в скобках приведены английские наименования (аббревиатуры) ИС (IC-Integrated Circuit).

 

Обозначения ИМС

Обычно микросхемы выпускаются сериями. Серия представляет собой совокупность ИС, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного применения. Номер серии, состоящий из трех цифр, отражается в условном обозначении микросхемы.

В соответствии с принятой системой (ОСТ 11073.915-80) обозначение ИМС состоит из четырех элементов. Первый элемент обозначения – цифра, указывающая группу микросхемы по конструктивно-технологическому признаку (П.8.1.1). второй элемент – две или три цифры, указывающие номер разработки данной серии. Первый и второй элементы (трехзначное число) обозначают серию микросхемы (например, 155, 140 и т.д.) третий элемент две буквы, обозначающие функциональную подгруппу и вид микросхемы по таблице 8.1. Четвертый элемент – одна или две цифры, обозначающие условный номер разработки по функциональному признаку (таблица 8.1) в данной серии.

Для микросхем широкого применения, в т.ч. в бытовой аппаратуре, перед первым элементом обозначения добавляется буква "К". Пример обозначения и расшифровка элементов обозначения полупроводниковой микросхемы К155ТВ6 (универсальный триггер JK) приведены на рис. 8.1.

Кроме того, в некоторых сериях перед условным обозначением серии указываются различные буквы, указывающие на особенности конструктивного исполнения: Б - бескорпусные ИС, М – керамический или металлокерамический корпус, Р – пластмассовый корпус, Н – миниатюрный металлический или керамический корпус (микрокорпус), Ф – миниатюрный пластмассовый корпус (микрокорпус). Например, КР155ТВ6 – микросхема К155ТВ6 в пластмассовом корпусе.

 

Исходные материалы

Полупроводниковые ИС и транзисторы изготавливаются в основном из монокристаллов кремния. Монокристаллы кремния получают методом кристаллизации из расплава (методом Чохральского) или методом зонной плавки [1].

Монокристаллы (слитки) кремния. Монокристаллы кремния, называемые монокристаллическими слитками, для производства ИМС чаще всего получают методом Чохральского. Могут быть получены слитки весом несколько килограмм. Типовой диаметр слитка – 80 мм (может достигать 150 мм). Длина слитка может достигать 1,5 м и более. Но обычно она в несколько раз меньше. При выращивании слитка в расплав, из которого производится кристаллизация слитка, вносят примеси (донорную или акцепторную). Слиток получается с проводимостью типа n или типа p. Примесь равномерно распределена по объему слитка (слиток однороден).

Кремниевые пластины. Исходным материалом для получения ИМС и дискретных транзисторов являются тонкие пластины кремния, которые получают при разрезании слитков кремния. Слитки кремния перпендикулярно продольной оси разрезают на множество тонких пластин толщиной 0,4¸0,5 мм. Эти пластины многократно шлифуют, полируют, промывают, чтобы получить пластины толщиной 200¸300 мкм

(такая толщина не достижима при резке) с очень чистыми ровными поверхностями. Неровность поверхностей готовых пластин не превышает сотых долей микрона. Параллельность поверхностей готовых пластин составляет единицы (и даже доли) микрон на 1 см длины [1].

 

Групповой метод. Планарная технология

В основу получения полупроводниковых приборов (в т.ч. ИС) положены групповой метод и планарная технология, освоенные еще в доинтегральное время при производстве дискретных полупроводниковых приборов.

 

Групповой метод. Сущность группового метода состоит в том, на одной исходной кремниевой пластине (описанной ранее) одновременно изготавливаются множество транзисторов, регулярно расположенных по поверхности пластины. При этом все выводы всех транзисторов должны находиться на этой поверхности. Такую возможность обеспечивает особая планарная технология.

Планарная технология. Эта технология характерна тем, что все рабочие слои и все рабочие выводы (электроды) планарных приборов расположены на одной поверхности кристалла (чипа). Планарный транзистор приведен на рис. 1.2б. Однако на практике планарную технологию принимают более узко как технологический цикл создания кремниевых приборов и ИС с использованием локальной диффузии, эпитаксии и оксидных масок. Этот технологический цикл будет рассмотрен более подробно. После изготовления транзисторов кремниевая пластина – подложка разрезается по вертикали и горизонтали на множество отдельных кристаллов (чипов), содержащих по одному транзистору. Размеры чипов находятся в пределах от 1,5х1,5 мм до 6х6 мм и выше. По мере усовершенствования технологии размеры чипов имею тенденцию к увеличению. Чем больше площадь чипа, тем больше может быть размещено на нем транзисторов. Однако увеличение пощади чипа связанно с существенным увеличением трудностей в технологии [1]. После разрезания чип с транзистором помещают в отдельный герметизированный корпус с внешними выводами. Внешние выводы соединяют с контактной площадкой на чипе. Из готовых транзисторов получают электрическую схему функционального узла, соединяя транзисторы и другие компоненты схемы пайкой.

Идея интеграции состоит в том, что на исходной кремниевой пластине – подложке вместо множества отдельных транзисторов получают множество отдельных "комплектов". Каждый "комплект" содержит все компоненты (транзистора, диоды, резисторы и т.д.), необходимые для построения функционального узла. Эти компоненты соединяются между собой в электрическую схему при помощи напыления на туже поверхность чипа металлических полосок межсоединений (см. рис. 8.2г).вот это и есть интегральная микросхема. Все ИМС тоже регулярно расположены на поверхности подложки (см. рис. 8.2е). Пластина – подложка с ИМС тоже разрезается на множество чипов. Каждый чип содержит одну ИМС. Чип помещается в герметизированный корпус внешними выводами. Микросхема готова. Технология получения дискретных транзисторов и ИМС почти одинакова, за исключением операции нанесения межсоединений в ИМС.

 

Планарно – эпитаксиальный цикл.

Для получения микросхем наиболее удобными оказались тонкие слои кремния, полученные методом эпитаксиального наращивания. Такие слои (пленки) называют эпитаксиальными. При этом весь цикл изготовления микросхем, включая последующие операции, называют планарно – эпитаксиальным. В качестве примера далее рассмотрим цикл изготовления очень простой микросхемы. Электрическая схема этой ИМС приведена на рис. 8.2д.

 

Эпитаксия.

Эпитаксией называют процесс наращивания тонких монокристаллических слоев на подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки. Для получения микросхем эпитаксиальный слой n – типа наращивается на исходной кремниевой пластине – подложке p – типа, описанной в П.8.2.1. В принципе можно получать эпитаксиальный слой любого типа проводимости на подложке с любым типом проводимости [1]. Однако в силу ряда причин чаще используется эпитаксиальный слой n – типа на подложке p – типа. В общих чертах типовой (хлоридный) процесс происходит в такой последовательности. Готовые монокристаллические кремниевые пластины – подложки p – типа помещают в кварцевую трубу. Через кварцевую трубу протекает поток водорода, содержащий небольшую концентрацию примеси тетрахлорида кремния SiCl₄. при высокой температуре (около 1200 ⁰С) на поверхности кремниевых пластин происходит реакция, в результате которой на пластине – подложке постепенно осаждается слой чистого кремния, а пары HCl уносятся потоком водорода. Осажденный (эпитаксиальный) слой монокристалличен и имеет ту же кристаллографическую ориентацию, что и подложка. Для получения проводимости слоя n – типа к парам тетрахлорида кремния добавляют пары соединений бора. Границы между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается идеально резкой. Поэтому очень трудно получить сверхтонкие пленки толщиной менее 1 мкм. Обычно получают эпитаксиальный слой толщиной 1¸10 мкм. Такие тонкие однородные слои невозможно получить другими средствами.

 

Фотолитография.

Как уже указывалось, фотолитография используется для получения окисной маски (системы окон в слое окисла). Процесс фотолитографии включает в себя несколько основных операций. На кремниевую пластину – подложку, покрытую сплошным слоем окисла, наносится тонкая пленка (до 1 мкм) фоторезиста – разновидности фотоэмульсии, чувствительной к ультрафиолетовому свету. Фоторезисты бывают негативные (аналогично обычным фотонегативам) и позитивные. Примем, для определенности, в дальнейшем изложении положительный фоторезист. На слой фоторезиста накладывают фотошаблон, содержащий прозрачные окна точно такой конфигурации, которую нужно получить в слое окисла. Вне окон фотошаблон непрозрачен. Получение (изготовление) фотошаблона является очень сложной и трудоемкой задачей. Через фотошаблон засвечивают фоторезист кварцевой лампой. Затем фотошаблон удаляют. Фоторезист проявляют и закрепляют, в результате чего засвеченные участки фоторезиста (позитивного) удаляются. В фоторезисте остаются точно такие же окна, как в фотошаблоне (рисунок с фотошаблона переносится на фоторезист). Теперь через фоторезистивную маску (через окна в фоторезисте) производят травление пленки окисла вплоть до поверхности кремния плавиковой кислотой, которая не действует на кремний и фоторезист. Затем удаляют фоторезист (серной кислотой). Конечным итогом процесса фотолитографии является окисная маска на кремниевой пластине. Конфигурация окон в окисной маске в точности соответствует фотошаблону (рисунок фотошаблона перенесен на окисную пленку). Через окна в окисле можно проводить локальные диффузии (1-я, 2-я и 3-я), травление, металлизацию и др. Для каждой операции требуется своя маска, а значит, и свой фотошаблон. В цикле изготовления процесс фотолитографии используется многократно, поэтому на каждый цикл изготовления ИМС получают комплект фотошаблонов разной конфигурации. В пределах комплекта фотошаблоны согласованны, т.е. обеспечивают взаимную ориентацию и совместимость с заданной точностью. Совместимость последующих фотошаблонов с уже полученным рисунком на кристалле является довольно сложной проблемой.

Разрешающая способность фотолитографии. По мере увеличения степени интеграции и уменьшения размеров элементов ИС необходимо уменьшать размеры окон фотошаблона. Однако минимальные размера изображения на кристалле фотолитографии ограничиваются волновыми свойствами света. Так из-за дифракции света минимальный размер изображения на кристалле засветке ультрафиолетовым светом (с длинной волны 0,5¸0,2 мкм) не может быть менее 1¸0,4 мкм [1]. Однако при создании БИС и СБИС требуются уже элементы меньших размеров. Таким образом, возможности фотолитографии по разрешающей способности оказываются исчерпанными. Степь интеграции N при этом может достигать 10 и более.

Для повышения разрешающей способности необходимо использовать для засветки фоторезиста источники с меньшей длинной волны (более коротковолновые), например, мягкое рентгеновское излучение с длинной волны 1 – 2 нм.

За последние годы разработаны методы электронной литографии, позволяющие в несколько раз уменьшать размеры элементов ИС.

Суть электронной литографии заключается в том, что сфокусированный пучок электронов сканируют (перемещают по строкам и столбцам) по поверхности фоторезиста без фотошаблона. При сканировании величина тока электронного пучка управляется с заданной программой. В тех местах, которые должны быть засвечены, ток пучка максимален, а там где «затемнены» - минимален. Прогнозируется, что электронная литография может обеспечить степень интеграции N до (20¸30)10⁶ [1].

 

Особенности ИМС.

Как уже отмечалось, интегральная схема относится к разряду электронных приборов, поскольку она, как транзистор, диод и др., представляет единое целое, выполняет определенную функцию и должна удовлетворять определенным требованиям при поставках и эксплуатации. Однако ИМС является качественно новым типом прибора (по сравнению с транзистором), обладающих рядом важных особенностей [1]:

- 1. Главная особенность – она самостоятельно может выполнять законченную, часто очень сложную функцию: она может быть усилителем, запоминающим устройством, даже – микропроцессором. Транзистор же может выполнять какие-либо функции (усиления, генерации, запоминания и т.д.) только в составе собранной (спаянной) схемы (иногда очень сложной), включающей в себя другие компоненты (резисторы, конденсаторы, и др.).

- 2. Повышение функциональной сложности этого прибора (по сравнению с дискретными) не приводит к ухудшению основных показателей – надежности, сложности и др. Более того, все эти показатели улучшаются.

-  3. В ИМС отдается предпочтение активным элементам перед пассивными. В дискретной электронике, наоборот, оптимален вариант схемы при минимальном количестве активных элементов (транзисторов), т. к. транзистор является наиболее дорогим компонентом схемы. В ИМС задается стоимость кристалла, а не компонента. Поэтому выгоднее размещать на кристалле (чипе) больше элементов с минимальной площадью. Активные элементы в ИМС минимальную площадь, пассивные (резисторы) – максимальную. Поэтому в ИМС стараются свести к минимуму количество резисторов и их номиналы.

- 4. Параметры смежных элементов взаимосвязаны (коррелированны). Эта корреляция сохраняется и при изменении температуры, т. к. у смежных элементов температурные коэффициенты параметров (например, ТКН, b(t), I₀(t) и др.) практически одинаковы. Эта особенность обусловлена близостью расположения: смежных элементов друг от друга расположены, не дали 50¸100 мкм. На таких малых расстояниях различия электрофизических свойств материала маловероятны (исходные пластины изготовляются однородными). Значит маловероятен и значительный разброс параметров смежных элементов.

- 5. В ИМС не используют индуктивности, т. к. индуктивности занимают большую площадь на кристалле.

- 6. В ИМС по той же причине ограничено применение конденсаторов. В пастве конденсаторов (емкостей) используют барьерные емкости p – n переходов.

 

Перспективы развития.

Как уже указывалось, фотолитография исчерпала свои возможности из-за волновых свойств света (дифракции). Дальнейшее уменьшение размеров элементов обеспечивает рентгенолитография и электронная литография. Но и они имеют ограничения, обусловленные тем, что происходит существенные разупорядочение материалов за пределами окон фоторезиста. По прогнозам к 2010¸2015 развитие микроэлектроники достигнет вершин своего развития. Степень интеграции N при этом достигнет 20¸30 миллионов и более. Что же далее? Далее по прогнозам специалистов на схему микроэлектронике прейдет наноэлектроника [1]. Уже разработаны нанотехнологические установки, при помощи которых можно «сортировать» атомы: удалять атомы, заменять атомы, формировать из атомов трехмерные элементы. При этом создаются квантовые проводники с поперечными размера порядка 20Å (ангстрем), в которых, кроме всего прочего, еще значительно сокращается расстояние энергии и, следовательно, резко увеличивается быстродействие. Например, изготовленный по нанотехнологии полевой транзистор (с размерами в пределах 40¸80 нм) имеет быстродействие терагерцовом диапазоне (1 ТГц = 10¹² Гц). Уже в ближайшие годы будет достигнута сверхвысокая плотность записи информации – 10¹² бит/см², а длительность фронта изменения электрического сигнала будет достигать 10^-14 с [1]. По оценкам специалистов уже к 2005 году удастся разработать технологические установки, обеспечивающие «сборку» атомов со скоростью в один кубический дециметр вещества в час.

 

Другие альтернативы микроэлектроники.

Одновременно с развитием микроэлектроники постоянно велись и ведутся исследования по созданию альтернативной базы. Уже шесть лет предсказывается, что на смену микроэлектронике прейдет функциональная электроника, оптоэлектроника, квантовая электроника и биоэлектроника. Во всех этих направлениях к настоящему времени достигнуты обнадеживающие результаты. Но ни в одном из упомянутых направлений не создано технологической базы, обеспечивающей экономически конкурентное производство высоконадежной элементной базы [1]. Ведь бурное развитие микроэлектроники обусловлено именно высокоэффективными технологиями.  

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М.; Советское paдио, 1980.

2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1973.

3. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987.

4. Ситник Н.Х., Шурупов Г.Н. Силовые кремниевые вентильные блоки. М.: Энергия, 1972.

5. Полупроводниковые приборы: Справочник / Под ред. Н.Н. Горюнова. М.: Энергоатомиздат, 1985.

 ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение ………………………………………………………………………. 3
Развитие электроники ………………………………………………………... 3
Основные свойства электронных приборов ………………………………... 6
Глава 1. Физические основы проводимости полупроводников …………… 7
1.1. Общие сведения о полупроводниковых материалах ………………….. 7
1.1.1. Энергетические зонные диаграммы кристаллов …………………….. 8
1.1.2. Прохождение тока через металлы ………………………………… 10
1.2. Собственная проводимость полупроводников ……………………… 10
1.3. Примесная проводимость полупроводников …………………………. 13
1.3.1. Электронная проводимость.Полупроводник n -типа ……………….. 14
1.3.2. Дырочная проводимость. Полупроводник p -типа ………………… 17
1.4. Однородный и неоднородный полупроводник ………………………. 20
1.5. Неравновееная концентрация носителей ……………………………... 21
1.6. Прохождение тока через полупроводники …………………………… 22
1.7. Уточнение понятий "собственные" и "примесные" полупроводники 24
Глава 2. Количественные соотношения в физике полупроводников ……. 25
2.1. Распределение Ферми. Плотность квантовых состояний …………… 25
2.2. Функция распределения Ферми – Дирака …………………………..… 25
2.3. Плотность квантовых состояний ……………………………………… 26
2.4. Концентрация носителей в зонах ……………………………………… 26
2.5. Собственный полупроводник ………………………………………….. 28
2.6. Примесный полупроводник. Смещение уровня Ферми …………….. 30
Глава 3. Электронно-дырочный переход ………………………………….. 32
3.1. Образование и их свойства р-п перехода.………………………… 33
3.1.1. Виды р-п переходов …………………………………………….…….. 34
3.1.2. Потенциальный барьер ……………………………………………… 35
3.1.3. Токи р-п перехода в равновесии …………………………………..… 36
3.1.4. Электронно-дырочный переход при внешнем смещении ……….… 38
3.2. Вольт-амперная характеристика p - n перехода …………………...… 41
3.3. Влияние температуры на характеристику и свойства р-п- перехода... 47
3.4. Емкость р-п перехода …………………………………………………... 48
Глава 4. Полупроводниковые диоды ………………………………………. 49
4.1. Диоды ……………………………………………………………………. 49
4.1.1. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода …………………...… 49
4.1.2. Параметры диода ……………………………………………………... 52
4.2. Разновидности диодов ……………………………………………….… 53
4.2.1. Выпрямительные и силовые диоды ……………………………….… 55
4.2.2. Тепловой расчет полупроводниковых приборов …………………... 57
4.2.3. Кремниевые стабилитроны (опорные диоды) ……………………… 58
4.2.4. Импульсные диоды ………………………………………………...… 60
4.2.5. Туннельные и обращенные диоды ………………………………… 62
4.2.6. Варикапы ……………………………………………………………… 65
4.4. Обозначение (маркировка) маломощных диодов ………………….… 71
Глава 5. Биполярный бездрейфовый транзистор ……………………….… 3
5.1. Устройство и принцип действия …………………………………….… 3
5.2. Основные соотношения для токов. Коэффициент передачи токов.… 8
5.2.1. Возможность усиления тока транзистором ………………………… 9
5.3. Три схемы включения транзистора …………………………………… 10
5.4. Статические характеристики транзистора ……………………………. 13
5.5. Предельные режимы (параметры) по постоянному току транзистора 18
5.6. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы транзистора... 19
5.6.1. Зависимость внутренних параметров транзистора от

режима и от температуры …………………………………………………... 23
5.6.2. Четырехполюсные h -параметры транзистора и

эквивалентная схема с h -параметрами.………………………...………….. 25

5.6.2.1. Определение h -параметров по статическим характеристикам..… 29
5.6.2.2. Связь между внутренними параметрами и h -параметрами ……… 30
5.7. Частотные свойства транзисторов. Дрейфовый транзистор ………… 32
5.7.1. Частотно-зависимые параметры …………………………………..… 32
5.7.2. Дрейфовый транзистор ……………………………………………... 35
Глава 6. Полевые (униполярные) транзисторы ………………………… 37
6.1. Унитрон ………………………………………...……………………… 38
6.2. МОП-транзистор …………………………………………………….… 41
6.2.1. МОП-транзистор со встроенным каналом ………………………… 41
6.2.2. МОП-транзистор с индуцированным каналом n -типа ………….… 43
6.3. Параметры и эквивалентная схема полевого транзистора ……….… 44

6.4. Обозначение (маркировка) и типы выпускаемых транзисторов...… 47
Глава 7. Тиристоры ……………………………………………………...… 49
7.1. Устройство и принцип действия тиристоров ……………………….. 50
7.2. Закрытое и открытое состояние тиристора ………………………….. 52
7.2.1. Закрытое состояние тиристора (ключ отключен) ………………… 52
7.2.2. Открытое состояние тиристора (ключ включен) …………………. 53
7.3. Включение и выключение тиристора ………………………………... 54
7.4. Параметры тиристора …………………………………………………. 57
7.5. Типы и обозначения силовых тиристоров …………………………... 59

Глава 8. Интегральные микросхемы ……………………………………… 61
Библиографический список ……………………………………………….. 78
 

Общие сведения о микросхемах.

Классификация микросхем.

Все выпускаемые отечественные интегральные микросхемы (ММС) подразделяются на группы, подгруппы и виды. В зависимости от конструктивно-технического исполнения ИМС подразделяются на три группы: полупроводниковые, пленочные, гибридные.

 

Группы ИМС.

Полупроводниковые ИМС. Это микросхемы, все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла. Краткое определение полупроводниковых ИМС, как электронных полупроводниковых приборов данного во введении. Следует добавить, что составляющие полупроводниковую микросхему транзисторы, диоды, резисторы выполняются в приповерхностном слое тонкого полупроводникового кристалла, называется подложкой. Существуют и другие определения ИМС. Например, более общее, охватывающее все типы[1]: ИМС есть совокупность, как правило, большого количества взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т. п.), изготовленных в едином технологическом цикле на одной и той же несущей конструкции - подложке - и выполняющая определенную функцию преобразования сигнала.

Полупроводниковые ИМС составляют основу современной микроэлектроники и будут рассмотрены более подробно.

Пленочные ИМС. Это микросхемы, состоящие только из пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей), выполненных в виде разного рода пленок нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. Различают тонкопленочные (толщина пленок до 1÷2 мкм) и толстопленочные ИМС (толщина до 10÷20 мкм). Из-за отсутствия активных элементов функции пленочных ИС крайне ограничены.

Гибридные ИМС (ГИС). Это комбинация пассивных пленочных элементов и активных дискретных компонентов (транзисторов, диодов), расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные компоненты, входящие в состав ГИС, называют навесными компонентами, подчеркивая этим их обособленность от основного технологического цикла получения ГИС. Кроме транзисторов и диодов, навесными компонентами ГИС могут быть полупроводниковые ИМС.

Принадлежность конкретной ИМС к - соответствующей группе отражается первой цифрой в обозначении ИМС:

- 1,5,6,7 - полупроводниковые;

- 2,4,8 - гибридные;

- 3 - прочие (куда входят пленочные).

-

Подгруппы и виды ИМС.

Другой классификационный признак ИМС – подгруппы и виды. Ему соответствуют две буквы в обозначении ИМС. Деление на подгруппы и виды осуществляется в зависимости от характера выполняемых ими функций в радиоэлектронной аппаратуре. Например, подгруппы (1-я буква): генераторы, усилители, ключи, преобразователи и т. д. Микросхемы в подгруппе подразделяются на виды (2-я буква), различающиеся по роду тока, частоте, форме сигнала и др. например, подгруппа усилители (У) подразделяется на виды: усилитель низкой частоты (Н), высокой частоты (В), постоянного тока (Т) и т. д. Деление ИМС на подгруппы, виды и их условные обозначения установлены (рекомендованы) ОСТ11073.915 – 80. в таблице 8.1 в качестве примера приведены некоторые подгруппы и виды (наиболее часто применяемые) и их обозначения. Полная таблица всех подгрупп и видов довольно внушительна. Кроме того, по мере развития микроэлектроники ГОСТ периодически изменяется, что, как правило, приводит к появлению в обозначениях. Пользоваться нужно действующим

 

Аналоговые и цифровые ИМС.

В зависимости от вида обрабатываемого сигнала все микросхемы делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговыми называют микросхемы, предназначенные для обработки и преобразования аналоговых сигналов. К аналоговым сигналам относят сигналы, изменяющиеся по закону непрерывной функции. Например, усилители (У), генераторы (Г) в табл. 8.1 относятся к аналоговым ИМС.

Цифровыми называют микросхемы, предназначенные для обработки и преобразования цифровых сигналов. К цифровым сигналам относят сигналы, изменяющиеся по закону дискретной функции и выраженные в цифровом виде. В наиболее распространенной двоичной системе цифровой сигнал имеет два значения - нуль (0) и единица (1). Например, триггеры (Т), логические элементы (Л) в табл. 8.1 относятся к цифровым ИМС.

 

Степень интеграции.

Интегральные схемы подразделяют по функциональной сложности ИС. Функциональную сложность характеризуют степенью интеграции N, под которой понимают количество элементов в кристалле (чипе). Обычно N характеризуют количеством транзисторов в чипе. К настоящему времени N достигает 100000 и более. Повышение степени интеграции, а вместе с ней и сложности выполняемых микросхемой функции – одна на главных (объективных) тенденций микроэлектроники. Для количественной оценки введем условный коэффициент К степени интеграции (ГОСТ 17021 - 88):

                                       К=lgN,                                (8.1)

 

Таблица 8.1

Подгруппа ИМС (обозначения)	Вид ИМС (обозначения)	Обозначение подгруппы и вида
Генераторы (Г)	Гармонических сигналов (С)	ГС
	Прямоугольных сигналов (Г)	ГГ
	Сигналов специальной формы (Ф)	ГФ
	Линейно-изменяющихся сигналов (Л)	ГЛ
	Шума (М)	ГМ