Полупроводниковые интегральные схемы

Категория:
Производство радиоаппаратуры


Полупроводниковые интегральные схемы

Полупроводниковыми интегральными схемами называют функциональные узлы, выполненные в одном кристалле полупроводника различными технологическими приемами обработки полупроводниковых материалов.

В результате обработки кристаллов методами диффузии, осаждения, травления, маскировки и другими получают отдельные области, эквивалентные либо емкости, либо активным сопротивлениям. Эти области достаточно малы и не имеют резких границ.

Кристаллом чаще всего служит монокристаллический кремний, отличающийся хорошими технологическими свойствами.

Сопротивления в полупроводниковых интегральных схемах можно получить наложением контактов на поверхность кристалла из полупроводникового материала (рис. 1).

Поскольку электрические свойства сопротивлений определяются главным образом природой материала кристалла, эти сопротивления отличаются небольшими собственными шумами, хорошей линейностью, высоким температурным коэффициентом и хорошей стабильностью во времени.

Конденсаторы получают, используя емкость р-п-перехода. Такие конденсаторы мало подвержены влиянию температуры и отличаются хорошей стабильностью во времени.

При повышенных требованиях к линейности конденсатора, а также если невозможно соблюсти полярность включения, применяют конденсаторы, в которых роль диэлектрика играет слой окисла на поверхности кремния, возникающий при нагревании материала в атмосфере воздуха или кислорода. В ненужных местах пленку окисла вытравливают, а чтобы получить контакт, напыляют слой металла.

Комбинируя резисторы и конденсаторы из полупроводникового материала, можно создавать цепи RC с распределенными постоянными.

Транзисторы и диоды получают, нанося на возвышающиеся участки платы методом диффузии проводящий слой.

Наиболее трудный процесс — создание индуктивных элементов. Имеются, однако, сообщения о разработке полупроводниковых диодов, эквивалентная схема которых при определенных условиях представляет собой большую индуктивность, соединенную последовательно с отрицательным сопротивлением.

Технология изготовления полупроводниковых интегральных схем состоит из 15—20 операций. На первой стадии технологического Цикла ведется обработка материала (резка, шлифовка и т. д.). На последующих операциях получают переходы и создают контакты, применяя селективную диффузию и напыление металла, после чего следует расчленение на отдельные элементы, присоединение выводов и заключение в оболочку.

Рис. 1. Образование сопротивления в поту-проводниковых интегральных схемах

Эта технология имеет следующие достоинства:
— устраняется около 80% соединений между элементами, а следовательно, уменьшается число паяных соединений; кроме того, области, образующие отдельные элементы, расположены в объеме материала, что устраняет опасность выхода прибора из строя, связанную с различием температурных коэффициентов;
— из-за малой массы повышается устойчивость к внешним воздействиям;
— небольшое число технологических операций позволяет вести тщательный контроль.

Проверка надежности работы радиоустройств, выполненных по принципу полупроводниковых интегральных схем, показала хорошие результаты: надежность этих схем значительно выше надежности обычных устройств.

Рассмотрим для примера технологию изготовления полупроводникового интегрального узла — демодулятора.

Простейший демодулятор амплитудно-модулированных сигналов (AM) состоит из диода, а также резистора и конденсатора, служащих нагрузкой.

На рис. 2, а представлена внешняя геометрия узла, выполненного на базе кремниевого кристалла и позволяющего получить требуемые электрические характеристики. Чтобы более наглядно показать роль различных областей полупроводникового кристалла, его модель совмещена с соответствующей электрической схемой. Область, имеющая цилиндрическую форму, используется в качестве диода; большая прямоугольная область осуществляет функции конденсатора; узкий прямоугольный брус играет роль резистора.

Размеры кристалла 0,31 X 0,47 см2. Кремниевый кристалл проводимости р-типа имеет поверхностный слой и-типа толщиной 5 мкм, образованный диффузией сурьмы.

Расположенный на расстоянии 5 мкм от поверхности кристалла р-п-переход позволяет легко получить диод и конденсатор.

Вначале кристалл целиком покрывают защитным материалом (черным воском или окисью кремния), а затем очищают определенный участок и погружают в травильный раствор; после окончания травления на пластинке образуется паз, показанный на рис. 3, б. При дальнейшей обработке определенные участки поверхности снова покрывают защитным материалом, а кристалл погружают в слабый раствор для травления. Внешний вид кристалла после этой операции показан на рис. 3, в. При втором травлении образуется большой приподнятый над основанием прямоугольник и небольшой участок цилиндрической формы.

Рис. 2. Демодулятор амплитудно-модулированных сигналов: а —внешняя геометрия узла, б —принципиальная схема

Рис. 3. Этапы обработки кремниевого кристалла: а —кремниевая заготовка с диффузионным поверхностным слоем, б —получение паза методом травления, в—получение выступов методом вторичного травления, г—изготовление омических контактов

Последняя операция — изготовление омических контактов для четырех областей — показана на рис. 3, г.

Функциональные полупроводниковые схемы. Среди полупроводниковых выделяются функциональные полупроводниковые схемы. Они отличаются тем, что в них невозможно отождествить отдельные структурные области с элементами радиосхемы; такие схемы можно оценивать только в целом по выполняемой ими функции.

Функциональные полупроводниковые схемы, подобно интегральным, получают, создавая внутри кристалла локальные неоднородности, позволяющие производить необходимое управление потоком объемных зарядов с помощью электрических и магнитных полей. Технология изготовления функциональных полупроводниковых схем имеет много общего с технологией изготовления полупроводниковых интегральных схем.

В основе создания функциональных схем лежат те же физические явления, что и в основе создания интегральных схем, однако их количество больше; так, например, накопление и взаимодействие объемных зарядов, термоэлектрические эффекты, эффект Холла. Кроме того, функциональные схемы имеют более широкие потенциальные возможности.

На рис. 4 показана схема функционального блока, который составлен из двух областей (доменов), соприкасающихся по одной поверхности раздела. Материал, размеры и форма одного из доменов подобраны так, что он оказывает сопротивление R1 проходящему току, другой домен также характеризуется активным сопротивлением (является резистивным), но подобран так, что имеет сопротивление R2.

Рис. 4. Схема функционального полупроводникового блока, состоящего из двух доменов

Рис. 5. Схема выпрямителя обычной конструкции

Взаимодействие доменов по поверхности раздела аналогично взаимодействию обкладок конденсатора, т. е. соответствует включению в схему некоторой ем-

Рис. 6. Схема функционального полупроводникового блока-выпрямителя: 1 — рсзнстивный домен, 2 — изолирующий домен, 3 —термоэлектрический домен кости.

Другим примером использования доменов и поверхностей раздела между ними является функциональный блок-выпрямитель для питания транзисторных схем.

Схема выпрямителя обычной конструкции показана на рис. 5, а схема функционального полупроводникового блока-выпря-мителя — на рис. 6.

Напряжение переменного тока, приложенное к резистивному домену, вызывает выделение тепла. Тепло проходит через средний домен (изолятор для тока, но хороший проводник тепла) в термо электрический домен, где тепловая энергия превращается в электрическую.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум