Основными элементами современных МДП ИС являются МДП-транзисторы с каналом n-типа. Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому в ИС на n-канальных МДП-резисторах достигается самая высокая (в 3-10 раз) степень интеграции, но они уступают биполярным ИС по быстродействию.

Рис. 6.2. Схема полевого транзистора с резистором:
а - эквивалентная схема; б - топология МОП-резистора

В комплементарных МДП ИС применяют МДП-транзисторы с ин­дуцированными каналами n- и р-типа, для этих ИС характерна очень малая потребляемая мощность.

МОП-транзистор может использоваться в качестве конденсатора и резистора, при этом значение емкости и сопротивления можно изменять в определенных пределах путем изменения потенциала на управляющем электроде (т. е. на затворе).

В качестве резистора МДП-транзистор используется при Uзи=0, т. е. при этом сопротивление канала имеет наиболь­шее значение. Сопротивление между выводами стока и ис­тока в этом случае обратно пропорционально отношению ширины канала b к его длине L, т. е. b/L. Эта зависимость позволяет проводить расчет топологии для получения необ­ходимого сопротивления резистора.

На рис. 6.2 приведена схема МДП-транзистора, исполь­зуемого в качестве резистора. Структура МДП-конденсатора показана на рис. 6.3. Диэлектриком в этом конденсато­ре является термически выращенная пленка диоксида крем­ния SiO2. Одним из электродов является пленка напыленного металла на SiO2, являющимся диэлектриком, другим — сильнолегированная n+-область кремния, лежащая под оксидом. Высокоомный n-слой и
p-кремний подложки образу­ют изолирующий p-n-переход. Емкость МДП-конденсатора зависит прямо пропорционально площади и обратно пропорциональна толщине оксидной пленки. Уменьшение толщины оксидной пленки для получения емкости большей величины имеет ограничения, так как неоднородность структуры очень тонкой пленки может привести к замыка­нию обкладок конденсатора.

Рис.6.3. МДП-конденсатор

Изготавливают МДП ИС методами планарной техноло­гии. Трудоемкость изготовления МДП ИС на 30% ниже, чем биполярных ИС, так как технологический цикл изго­товления МДП ИС состоит из 22 основных операций, а би­полярных ИС — из 32.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение интегральной схемы.

2. Как различают ИС по технологии изготовления?

3. Расскажите о делении ИС по степени интеграции.

4. Как различают ИС по функциональному назначению?

5. Расскажите об элементах биполярных ИС.

6. Расскажите об элементах ИС на МДП-структурах.

Глава 7. Большие интегральные схемы.

7.1. Общие положения.

Ранее говорилось, что большими интегральными схемами называют полупроводниковые ИС, содержащие более 103 элементов на кристалл.

Развитие современных технологических процессов изго­товления ИС позволяет значительно уменьшать минималь­ные технологические размеры с одновременным увеличе­нием размеров кристалла, т.е. создавать ИС с большой степенью интеграции, называемые большими интегральными (БИС).

БИС являются сложными схемами, реализующими узлы и целые электронные устройства. Различают монолитные и гибридные БИС. Среди монолитных БИС наибольшее распространение получили полупроводниковые БИС на основе МДП-структур, что обусловлено малыми размерами их активных элементов, а также более простой технологией изготовления по сравнению с монолитными БИС на основе биполярных структур.

По функциональному назначению различают БИС, предназначенные для использования в микропроцессорных комплектах в качестве запоминающих устройств, аналого-цифровых и цифровых преобразователей, усилителей и др. БИС явля­ются основной элементной базой микро-ЭВМ, а также ши­роко используются для создания ЭВМ других типов, что обеспечивает повышение их надежности, уменьшение га­баритных размеров и массы, а также существенное сниже­ние потребляемой ими мощности.

То есть по функциональному назначению БИС также могут быть цифровыми, или логическими, и аналоговыми, или линейными. К первым относятся декадные счетчики, накапливающие сумматоры, полные арифметические бло­ки, упоминаемые ранее запоминающие устройства и др.

Специальные БИС для ЭВМ, выполняющие не логичес­кие функции, т.е. аналоговые, имеют очень большую но­менклатуру. К этим БИС можно отнести усилители записи и считывания различных запоминающих устройств (ЗУ), преобразователи уровней, времязадающие схемы, схемы стабилизаторов напряжений, дифференциальные операционные усилители, компарато­ры, усилители индикации и др.

Для преобразования аналоговых сигналов в цифровой эк­вивалент используют аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а для обратного преобразования цифровых уровней в аналоговые — цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).

АЦП — это электронное устройство, осуществляющее автоматическое преобразование непрерывно изменяющейся аналоговой величины в цифровой код. Процесс аналого-цифрового преобразования в общем случае включает про­цедуры квантования (дискретизация непрерывной вели­чины по времени, уровню или обоим параметрам одновре­менно) и кодирования.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) — это элект­ронное устройство, осуществляющее автоматическое пре­образование числовых кодов в эквивалентные им значения какой-либо физической величины. Выходные физические величины чаще всего представляют собой временные интервалы электрического напряжения или тока.

Развитие техники АЦП и ЦАП осуществлялось поэтап­но — от простых наборов ИС, на базе которых конструиро­вали преобразователи, до создания БИС АЦП и БИС ЦАП по различным технологиям.

Отечественной промышленностью серийно выпускались БИС ЦАП типов: К572ПА, К572ПА1, КР572ПА2, К594ПА1, К1108ПА1, К1118ПА1, и БИС АЦП типов: К572ПВ1, К572ПВ2, К1113ПВ1, К1107ПВ1, К1107В2, К1107ПВЗ, К1108ПВ1. Указанные БИС изготовлялись по технологии МОП или биполярной с использованием транзисторно-тран­зисторной логики.

7.2. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты.

Увеличение уровня интеграции ИС и улучшение их тех­нико-экономических характеристик позволили использовать вычислительные устройства во многих областях: от уст­ройств промышленного оборудования и контрольно-испы­тательной аппаратуры до ЭВМ. Процесс применения ИС для построения различной вычислительной техники зна­чительно ускорился с применением микропроцессоров.

Название «микропроцессор» связано с исполнением про­цессора на одном или нескольких кристаллах полупровод­никовой ИС. Микропроцессоры служат главными функци­ональными частями микро-ЭВМ, которые реализуются на БИС. Подготовительным этапом развития микропроцессо­ров стали микрокалькуляторы. Именно на них были отра­ботаны технологические, схемо-технологические и архитек­турные решения, которые широко использовались в даль­нейшем при создании первых микропроцессоров.

Микропроцессор — самостоятельное или входящее в со­став ЭВМ (электронно-вычислительной машины) устрой­ство, осуществляющее обработку информации и управля­ющее этим процессом, выполненное в виде одной или не­скольких БИС. В общем случае в состав микропроцессора

входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок уп­равления и синхронизации, запоминающее устройство (ЗУ), регистры и другие блоки.

АЛУ осуществляет обработку поступающей от ЗУ инфор­мации по командам программы, хранящейся постоянно в ЗУ, порядок выполнения которых определяется блоком управления и синхронизации. Исходные данные, промежу­точные и окончательные результаты вычислений содержатся в ЗУ или в специальных регистрах. Часть регистров ис­пользуется для организации выполнения программ.

Как БИС микропроцессоры характеризуются степенью интеграции, потребляемой мощностью, помехоустойчивос­тью, нагрузочной способностью активных выводов, т. е. воз­можностью подключения к данному микропроцессору и дру­гих ИС, технологией изготовления, типом корпуса, устой­чивостью к различным внешним воздействиям.

Как вычислительное устройство микропроцессоры харак­теризуются производительностью, разрядностью обрабатыва­емых данных и выполняемых команд, возможностью увели­чения разрядности, числом команд, количеством внутренних регистров, объемом адресуемой памяти, наличием и видом программного обеспечения, способом управления и др.

Микропроцессоры, используемые в средствах вычислительной техники различного назначения, называются универсальными, а предназначенные для построения какого-либо одно­го типа вычислительного устройства, называются специализированными. К последним относятся микропроцессоры, используемые в микрокалькуляторах.

По структуре микропроцессоры подразделяются на секционированные (как правило, с микропрограммным управлением) и однокристальные (с фиксированной разрядностью и постоян­ным набором команд). Секционированные микропроцессоры обладают способностью к расширению своих функциональных возможностей за счет подключения дополнительных ИС.

Однокристальный микропроцессор с фиксированной раз­рядностью и с постоянным набором команд конструктивно исполняются в виде одной БИС. Такой микропроцессор вы­полняет функции процессора ЭВМ, все операции которого определяются хранящимися в его памяти командами. Осо­бенность однокристального микропроцессора — наличие внутренней шины, по которой происходит обмен информа­цией между устройствами микропроцессора.

Рис. 7.1. Состав микропроцессорного комплекта интегральных схем

По функциональным возможностям микропроцессор со­ответствует процессору ЭВМ, выполненному на 20-40 ИС малой и средней степени интеграции, но обладает большим быстродействием, существенно меньшими размерами, мас­сой, потребляемой мощностью.

Применение различных схемо-технологических методов при изготовлении микропроцессоров позволяет, например, получать на основе
р-МОП-схем до 80 тыс. операций/с, n-МОП-схем — 500...600 тыс. оп/с, КМОП-схем 400 тыс. оп./с, ЭСТЛ-схем — 3 млн. оп/с.

Совокупность конструктивно и электрически совмести­мых ИС, предназначенных для построения микропроцессо­ров, микро-ЭВМ и других вычислительных устройств с оп­ределенным составом и требуемыми технологическими ха­рактеристиками, есть микропроцессорный комплект интег­ральных схем.

Основа микропроцессорного комплекта интегральных схем — базовый комплект, который может состоять либо из одной БИС — однокристального микропроцессора с фик­сированной разрядностью и постоянным набором команд, либо из набора ИС — многокристального секционирован­ного микропроцессора МП (рис.7.1).

Для расширения функциональных возможностей МП базовый комплект дополняется ИС других типов, напри­мер запоминающими устройствами, интерфейсными ИС, контроллерами внешних устройств. Эти ИС могут быть од­ной серии с ИС базового комплекта или разных.

Контрольные вопросы:

1. Какие ИС называют большими? Их деление по конструкции, технологии и функциональному назначению?

2. Дайте определение схем АЦП.

3. Дайте определение схем ЦАП.

4. Какую схему БИС называют микропроцессором?

5. Какие микропроцессоры называют универсальными и специализированными?

6. Расскажите о микропроцессорном комплекте ИС.

Глава 8. Технологический процесс изготовления ИС.

Производственный процесс изготовления ИС можно разделить на три участка: участок формирования структур на пластине, участок сборки и участок выходного контроля.

Технологические процессы изготовления изделий в большинстве своем непрерывно-дискретные.

Непрерывные технологические процессы не могут быть прерваны до их окончания. В случае их прерывания раньше окончание процесса в большинстве случаев изделие уходит в брак. Например, аварийное отключение печей при проведении диффузионных процессов практически приводит к браку всей партии пластин.

Дискретные технологические процессы разделяются на отдельные операции. Эти процессы можно останавливать на определенное для каждого процесса время и после некоторого перерыва можно продолжать далее. Последствия такого перерыва в ходе процесса практически не отражаются на качестве изготовляемых изделий.

Технологический процесс изготовления ИС также принадлежит к непрерывно-дискретному, так как состоит из двух самостоятельных непрерывно-дискретных процессов изготовления полупроводниковых кристаллов со структурой ИС и их сборки. Изготовление структуры на кристалле включает непрерывные и дискретные процессы химической обработки пластины, процессы диффузии, литографии, напыления алюминия, разделения пластин на кристаллы. Каждый из этих процессов включает ряд технологических и контрольных операций.

Рис.8.1. Последовательность технологических операций при изготовлении ИС на пластине кремния с диэлектрической изоляцией.

Технологические метод обработки могут быть групповые и индивидуальные. Как правило, технологические процессы, связанные с обработкой пластин, являются групповыми, сборочные операции (пайка кристалла на основание корпуса, приварка внутренних выводов, герметизация и др.) – индивидуальные.

Современные технологические процессы изготовления ИС очень сложны. Анализ процессов изготовления показывает, что они проводятся при температурах, изменяющихся в диапазоне от – 100оС(криогенное травление) до +1100оС (окисление, диффузия, отжиг после ионной имплантации и др.), при давлении от атмосферного до 10-7 мм.рт.ст. Столь широкие диапазоны вызваны необходимостью проведения с исходными материалами различных физических и химических процессов для получения структур ИС с удовлетворяемыми техническими характеристиками.

Контрольные вопросы:

1. На какие три участка можно разделить производственный процесс изготовления ИС?

2. Дайте пояснение непрерывно-дискретному процессу изготовления ИС.

3.Привидите пример групповых и индивидуальных технологических процессов.

4. Расскажите о последовательности технологических операций изготовления структур ИС на пластине кремния.

Глава 9. Гибридные интегральные схемы.

Исторически первыми (в середине шестидесятых годов прошлого века) были разработаны гибридные ИС. В этих схемах пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) и все соединения изготавливаются из пленок различных материалов, нанесенных на диэлектрическую подложку, а в качестве активных элементов применяются бескорпусные или в малогабаритном корпусе полупроводниковые приборы и ИС.

Гибридные БИС позволяют создавать целые электронные устройства, которые практически невозможно создавать в монолитном исполнении. К основным недостаткам гибридных БИС относятся: меньшая, чем у монолитных БИС, плотность упаковки элементов, которая приводит к увеличению размеров и массы БИС, меньшая надежность из-за сравнительно большого числа сварных соединений.

Диэлектрические подложки изготовляют из керамики, ситала или стекла. Индуктивные катушки и конденсаторы большой емкости, как правило, применяют навесные.

При изготовлении гибридной схемы сначала создают со­единения, для чего напыляют или наносят каким-либо другим способом полоски алюминия, серебра или золота. После этого напыляют сопротивление из тантала, хрома или специальных сплавов. Выбирая соответствующий материал, его толщину и площадь, подбирается необходимый номи­нал резистора. Необходимо отметить, что сопротивление резисторов можно «подгонять» до необходимой величины частичным удалением резистивной пленки. Таким образом, эти резисторы позволяют получить непрерывную шкалу номиналов. Для изготовления конденсатора напыляется металл, затем диэлектрик и снова металл. Как и резисто­ры, пленочные конденсаторы имеют непрерывную шкалу номиналов емкости.

Рис. 9.1. Гибридная интегральная схема типа ГК-19:
а — после герметизации; б — до герметизации

Считается целесообразным изготовлять пленочные конденсаторы с емкостью в пределах 100-5000 пФ. Пленочные индуктивности выполняют нанесением на диэ­лектрические подложки пленок в виде однослойных спира­лей круглой или прямоугольной формы, заканчивающихся контактными площадками. Затем устанавливают навесные элементы: диоды, транзисторы и другие элементы.

Гибридные ИС, в которых в качестве навесных элементов применены бескорпусные ИС, называют многокристальными.

Преимущества гибридно-пленочной технологии заключа­ются в высокой гибкости, т.е. в возможности выбора раз­личных материалов и методов изготовления пленочных элементов, сравнительной простоте разработки и изготов­ления большинства схем в гибридном исполнении.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6