9763

Основы микроэлектроники. Технологии изготовления ИС

Реферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Основы микроэлектроники Основные понятия микроэлектроники: микроэлектроника интегральная микросхема (ИС) элементы и компоненты интегральных схем монолитные (полупроводниковые, твёрдые), плёночные, гибридные и совмещенные ИС навесные компоненты ...

Русский

2013-03-16

55.49 KB

54 чел.

Основы микроэлектроники

Основные понятия микроэлектроники: микроэлектроника; интегральная микросхема (ИС); элементы и компоненты интегральных схем; монолитные (полупроводниковые, твёрдые), плёночные, гибридные и совмещённые ИС; навесные компоненты; биполярные ИС и ИС МДП-структуры; степень интеграции; плотность упаковки; аналоговые и цифровые ИС.

Технологии изготовления ИС.

Изоляция элементов в монолитных микросхемах. Изоляция обратносмещённым p-n-переходом.

Изоляция диэлектриком.

Элементы интегральных схем. Многоэмиттерный транзистор. Многоколлекторный транзистор. Транзистор с барьером Шоттки. Интегральные диоды. Интегральные стабилитроны. Интегральные конденсаторы и резисторы.

Основные понятия микроэлектроники: микроэлектроника; интегральная микросхема (ИС)

Микроэлектроника, область электроники, занимающаяся созданием электронных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении. 

Интегральная схема, интегральная микросхема, микроминиатюрное электронное устройство, все или часть элементов которого нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. Различают 2 основных типа ИС.: полупроводниковые (ПП) и плёночные.

элементы и компоненты интегральных схем

  Основным активным элементом микросхем являются биполярные транзисторы  типа n-p-n. Кроме того используются диоды  на основе
p-n-переходов и переходов
металл-полупроводник (диоды Шотки), полупроводниковые резисторы,
пленочные резисторы, изготовляемые в поликристаллическом слое кремния.

Основным элементом МДП-микросхем являются МДП-транзисторы с каналом n-типа.  Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому для микросхем на n-канальных
МДП-транзисторах  достигается самая высокая степень интеграции.   
Но они уступают биполярным структурам по быстродействию из-за наличия относительно большой распределенной емкости.

Основным элементом МДП-микросхем являются МДП-транзисторы с каналом n-типа.  Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому для микросхем на n-канальных
МДП-транзисторах  достигается самая высокая степень интеграции.   
Но они уступают биполярным структурам по быстродействию из-за наличия относительно большой распределенной емкости.

  Гибридная интегральная микросхема содержит пленочные пассивные элементы и навесные активные компоненты.
  На диэлектрическую подложку наносятся пленочные резисторы и пленочные конденсаторы. На подложку устанавливаются также бескорпусные биполярные структуры с проволочными выводами.  
Выводы соединяются с металлическими слоями других компонент с помощью пайки или компрессионной сварки.

монолитные (полупроводниковые, твёрдые), плёночные, гибридные и совмещённые ИС

Монолитные ИС -чаще всего используются в СВЧ-диапазоне в приложениях, где необходимы небольшие размеры и высокая надежность. Примерами систем на базе МИС могут служить приемники и передатчики систем связи, фазированные антенные решетки (ФАР), датчики, работающие на сверхвысоких частотах и т. п. В последнее время МИС широко используются в сотовой и спутниковой телефонии, устройствах глобального позиционирования GPS. Характерным признаком монолитных ИС является их низкая степень интеграции в сравнении с цифровыми микросхемами. Монолитная ИС обычно представляет собой функционально законченное устройство, не требующее использования каких-либо внешних задающих и подстроечных элементов.

Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

толстоплёночная интегральная схема;

тонкоплёночная интегральная схема.

Плёночные элементы распространены в гибридных интегральных схемах. В этих схемах на подложку сначала наносятся в виде тонких или толстых плёнок пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, проводники тока), а затем с помощью микроманипуляторов монтируют активные элементы — бескорпусные ПП микроэлементы (транзисторы и диоды).

СОВМЕЩЁННАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА

интегральная схема, в которой все активные элементы (напр., диоды, транзисторы) выполнены в объёме и на поверхности ПП подложки по пленарной технологии, а пассивные элементы (напр., резисторы, конденсаторы) и межэлементные соединения нанесены в виде плёнок на поверхность сформированной монолитной структуры. По сравнению с полупроводниковыми интегральными схемами С. и. с.(лучше не сокращай) имеют больший диапазон номин. значений и более высокую стабильность пассивных элементов; однако достоинства С. и. с. достигаются за счёт увеличения числа технологич. операций и нарушения единства технология, цикла. По степени интеграции С. и. с. приближаются к ПП ИС.

В качестве навесных компонентов в ГИС применяют миниатюрные дискретные резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки, дроссели, трансформаторы.

навесные компоненты

Навесные компоненты в ИС применяются в крайних случаях и в основном только потому что нет возможности выполнить их на схеме в микроварианте либо не удается получить требуемые характеристики. Наиболее часто в навесном исполнении выполняются катушки индуктивности .

биполярные ИС и ИС МДП-структуры; степень интеграции; плотность упаковки; аналоговые и цифровые ИС.

В ИМС применяются в основном транзисторы
n-p-n-типа. Их особенность в интегральном исполнении состоит в наличии дополнительных областей, изолирующей их от общей полупроводниковой подложки.
Все выводы от областей транзистора располагаются в одной плоскости на поверхности подложки. Такая структура  называется планарной.

В комплементарных МДП-микросхемах применяют МДП – транзисторы с индуцированными каналами n- и р- типа. Для этих микросхем характерна очень малая потребляемая мощность от источника питания.  

малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,

средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,

большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле,

сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 1 миллиона элементов в кристалле,

ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле,

гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле.

Типичная современная интегральная микросхема может содержать сотни транзисторов, резисторов, диодов и конденсаторов. Благодаря такой высокой плотности становится возможным строить целые схемы, используя всего пару-тройку корпусов. ИС являются "кирпичиками", из которых строятся более сложные схемы. Вы просто связываете отдельные микросхемы и в результате получаете практически любое готовое электронное устройство.

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 (температуры и др.)

[править]Цифровые схемы

Логические элементы

Триггеры

Счётчики

Регистры

Буферные преобразователи

Шифраторы

Дешифраторы

Цифровой компаратор

Мультиплексоры

Демультиплексоры

Сумматоры

Полусумматоры

Ключи

АЛУ

Микроконтроллеры

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

Однокристальные микрокомпьютеры

Микросхемы и модули памяти

ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором — через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.

Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.

Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

[править]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.

Технологии изготовления ИС.

 Структуры, электрические параметры микросхем и их элементов определяются технологией изготовления.
  Создание микросхем начинается с создания монокристаллических  полупроводниковых слитков  цилиндрической формы. Их получают в специальных реакторах путем выращивания кристалла из расплава кремния. Далее слитки многократно пропускают через индукционные печи с местным нагревом для удаления примесей и дефектов кристаллической решетки. Примесей должно быть менее одного атома на миллион атомов кремния.

     Слитки выращивают также на космических станциях.

Технологические приемы выращивания микросхем

 Эпитаксия -  процесс наращивания на пленку монокристаллического  слоя, повторяющего структуру подложки или ее кристаллографическую ориентацию.
Эпитаксиальная пленка создается на всей поверхности подложки. Одновременно в нее вводятся примеси , распределяющиеся равномерно по объему  пленки.
   На границе раздела пленки с подложкой  формируют p-n, n+-n p+-p переходы.
  Эпитаксия проходит в газофазной среде в реакторе при высокой температуре. В реактор последовательно подаются необходимые химические элементы.

Диффузия примесей – технологическая операция легирования – введение примесей в пластину или эпитаксиальную пленку.
    При высокой температуре (около 1000 оС) примесные атомы поступают через поверхность  и распространяются  вглубь вследствие теплового движения.
   Основной механизм проникновения  примесного атома  в кристаллическую решетку состоит в  последовательном  перемещении  по вакантным местам  решетки.

Как правило, легирование ведется  чрез  маску двуокиси кремния или нитрида кремния Si3N4.

    
Концентрация  вводимых примесей максимальна у поверхности и спадает по направлению в глубь пластины.

    Ионное легирование – технологическая операция  введения примесей  в поверхностный  слой пластины или эпитаксиальной пленки путем  бомбардировки ионами примесей.
    Получение ионов, их ускорение и фокусировку производят в специальных вакуумных установках.
   Пары легирующих элементов поступают в ионизационную камеру, где возбуждается  высокочастотный или дуговой электрический разряд.

   Образовавшиеся ионы ускоряются  в электрическом поле (до 300 кВ), фокусируются  в пучок с плотностью
тока до 100 А/м2 и площадью сечения 1-2 мм2.
Система сканирования обеспечивает перемещение пучка по заданной траектории. 

Травление представляет собой удаление  поверхностного слоя чаще всего химическим путем.
   Его применяют для получения максимально ровной бездефектной  поверхности пластин, удаления двуокиси и других слоев с поверхности.
   Локальное травление  используется для получения рисунка поверхности и масок.
   В основе жидкостного травления лежит  химическая реакция  жидкого травителя и твердого тела, в результате которой образуется  растворимое соединение.
   Локальное травление  осуществляется  через  маску.

Литография – процесс формирования отверстий в масках, создаваемых на поверхности пластин, предназначенных для локального легирования, травления, окисления, напыления и других операций.
  Она основывается на использовании светочувствительных  полимерных материалов – фоторезистов, которые могут быть негативными и позитивными. Негативные фоторезисты  под действием  света  полимеризуются и становятся  нерастворимыми в специальных веществах – проявителях.
   После локальной засветки  растворяются и удаляются  незасвеченные участки.

Изоляция элементов в монолитных микросхемах. Изоляция обратносмещённым p-n-переходом

Изоляция элементов диэлектриком имеет несколько вариантов.

Метод изоляции окислом позволяет получить хорошую изоляцию как по постоянному, так и по.

Кроме того, данный метод диэлектрической изоляции позволяет изготовить на одном кристалле высокочастотные и низкочастотные диоды методом селективной диффузии золота, облегчает получение в одном кристалле р-п-р- и /г-уО-п-транзисторов.

Изоляция диэлектриком

Метод диэлектрической изоляции целесообразно использовать при разработках микромодцньис логических полупроводниковых интегральных 'Микросхем; Основным недостатком его является более высокая, еттшастъ по сравнению с планарно-элитаксиальным.

Многоэмиттерный транзистор

   Многоэмиттерные транзисторы n-p-n-типа отличаются от обычных тем, что в их базовой области р-типа создают несколько эмиттерных областей n+-типа.
    Основная область применения МЭТ – цифровые микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

Транзистор с барьером Шотки

     Многоколлекторные транзисторы. Структура многоколлекторного

транзистора (МКТ) (рисунок 6.4 а) такая же, как и структура МЭТ, но

используется она иначе. Здесь роль эмиттера выполняет эпитаксиальный n-слой,

а коллекторами являются высоколегированные n -слои малых размеров. Поэтому

МКТ можно рассматривать как МЭТ в инверсном режиме

Интегральный диод.

Любой из р-n - переходов планарно-эпитаксиальной структуры может быть использован для формирования диодов, но только переходы база - эмиттер и база - коллектор действительно удобны для схемных применений. Имеется пять возможных вариантов диодного включения интегрального транзистора: а - переход база - эмиттер с коллектором, закороченным на базу; б - переход коллектор - база с эмиттером, закороченным на базу; в - параллельное включение обоих переходов; г - переход база - эмиттер с разомкнутой цепью коллектора; д - переход база - коллектор с разомкнутой цепью эмиттера.

Полупроводниковый резистор — полупроводниковый прибор с двумя выводами, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от напряжения. В полупроводниковых резисторах применяют полупроводник, равномерно легированный примесями. В зависимости от типа примесей удаётся получить различные зависимости сопротивления от напряжения.

Конденсатор

 Структура МДП-конденсатора может быть следующей.

Одной из обкладок является  n+-слой, другой – слой металла (алюминий), а диэлектриком – слой диоксида кремния


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63265. Сусіди давніх слов’ян 33.53 KB
  Мета: розглянути господарське, суспільне та духовне життя міст-держав північного Причорноморя в римський період їхньої історії; ознайомитися з особливостями історичного розвитку сусідів словян та простежити, який вплив мали словяни та їхні сусіди один на одного.
63266. Слов’яни під час Великого переселення народів 21.63 KB
  Мета. Показати напрямки розселення словян, розглянути різні наукові підходи до визначення витоків українського народу. Очікувані результати. Після цього уроку учні зможуть: називати час Великого переселення народів, вторгнення готів, гунів, народи, що населяли територію України...
63267. Урок узагальнення з теми «Давні слов’яни та їхні сусіди» 18.19 KB
  Мета. систематизувати та узагальнити знання, здобуті учнями впродовж вивчення теми, удосконалити навички роботи в групі, надати учням можливість висловлювати власне ставлення до проблем, що розглядаються.
63268. Оцінювання навчальних досягнень учнів із тем «Пізня Римська імперія» та «Давні слов’яни та їхні сусіди» 20.37 KB
  Мета: оцінити навчальні досягнення учнів за результатами вивчення тем шляхом проведення гри «Брейн-ринг», підвищити пізнавальну активність шестикласників у вивченні історії стародавнього світу.
63272. Урок доброты 18.76 KB
  Аделя: Сегодня у нас с вами необычный урок урок доброты. Аделя: Итак что такое добро Где вы его встречали Дети отвечают Аделя: Да это все хорошее доброе красивое. Согласны Аделя: Добрые слова не лень Повторять мне трижды в день.