Технические дисциплины - Микроэлектроника

1.3. Особенности интегральных схем как новых типов электронных приборов

Электроника – область науки, техники и производства, охватывающая разработку, исследование и принципы применения электронных приборов и устройств.

Микроэлектроника – раздел электроники, охватывающий разработку, исследование и принципы применения интегральных микросхем (ИМС).

ИМС – совокупность большого числа элементов, изготовленных в едином технологическом цикле и выполняющих определённую функцию преобразования информации.

Групповой метод производства.

1) На одной подложке изготавливается большое число МС.

2) Одновременно обрабатывается десятки и сотни пластин.

3) После обработки пластины разделяются на кристаллы.

4) Чип помещается в корпус и герметизируется.

Цена МС:

Ц=1/N*((A+B)/Z+C)  ,

где N – количество элементов в чипе,

Z – количество выпускаемых МС (пластин),

A, B – затраты на разработку МС, оборудование, материалы.

C – прочие расходы, отнесённые к одной МС.

Особенности МС.

  1. Дискретный электронный прибор не выполняет самостоятельную функцию, а МС выполняет.
  2. Повышение функциональной сложности не ухудшает основных параметров, показателей схемы, а даже наоборот:

а) габариты, масса и цена МС близки к тем же показателям дискретных элементов, а функциональные возможности резко возрастают с ростом интеграции;

б) так как все МС изготавливаются в едином технологическом цикле, то количество технологических операций не намного превышает количество технологических операций при изготовлении дискретного элемента.

  1. Предпочтение при конструировании схем отдается активным элементам.

Пока был этап развития дискретной электроники, предпочтение отдавали пассивным элементам цепи (R,L,C),а не

транзисторам.

В интегральных схемах (ИС) нет разницы в цене активных и пассивных элементов. Цена зависит от количества выпускаемых единиц. Активный элемент (транзистор) занимает на кристалле меньшую площадь, чем пассивный элемент. Некоторые пассивные элементы вообще нельзя сделать в МЭл (например, индуктивность).

Интегральная  схемотехника существенно отличается от схемотехники на дискретных элементах.

При разработке МС ориентируются на один  выбранный активный элемент (n-p-n-транзистор или n-МОП - транзистор). Все пассивные элементы и активные диоды изготавливают на части транзисторной структуры, потому что если какие - либо приборы разрабатываются дополнительно, то резко повышается сложность технологического процесса, соответственно повышается и цена.

2.Классификация ИМС

ИМС классифицируют по5-ти признакам.

  1. По уровню (степени) интеграции.
  2. По конструктивно-технологическим принципам построения МС.
  3. По основному элементу схемы.
  4. По мощности (условно).
  5. По способу обработки сигнала.

 

2.1.По степени интеграции.

Степень интеграции – количество элементов на кристалле (Chip).

Плотность упаковки -  количество элементов на единице площади.

Степень интеграции определяется плотностью упаковки элементов на единицу площади МС. Плотность упаковки определяется размерами элемента. Размер элемента определяется минимальной шириной линии, которая определяется способом проведения процесса литографии.

Если топологический рисунок наносят с помощью фотолитографии, то принципиально (дифракция и интерференция) можно получить минимальную толщину линии L=.

С помощью электронно-лучевой  литографии (ЭЛЛ), ширина линии может быть существенно уменьшена. Современный уровень L = 0,2 мкм, принципиально до 0,05 мкм.

Площадь (S) n-p-n-транзистора, полученного с помощью фотолитографии, приблизительно  450500. Плотность упаковки (n) порядка транзисторов на одном мм2.

На Chip размером 100  может поместиться N= n-p-n-транзисторов.

 

Площадь n-МОП - транзистора (50100) , n= транзисторов/.

На том же Chip может поместиться N =  n-МОП – транзисторов.

Сложный технологический барьер – ограничение минимальной ширины линии на подложке.

L min =0,11 мкм.

Второй барьер – фундаментальный физический барьер (принципиально ограничивает плотность упаковки МС)

L min =0,10,05 мкм.

О некоторых параметрах МОП - транзистора с минимальными размерами, которые могут быть получены в настоящее время.

(ширина канала  Z= 0,5 мкм,  длина L =0,2 мкм, толщина D=0,01 мкм,

объем канала  V =).

С учетом концентрации атомов в кремнии Nsi =, в канале будет, находится атомов кремния. Если учесть концентрацию примеси N(d;a)=, то число атомов примеси в канале будет равно n=100.

Разброс по концентрации легирующей примеси составит:

 

Принято считать, что для передачи одного бита, необходим заряд q = Кл, заряд электрона  e = Кл. Число электронов, необходимых для переноса этого заряда Ne=625. С учётом статистического характера эмиссии  (инжекции) ошибка составит:

.

Оценим, за какое время может пройти такой заряд по данному каналу при предельной плотности тока – 20 А/см2, (и то много, т.к. по данным Суэмацу Я. И др. критическая плотность тока перехода СД в лазерный режим - 30 А/см2).

При длительности импульса t =10-9с и площади сечения нашего канала 5.10-10 см2 по нему может протекать максимальный ток 0.01 микроампера, и для этого потребуется заряд q = I.t =10-9. 10-8=10-17Кл, т.е. приблизительно 50 электронов. Даже при плотности тока 1000 А/см2 за одну наносекунду пройдет заряд 5.10-16Кл, а при t =10-10 с 5.10-17Кл, приблизительно 300 электронов.

Что приведёт к ещё большей ошибке.

Ну, а с учётом того, что для обработки сложной информации, нужно осуществить приблизительно 109 переключений в секунду, с таким разбросом параметров структура не способна эффективно работать.

По степени интеграции ИМС разделяют:

1) ИС;    2) СИС;      3) БИС;      4) СБИС.

Классификация проходит по числу элементов на кристалле (чипе).

1)      Если число элементов на чипе N = 100, то это Интегральная  Схема (Integrated  Circuit) – ИС (IC).

2)      Если  N=1000 и больше, то это Средняя Интегральная Схема (Medium Scale Integration) – СИС (MSI).

3)      Если  N=,то это Большая Интегральная Схема (Large Scale Integration) – БИС (LSI).

4)      Если N >, то это Сверхбольшая Интегральная Схема (Very Large Scale Integration) – СБИС (VLSI).

 

2.2.По конструктивно-технологическому признаку (по способу изготовления микроструктуры)

ИМС, по конструктивно-технологическому признаку, делятся на 4 вида:

  • полупроводниковые;
  • плёночные;
  • гибридные;
  • функциональные.

1.Полупроводниковые ИС.

Наиболее распространенными интегральными схемами являются полупроводниковые ИС. В них все элементы (и пассивные и активные) выполняются в приповерхностном слое полупроводниковой подложки (пластины) и только часть металлизированной разводки выполняется на поверхности МС.

 

 

D = (0,30,5) мм, L = (38) мкм.

 

 

2.Плёночные ИС.

На диэлектрической подложке (керамика, ситалл, стекло) и активные и пассивные элементы выполняются по плёночной технологии. В чистом виде плёночных ИС не существует, так как существуют большие трудности при изготовлении пленочных активных элементов.  Реально существуют «совмещенные ИС» - такие, у которых активные элементы выполняются в приповерхностном слое полупроводника, а пассивные в виде пленок на поверхности. Технология изготовления совмещённых ИМС значительно сложнее, чем полупроводниковых. Изготавливать совмещенные ИС имеет смысл только тогда, когда необходимы очень точные номиналы пассивных элементов и очень высокая стабильность параметров R и C. Например, для использования в СВЧ диапазоне.

 

3. Гибридные ИС.

Комбинированные (гибридные) ИС (микросборки),  (это интеграция чипов).

Это очень широкий круг МС  узкого применения. Они представляют собой диэлектрическую подложку (керамику или ситалл). На ней методами микроэлектроники выполняется микропечатная плата, на которой размещаются полупроводниковые микросхемы (СИС или БИС).

Гибридные ИС (ГИС) бывают тонкоплёночными (толщина пленки <1 мкм), толстопленочные (толщина пленки >1 мкм, до 20 мкм).

Толстопленочные ГИС (микросборки)---(специализированные, индивидуального применения, очень широкий круг различных устройств, малые серии). Их как, правило, потребители изготавливают сами. Получая БИС и СБИС со специализированных предприятий микроэлектроники.

Тонкопленочные ГИС находят применение в технике СВЧ, и по этому в основном выполняются на основе GaAs, чтобы обеспечить минимальные потери на R-C цепях.

 

4.Функциональные ИС.

Они используют различные физические эффекты и принципы для обработки сигнала (пьезоэлектрические системы, приборы Ганна, приборы с зарядовой связью, оптоэлектронные схемы, криоэлектроника).

2.3.   По основному элементу

В качестве основного элемента берётся транзистор, и все остальные элементы строятся на его основе.

1) Биполярные МС на основе n-p-n – транзистора. (Есть ИМС и на основе p-n-p-транзисторов, но так как подвижность электронов больше подвижности дырок, то быстродействие n-p-n-транзисторов выше).

2) n – МОП  ИС (на основе n-канального МОП - транзистора).

У биполярной ИМС более высокое быстродействие, но более высокая потребляемая мощность, более сложная технология изготовления - более сложная, соответственно, она дороже. Кроме того, чип требует большей площади. Эти схемы характеризуются более высокими функциональными возможностями и более точными и стабильными параметрами элементов, поэтому чаще используются в аналоговых схемах.

В МОП  схемах меньшее быстродействие, но зато намного меньшая потребляемая мощность. Схема занимает на кристалле меньшую площадь. Широко применяется в цифровых ИС. Требования к стабильности и малому разбросу параметров элементов для цифровых ИС имеют второстепенное значение – главное очень большое число пусть не очень точных элементов на чипе.

Существуют МС, в которых в качестве основного элемента одновременно используются и МОП, и биполярные транзисторы. Технология таких схем наиболее сложная и поэтому они стоят очень дорого.

 

Лекции полностью!

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить