Электроника и схемотехника аналоговых устройств

1) при Ф = 0 (режим неосвещённого диода) будет равновесное состояние, p-n переход заперт, следовательно, суммарный ток через переход равен нулю;

2) при Ф > 0. Если энергия падающего фотона больше ширины запрещенной зоны, то валентный электрон перейдёт в зону проводимости и образуется пара подвижных носителей - электрон и дырка. Так как концентрация носителей в запирающем слое меньше, чем в р и n областях, то из-за градиента они диффундируют к p-n переходу. На границе перехода они разделяются. Под действием поля перехода (контактной разности потенциалов) неосновные носители перебрасываются в область, где становятся основными, т.е. дырки переходят в р-зону, а электроны - в n-зону В области р накапливается избыточный положительный заряд дырок, в n - избыточный отрицательный заряд электронов, т.е на выводах образуется фотоэдс - Ф, который приложен к p-n-переходу в прямом направлении.

Таким образом за счёт светового потока Ф увеличивается дрейфовая составляющая тока - фотоэдс Ф. Фотоэдс в свою очередь уменьшает потенциальный барьер и увеличивает диффузионный ток.

Определим величину фотоэдс Ф.

Сумма токов в диоде

IЕ - IД + IФ = 0,

где IЕ. - дрейфовый ток, IД - диффузионный ток, IФ - фототок.

IЕ=I0 - тепловому току p-n перехода.

Диффузионный ток

IД=I0•еxp(Ф /Т),

Фототок

Iф= IД - IЕ = I0 [еxp(Ф /Т) -1)],

Отсюда

Ф=Т••ln[(IФ/I0+1)].

Фотоэдс Ф зависит от освещенности, длины волны , ширины запрещенной зоны, времени жизни носителей, подвижности электронов, состояния поверхности;

б) фотодиодный или фотопреобразовательный режим.

Напряжение внешнего источника включается в обратном направлении к диоду:

а) при Ф = 0 через переход течёт обратный тепловой ток - I0;

б) под действием Ф > 0 увеличивается число пар носителей и увеличивается обратный ток - фототок. Общий ток через диод Iобщ=I0+I Ф.

К основным характеристикам фотодиода относятся:

а) вольт-амперная характеристика

I=f(U)|Ф= const (рисунок 8.8).

Здесь в IV квадранте отражен генераторный режим:

1) при I = 0 (режим холостого хода)

U = ф - фотоэдс;

2) при U = 0 (режим короткого замыкания) течет ток Iкз;

3) при RH 0 ток I = ф / RH.

В III квадранте отражен фотодиодный режим. При Ф = 0 характеристика совпадает с обратной ветвью выпрямительного диода (темновой режим). С увеличением Ф увеличивается фототок IФ. Общий ток Iобщ равен сумме обратного тока и фототока Iобщ=I0+IФ.

В I квадранте - при Ф = 0 ВАХ как у выпрямительного диода.

При Ф > 0 Iпр >> IФ и IФ не отличить на фоне Iпр. Поэтому фотодиод в прямом включении не используется. Так как IФ и Iобр соизмеримы, фотодиод включается в обратном направлении;

б) спектральная характеристика

Iф=f().

Германиевый фотодиод имеет более широкий спектр (рисунок 8.9);

в) энергетические



Iф=f(Ф)

1) световая (для вентильного режима - рисунок 8.10,а)

Iф=f(Ф)|Rн = const,

при RН = 0 Iф изменяется прямо пропорционально световому потоку Ф, с увеличением RН увеличивается URH и характеристика отличается от линейной;

2) световая (для фотодиодного режима - рисунок 8.10,б)

Iф=f(Ф) |U=const

Основные параметры:

а) выходное сопротивление Rвых - десятки мегаом;

б) чувствительность

К=IФ/Ф|U=const

- несколько десятков мА/лм;

в) темновой ток IТ, ток при Ф=0 и Uобр=1В.

К недостаткам относятся:

а) сильное влияние температуры;

б) инерционность;

в) низкий коэффициент преобразования из-за потерь.

Фотодиоды применяются:

а) для регистрации слабых низкочастотных световых сигналов;

б) при преобразовании световой энергии в электрическую (солнечные батареи, источники питания);

в) в устройствах считывания информации;

г) автоматике, фотометрии, при контроле наличия источников излучения и др.

Фототранзистор биполярный

Это фотоэлектронный транзистор с двумя или более выводами. Имеет структуру плоскостного транзистора и выводы от эмиттера, коллектора и базы.

Свет воздействует на базу.

Используются два режима:

а) с оборванной (плавающей) базой;

б) с задействованной базой.

Рассмотрим режим работы с оборванной базой:

а) при Ф=0 через коллекторный переход течёт сквозной ток коллектора IКОС, который называется темновым (обратный ток коллектора в схеме с ОЭ при Iб=0 - оборванной базе).

IТК=IКОС= I КО /(1 - );

б) при Ф>0 фотоны вызывают генерацию пар в базе. Дырки полем КП втягиваются в коллектор, а электроны скапливаются в базе. Они уменьшают потенциальный барьер в ЭП, что создаёт дополнительную инжекцию дырок из эмиттера и увеличивают ток коллектора IК. Электроны, возникающие при внутреннем фотоэффекте, создают фототок IФ, пропорциональный световому потоку Ф, и играют управляющую роль тока базы.

При равных световых потоках Ф, воздействующих на диод и транзистор, полное приращение IК в фототранзисторе больше фототока IФ диода в (+1) раз

IФТ=IФд(1+).

Максимальная чувствительность получается при освещении участка базы, непосредственно примыкающего к коллектору, так как далеко от него они рекомбинируют, а эмиттерный контакт сдвигают, чтобы мертвая зона находилась с краю светочувствительной площадки.

Основные характеристики:

а) выходные

IK=f(UКЭ) при Ф=const

аналогичны с выходными характеристиками биполярного транзистора с ОЭ, но параметром является вместо тока базы IБ световой поток Ф.

б) энергетические и спектральные характеристики подобны фотодиодным.

Фототиристор преобразовывает световой сигнал в электрический. Имеет ту же структуру, что и обычный тиристор, но с прозрачным окном (рисунок 8.11). Здесь:

1 - прозрачный слой;

n1, p2 - базы;

n2, p1 - эмиттеры;

УЭ - управляющий электрод.

На ВАХ, как и у простого тиристора, имеет место участок с отрицательным сопротивлением.

Рассмотрим режимы работы:

а) при Ф=0 режим как у обычного тиристора, течёт темновой ток;

б) при Ф > 0 световой поток управляет моментом включения тиристора. Генерируются пары носителей, дырки отбрасываются в р-область, а электроны в - n-область. Продвигаясь к эмиттерным переходам, они уменьшают их потенциальные барьеры и увеличивают диффузионные токи. При некоторых Ф, М = 1 и тиристор включается. Через него течет ток



I=(IК0 + IФ)/(1 - М),

где IФ - суммарный фототок - равен

IФ= IФ2+IФ11+IФ33.

Управление световым потоком Ф имеет преимущество перед электрическим, так как позволяет осуществлять гальваническую развязку управляющей цепи от силовой.

УЭ _ дополнительный электрод _ введен для:

а) создания определённого режима работы;

б) температурной компенсации;

в) стабилизации светочувствительности.

Основные характеристики фототиристора:

а) спектральная, как у фототранзистора;

б) ВАХ - как у тиристора;

в) характеристика управления

Uвкл =f(Ф)

приведена на рисунке 8.12, где

Uвкл0 - Uвкл при Ф = 0. Это максимальное напряжение включения при затемнении;

Uост - минимальное Uвкл при Фспр;

Фспр - максимальный световой поток, при котором ВАХ спрямляется;

Фпор - начальная нечувствительность к управляющему световому потоку;

г) Световая характеристика



IФ=f(Ф) при U=const

приведена на рисунке 8.13.

Применяется фототиристор в разных автоматических устройствах в качестве бесконтактных ключей для коммутации электрических цепей большой мощности.

Достоинствами прибора являются малое потребление мощности, малые габариты, малое время включения и отсутствие старения.

Элементарный оптрон - пара с фотонной связью

Оптрон - это активный элемент, сочетающий источник света и согласованный с ним фотоприемник, в котором внешний электрический сигнал преобразуется в оптический, усиливается, затем снова преобразуется в электрический, либо наоборот, но обязательно коэффициент усиления должен быть больше единицы.

Основное достоинство - возможность разделения входной и выходной цепей, т.е. имеет место гальваническая или оптическая развязка.

Оптроны подразделяются на два вида:

а) оптрон с внешней фотонной связью и внутренней электрической.

ФП - фотоприемник, У - усилитель электрических сигналов, ИС - источник света.

Выходная яркость ВВЫХ изменяется пропорционально входной ВВХ. Оптический сигнал преобразуется в электрический, затем усиливается электронным усилителем и снова преобразуется в оптический.

Если ВВЫХ > ВВХ при одинаковом спектральном составе, то имеет место гомохроматическое усиление излучения, при ВВЫХ > ВВХ и разных спектрах - гетерохроматическое усиление или преобразование излучения. Можно преобразовывать одну длину волны в другую. При оптических ФП и ИС происходит усиление света.

Рабочий участок - линейная часть характеристики, при больших и малых значениях яркости появляется нелинейность.

Оптрон - основа оптоэлектронных усилителей и преобразователей изображения. Изображение на входе матрицы, состоящей из большого числа оптронов, будет на выходе усилено или преобразовано (например, невидимое в видимое);

б) оптрон с внутренней фотонной связью.

Здесь ИС - источник света, С - световод, ФП - фотоприемник. Все это помещено в герметичный светонепроницаемый корпус. Электрический сигнал преобразуется в оптический, усиливается и вновь преобразуется в электрический.

Оптроны используются для преобразования, усиления, генерирования, формирования электрического сигнала и т.д.

Если оптрон имеет один излучатель и один приемник, он называется оптопарой или элементарным оптроном.

Микросхема из нескольких оптопар с дополнительными согласующими и усилительными устройствами называется оптоэлектронной интегральной микросхемой.

Достоинствами оптронов являются:

а) электрическая развязка приемника и излучателя;

б) широкая полоса частот (0…1014 Гц);

в) повышенная помехозащищенность от внешних электромагнитных полей;

г) возможность совмещения с другими полупроводниковыми приборами.

К недостаткам относятся:

а) большая потребляемая мощность;

б) невысокая температурная стабильность и радиационная стойкость;

в) старение и изменение параметров;

г) высокий уровень собственных шумов.

В основном в качестве источника света в оптронах используется светодиод инжекционный. Спектр излучения зависит от материала изготовления и различается типом фотоприемника:

а) резисторная оптопара (рисунок 8.17,а), в которой источник света - светодиод, фотоприемник - фоторезистор из селенида кадмия, сульфида кадмия или свинца;

б) диодный оптрон (рисунок 8.17,б) представляет сочетание светодиода (GaAs) с фотодиодом (Si);

в) фотоварикапный оптрон (рисунок 8.17,в);

г) транзисторный оптрон - арсенидгаллиевый светодиод с кремниевым фототранзистором (рисунок 8.17,г);

д ) оптрон с составным транзистором, у него выше чувствительность, но мало быстродействие (рисунок 8.17, д);

е) транзисторный оптрон с диодом (рисунок 8.17,е), быстродействие выше, чем у предыдущего оптрона;

ж) оптрон с однопереходным транзистором (рисунок 8.17,з).

Однопереходный фототранзистор можно использовать:

1)как фоторезистор при включении только баз;

2) как фотодиод при включении только эмиттерного перехода;

3) как однопереходный транзистор при включении всех трех электродов;

и) оптрон с полевым транзистором имеет хорошие линейные выходные характеристики, удобен для использования в аналоговых схемах;

к) тиристорный оптрон. От фоторезисторных и фотодиодных оптронов отличается высокой нагрузочной способностью при повышенных рабочих напряжениях.

л) оптоэлектронные интегральные схемы (ОЭ ИС) имеют оптическую связь между отдельными компонентами. В этих микросхемах на основе диодных, транзисторных и тиристорных оптопар кроме источников света и фотоприемников содержатся устройства для обработки сигналов от фотоприемника. Особенность ОЭ ИС _ однонапрвленная передача сигнала и отсутствие обратной связи. Техника оптоэлектронных приборов перспективна и непрерывно развивается.

ТЕМА №12. Микроэлектроника

Интеграмльная (микро)схемма (ИС, ИМС, м/сх, англ. integrated circuit, IC, microcircuit), чип, микрочимп (англ. microchip, silicon chip, chip -- тонкая пластинка -- первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) -- микроэлектронное устройство -- электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

Краткая историческая справка. Первые опыты по созданию полупроводниковых интегральных схем были осуществлены в 1953 г., а промышленное производство интегральных схем началось в 1959 г. В 1966 г. был начат выпуск интегральных схем средней степени интеграции (число элементов в одном кристалле до 1000). В 1969 г. были созданы интегральные схемы большой степени интеграции (большие интегральные схемы, БИС), содержащие до 10 000 элементов в одном кристалле.

В 1971 г. были разработаны микропроцессоры, а в 1975 г. -- интегральные схемы сверхбольшой степени интеграции (сверхбольшие интегральные схемы, СБИС), содержащие более 10 000 элементов в одном кристалле. Полезно отметить, что предельная частота биполярных транзисторов в полупроводниковых интегральных схемах достигает 15 ГГц и более (1 ГГц = 109 Гц).

Интегральные микросхемы представляют собой конструктивно законченные миниатюрные электронные устройства, предназначенные для усиления, генерирования или преобразования электрических сигналов. Они состоят из кристалла полупроводника (германия или кремния), в котором отдельные участки эквивалентны активным (диод, транзистор) или пассивным (резистор, конденсатор, катушка индуктивности) элементам.

Микросхемы помещают в металлические или металлостеклянные корпуса прямоугольной формы размером 22X22X4 мм или цилиндрической диаметром 9,4 мм. Корпуса могут быть также изготовлены из полимерных материалов, а выводы -- из латуни. Бескорпусные микросхемы защищают, выполняя заливку полимерными материалами -- термореактивными компаундами.

Микросхемы классифицируются по технологическим принципам их изготовления, интеграции элементов и функциональному назначению.

По технологии изготовления микросхемы делятся на полупроводниковые и гибридные. В полупроводниковых интегральных микросхемах все элементы и соединения их выполняются в объеме или на поверхности полупроводникового материала. Гибридные микросхемы отличаются тем, что в них только часть элементов выполняется методом интегральной технологии, а остальные (обычно активные) элементы имеют самостоятельное конструктивное оформление.

Гибридные микросхемы в зависимости от толщины пленок и методов нанесения их на поверхности подложки делятся на тонкопленочные (толщина пленки менее 1 мкм) й толстопленочные (толщина пленки более 1 мкм). При изготовлении микросхем для бытовой радиоаппаратуры применяют в основном гибридную толстопленочную технологию, которая сравнительно проста и не требует сложного оборудования и дорогостоящей измерительной техники. Основным недостатком толстопленочных микросхем является малая степень интеграции, однако ее можно повысить, выполнив пассивные элементы на обеих сторонах подложки.

По интеграции элементов (количеству входящих в микросхему транзисторов, диодов, резисторов и других элементов) микросхемы подразделяются на схемы малой (первой), средней (второй) и большой (третьей) степени интеграции. Микросхемы, содержащие до 10 элементов, называют малыми, от 10 до 100 элементов -- средними, свыше 100 -- большими, 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.

По функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на цифровые (логические) и линейно-импульсные. Цифровые микросхемы предназначены, для обработки электрических сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. Такие микросхемы используются в системах автоматики и электронно-вычислительных машинах. Линейно-импульсные (аналоговые) микросхемы применяют для усиления, генерирования и преобразования сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Они используются в качестве усилителей низкой и высокой частоты, смесителей, детекторов, генераторов и т. д.

Микросхемы широкого применения разрабатываются, как правило, в виде серий. Серия -- это совокупность микросхем, имеющих единую конструктивно-технологическую основу, но выполняющих различные функции. В сериях микросхемы согласованы по напряжениям источников питания, входным и выходным сопротивлениям, по уровням сигналов, а также удовлетворяют единым климатическим и механическим требованиям. Например, серия К224 выполняется по толстопленочной гибридной технологии с использованием бескорпусных дискретных транзисторов и конденсаторов, включает 19 микросхем, которые оформлены в прямоугольные металлополимерные корпуса. Каждая микросхема имеет 9 выводов и рассчитана на вертикальное расположение.

На вновь разрабатываемые и модернизируемые микросхемы установлена следующая классификация и система обозначения. По конструктивно-технологическому исполнению их подразделяют на три группы, которым присвоены цифровые обозначения: 1, 5, 7 -- полупроводниковые; 2, 4, 6, 8 -- гибридные; 3 -- прочие (пленочные, вакуумные, керамические, и т. д.).

Обозначение интегральных микросхем состоит из следующих элементов: первый элемент -- цифра, указывающая группу микросхемы; второй элемент - две цифры -- порядковый номер разработки серии (0 до 99); третий элемент--две буквы -- подгруппа и вид микросхемы; четвертый элемент -- порядковый номер разработки микросхемы в данной серии. Для микросхем широкого применения в начале обозначения ставится буква К.

После обозначения порядкового номера разработки серии микросхемы может стоять буква русского алфавита или цветная точка, указывающая на различие электрических параметров. Конкретные значения электрических параметров и цвет маркировочной точки даются в технической документации на микросхемы. Например, К2УН242 означает: К--микросхема, используемая в устройствах широкого применения; 2 -- группа конструктивно-технологического исполнения; УН -- усилитель низкой частоты; 242 -- порядковый номер разработки серии.

Полупроводниковые твердые схемы

Твердые схемы представляют собой устройства, состоящие из кристаллов полупроводника, выполняющих функции активных и пассивных элементов схемы без внешних соединений. Активные элементы в таких схемах формируются из р --п - и п --р-переходов , создаваемых путем внесения донорных или акцепторных примесей.

Транзисторы в твердых схемах образуются двумя р -- n переходами, получаемыми на одном монокристалле полупроводника. Диоды выполняют методом планарной (плоской) структуры в едином технологическом цикле с изготовлением транзисторов. Первоначально диодам придают транзисторную структуру, а затем в зависимости от назначения диода пользуются р --п - или n --р-переходами .

Резисторы образуются методом диффузии с номинальными значениями до 500 кОм. Отделение их от остальной части схемы осуществляется методом изолирующей диффузии. Точность диффузионных резисторов составляет ±10 %.

Конденсаторы в твердых схемах выполняют с помощью барьерной емкости р --л-перехода. Для заданного материала емкость таких конденсаторов зависит от ширины и площади перехода.

Таким образом, в твердых схемах электронные элементы получают путем создания в полупроводниковой пластине участков, которые в совокупности выполняют функции, аналогичные функциям электронных схем. Создание самых разнообразных схемных решений обеспечивается надежной изоляцией отдельных областей, которая, как правило, осуществляется включением дополнительных переходов в обратном направлении. Внутрисхемные соединения и контактные площадки для присоединения внешних выводов выполняют напылением пленки алюминия на поверхность пластины кремния. Внешние выводы присоединяют методом термокомпрессии . Для защиты от внешних механических и климатических воздействий готовую схему герметизируют в корпус, имеющий два ряда жестких штырьковых выводов круглого или прямоугольного сечения.

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах -- самые экономичные (по потреблению тока):

МОП-логика (металл-окисел-полупроводник логика) -- микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;

КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) -- каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).

Микросхемы на биполярных транзисторах:

РТЛ -- резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

ДТЛ -- диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

ТТЛ -- транзисторно-транзисторная логика -- микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;

ТТЛШ -- транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки -- усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки;

ЭСЛ -- эмиттерно-связанная логика -- на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, -- что существенно повышает быстродействие;

ИИЛ -- интегрально-инжекционная логика.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества -- достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 -- сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но и наиболее энергопотребляющими, и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

По состоянию на 2009 год альянс ведущих разработчиков и производителей микросхем работает над тех. процессом 32 нм.

Современная интегральная микросхема состоит из десятков миллионов простейших «МОП-транзисторов. Остановимся более подробно на процессе изготовления микросхем, первый этап которого - получение кремниевых подложек.

Создание таких подложек начинается с выращивания цилиндрического по форме монокристалла кремния. В дальнейшем из таких монокристаллических заготовок (болванок) нарезают круглые пластины (wafers), толщина которых составляет приблизительно 1/ 40 дюйма, а диаметр -- 200 мм (8 дюймов) или 300 мм (12 дюймов). Это и есть кремниевые подложки, служащие для производства микросхем.

При формировании пластин из монокристаллов кремния учитывается то обстоятельство, что для идеальных кристаллических структур физические свойства в значительной степени зависят от выбранного направления (свойство анизотропии). К примеру, сопротивление кремниевой подложки будет различным в продольном и поперечном направлениях. Аналогично, в зависимости от ориентации кристаллической решетки, кристалл кремния будет по-разному реагировать на какие-либо внешние воздействия, связанные с его дальнейшей обработкой (например, травление, напыление и т.д.). Поэтому пластина должна быть вырезана из монокристалла таким образом, чтобы ориентация кристаллической решетки относительно поверхности была строго выдержана в определенном направлении.

Как уже отмечалось, диаметр заготовки монокристалла кремния составляет либо 200, либо 300 мм. Причем диаметр 300 мм -- это относительно новая технология. Понятно, что на пластине такого диаметра может разместиться далеко не одна микросхема, даже если речь идет о процессоре Intel Pentium 4. Действительно, на одной подобной пластине-подложке формируется несколько десятков микросхем (процессоров), но для простоты мы рассмотрим лишь процессы, происходящие на небольшом участке одного будущего микропроцессора.

Нанесение защитной пленки диэлектрика (Si02)

После формирования кремниевой подложки наступает этап создания сложнейшей полупроводниковой структуры.

Для этого в кремний нужно внедрить так называемые донорную и акцепторную примеси. Однако возникает вопрос - как осуществить внедрение примесей по точно заданному рисунку-шаблону? Для того чтобы это стало возможным, те области, куда не требуется внедрять примеси, защищают специальной пленкой из диоксида кремния, оставляя оголенными только те участки, которые подвергаются дальнейшей обработке (рис.1). Процесс формирования такой защитной пленки нужного рисунка состоит из нескольких этапов:

На первом этапе вся пластина кремния целиком покрывается тонкой пленкой диоксида кремния (SiO2), который является очень хорошим изолятором и выполняет функцию защитной пленки при дальнейшей обработке кристалла кремния. Пластины помещают в камеру, где при высокой температуре (от 900 до 1100 °С) и давлении происходит диффузия кислорода в поверхностные слои пластины, приводящая к окислению кремния и к образованию поверхностной пленки диоксида кремния. Для того чтобы пленка диоксида кремния имела точно заданную толщину и не содержала дефектов, необходимо строго поддерживать постоянную температуру во всех точках пластины в процессе окисления. Если же пленкой из диоксида кремния должна быть покрыта не вся пластина, то предварительно на кремниевую подложку наносится маска Si3N4, предотвращающая нежелательное окисление. Под воздействием кислорода кремний окисляется и образуется пленка изолятора - диоксида кремния SiO2

Рис. 1. Нанесение пленки диоксида кремния (Si02)

полупроводниковый прибор транзистор интегральная схема

После того как кремниевая подложка покроется защитной пленкой диоксида кремния, необходимо удалить эту пленку с тех мест, которые будут подвергаться дальнейшей обработке. Удаление пленки осуществляется посредством травления, а для защиты остальных областей от травления на поверхность пластины наносится слой так называемого фоторезиста. Термином «фоторезисты» обозначают светочувствительные и устойчивые к воздействию агрессивных факторов составы. Применяемые составы должны обладать, с одной стороны, определенными фотографическими свойствами (под воздействием ультрафиолетового света становиться растворимыми и вымываться в процессе травления), а с другой -- резистивными, позволяющими выдерживать травление в кислотах и щелочах, нагрев и т.д. Основное назначение фоторезистов -- создание защитного рельефа нужной конфигурации.

Процесс нанесения фоторезиста и его дальнейшее облучение ультрафиолетом по заданному рисунку называется фотолитографией и включает следующие основные операции: формирование слоя фоторезиста (обработка подложки, нанесение, сушка), формирование защитного рельефа (экспонирование, проявление, сушка) и передача изображения на подложку (травление, напыление и т.д.).

Рис. 2. Нанесение слоя фоторезиста

Фоторезистивный материал светочувствителен к ультрафиолетовому излучению и устойчив к агрессивным средам

Перед нанесением слоя фоторезиста (рис. 2) на подложку последняя подвергается предварительной обработке, в результате чего улучшается ее сцепление со слоем фоторезиста. Для нанесения равномерного слоя фоторезиста используется метод центрифугирования. Подложка помещается на вращающийся диск (центрифуга), и под воздействием центробежных сил фоторезист распределяется по поверхности подложки практически равномерным слоем. (Говоря о практически равномерном слое, учитывают то обстоятельство, что под действием центробежных сил толщина образующейся пленки увеличивается от центра к краям, однако такой способ нанесения фоторезиста позволяет выдержать колебания толщины слоя в пределах ±10%.)

После нанесения и сушки слоя фоторезиста наступает этап формирования необходимого защитного рельефа. Рельеф образуется в результате того, что под действием ультрафиолетового излучения, попадающего на определенные участки слоя фоторезиста, последний изменяет свойства растворимости, например освещенные участки перестают растворяться в растворителе, которые удаляют участки слоя, не подвергшиеся освещению, или наоборот - освещенные участки растворяются. По способу образования рельефа фоторезисты делят на негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием ультрафиолетового излучения образуют защитные участки рельефа. Позитивные фоторезисты, напротив, под воздействием ультрафиолетового излучения приобретают свойства текучести и вымываются растворителем.

Рис. 3. Засвечивание фоторезистивного слоя по шаблону (упрощенная схема)

Соответственно защитный слой образуется в тех участках, которые не подвергаются ультрафиолетовому облучению.

Для засветки нужных участков слоя фоторезиста используется специальный шаблон-маска (на рисунке рельеф шаблона виден плохо). Чаще всего для этой цели применяются пластинки из оптического стекла с полученными фотографическим или иным способом непрозрачными элементами. Фактически такой шаблон содержит рисунок одного из слоев будущей микросхемы (всего таких слоев может насчитываться несколько сотен). Поскольку этот шаблон является эталоном, он должен быть выполнен с большой точностью. К тому же с учетом того, что по одному фотошаблону будет сделано очень много фотопластин, он должен быть прочным и устойчивым к повреждениям. Отсюда понятно, что фотошаблон -- весьма дорогая вещь: в зависимости от сложности микросхемы он может стоить десятки тысяч долларов.

Ультрафиолетовое излучение, проходя сквозь такой шаблон (рис. 3), засвечивает только нужные участки поверхности слоя фоторезиста. После облучения фоторезист подвергается проявлению, в результате которого удаляются ненужные участки слоя. При этом открывается соответствующая часть слоя диоксида кремния.

Несмотря на кажущуюся простоту фотолитографического процесса, именно этот этап производства микросхем является наиболее сложным. Дело в том, что в соответствии с предсказанием Мура количество транзисторов на одной микросхеме возрастает экспоненциально (удваивается каждые два года). Подобное возрастание числа транзисторов возможно только благодаря уменьшению их размеров, но именно уменьшение и «упирается» в процесс литографии. Для того чтобы сделать транзисторы меньше, необходимо уменьшить геометрические размеры линий, наносимых на слой фоторезиста. Но всему есть предел - сфокусировать лазерный луч в точку оказывается не так-то просто. Дело в том, что в соответствии с законами волновой оптики минимальный размер пятна, в который фокусируется лазерный луч (на самом деле это не просто пятно, а дифракционная картина), определяется кроме прочих факторов и длиной световой волны. Развитие литографической технологии со времени ее изобретения в начале 70-х шло в направлении сокращения длины световой волны. Именно это позволяло уменьшать размеры элементов интегральной схемы. С середины 80-х в фотолитографии стало использоваться ультрафиолетовое излучение, получаемое с помощью лазера. Идея проста: длина волны ультрафиолетового излучения меньше, чем длина волны света видимого диапазона, следовательно, возможно получить и более тонкие линии на поверхности фоторезиста. До недавнего времени для литографии использовалось глубокое ультрафиолетовое излучение (Deep Ultra Violet, DUV) с длиной волны 248 нм. Однако когда фотолитография перешагнула границу 200 нм, возникли серьезные проблемы, впервые поставившие под сомнение возможность дальнейшего использования этой технологии. Например, при длине волны меньше 200 мкм слишком много света поглощается светочувствительным слоем, поэтому усложняется и замедляется процесс передачи шаблона схемы на процессор. Подобные проблемы побуждают исследователей и производителей искать альтернативу традиционной литографической технологии.

Новая технология литографии, получившая название EUV-литографии (Extreme Ultraviolet -- сверхжесткое ультрафиолетовое излучение), основана на использовании ультрафиолетового излучения с длиной волны 13 нм.

Переход с DUV- на EUV-литографию обеспечивает более чем 10-кратное уменьшение длины волны и переход в диапазон, где она сопоставима с размерами всего нескольких десятков атомов.

Применяемая сейчас литографическая технология позволяет наносить шаблон с минимальной шириной проводников 100 нм, в то время как EUV-литография делает возможной печать линий гораздо меньшей ширины -- до 30 нм. Управлять ультракоротким излучением не так просто, как кажется. Поскольку EUV-излучение хорошо поглощается стеклом, то новая технология предполагает использование серии из четырех специальных выпуклых зеркал, которые уменьшают и фокусируют изображение, полученное после применения маски. Каждое такое зеркало содержит 80 отдельных металлических слоев толщиной примерно в 12 атомов.

После засвечивания слоя фоторезиста наступает этап травления (etching) с целью удаления пленки диоксида кремния (рис. 4).

Часто процесс травления ассоциируется с кислотными ваннами. Такой способ травления в кислоте хорошо знаком радиолюбителям, которые самостоятельно делали печатные платы. Для этого на фольгированный текстолит лаком, выполняющим функцию защитного слоя, наносят рисунок дорожек будущей платы, а затем опускают пластину в ванну с азотной кислотой. Ненужные участки фольги стравливаются, обнажая чистый текстолит. Этот способ имеет ряд недостатков, главный из которых - невозможность точно контролировать процесс удаления слоя, так как слишком много факторов влияют на процесс травления: концентрация кислоты, температура, конвекция и т.д. Кроме того, кислота взаимодействует с материалом по всем направлениям и постепенно проникает под край маски из фоторезиста, то есть разрушает сбоку прикрытые фоторезистом слои. Поэтому при производстве процессоров используется сухой метод травления, называемый также плазменным. Такой метод позволяет точно контролировать процесс травления, а разрушение вытравливаемого слоя происходит строго в вертикальном направлении.

При использовании сухого травления для удаления с поверхности пластины диоксида кремния применяется ионизированный газ (плазма), который вступает в реакцию с поверхностью диоксида кремния, в результате чего образуются летучие побочные продукты.

После процедуры травления, то есть когда оголены нужные области чистого кремния, удаляется оставшаяся часть фотослоя. Таким образом, на кремниевой подложке остается рисунок, выполненный диоксидом кремния.

Напомним, что предыдущий процесс формирования необходимого рисунка на кремниевой подложке требовался для того, чтобы создать в нужных местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной или акцепторной примеси. Процесс внедрения примесей осуществляется посредством диффузии (рис. 5) - равномерного внедрения атомов примеси в кристаллическую решетку кремния. Для получения полупроводника п-типа обычно используют сурьму, мышьяк или фосфор. Для получения полупроводника р-типа в качестве примеси используют бор, галлий или алюминий.

Для процесса диффузии легирующей примеси применяется ионная имплантация. Процесс имплантации заключается в том, что ионы нужной примеси «выстреливаются» из высоковольтного ускорителя и, обладая достаточной энергией, проникают в поверхностные слои кремния.

Итак, по окончании этапа ионной имплантации необходимый слой полупроводниковой структуры создан. Однако в микропроцессорах таких слоев может насчитываться несколько. Для создания очередного слоя на полученном рисунке схемы выращивается дополнительный тонкий слой диоксида кремния.

Рис. 4 Этапы процесса травления

Рис. 5. Создание р- и п-областей s кремниевой подложке

После этого наносятся слой поликристаллического кремния и еще один слой фоторезиста. Ультрафиолетовое излучение пропускается сквозь вторую маску и высвечивает соответствующий рисунок на фотослое. Затем опять следуют этапы растворения фотослоя, травления и ионной имплантации.

Наложение новых слоев осуществляется несколько раз, при этом для межслойных соединений в слоях оставляются «окна», которые заполняются атомами металла; в результате на кристалле создаются металлические полоски - проводящие области. Таким образом, в современных процессорах устанавливаются связи между слоями, формирующими сложную трехмерную схему. Процесс выращивания и обработки всех слоев длится несколько недель, а сам производственный цикл состоит из более чем 300 стадий. В результате на кремниевой пластине формируются сотни идентичных процессоров.

Чтобы выдержать воздействия, которым подвергаются пластины в процессе нанесения слоев, кремниевые подложки изначально делаются достаточно толстыми. Поэтому, прежде чем разрезать пластину на отдельные процессоры, ее толщину уменьшают на 33% и удаляют загрязнения с обратной стороны. Затем на тыльную сторону подложки наносят слой специального материала, улучшающего крепление кристалла к корпусу будущего процессора.

По окончании цикла формирования все процессоры тщательно тестируются. Затем из пластины-подложки с помощью специального устройства вырезаются конкретные, уже прошедшие проверку кристаллы.

Каждый микропроцессор встраивается в защитный корпус, который также обеспечивает электрическое соединение кристалла микропроцессора с внешними устройствами. Тип корпуса зависит от типа и предполагаемого применения микропроцессора.

После запечатывания в корпус каждый микропроцессор повторно тестируется. Неисправные процессоры отбраковывают, а исправные подвергают нагрузочным испытаниям. Затем процессоры сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.

Технологический процесс производства микросхем (в частности, процессоров) рассмотрен нами весьма упрощенно. Но даже такое поверхностное изложение позволяет понять технологические трудности, с которыми приходится сталкиваться при уменьшении размеров транзисторов.

Так что же такое проектная норма технологического процесса и чем, собственно, отличается проектная норма 130 нм от нормы 180 нм? 130 нм или 180 нм - это характерное минимальное расстояние между двумя соседними элементами в одном слое микросхемы, то есть своеобразный шаг сетки, к которой осуществляется привязка элементов микросхемы. При этом совершенно очевидно, что, чем меньше этот характерный размер, тем больше транзисторов можно разместить на одной и той же площади микросхемы.

В настоящее время в производстве процессоров Intel используется 0,13-микронный технологический процесс. По этой технологии изготавливают процессор Intel Pentium 4 с ядром Northwood, процессор Intel Pentium III с ядром Tualatin и процессор Intel Celeron. В случае применения такого технологического процесса полезная ширина канала транзистора составляет 60 нм, а толщина ок-сидного слоя затвора не превышает 1,5 нм. Всего же в процессоре Intel Pentium 4 размещается 55 млн. транзисторов.

Наряду с увеличением плотности размещения транзисторов в кристалле процессора, 0,13-микронная технология, пришедшая на смену 0,18-микронной, имеет и другие нововведения. Во-первых, здесь используются медные соединения между отдельными транзисторами (в 0,18-микронной технологии соединения были алюминиевыми). Во-вторых, 0,13-микронная технология обеспечивает более низкое энергопотребление. Для мобильной техники, например, это означает, что энергопотребление микропроцессоров становится меньше, а время работы от аккумуляторной батареи -- больше.

Ну и последнее нововведение, которое было воплощено при переходе на 0,13-микронный технологический процесс -- это использование кремниевых пластин (wafer) диаметром 300 мм. Напомним, что до этого большинство процессоров и микросхем изготовлялись на основе 200-миллиметровых пластин.

Увеличение диаметра пластин позволяет снизить себестоимость каждого процессора и увеличить выход продукции надлежащего качества. Действительно, площадь пластины диаметром 300 мм в 2,25 раза больше площади пластины диаметром 200 мм, соответственно и количество процессоров, получаемых из одной пластины диаметром 300 мм, в два с лишним раза больше.

В 2003 году ожидается внедрение нового технологического процесса с еще меньшей проектной нормой, а именно 90-нанометрового. Новый технологический процесс, по которому корпорация Intel будет производить большую часть своей продукции, в том числе процессоры, наборы микросхем и коммуникационное оборудование, был разработан на опытном заводе D1С корпорации Intel по обработке 300-миллиметровых пластин в г.Хиллсборо (шт.Орегон).

23 октября 2002 года корпорация Intel объявила об открытии нового производства стоимостью 2 млрд. долл. в Рио-Ранчо (шт.Нью-Мексико). На новом заводе, получившем название F11X, будет применяться современная технология, по которой будут производиться процессоры на 300-мм подложках с использованием технологического процесса с проектной нормой 0,13 микрон. В 2003 году завод будет переведен на технологический процесс с проектной нормой 90 нм. Кроме того, корпорация Intel уже заявила о возобновлении строительства еще одного производственного объекта на Fab 24 в Лейкслипе (Ирландия), который предназначен для изготовления полупроводниковых компонентов на 300-миллиметровых кремниевых подложках с 90-нанометровой проектной нормой. Новое предприятие общей площадью более 1 млн. кв. футов с особо чистыми помещениями площадью 160 тыс. кв. футов предполагается ввести в строй в первой половине 2004 года, и на нем будет работать более тысячи сотрудников. Стоимость объекта составляет около 2 млрд. долл.

В 90-нанометровом процессе применяется целый ряд передовых технологий. Это и самые маленькие в мире серийно изготавливаемые КМОП-транзисторы с длиной затвора 50 нм, что обеспечивает рост производительности при одновременном снижении энергопотребления, и самый тонкий оксидный слой затвора среди всех когда-либо производившихся транзисторов -- всего 1,2 нм, или менее 5 атомарных слоев, и первая в отрасли реализация высокоэффективной технологии напряженного кремния.

Из перечисленных характеристик в комментариях нуждается, пожалуй, лишь понятие «напряженного кремния». В таком кремнии расстояние между атомами больше, чем в обычном полупроводнике. Это, в свою очередь, обеспечивает более свободное протекание тока, аналогично тому, как на дороге с более широкими полосами движения свободнее и быстрее движется транспорт.

В результате всех нововведений на 10-20% улучшаются рабочие характеристики транзисторов, при увеличении затрат на производство всего на 2%.

Кроме того, в 90-нанометровом технологическом процессе используется семь слоев в микросхеме, что на один слой больше, чем в 130-нанометровом технологическом процессе, а также медные соединения.

Все эти особенности в сочетании с 300-миллиметровыми кремниевыми подложками обеспечивают корпорации Intel выигрыш в производительности, объемах производства и себестоимости. В выигрыше оказываются и потребители, поскольку новый технологический процесс Intel позволяет продолжить развитие отрасли в соответствии с законом Мура, вновь и вновь повышая производительность процессоров.

ТЕМА № 13,14. Логические интегральные схемы

Основные параметры логических интегральных микросхем

входное U1вх и выходное U1вых напряжения логической единицы - значение высокого уровня напряжения на входе и выходе микросхемы;

входное U0вх и выходное U0вых напряжение логического нуля - значение низкого уровня напряжения на входе и выходе микросхемы;

входной I1вх и выходной I1вых токи логической единицы, входной I0вх и выходной I0вых токи логического нуля;

логический перепад сигнала



;

пороговое напряжение Uпор вх - напряжение на входе, при котором состояние микросхемы изменяется на противоположное;

входное сопротивление логической ИМС - отношение приращения входного напряжения к приращению входного тока (различают R0вх и R1вх), выходное сопротивление - отношение приращения выходного напряжения к приращения выходного тока (различают R0вых и R1вых);

статическая помехоустойчивость - максимально допустимое напряжение статической помехи по высокому U1пом и низкому U0пом уровням входного напряжения, при котором еще не происходят изменения уровня выходного напряжения микросхемы;

и) средняя потребляемая мощность Pпотр ср = (P0потр + Р1потр)/2 , где P0потр и Р1потр - мощности, потребляемые микросхемой в состоянии соответственно логического нуля и единицы на выходе;

коэффициент объединения по входу Коб, показывающий, какое число аналогичных логических ИМС можно подключить к входу данной схемы, и определяющий максимальное число входов логической ИМС;

коэффициент разветвления по выходу Кразв, показывающий какое количество аналогичных нагрузочных микросхем можно подключить к выходу данной ИМС, и характеризующий нагрузочную способность логической ИМС.

Цифровые интегральные схемы предназначены для обработки, преобразования и хранения цифровой информации. Они выпускаются сериями. Внутри каждой серии имеются объединенные по функциональному признаку группы устройств: логические элементы, триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры и т.д. Чем шире функциональный состав серии, тем большими возможностями может обладать цифровое устройство, выполненное на базе микросхем данной серии. Микросхемы, входящие в состав каждой серии, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение, одинаковое напряжение питания и одинаковые уровни сигналов логического нуля и логической единицы. Все это делает микросхемы одной серии совместимыми.

Основой каждой серии цифровых микросхем является базовый логический элемент. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И--НЕ, либо ИЛИ--НЕ и по принципу построения делятся на следующие основные типы: элементы резистивно-транзисторной логики (РТЛ), диодно-транзисторной логики (ДТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), интегрально-инжекционной логики (ИИЛ), базовые элементы которых выполнены на биполярных транзисторах. Микросхемы на комплементарных МДП-структурах (КМДП) используют пары МДП-транзисторов со структурой металл - диэлектрик - полупроводник с каналами р- и n-типов.

Схема ДТЛ - диодно-транзисторной логики

Основная схема ДТЛ приведена на рисунке 2.16,а. Здесь диоды VD1, VD2, VD3 и резистор R1 представляют собой конъюнктор (И), элементы VT, R2, R3 _ инвертор (НЕ), смещающие диоды VDСМ1, VDСМ2 - осуществляют связь между логическими элементами И и НЕ и смещают (понижают) потенциал базы VT относительно напряжения U1. Резистор R2 служит для подачи смещения ЕСМ на VT и гарантированного удерживания его в запертом состоянии при открытых входных диодах и как дополнительная цепь обратного тока базы при запирании транзистора.



При высоком уровне напряжения на входе UA = UB = UC = U1, диоды VD1…VD3 заперты, повышается потенциал точки U1, отпираются диоды смещения VDСМ1, VDСМ2, течет ток базы VT, и транзистор входит в насыщение. Напряжение на коллекторе UF падает до нуля, т.е. F = 0.

Если хотя бы на одном из входов низкий уровень напряжения UA или UB или UC равен U0, отпирается соответствующий диод, понижается потенциал U1, запираются диоды смещения VDCМ1, VDСМ2. На базе транзистора VT низкое напряжение, который запирается. UВЫХ = UF = U1, т.е. на выходе элемента появляется логическая единица.

Если отбросить часть схемы (см. рисунок 2.16,а), изображенную пунктиром, она превращается в инвертор. На рисунке 2.16,б приведена ее передаточная характеристика UF = f(UA),

Если напряжение на входе А равно 0, то диод VD1 смещен в прямом направлении и напряжение U1 равно +0,6 В. Эта величина недостаточна для открывания диодов VDСМ1, VDСМ2 и перехода база-эмиттер транзистора VТ. Поэтому ток I1 течет через диод VD1, источник сигнала UA и на землю. Транзистор VТ закрыт, при этом UF = +5 В. Если UA увеличивается, то U1 также растет до тех пор, пока не достигнет 1,2 В. В этот момент VDСМ1, VDСМ2, VТ открываются и ток I1 течет через транзистор VТ и переводит его в насыщение. Дальнейшее увеличение напряжение UA запирает диод VD1. но не может повлиять на величину U1 или состояние транзистора VТ. Из графика видно, что интервалы напряжений, соответствующие логическим состояниям 0 и 1, примерно равны 0 ? U0 ? 1,2 B, 1,5 ? U1 ? 5 В.

Практически U0 обычно меньше 0,4 В, а U1 очень близко к 5 В, что обеспечивает хороший шумовой запас по постоянному току.

Если на вход подано напряжение, соответствующее логической 1, то диод VD1 смещен в обратном направлении и, следовательно, потребляет минимальную мощность с выхода предыдущей схемы. Однако, если на входе поддерживается напряжение логического 0, то ток I1 должен течь из входной клеммы элемента через насыщенный транзистор на землю. Это соответствует одной единичной нагрузке. Если к одному выходу подсоединено n входов, то насыщенный транзистор должен пропускать ток, в n раз больше чем I1. Если n увеличивается, то будет расти и напряжение UА, что эквивалентно увеличению напряжения выходного транзистора. Этот эффект приведен на рисунке 2.16,б, где передаточная характеристика изображена для случая одной выходной единичной нагрузки и для случая восьми единичных нагрузок (максимально допустимое количество для базового элемента ДТЛ).

Если к схеме, в соответствии с рисунком 2.16,а, добавить диоды VD2, VD3, то напряжение UF будет соответствовать логической 1, если хотя бы один из входов будет в состоянии логического нуля. Логический нуль на выходе можно получить только в том случае, если на всех входах присутствует напряжение логической единицы, т.е. логическая операция, выполняемая данной схемой, имеет вид:

,

что соответствует операции И-НЕ. Добавлением дополнительных диодов для расширения объема входа число входов в базовом элементе ДТЛ И-НЕ может быть доведено до 20.

Задержка передачи для типичного элемента ДТЛ составляет 30 нс. Это сравнительно большая величина во многих случаях оказывается вполне приемлемой.

Схемы ТТЛ _ транзисторно-транзисторной логики

Разновидности схем ТТЛ

Также широко используются на практике разновидности схем ТТЛ:

а) схема ТТЛ с тремя состояниями выхода

Схемы базовых ТТЛ нельзя объединять по выходам из-за потребления большого тока от источника питания, а также, так как логически неопределен уровень выходного сигнала.

Но иногда (например, при разработке двунаправленных информационных шин) необходимо объединять выходы. Для этого служат ТТЛ с третьим (высокоимпедансным) состоянием выхода.

В базовую схему ТТЛ (см. рисунок 2.18) дополнительно включены резистор R5 и транзистор VТ4 (см. рисунок 2.22). При подаче на вход Z низкого уровня напряжения UZ = U0ВХ, VТ4 заперт и не влияет на работу ТТЛ. На выходе схемы в зависимости от входных сигналов будет 1 или 0.