Основи електроніки (стр. 27 )

7.7 Компоненти напівпровідникових ІМС

Рис. 11

Транзистори. Для всіх конструктивно-технологічних типів напівпровідникових інтегральних схем транзистори є основними і найбільш складними компонентами. У сучасній інтегральний напівпровідниковій техніці використовуються транзистори двох типів-біполярні і польові. Специфічна особливість їх полягає в тому, що виготовляються вони по планарній або епітаксиально-планарній технології. Для структури планарних транзисторів характерно розташування виводів в одній площині (плані). Плоска система дозволяє простим способом - нанесенням плівки двоокису кремнію - створити захист від зовнішніх впливів. Завдяки захисному шару планарні структури набули найбільшого поширення при виготовленні інтегральних схем.

На рис. 11 схематично показана послідовність операцій при виготовленні біполярного транзистора методом планарно-дифузійної технології.

Рис. 12

Перші два етапи (рис. 11, а, б) нічим не відрізняються від етапів формування «острівців», ізольованих один від одного непровідними р-п переходами (рис. 9). В результаті дифузії донорної домішки у вихідній пластинці утворюються колекторні області транзисторів. Далі (рис. 11, в) виробляють повторну дифузію акцепторної домішки з метою отримання базової області, Третя дифузія (рис. 11, г) призводить до утворення емітера. Після цього здійснюють омічний контакт з областями коллектора, бази і емітера і створюють контактні площадки, до яких згодом можна приєднувати зовнішні виводи.

Рис.12

Виготовлення р-п переходів і елементів інтегральних твердих схем способом дифузії має певний недолік: р-п перехід не має чіткої межі. Це пояснюється тим, що дифузія йде з поверхні матеріалу. У зв'язку з цим домішка у вихідному матеріалі розподіляється неоднорідно: на поверхні атомів домішки більше, а в глибині менше. Нечіткість р-п переходів істотно впливає на якість і властивості компонентів схеми.

Створення ізолюючих областей і р-п переходів найбільш успішно здійснюється за допомогою епітаксиально-планарної технології. В цьому випадку використовується процес епітаксіального нарощування тонкого монокристалічного шару кремнію п-тиипу на високоомну підкладку р-типу (рис. 12, а). В отриману епітаксійну плівку (товщина 20-25 мкм) методом дифузії вводять акцепторну домішку. Розподіл домішки в такій тонкій плівці майже однаковий. Це дозволяє одержати практично дуже чіткий р-п перехід. На рис. 12, б показана пластина після ізолюючої дифузії, а на рис. 12, в - після дифузії бази, емітера і створення металізованих вивідних контактів.

В процесі розвитку мікроелектроніки (особливо в зв'язку з потребами обчислювальної техніки) з'явилися деякі різновидності біполярних транзисторів, які не мають аналогів в дискретній напівпровідниковій техніці.

Діоди. В напівпровідникових інтегральних схемах діоди виготовляють методами планарної технології одночасно з виготовленням транзисторів. На рис. 13 показані п'ять варіантів використання біполярних транзисторів у якості діодів.

Рис. 13

В залежності від вимог, що пред'являються до діода в інтегральній схемі, вибирається та чи інша транзисторна структура. Наприклад, при включенні транзистора по схемі рис.13, а, б використовується перехід емітер - база. При такому включенні носії зарядів накопичуються в базі. Оскільки товщина бази дуже мала (менше 20 мкм), процес розряду ємності р-п переходу буде швидким, що дозволяє отримати найбільшу швидкодію. У цих же схемах діоди мають найменше значення зворотного струму, так як в них використовується тільки емітерний перехід, площа та ширина якого найменші. Найбільше значення зворотного струму має діод, включений за схемою рис. 13, в, так як в цьому випадку обидва переходи включені паралельно. Ємність такого діода збільшується, швидкодія знижується.

Як діоди загального призначення використовують колекторно-базовий р-п перехід (рис.13, г, д). При такому включенні діоди мають найбільше значення допустимих зворотних напруг порядку 50 В.

Рис. 14

Резистори. В напівпровідникових інтегральних схемах резистор виготовляють методом локальної дифузії домішки в острівки епітаксійного шару кремнієвої заготовки. Причому утворення резисторів йде одночасно зі створенням емітерної та базової областей транзисторів. В процесі емітерної дифузії створюються резистори з малим питомим опором близько 0,5 Ом / квадрат, а в процесі базової дифузії з питомим опором порядку 100 ... 300 Ом / квадрат. Це пояснюється тим, що в емітерній області зосереджені найбільша кількість основних носіїв зарядів, а в базовій дуже мало.

Діапазон номіналів дифузійних резисторів лежить в межах 10 Ом... 50 кОм з допуском 10 ... 20%.

Рис 14

На рис. 14 показаний дифузійний планарний резистор, сформований в базовій області. Від інших елементів схеми він ізолюється р-п переходом (1 -2).

Рис.14

Дифузійні резистори працюють на частотах 10 ... 20 МГц. У схемах, що працюють на частотах вище 20 МГц, резистори формуються в острівцях, ізольованих шаром двоокису кремнію. ТКС дифузійних резисторів складає (2-3) • 10 -31/° С. Максимальне падіння напруги на резисторі - близько 20 В.

Конденсатори. В напівпровідникових інтегральних схемах в якості конденсаторів використовують бар'єрну ємність р-п переходу, який формується в острівцях кремнієвої пластини одночасно з формуванням транзисторів інтегральної схеми способом дифузії; р-п перехід включається в зворотному напрямку

Рис. 15

Типові конструкції конденсаторів на основі р-п переходів показані на рис. 15.

У першій конструкції (рис. 15, а) використовується перехід емітер-база, що володіє найбільшою з усіх переходів питомою ємністю (близько 1500 пФ/мм2), але і найменшою пробивною напругою (одиниці вольт). У другій конструкції (рис. 15, б) використовується перехід колектор - база, питома ємність якого в п'ять-шість разів нижча, ніж у емітерного переходу, а пробивна напруга приблизно в стільки ж разів вища.

Недоліком розглянутих конструкцій є наявність паразитних ємностей, які зазвичай виникають між однією з обкладок конденсатора і землею. Найменшою паразитною ємкістю характеризуються конденсатори на основі переходу колектор - підкладка (рис. 15, в). Однак вони мають найменшу питому ємність.

Індуктивності. Найбільш складними елементами інтегральних схем є індуктивності. В даний час не існує методу отримання індуктивностей класичного виду в твердих схемах. Тому в них штучно створюють схемні елементи, що реалізують індуктивний ефект (відставання струму від напруги по фазі). Такими елементами можуть бути, наприклад, реактивні транзистори. В цьому випадку транзистори працюють в такому режимі, при якому їх колекторний струм відстає по фазі від напруги на колекторі на 90 °. Однак реалізовані таким способом індуктивності мають величину одиниць мікрогенрі, а добротність - не більше кількох десятків. Тому використання їх вельми обмежене.. У зв'язку з цим при конструюванні інтегральних схем в основному застосовують навісні мініатюрні котушки індуктивності.

Список використаної літератури

1.  Колонтаєвський Ю. П., Сосков електроніка та мікросхемо техніка:теорія і практикум:Навч. посіб.- К.:Каравела,2004. – 432 с.

2.  Справочник по рас чету электронных схем. . – Киев: Вища школа. Изд-во при Киев. ун-те,1983. – 240 с.

3.  Гершунский электроники и микроэлектроники : Учебник. – К.:Вища шк., 1989. – 423 с.

4.  Жеребцов электроники. = Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1985. -352 с.

5.  , Трифонюк промышленной электроники: Учебник для электрорадиотехн. И электроприборостроит. Спец. Техникумов. – М.: высш. Шк. 1985. – 287 с.