• Главная
• Юридпсихология
• Этика эстетика
• Электротехника
• Эктеория
• Физика
• Управление персоналом
• Уголовный процесс
• Уголовное право
• Схемотехника
• Стратегический менеджмент
• САПР
• Ресторанно-гостиничный бизнес бытовое обслуживан
• Реклама и PR
• Режущий инструмент
• Неопределено
• Метрология
• Матметоды в эк-ке
• Исторические личности
• Искусство и культура
• Информатика
• Иностранные языки
• Гражданское процессуальное право
• Гражданское право
• Государственное регулирование и налогообложение
• Сонник
• Карта сайта

Введение в микроэлектронику
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом – полупроводниковый прибор, в котором ток основных носителей заряда управляется поперечным электрическим полем обратно смещенного p-n-перехода (или переходов). Простейший полевой транзистор с управляющим p-n-переходом состоит из полупроводниковой пластины, имеющей электропроводность определенного типа, от концов которой сделаны два вывода – электроды стока (С) и истока (И), с одним (рис.5.2,а) или двумя p-n-переходами p-n-переходами (рис.5.2,б) от которого сделан третий вывод – затвор (З). Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком, а электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком. На рис.5.2,в дана одна из структур выпускаемых промышленностью полевых транзисторов. Действие этих транзисторов основано на зависимости толщины пространственного заряда (ОПЗ) p-n-перехода от приложенного к нему напряжения. При включении между истоком и стоком транзистора источника напряжения E1 (или ЕСИ) по каналу от истока к стоку потечет ток основных носителей (в данной структуре – электронов), величина которого определяется приложенным напряжением и сопротивлением канала. Если на затвор транзистора подать напряжение Е2 (или ЕЗИ) так, чтобы p-n-переход (или переходы) оказались смещенными в обратном направлении, то переход (переходы) расширяясь, уменьшают ширину канала W. Рис 5.2. Упрощенная структура полевого транзистора: (а) - с одним управляющим p-n-переходом; (б) - с двумя управляющими p-n-переходами; (в) - типовая структура. Уменьшение поперечного сечения канала приводят к увеличению его сопротивления и собственно к уменьшению протекающего по каналу тока. 5.3. МДП-транзисторы. У МДП-транзисторов, в отличие от полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеет дополнительный вывод от кристалла на котором выполнен прибор, называемый подложкой П (рис. 5.3). В этих транзисторах управляющий электрод, т.е. затвор, отделен от канала тонким слоем диэлектрика (0,05 ÷ 0,20 мкм) и допускает приложения напряжения любой полярности. Если в качестве диэлектрика применен оксид кремния, то эти транзисторы называются МОП-транзисторами (т.е. со структурой металл-оксид-полупроводник). МДП-транзисторы по способу образования канала подразделяются на транзисторы со встроенным каналом (канал создается при изготовлении) и с индуцированным каналом (ка­нал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам). Важными параметрами МДП-транзистора являются длина канала L (обычно 0,1 - 5 мкм), ширина канала z (на рис. 5.3, б), толщина диэлектрика (изолятора) d с диэлектрической постоянной εi, и проводимость канала. Рис. 5.3. Разрез структуры МДП-транзисторов с каналом p-типа: а - планарный транзистор со встроенным каналом; б - параметры МДП-транзистора; в - планарный транзистор с индуцированным каналом: 1 - диэлектрик; 2 - канал Существенным преимуществом МДП-транзисторов явля­ется высокое входное сопротивление, достигающее значений более 104 МОм вместо более 10 МОм у транзисторов с управляющим p-n-переходом. Устройство транзистора со встроенным p-каналом схема­тично представлено на рис. 5.3, а. Основой является пластина слаболегированного кремния с электропроводностью n-типа. Области стока и истока обладают электропроводностью p+-типа, соединенные узкой слаболегированной областью кремния с электропроводностью p-типа, что является встроенным каналом. Затвор представляет собой металлический слой, изо­лированный от канала тонким диэлектриком толщиной d. В транзисторе со встроенным каналом происходит расширение или сужение имевшегося канала в результате приложения от­рицательного или положительного напряжения соответственно. При положительном напряжении на затворе дырки прово­димости оттесняются из области канала в объем полупровод­ника электропроводностью n-типа. Канал обедняется носите­лями заряда, сужается к стоку. При подаче на затвор отрицательного напряжения происходит обогащение дырками объема канала, он расширяется, и его проводимость возраста­ет. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно изменять проводимость канала, т.е. ток, проходящий через этот канал. В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для прекращения его необходимо к затвору приложить положительное напряжение (для случая с каналом p-типа), равное напряжению UЗИотс. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется, и ток увеличивается. Структура МДП-транзистора с индуцированным p-каналом показана на рис. 5.3,в. В качестве исходного материала транзистора использован кремний n-типа. Чаще всего диэлектриком используется оксид кремния SiO2. В оксиде кремния всегда содержатся положительно заряженные ионы, обусловленные такими ионизирующими примесями, как положительные ионы натрия, калия, водорода, осаждаемые на поверхность кремния в процессе выполнения технологических операций. Положительный заряд в пленке оксида кремния наводит (индуцирует) в поверхностном слое n-области слой накопления электронов, в котором концентрация электронов выше, чем в объеме n-области. При подаче на затвор отрицательного напряжения UЗИ электроны поверхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. Приповерхностный слой приобретает дырочную электропроводность, т.е. появляется тонкий инверсный слой, соединяющий сток с истоком, который играет роль канала. Толщина индуцированного канала составляет всего 1-5 нм. При приложении напряжения между истоком и стоком дырки, перемещаясь по каналу, создают ток истока. Изменяя напряжение на затворе, можно расширять или сужать канал, увеличивая или уменьшая ток стока. 5.4. Методы получения транзисторов. P-n-переходы транзисторов получают методами сплавления, диффузии, эпитаксии, выращивания. Планарные переходы получили свое название потому, что p-n-переходы диодных или транзисторных структур и контакты по всем областям расположены на одной плоскости полупроводникового кристалла. Последовательность основных технологических этапов получения диффузионных транзисторов n-p-n-типа планарного типа следующая:
		- исходная пластина n-типа, коллектор
1.		- диффузия бора, создающая участок p-типа, база
2.		- диффузия фосфором, создающая участок n-типа, эмиттер
3.		- создание омических контактов
4.	Резка пластины на кристаллы
5.	Напайка (наклейка) кристалла на основание корпуса
6.	Разварка внутренних выводов, соединяющих участки кристалла с траверсами корпуса.
7.	Герметизация корпуса
8.	Контроль электрических параметров.

Проведение диффузионных процессов происходит с использованием процессов фотолитографии.

Контрольные вопросы:

1.       Что называется транзистором?

2.       Какие типы транзисторов Вы знаете?

3.       Нарисуйте структуру биполярного плоскостного транзистора.

4.       Чем отличаются транзисторы p-n-p и n-p-n типов?

5.       Какие требования необходимо соблюдать в биполярных плоскостных транзисторах?

6.       Нарисуйте структуру полевого транзистора с одним управляющим p-n-переходом.

7.       Нарисуйте структуру полевого транзистора с двумя управляющими p-n-переходами.

8.       Расскажите о принципе работы полевого транзистора.

9.       Нарисуйте разрез структуры МДП-транзистора со встроенным каналом.

10.   Нарисуйте разрез структуры МДП-транзистора с индуцированным каналом.

11.   Расскажите о принципе работы МДП-транзистора.

12.   Что такое планарные переходы?

13.   Какова последовательность основных технологических этапов получения диффузионного планарного транзистора?

Глава 6. Интегральные схемы.

6.1. Общие понятия.

Блоки и узлы радиоэлектронной аппаратуры на втором этапе развития электронной техники (после электронных ламп) строились на полупроводниковых приборах. Но воз­никла мысль, а можно ли отдельные блоки и узлы создать в одном корпусе на одной подложке или в одном кристалле полупроводника. Эта идея начала реализовываться в миро­вой промышленности с конца шестидесятых годов.

Интегральная схема (ИС) — это конструктивно за­конченное изделие электронной техники, выполняющее опре­деленную функцию, и содержащее совокупность транзисторов, полупроводниковых диодов, резисторов, конденсаторов и дру­гих элементов, электрически соединенных между собой.

Теория, методы расчета и технология изготовления ИС составляют основное содержание микроэлектроники.

По технологии изготовления различают полупроводниковые (т. е. монолитные), пленочные и гибридные ИС.

В полупроводниковой ИС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника, обычно кремния. Как правило, для полупроводниковых ИС характерно создание всех элементов одновременно в ходе единого технологического цикла.

В пленочных ИС все элементы и межэлементные соеди­нения выполнены в виде проводящих, диэлектрических и резистивных пленок (слоев) на подложке. Такие ИС содержат, как правило, только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, межсоединения). Вариантами пленочных ИС являются тонкопленочные с толщиной пленок 1...3 мкм и менее и толстопленочные с толщиной пленок свыше 3...5 мкм. Деление пленочных ИС обусловлено не столько толщиной пленок, сколько методом их нанесения в процессе создания пассивных элемен­тов. Пассивные элементы тонкопленочных схем наносят на подложку преимущественно с использованием термовакуумного распыления и катодного осаждения, а пассивны элементы толстопленочных схем получают нанесением и вжиганием проводящих и резистивных паст.

Наряду с полупроводниковой и пленочной широко используется гибридная технология, в которой сочетаются тонкопленочные или пассивные толстопленочные элемен­ты с полупроводниковыми активными, называемыми ком­понентами гибридной схемы. Частным случаем гибридной ИС является многокристальная ИС, содержащая в качестве компонентов несколько бескорпусных полупроводни­ковых схем на одной подложке. Наиболее распространены в настоящее время полупроводниковые и гибридные ИС.

Число элементов в данной ИС характеризует ее степень интеграции. В соответствии со степенью интеграции все ИС условно делят на малые (МИС — до 102 элементов на кри­сталл), средние (СИС — до 103), большие (БИС — до 104), сверхбольшие (СБИС — до 106), ультрабольшие (УБИС — до 109) и гигабольшие (ГБИС — более 109 элементов на кри­сталл). Иногда степень интеграции определяют величиной k=lgN, где N — число элементов, входящих в ИС, а значение k определяется до ближайшего целого числа в сторону увеличения. Например, ИС первой степени интеграции (k = l) со­держит до 10 элементов, второй степени интеграции (k = 2) — свыше 10 до 100, третьей степени интеграции (k = 3) — свыше 100 до 1000 и т. д.

При всем своем многообразии ИС по функциональному назначению делятся на два основных класса — аналоговые (частный случай — линейные) и цифровые. Аналоговые ИС предназначены для усиления, ограничения, частотной филь­трации, сравнения и переключения сигналов, изменяющих­ся по закону непрерывной функции.

Цифровые ИС предназначены для преобразования (обра­ботки) сигналов, изменяющихся по закону дискретной фун­кции (например, выраженных в двоичном или другом циф­ровом коде). Цифровые ИС представляют собой множество транзисторных ключей, обладающих двумя устойчивыми состояниями (разомкнутым и замкнутым). Основным видом цифровых схем являются логические ИС, выполняю­щие одну или несколько логических функций, простейши­ми из которых реализуются такие функции, как «И», «ИЛИ», «НЕ» и др.

Полупроводниковые ИС по конструктивно-технологичес­кому принципу бывают биполярные, т. е. использующие биполярные транзисторы, и МДП, т. е. построенные на МДП-транзисторах. Кристаллом ИС называется структура, содержащая элементы, межэлементные соединения и контактные площадки (металлизированные участки, служащие для присоединения внешних выводов). В большинстве полупроводниковых ИС элементы располагаются в тонком (тол­щина 0,5... 10 мкм) приповерхностном слое полупроводни­ка. Так как удельное сопротивление полупроводника неве­лико (1...10 Ом), а элементы должны быть изолированы друг от друга, необходимы специальные изолирующие области.

6.2. Элементы биполярных полупроводниковых ИС.

Типичная структура полупроводниковой ИС, выполненная по биполярной технологии, показана на рис. 6.1. В такой ИС отдельные элементы, сформированные в «карма­нах» с проводимостью n-типа, оказываются электрически изолированными друг от друга обратносмещенным p-n-переходом, для чего на подложку p-типа кремния подается отрицательный потенциал. Предварительно создаваемые локальные области (называемые «карманами») служат для исключения взаимного влияния активных и пассивных элементов и могут быть изолированы друг от друга кроме p-n-переходом диэлектриком или комбинированным мето­дом с применением p-n-переходов и диэлектрика.

В качестве резисторов в биполярных ИС используют уча­стки однородного полупроводника; в качестве конденсато­ров — обратносмещенные p-n-переходы. Индуктивность не создается в толще полупроводника, а может наноситься в виде спирали из металла на поверхности полупроводника.

Диоды и транзисторы, используемые в ИС, изготовляют по планарной технологии, то есть их выводы находятся на одной поверхности. Планарная технология позволяет в те­чение единого технологического процесса получать одно­временно различные элементы.

Рис. 6.1. Интегральная схема с изоляцией р-n-переходом:

а — электрическая схема; б — топология;

1 — металлическое межсоединение; 2 — слой SiO2;

А, Б, В, — соответствующие друг другу точки на рис. а и б.

При конструировании ИС стремятся применять диоды эквивалентные переходам эмиттер-база или коллектор-база транзисторной структуры. В этом случае диоды изготавливают в едином технологическом цикле с остальными элементами.

Соединение элементов в полупроводниковой ИС может осуществляться несколькими способами, основным из ко­торых является нанесение металлических тонкопленочных проводящих дорожек (чаще всего алюминиевых), изолированных от элементов кристалла слоем диэлектрика, чаще всего оксида кремния SiO2; с помощью проволочных соеди­нений.

Количество кристаллов ИС, получаемых в едином техно­логическом процессе на одной пластине, чаще всего крем­ния, зависит от размера кристалла, в свою очередь завися­щего от количества элементов в схеме, и диаметра пластин. Площадь кристалла ИС в зависимости от ее сложности составляет 1...100 мм2, наиболее распространены размеры 10...50 мм2.

6.3. Элементы ИС на МДП-структуре.

В качестве активных элементов в ИС могут использо­ваться кроме биполярных полевые транзисторы со струк­турой «металл-диэлектрик (оксид)-полупроводник», т.е. МДП-транзисторы или МОП-транзисторы. В соответствии с этим все монолитные ИС разделяются на три основных вида: МДП ИС (МОП ИС), биполярные и биполярно-полевые ИС. МДП ИС могут быть реализованы на транзисторах с каналом p-типа (p-МДП ИС, p-МОП ИС) и каналом n-типа (n-МДП ИС, n-МОП ИС), а также на комплементарных, т. е. использующих одновременно p- и n-типы, МДП-транзисторах (КМДП ИС, КМОП ИС). Биполярно-полевые ИС представляют собой объединенные в одном кристалле биполярные и КМДП ИС (БиКМДП ИС, БиКМОП ИС).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6