Биполярные транзисторы

1.. Какое из приведенных соотношений токов в биполярном транзисторе является правильным?

2. В каком направлении включаются эмиттерный и коллек­торный р— п -переходы биполярного транзистора?

1. Это зависит от типа транзистора (п—р—п или р — п — р).

2. Оба перехода в прямом направлении.

3. Эмиттерный — в обратном, коллекторный — в прямом.

4. Эмиттерный — в прямом, коллекторный — в обратном.

3. Транзистор КТ включен по схеме с общей базой (рис.49). Могут ли превышать единицу коэффициент усиления по току K_t и коэффициент усиления по напряжению К_и1

1. Оба коэффициента могут.

2. К_I может, К_U не может.

3. K_I не может, K_U может.

4.Р. При включении биполярного транзистора VТ по схеме с общей базой коэффициент усиления по току равен 0,95. Чему будет равен коэффициент усиления по току биполярного транзи­стора, если его включить по схеме с общим эмиттером, как пока­зано на рис..50?

1.0,95. 2.0,05. 3.19. 4.20.

5.Р. В транзисторе марки КТ315А, включенном по схеме с общим эмиттером, ток базы изменился на 0.1 мА. Как при этом изменится ток эмиттера, если коэффициент усиления α = 0,975?

1.4мА. 2.0,4мА. 3.40мА.

Рис. 49

6.Р. Найдите h -параметры транзистора ГТ322Б по его вход­ной (рис. 50, а) и выходной (рис. 50, б) характеристикам, соответствующим схеме с общим эмиттером для U_K = 5 В и I_Б = 150 мкА. Начертите схему замещения транзистора. Определите, какой из ответов неверен.

1. h₁₁ = 330Ом.

2. h₁₂ = 16 * 10^--³.

З. h _2[=46.

4. h ₂₂ = 10 ^-6См.

5. h ₂₂=10^-4 Cм

Рис.50

7.Р. Найдите коэффициенты усиления по напряжению К_и и по току К_I, входное R_BX и выходное R_Bыхi сопротивления усили­тельного каскада с общим коллектором (рис. 51) на транзисторе ГТ322Б, у которого h₁₁ = 330 Ом, h₂₁ = 46, h₂₂ = 10^{-4 См, если} сопротивление резистора R э= 1 кОм. Определите, какой из отве­тов неверен.

Рис. 51

1. K_U= 9.92

2. K_U= 0,992.

3. K_I = 40,9.

4. R_ВХ = 41,25 кОм.

5. R_ВЫХ = 7Oм

8. На рис. 52 приведены графики зависимости относитель­ных коэффициентов усиления по току а/щ и р/р_п биполярного транзистора в функции частоты/(а — коэффициент усиления в схеме с ОБ, р — коэффициент усиления в схеме с ОЭ, ао Ро — те же коэффициенты при низкой частоте).

В диапазоне частот 800... 1000 Гц коэффициенты аир остаются постоянными. С повышением частоты аир снижаются. Частоты /_а и/$ — граничные частоты, на которых а и Р снижаются в V2 раз.

Определите по графикам, в области каких частот снижаются коэффициенты аир.

1. В области низких частот.

2. В области средних частот.

3. В области высоких частот.

9. На рис. 50 приведена схе­ма усилительного каскада с об­щим эмиттером. В каком направ­лении смещены эмиттерный и коллекторный переходы транзи­стора VT, работающего в режи­ме отсечки?

1. Оба перехода смещены в об­ратном направлении.

2. Оба перехода смещены в прямом направлении.

3. Эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

4. Эмиттерный переход смешен в обратном направлении, а кол­лекторный — в прямом.

Рис. 52.

10. В каком направлении смещены эмиттерный иколлектор­ный переходы транзистора VT (см. рис. 50), если он находится в активном режиме?

1. Оба перехода смещены в обратном направлении.

2. Оба перехода смещены в прямом направлении.

3. Эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а кол­лекторный — в обратном.

4. Эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а кол­лекторный — в прямом.

11. В каком направлении смещены эмиттерный и коллектор­ный переходы транзистора VT (см. рис. 50), если он находится в режиме насыщения?

1. Оба перехода смещены в обратном направлении.

2. Оба перехода смещены в прямом направлении.

3. Эмитттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

4. Эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а кол­лекторный — в прямом.

12. В каком режиме работы транзистора VT (см. рис. 50) про­исходит усиление входного сигнала Uвх до уровня выходного си­гнала U _ВЫХ?

1.В режиме отсечки.

2. В активном режиме.

3. В режиме насыщения.

13.Р. На рис. 53, а приведена схема усилительного каскада с общим эмиттером на транзисторе ГТ322Б, а на рис. 53, 6 — его схема замещения.

Рис. 53

Рассчитайте сопротивление резистора R_Б, при котором рабо­чая точка будет находиться на середине линейных участков вход ной и выходной характеристик, если Е_к= 10 В и R_K= 1 кОм.

Опре­делите коэффициенты усиления по напряжению К_U по току К_I по мощности Кр, а также входное R_BX и выходное R _вы, сопротивле­ния усилительного каскада. Значения h -параметров и характери­стики транзистора ГТ322Б возьмите из задачи 1.14,значение h ₁₂ примите равным нулю.

Определите, какой из ответов неверен.

1. R _Б = 64,Зк0м.

2. K_U =140.

3. K_I =46,2.

4. K_P =6468.

5. Rвх = 330 Ом.

6. Rвых= 1кОм.

7. R _Б = 6,43к0м.

Полевые транзисторы

14. Среди перечисленных высказываний о полевых транзи­сторах (ПТ) найдите неправильное.

1. Сток, исток и затвор ПТ не являются аналогами коллектора, эмиттера и базы биполярного транзистора.

2. В качестве аналоговых переключателей и усилителей со сверх­высоким входным сопротивлением ПТ не имеют себе равных.

3. ПТ целесообразно использовать в качестве резисторов, управ­ляемых напряжением (нелинейных резисторов), и источников тока.

4. ПТ особенно полезны в интегральных микросхемах (ИМС) для создания больших интегральных схем (БИС), применяемых в микрокалькуляторах, микропроцессорах, устройствах памяти.

5. Сток, исток и затвор ПТ являются аналогами коллектора, эмиттера и базы биполярного транзистора.

6. Существуют п -канальные и р -канальные ПТ с управляющим р- п -переходом и ПТ с изолированным затвором (МОП-транзисторы).

15. В каком направлении включены р—п -переходы затвора полевого транзистора, показанного на рис. 54?

1.В прямом.

2.В обратном.

3.Направление не имеет зна­чения.

16. Как изменится ток стока I _с при увеличении напряжения U_ЗИ на затворе 3 полевого тран­зистора (рис. 55) относительно истока И?

1.Не изменится.

2.Увеличится.

Рис. 54

3.Уменьшится

Рис. 55

17. Стоковая и передаточная хара­ктеристики полевого транзистора с управляющим р —п -переходом приведены соответственно на рис. 56, а и б. Какое из перечисленных высказываний, сделанных на основании этих характеристик, неправильное?

1. На участке I (U_С|И< U_си._нас) ток I_с и напряжение U_CИ связаны по закону Ома. Этот участок используется при работе транзистора в качестве резистора.

2. На участках насыщения II канал перекрыт (режим насыще­ния). На этих пологих участках происходит работа транзистора в усилительном режиме.

3. На участке III работа невозможна, так как здесь происходит пробой р — п -перехода между затвором и каналом.

4. Полевой транзистор с управляющим р — п -переходом может работать в режимах обеднения и обогащения.

5 Полевой транзистор с управляющим р — п -переходом может работать только в режиме обеднения.

18. Определите крутизну характеристики S= dI_С/ dU_ЗИ полево­го транзистора КП103Л, если при изменении напряжения на за­творе на 1,5 В ток стока изменился на 2,25 мА.

1.0,5мА/В. 2. 1,0мА/В. 3. 1,5мА/В.

19. Определите коэффициент усиления К_и усилительного каскада (рис. 57) на полевом транзисторе КШОЗМ при R_c = 4кОм, если крутизна характеристики S= dI_С /dU_ЗИ = 2,5 мА/В. Звено автоматического смещения R_И-- С и и разделительные конденсаторы С и С_с не учитывать.

1. К_и =5.2. К_и =10. 3. К_и= 15.

Рис.56.

20. Какое из высказываний о МОП - транзисторе со встроен­ным каналом, схема которого приведена на рис. 58, непра­вильное?

1. При U_ЗИ = 0 характер изме­нения тока стока Ic подобен ха­рактеру изменения тока I _С в полевом транзисторе с управляющим р — n -переходом.

2. При U_ЗИ < 0 будет иметь место режим обеднения.

Ес

Рис.57.

3.При U_ЗИ < 0транзистор будет работать в режиме обогащения.

4.Если U_ЗИ > 0, наступит работа в режиме обеднения.

5.МОП-транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения.

21. Какое из высказываний о МОП-транзисторе с индуциро­ванным каналом, схема которого показана на рис.59, непра­вильное?

1. При U_ЗИ = 0 канал между И и С отсутствует и I_с = 0.

2. При U_ЗИ <0 произойдет инверсия типа проводимости между И и С, образуется тонкий канала-типа и транзистор начнет про­водить ток, если ׀ U_ЗИ ׀ > ׀ U_{ЗИ ПОР} ׀

3. МОП-транзистор с индуцированным каналом может рабо­тать только в режиме обеднения.

4. МОП-транзистор с индуцированным каналом может рабо­тать только в режиме обогащения.

Рис. 58

Рис. 59

Рис. 60

22. Какая из передаточных характеристик I_С = f(U_ЗИ), пред­ставленных на рис. 60, принадлежит полевому МОП- транзисто­ру с индуцированным каналом?

1.1. 2. II. З.Ш.

23. Какие элементы целесообразно использовать для преоб­разования электрической энергии больших мощностей?

1. Биполярные транзисторы.

2. Полевые транзисторы.

3. Тиристоры.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Основные понятия, виды и классификация интегральных микросхем

Успехи современной электронной техники в значительной степени определяют технический уровень различных отраслей промышленности. Улучшение характеристик радиоэлектронных, телекоммуникационных и вычислительных систем неизбежно при­водит к усложнению этих систем, в результате чего возрастает вероятность выхода их из строя, увеличиваются габаритные раз­меры, масса и потребляемая мощность оборудования. Постоянное усложнение и требование миниатюризации радиоэлектронной ап­паратуры обусловили поиск принципиально новых путей созда­ния элементной базы на основе микроэлектроники. Особеннос­тью современного этапа развития электронной техники является внедрение микроэлектроники во все электронные устройства, работающие в различных отраслях народного хозяйства.

Микроэлектроника — это научно-техническое направление элек­троники, которое на основе использования комплекса физичес­ких, химических, схемотехнических и технологических методов решает задачу создания миниатюрных электронных устройств — интегральных микросхем, содержащих большое количество элек­тронных элементов.

Первым поколением элементной базы радиоэлектронной ап­паратуры были электронные лампы, вторым — полупроводнико­вые приборы, третьим — интегральные микросхемы (ИМС), чет­вертым — большие интегральные схемы (БИС). Сейчас начинает развиваться функциональная микроэлектроника, в основе кото­рой лежат микроэлектронные устройства, выполняющие опреде­ленные функции (например, преобразование Фурье, усиление с логарифмическим масштабированием и сглаживанием и т.п.).

Изготовление полупроводниковых интегральных схем (ИС) требует больших капитальных затрат на технологическое оборудо­вание.

Технологический процесс изготовления ИС сложен, требует использования особо чистых материалов и работы квалифициро­ванного персонала. Особенно сложны разработка схемы и тех­процесса, т.е. от момента выдачи технического задания на проек­тирование до выхода годной микросхемы проходит много време­ни, что окупается возможностью создания большой партии ИС в едином или многократно повторяющемся технологическом цикле. Поэтому разработка и внедрение технологии полупроводниковых микросхем экономически целесообразны только в условиях мас­сового производства.

Различают толстопленочную и тонкопленочную технологии производства ИС.

Толстоплепочная технология заключается в нанесении эмуль­сионных слоев методом типографской печати с последующей суш­кой и отжигом. Этим методом получают, как правило, пассивные элементы (резисторы, индуктивности и емкости), а нелинейные и активные элементы (диоды и транзисторы) затем впаивают. Тех­нология изготовления схем на основе толстых пленок является сравнительно простотой и не требует сложного и дорогостоящего оборудования. Тол сто пленочные ИС характеризуются высокой на­дежностью при небольшой себестоимости.

При тонкопленочной технологии слои полупроводников, изо­ляторов и металлов наносятся в вакуумных установках молекулярно-пучковым или плазмохимическим методом. Эти методы позво­ляют делать любые элементы и сложные схемы из последователь­но наносимых слоев по рисунку, задаваемому метолом фотоли­тографии. Толщина пленок в этой технологи составляет от 0,5 до 1,5 мкм, ширина линий или промежутков между ними может до­стигать 0,5 мкм. Чем меньше размеры активных элементов, тем более сложную ИМС можно создать на одном кристалле. Поэтому сейчас осуществляется переход на ультрафиолетовую фотолитогра­фию, позволяющую изготавливать ИМС с размерами элементов 0,3 мкм. Разрабатывается также принципиально новая нанотехнология, позволяющая получать ИС с размерами элементов 10 нм.

Виды и уровень сложности ИМС. По конструктивному испол­нению ИС делятся на полупроводниковые и гибридные. В гибридной ИС содержатся тонкопленочные или толстопленочные пассивные элементы и полупроводниковые активные навесные элементы — компоненты ИС. Гибридная толстопленочная технология предпоч­тительна в тех случаях, когда необходимо изготовить сравнитель­но небольшое количество специализированных микросхем — мик­росборок.

Основным преимуществом полупроводниковых ИМС является возможность изготовления множества высококачественных элек­тронных элементов по тонкопленочной технологии с высокой плотностью элементов. При этом допуски на параметры элемен­тов могут быть доведены до 2 %, что важно в тех случаях, когда точность номиналов параметров пассивных элементов и их ста­бильность имеют решающее значение (например, при изготовле­нии некоторых видов фильтров, фазочувствительных и избира­тельных схем, генераторов и т.п.).

Одно из главных достоинств изделий микроэлектроники — обеспечение значительного повышения надежности аппаратуры благодаря высокой надежности ИМС, значительному уменьше­нию числа соединений и возможности резервирования как целых узлов, так и отдельных элементов. Поскольку паяные соединения в микросхемах отсутствуют, а из внешних соединений подлежат лайке лишь входные и выходные выводы, вероятность выхода из строя микросхемы вследствие нарушения соединений не больше, чем у дискретных полупроводниковых приборов, например тран­зисторов. Интенсивность отказов полупроводниковых микросхем в настоящее время составляет 10~⁹ 1/ч. Высокая надежность мик­росхем определяется в первую очередь высоким уровнем автоматизации производства, чистотой на рабочих участках и качеством исходных материалов.

Развитие микроэлектроники обеспечивает создание малогаба­ритных, надежных и экономичных вычислительных машин и си­стем с использованием большого числа однотипных элементов. Поэтому в первую очередь создавались различные типы логичес­ких микросхем. Широкое распространение получили логические микросхемы на биполярных транзисторах, построенные на осно­ве транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

Гибридные ИС применяются в приемно-передаюшей аппара­туре связи, усилителях высокой частоты, микрофонных усилите­лях, СВЧ устройствах и т.д. Микросхемы находят все большее применение в бытовой вещательной аппаратуре (например, все каскады телевизоров с малым уровнем сигнала собираются на микросхемах). На типовых микросхемах выполняются электрон­ные устройства видеомагнитофонов, переносных и автомобиль­ных радиоприемников.

Повышение функциональной сложности и плотности упаков­ки элементов и компонентов привело к появлению БИС, в кото­рых вместо отдельных элементов (усилительных каскадов, тригге­ров, логических ячеек и т.д.) используются интегральные узлы и целые устройства (регистры, счетчики, усилители, аналого-циф­ровые и цифроаналоговые преобразователи, запоминающее уст­ройства и даже процессоры ЭВМ). Считается, что по сложности БИС эквивалентна, как минимум, 100 логическим схемам.

Показателем степени сложности микросхемы является степень интеграции К = \gN (где N — число элементов и компонентов, входящих в ИС):

в микросхеме 1-й степени интеграции N < 10 и 0 < К< 1;

в микросхеме 2-й степени интеграции 10 < jV< 100 и 1 <, К< 2;

в микросхеме 3-й степени интеграции 100 < N < 1000 и 2 < К< 3.

В сверхбольших интегральных схемах (СБИС) — ИС 5-й степе­ни интеграции содержится до 10⁵ элементов на кристалле.

На одной кремниевой пластине диаметром 150 мм создаются десятки СБИС, которые могут выполнять функции целой ЭВМ.

Для реализации БИС наиболее пригодны структуры металл-диэлектрик—полупроводник (МДП-структуры). Схемы на МДП-структурах значительно проще в изготовлении, для них характер­ны малые значения управляющих напряжений, малая потребляе­мая мощность и высокое быстродействие.

Развитие функциональной микроэлектроники основано на ис­пользовании оптических и магнитооптических явлений, сверх­проводимости, электрохимических явлений в жидких и твердых электролитах и т.д.

Все более широко начинают использоваться результаты иссле­дований биологических систем. Сущность этого направления мик­роэлектроники заключается не в простом физическом воспроиз­ведении классических схем, а в непосредственном выполнении электронной системой требуемых функций подобно нейронным сетям живого организма. Использование функциональных прибо­ров обещает значительно сократить число составляющих элемен­тов систем, снизить их стоимость, габаритные размеры и, глав­ное, резко повысить надежность.

Развитие микроэлектроники происходит в направлении умень­шения размеров отдельных элементов микросхем и повышения сте­пени интеграции. В настоящее время созданы БИС оперативной памяти объемом 32 Мбайт с размерами отдельных элементов 0,5 мкм. Осваивается производство БИС оперативной памяти объемом 128 Мбайт с размерами отдельных элементов 0,3 мкм. Ведутся ис­следования по созданию БИС с элементами, имеющими размеры несколько нанометров, что позволит увеличить оперативную па­мять в сотни раз при прежних наружных размерах этих схем. Ве­дутся также работы по созданию молекулярной электроники с размерами элементов на уровне отдельных органических молекул.

Классификация микросхем. Микросхемы классифицируются как по методам их изготовления, так и по используемым в них физи­ческим преобразованиям.

Условное обозначение микросхемы включает в себя четыре элемента:

первый элемент — цифра, характеризующая конструктивно-технологическое исполнение;

второй элемент — две цифры, указывающие номер разработки данной серии (т. е. первые три цифры обозначения соответствуют номеру серии микросхемы);

третий элемент — индекс, состоящий из двух букв, определя­ющих функциональное назначение данной микросхемы;

четвертый элемент (последние одна или две цифры) — поряд­ковый номер разработки микросхемы по функциональному при­знаку в данной серии.

Например, запись 133ТМ2 означает, что это полупроводнико­вая микросхема серии I33, состоящая из двух триггеров О-типа с номером разработки 2.

По технологическому исполнению микросхемы подразделя­ются на полупроводниковые (первая цифра в условном обозна­чении — 1,5, 7), гибридные (2, 4, 6, 8) и пленочные (3). Для микросхем широкого применения перед первым элементом ус­ловного обозначения ставят букву К.

По характеру выполняемой функции микросхемы подразделя­ются на классы (генераторы, усилители, преобразователи, логи­ческие элементы, элементы ЗУ и т.д.). Каждый класс, в свою оче­редь, подразделяется на группы (например, различают усилители синусоидальные, постоянного тока, импульсные, высокой, про­межуточной и низкой частот, операционные и дифференциаль­ные видеоусилители, повторители).

Таблица 1. 1. Классы и группы микросхем и их обозначения

Классы и группы микросхем и их обозначения (в скобках) приведены в табл. 1.1.

Микросхемы группируются также по сериям. Микросхемы, вхо­дящие в одну серию, имеют одинаковые технологию, напряже­ние питания, надежность и допустимые уровни внешних воздей­ствий.

Функциональная микроэлектроника. Современные интеграль­ные микросхемы выполняются в виде законченных устройств с определенными функциями. Например, это могут быть интеграль­ные микросхемы миниатюрных приемников, калькуляторов, ча­сов, радиотелефонов и т.п. Номенклатура таких специализиро­ванных устройств непрерывно растет и, следовательно, возраста­ет их сложность. Широкое применение находят в настоящее время специализированные цифровые функциональные устройства для бытовой техники и техники широкого применения. Вместе с тем на аналоговых устройствах часто проще достичь тото же результа­та или получить высокую скорость обработки информации.

В последние годы наиболее хорошие результаты обеспечивают функциональные микроэлектронные устройства, сочетающие в себе различные физические процессы: электрические, оптические и акустические. В результате появились новые направления разви­тия: оптоэлектроника и акустоэлектроника скорость векторного умножения и аналогово-цифрового преобра­зования обеспечивает оптоэлектронные устройства, а наиболее быстрое преобразование Фурье и фильтрацию широкополосных сигналов — акустоэлектронные. Как правило, упомянутые устрой­ства выполняются по микроэлектронной технологии в сочетании с полупроводниковыми интегральными схемами.

Технологические процессы изготовления ИС

Толстопленочная технология. Процесс изготовления гибридных ИС и используемые при этом материалы близки материалам и тех­нологии изготовления печатных плат. Здесь в качестве подложки и используются фольгированный текстолит и гетинакс, а в каче­стве проводников, пластин конденсаторов и элементов индук­тивности — фольга или гальванические и химически осажденные металлы (алюминий, медь, серебро, золото). Для изготовления резистивных элементов используют эмульсии и суспензии, со­держащие хромоникелевые (NiCr) или хромо кремниевые (SiCr) составляющие. В качестве диэлектриков используют эпоксидные смолы, силиконовые резины, лаки.

Процесс изготовления гибридных ИС по толстопленочной тех­нологии сходен с типографским процессом печати книг. Все требу­емые материалы подготавливаются в виде суспензий, эмульсий, лаков и красок. Посредством печати защитный слой кислотоустой­чивого лака наносят на фольгу гетинакса, и после сушки произво­дят травление металла в растворе кислоты. Затем посредством печа­ти последовательно наносят резисторы, изоляторы, обкладки кон­денсаторов, и после сушки впаивают нелинейные и активные эле­менты (диоды, транзисторы). На последних этапах изготовления ИС наносят защитные диэлектрические покрытия и производят их упаковку в пластмассовый или металлический корпус.

Гибридные ИС имеют специальное функциональное назначе­ние и выполняются небольшими партиями. При этом каждый тип микросхемы может иметь свою уникальную технологию.

Более широкое распространение получили тонко пленочные полупроводниковые ИС и БИС, технологию изготовления кото­рых рассмотрим подробнее.

Тонкопленочная технология. Данная технология изготовления полупроводниковых ИС включает в себя следующие основные процессы: диффузию, оксидирование, эпитаксиальное выращи­вание, фотолитографию и селективное травление, вакуумное на­пыление, химическое осаждение и анодирование. Некоторые из них повторяются по нескольку раз.

В качестве подложек полупроводниковых тонкопленочных ИС используют пластины из кристаллического кремния, арсенида галлия и фосфида галлия. Наибольшее распространение получила крем­ниевая технология, в которой используются стандартные план­шайбы (пластины) из легированного кремния толщиной 0,5 мм и диаметром 70, 100 и 150 мм. Планшайбы поставляют со шлифован­ными и полированными поверхностями. Непосредственно перед процессом изготовления ИС их протравливают в растворе плавико­вой кислоты, промывают в деионизованной воде и сушат пото­ком фильтрованного воздуха.

В основе изготовления тонкопленочных микросхем лежат ваку­умные процессы последовательного нанесения тонких пленок на планшайбу. Рассмотрим кратко перечисленные процессы тонко­пленочной технологии.

Диффузия. Большинство методов образования р — п - переходов в ИС основано на использовании явления диффузии в твердом теле. Диффузией атомов или молекул называется процесс их переноса, происходящий в результате хаотического теплового движения. При наличии градиента концентрации вещества создается направлен­ное диффузионное движение, стремящееся выровнять концен­трацию во всем объеме. В этом случае движение частиц хотя и носит хаотический характер, но существует некоторая состав­ляющая скорости движения, направленная в сторону меньшей концентрации вещества. Скорость процесса характеризуется ко­эффициентом диффузии D, который определяет массу вещества, проникающего через единичное сечение за единицу времени, при градиенте концентрации, равном единице. Коэффициент диффу­зии зависит от свойств диффундирующего материала и структуры вещества (субстрата), в которое оно диффундирует. При диффу­зии вещества из одного слоя в другой через некоторое время уста­навливается экспоненциальное распределение его во втором слое. Коэффициент диффузии увеличивается при увеличении темпера­туры по экспоненциальному закону, т.е. чем больше температура и время обработки, тем глубже проникает диффундирующее ве­щество.

Современная кремниевая технология получения микросхем основана на диффузии легирующих присадок в кремниевой плас­тине при температуре 1000... 1300 °С. Обычно кремниевую пласти­ну (подложку), легированную акцепторной примесью — бором (р -область), помещают в диффузионный кварцевый реактор. При температуре 1200°С в реактор подают газ с донорной примесью (например, фосфором). Если нижняя часть подложки защищена, то после пребывания ее в течение 30 мин в реакторе на глубине 0,1 мм от верхней поверхности, где концентрации донорной и акцепторной примесей равны, образуется р —п -переход, который при дальнейшей обработке смещается в глубь подложки.

Для формирования р — п — р -перехода необходимо подповерхностном слое происходит распределение диффундиру­ющих веществ с р-, п- и р -областями, характерными для бипо­лярных транзисторов.

Оксидирование. Тонкая пленка диоксида кремния (SiO₂, квар­ца) является хорошим изолирующим материалом. Она прочна, однородна, не имеет пор, химически инертна, имеет хорошую адгезию с кремниевой поверхностью, хорошо защищает поверх­ность микросхем от воздействия окружающей среды. Пленка SiO₃ широко используется для защиты поверхности кремния при про­ведении диффузии, так как она препятствует диффузии легирую­щих примесей в кремниевую подложку. Равномерную пленку ди­оксида кремния получают на подложке в диффузионном реакторе при температуре 1200 "С посредством подачи влажного (с водя­ным паром) или чистого (сухого) кислорода. Для эффективной защиты поверхности требуется пленка толщиной от 0,2 до 1 мкм. Для удаления пленки в требуемых местах (под контакты или для проведения диффузии) методом фотолитографии наносят защит­ный рисунок из фоторезиста, а затем обрабатывают пленку мето­дом ионно-плазменного травления фторсодержащим газом (фре­оном).

Пленки диоксида кремния могут синтезироваться на поверх­ности полупроводниковой структуры из тетрахлорида кремния (SiCI₄) в кислородной среде: SiCl₄ + O₂→ SiO₂ + 2С1₂↑. При темпе­ратуре выше 1200 °С тетрахлорид кремния разлагается на кремний и хлор. Хлор улетучивается, а кремний соединяется с кислородом и осаждается на поверхность полупроводниковой структуры в виде пленки SiO₂.

Эпитаксиальное выращивание. В результате этого процесса ато­мы нового вещества надстраиваются на монокристаллической подложке, повторяя ее структуру. При жидкостной и газовой эпитаксиях атомы беспорядочно движутся вдоль кристаллической поверхности пока ни займут устойчивое положение и ни образу­ют жесткую структуру, повторяющую структуру поверхности кри­сталла. Этот процесс похож на рост природных и синтетических кристаллов, только наращиваемые слои в нем имеют другое атом­ное строение, и потому упорядоченность атомов после образова­ния несколько атомных слоев нарушается.

Основным требованием при эпитаксиальном выращивании является близость межатомного расстояния наращиваемого веще­ства и вещества подложки.

В последнее время интенсивно развивается молекулярно-пучковая эпитаксия. В этом случае эпитаксиальное выращивание плен­ки с упорядоченной кристаллической структурой производится в вакуумной установке молекулярным (или атомным) пучком, фор­мируемым дуговым, плазменным или магнетронным распылени­ем вещества и падающим на поверхность подложки. Отличительной особенностью молекулярно-пучковой эпитаксии по сравне­нию с вакуумным напылением является то, что подложка в этом случае нагревается до высокой температуры (в кремниевой техно­логии до 1000 °С). При этом молекулы (атомы) не могут сразу закрепиться на поверхности кристалла и за счет температурных колебаний перемещаются по ней до ближайшей границы роста, где и займут устойчивое положение с прочными молекулярными связями в кристаллической решетке.

Фотолитография и травление. Для формирования заданного микроскопического рисунка на поверхности кремниевой подлож­ки, по которому необходимо проводить диффузию, наносят слой диоксида кремния и в нем протравливают соответствующие «окна». Для этого на пластину кремния со сплошным слоем диоксида тол­щиной около 1 мкм наносят слой светочувствительного вещества (фоторезиста). Затем пластину накрывают стеклянной маской с фотоизображением схемы (фотошаблоном) с прозрачными и не­прозрачными участками и облучают ультрафиолетовым (УФ) све­том. Под прозрачными участками УФ свет полимеризует фоторе­зист, и он становится нерастворимым в трихлорэтилене, в то вре­мя как неполимеризованные участки хорошо растворяются в нем. После обработки в трихлорэтилене на поверхности подложки фоторезист остается только в местах, подверженных облучению УФ светом, т.е. под прозрачными участками маски. Затем пласти­ну помешают в сосуд с разбавленной плавиковой кислотой, кото­рая в течение нескольких минут растворяет диоксид кремния в местах, незащищенных фоторезистом. Полимеризовапный фото­резист протравливают, т. е. удаляют горячей серной кислотой, после чего подложка готова к процессу диффузии.

При изготовлении микросхемы наносится несколько слоев с разным типом легирования в разных местах подложки, для чего изготовляются несколько фотошаблонов с разными рисунками и метками совмещения. После проведения каждой операции диф­фузии поверхность подложки снова окисляют, наносят фоторе­зист, устанавливают фотошаблон, совмещая под микроскопом со­ответствующие метки, и затем повторяют операции фотолитогра­фии и диффузии. Таким образом, посредством процесса фотоли­тографии можно получить на одной кремниевой пластине до 100 микросхем 4 или 5-й степени интеграции.

Вакуумное напыление. Осаждение тонких пленок металла в со­единительных проводниках ИМС для формирования резисторов, конденсаторов и индуктивностей производят методом вакуумно­го напыления. При термическом напылении металл в «лодочке» из тугоплавкого материала нагревается высокочастотным индук­тором до высокой температуры, плавится и начинает испаряться, оседая (конденсируясь) на соседние более холодные поверхности и покрывая их тонким слоем. Если кремниевую пластину накрыть трафаретом или использовать технику фотолитографии, то на ней можно создать любые тонкопленочные элементы. Вакуум обеспе­чивает хорошую адгезию (прилипание) металла к кремниевой под­ложке и получение однородных плотных слоев металлических пле­нок толщиной от 0,5 до 1 мкм.

По методу испарения металла различают вакуумное, терми­ческое (нагрев), дуговое (в дуге электрического тока) электрон­но-лучевое напыление, катодное, магнетронное распыления и лазерное испарение. Различают также обычное (на холодную по­верхность), эпитаксиальное (на горячую) и ионное осаждения металла на поверхность. При последнем способе создается раз­ность потенциалов между нагреваемым металлом и подложкой. Ионное осаждение упорядочивает поток молекул металла и со­здает повышенную адгезию пленки к подложке.

Химическое осаждение из газовой фазы. Этот метод заключается в том, что в реактор подается газовая или парогазовая смесь и он нагревается. Под действием высокой температуры происходит раз­ложение поступивших химических веществ и образование новых веществ, оседающих на поверхность находящейся в реакторе под­ложки. Химическим осаждением из газовой фазы можно получить все необходимые в микроэлектронике типы тонких пленок — изо­лятор, проводник и полупроводник.

Анодирование. Наиболее распространен метод анодного окисле­ния танталовой пленки в оксид тантала, служащий диэлектриком в конденсаторах. Для этого к танталовой пленке, являющейся ано­дом, прикладывается напряжение, а в качестве электролита ис­пользуется раствор уксусной кислоты. В этом случае на пленке об­разуется равномерный слой оксида тантала, толщина которого зависит от приложенного напряжения. Затем снова осаждают ме­талл. В результате формируются конденсаторы большой емкости со стабильными характеристиками.

Процессы металлизации, плазмохимического осаждения и ано­дирования проводят с использованием фотолитографии и травле­ния. Обычно поверхность кремниевой подложки окисляют, мето­дом фотолитографии наносят защитный рисунок из фоторезиста, удаляют диоксид кремния плазмохимическим или химическим травлением и проводят диффузионные процессы. Там, где долж­ны быть контакты, напыляют тонкий (1 мкм) слой алюминия. Далее опять проводят процессы фотолитографии, анодирования и нанесения новых металлических пленок.

Последовательность изготовления ИС. На рис. 61 показаны полупроводниковая микросхема усилительного каскада в интег­ральном исполнении (элементы для наглядности расположены на одной линии) и его электрическая схема. Все элементы такого каскада размешены в одной кремниевой пластине р -типа. Для ис­ключения взаимного влияния активные и пассивные элементы

Рис. 61. Структура (а) и схема (б) усилительного каскада полупровод­никовой микросхемы

помещены в островках, изолированных от подложки. Сверху под­ложка защищена изоляционным слоем, на который нанесены проводящие дорожки, соединяющие элементы между собой.

Активные элементы полупроводниковых микросхем (транзис­торы, диоды, тиристоры и оптоэлектронные приборы) состоят из одного или более р—п -переходов. Любой р—п -переход обладает барьерной емкостью аналогично плоскому конденсатору, а такие конденсаторы чаще всего и применяются в микросхемах. В каче­стве резисторов используются участки полупроводника, обычно ограниченные р —п -переходами, т.е. слой кремния здесь выпол­няет функции резистора, а р —п -переходы являются границами.

Таким образом, в полупроводниковом кристалле с р —п -пере­ходами можно создать набор элементов, достаточный для боль­шинства радиотехнических схем. Наиболее трудно создать в интег­ральном исполнении индуктивность требуемых номинала и доб­ротности.

Для производства микросхем применяется планарная техноло­гия, позволяющая одновременно в едином технологическом про­цессе формировать большое число микросхем. При этом наиболее удобными оказались пленки кремния, изготовляемые методом эпитаксиального выращивания. Процесс производства микросхем в этом случае называется планарно-эпитаксиальным.

После оксидирования на поверхности пластины необходимо выделить локальные области, в которых должна проводиться диф­фузия, для чего применяют метод фотолитографии с использова­нием нескольких разных фотошаблонов. В окна, образовавшиеся в диоксиде кремния после травления, проводят локальную диффу­зию примесей в кремний для создания диодных или транзистор­ных структур, резисторов, изолирующих переходов и т. п. В то же время оксидная пленка предохраняет кремний от нежелательного внедрения примеси на отдельных участках его

поверхности. Диф­фузия, как правило, проводится из газовой фазы. В качестве диффундирующих примесей обычно используются бор, фосфор, сурьма, мышьяк.

Рис. 62. Различные схемы диодных соединений в транзисторных структу­рах микросхем

Глубина диффузии и концентрация легирующих примесей определяются временем и температурой процесса диф­фузии.

В полупроводниковых микросхемах находят широкое примене­ние диоды, транзисторы, ключи, логические элементы, важны­ми характеристиками которых являются время включения и вре­мя восстановления, определяющие их быстродействие.

Обычно диоды в микросхеме формируются из единой транзи­сторной структуры. Различные схемы диодных соединений приведе­ны на рис. 62. Наименьшее время восстановления диода характер­но для первой схемы соединения, показанной на рисунке, кото­рая чаще всего и применяется в логических схемах.

В ключевых транзисторных схемах для уменьшения времени рассасывания избыточного заряда используется метод шунтирова­ния перехода коллектор —база диодом с р —п -переходом. В этом случае некоторый избыточный заряд накапливается в самом диоде. Исследованиями установлено, что для изготовления коллекторного диода, шунтирующего переход коллектор — база, лучше всего под­ходят диоды с барьером Шотки, в которых отсутствуют инжекция и накопление зарядов (рис. 63, а). Структура транзисторного каска­да, в котором диод с барьером Шотки шунтирует переход коллек­тор—база, и его УГО показаны соответственно на рис, 63, б,

Рис. 63. Схема ключевого каскада с диодом Шотки (а), его структура в микросхеме (б) и УГО (в)

Элементы микросхем на МДП-структурах

Структуры металл —диэлектрик —полупроводник широко ис­пользуются в микросхемах (рис. 64). На их основе выполняют полевые транзисторы, переменные резисторы и конденсаторы, ключи, элементы памяти, а также микросхемы различного функ­ционального назначения: генераторы, формирователи импульсов, преобразователи сигналов, элементы памяти. Особая ценность МДП-структур заключается в том, что они обеспечивают созда­ние разнообразных по функциональным возможностям ИМС на основе единой технологии из однородных элементов.

Выпускаемые в настоящее время ИМС на МДП-структурах превосходят ИМС на биполярных транзисторах по таким парамет­рам, как уровень интеграции, потребляемая мощность, входное сопротивление и др.

Структура и принципы работы МДП-транзисторов были рас­смотрены ранее. Принцип действия МДП-транзисторов с канала­ми п- и р -типа одинаковый.

Рассмотрим МДП-транзисторы с каналом п -типа, применяе­мые в технологии изготовления ИМС (см. рис. 64, а). В подложке р -типа с удельным сопротивлением от I до 10 Ом *см создают две сильно легированные области п -типа с концентрацией примесей от 1O^I8 до IО²⁰ атомов*см³, между которыми формируют слабо легированный канал проводимости п -типа. Над поверхностью кана­ла проводимости выращивают тонкий слой изолирующего оксида (диэлектрика). Затем напыляют три металлических электрода: ис­ток, сток, затвор. Ток между истоком и стоком управляется на­пряжением на затворе, находящемся над каналом проводимости. Иногда канал проводимости не встраивают, а он индуцируется при подаче на затвор положительного напряжения.

Рис. 64. Структура полевого МДП (МОП)-транзистора с встроенным п- каналом в ИМС (а) и схемы его включения в качестве активного резистора (б, в) и ключевого каскада (г)

Вследствие наличия слоя диэлектрика под управляющим элек­тродом (затвором) полевой МДП-транзистор управляется напряжением, а не током (в отличие от биполярных транзисторов, и потому имеет высокое входное сопротивление. В настоящее время освоены четыре типа МДП-транзисторов: с встроенными и инду­цированными каналами на основе структур р- и п -проводимостями. Благодаря свойствам кремния и поляризации оксида кремния преимущество отдается МДП-транзисторам р -типа с встроенным или индуцируемым каналом п -типа.

Получили распространение две разновидности МДП-транзисто­ров, изготавливаемых по технологии микроэлектроники: с р -ка­нальной проводимостью и пороговым напряжением 4В и с п -канальной проводимостью и пороговым напряжением 2В. Малые пороговые напряжения позволяют снизить управляющие напря­жения, напряжение питания и потребляемую мощность.

МДП-транзисторы характеризуются высоким входным сопро­тивлением (до 1МОм) и большой крутизной ВАХ(1000... 10 000 А/В). Поскольку токи в МДП-транзисторах переносятся только основны­ми носителями, в них нет явления накопления и рассасывания неосновных носителей, увеличивающих время переключения, т. е. они обладают высоким быстродействием. Этому способствуют так­же малые размеры канала проводимости, малая емкость затвора (≈0,04 пФ) и малые управляющие напряжения.

В микросхемах на подложку с несколькими МДП-транзисторами подается запирающее напряжение р — п -перехода, которое обес­печивает самоизоляцию каналов отдельных транзисторов. При этом МДП-транзистор можно использовать в качестве переменного резистора, сопротивление которого изменяется при изменении напряжения на затворе (см. рис. 64, б, в).

Для формирования конденсаторов в микросхемах на МДП-транзисторах используют структуру, состоящую из сильно легированно­го слоя n-типа диэлектрика SiO₂ и металла. При толщине пленки SiO₂ от 0,05 до 0,1 мкм пробойное напряжение составляет от 20 до 40В, а удельная емкость — около 600 пФ/мм². Емкость МДП-конденсатора зависит от площади и толщины оксидной пленки. В некоторых случаях при формировании конденсаторов и затворов используют слои нитрида кремния, имеющего более высокие ди­электрическую проницаемость и пробивное напряжение, улучша­ющие контактные соединения. Благодаря этому надежность прибо­ров увеличивается на 50 %.

Следует отметить, что технология ИС МДП-типа (22 опе­рации) проще технологии биполярных ИС (32 операции). Мень­шие токи и напряжения, характерные для ИС МДП-типа, обеспе­чивают меньшую их энергоемкость и рост долговечности. Высо­кое быстродействие МДП-транзисторов определяет широкополосность ИС усилителей МДП-типа. Технология МДП-транзисторов не требует использования дорогостоящих материалов при изготовлении ИС. Все эти достоинства ИС МДП-типа обеспечили их широкое распространение в современных электронных ус­тройствах,

Рис. 65. Комплементарная МДП-структура (а), эквивалентная схема (б) и режимы работы секций (в):

1 — слой металлизации; 2 — затвор; 3 — толстый слой оксида; 4 — пассивиру­ющий слой оксида; 5 — слой оксида затвора; 6 — область п -типа

Повышенное быстродействие ИС МДП-типа достигается так­же путем использования структур с дополнительной симметри­ей, содержащих одновременно р- и п -канальные МДП-транзисторы (рис. 65 ). Причем управляющий сигнал подается на затворы обо­их приборов одновременно. Такие приборы называют комплемен­тарными, а микросхемы на их основе — ИС КМДП-типа (или ИС КМОП-типа). В статических условиях они практически не по­требляют энергии, а время их переключения менее 1нс. Логиче­ский элемент на ИС КМДП-типа имеет два состояния. Если на его входе нулевое напряжение, то р -канал открыт, а п -канал закрыт; при единичном напряжении на входе, наоборот, п -канал открыт, а р -канал закрыт.

Технология ИС КМДП-типа сложнее, чем технология ИС МДП-типа, но благодаря быстродействию и малой потребляемой мощно­сти они более перспективны.