Элементов интегральной

Рассмотрены структуры и электрические параметры элементов интегральных микросхем (ИМС), основные принципы технологии и конструкции полупроводниковых и гибридно-пленочных ИМС, их классификация и электрические схемы.

Рассмотрим особенности структур различных элементов интегральных микросхем, учитывая то, что в реальных микросхемах эти элементы неразделимы.

1) на этапе изготовления устройств они обусловлены тем, что элементы, на которых строится устройство, имеют вероятностное распределение параметров. При монтаже устройств на дискретных элементах используются резисторы, конденсаторы, транзисторы, параметры которых имеют случайные значения, лежащие вблизи указанных для них заводом-изготовителем номиналов. Такой разброс параметров элементов интегральных микросхем связан со случайными отклонениями в технологическом процессе их изготовления;

Если усиления одного усилительного элемента недостаточно, то в качестве нагрузки RH используют входную цепь второго усилительного элемента, выход которого подключается ко входу третьего элемента, и т. д. Усилитель, содержащий несколько ступеней усиления, называют многокаскадным. Таким образом, по структуре различают однокаскадные и многокаскадные усилители, а по способу связи между каскадами — усилители с емкостной, трансформаторной и непосредственной (гальванической) связями. Отметим также, что применение в качестве усилительных элементов интегральных микросхем, обладающих большим коэффициентом усиления в одной дискретной ячейке, позволяет во многих случаях ограничиться лишь одним каскадом усиления.

Каждый функциональный узел конструктивно может быть выполнен как единое целое — интегральная микросхема или составлен из отдельных дискретных активных и пассивных элементов: интегральных микросхем с малой степенью интеграции, электронных ламп, транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, трансформаторов и т. д.

^Ь Еще большие возможности при построении экономичных по числу элементов ^^ интегральных микросхем дает применение дополняющих МДП-транзисторов с нагрузочным транзистором (комплементарных транзисторах, КМДП-транзи-сторах).

Авторы сочли возможным не рассматривать вопросы, связанные с технологией полупроводниковых материалов, а также раздел «Пассивные элементы интегральных микросхем. Изоляция и соединение элементов интегральных микросхем». Это обусловлено тем, что указанные вопросы весьма подробно анализируются в соответствующих курсах.

Непрерывное расширение функций электронной аппаратуры и ее усложнение привели в 1958 г. к началу третьего этапа — возникновению микроэлектроники. Задачей микроэлектроники является микроминиатюризации электронной аппаратуры с целью уменьшения ее объема, массы, стоимости, повышение надежности и экономичности на основе использования комплекса физических, конструктивно-технологических и схемотехнических методов. Развитие микроэлектроники связано с повышением степени интеграции элементов интегральных схем. В настоящее время разработаны сверхбольшие интегральные схемы (БИС), содержащие более 105 элементов. Однако сейчас уже становится ясным, что увеличение степени интеграции не может быть беспредельным. Качественно новым решением, которое, в частности, обеспечит повышенную надежность, является отказ от традиционных схемных элементов — транзисторен и переход к использованию объемных эффектов в твердом теле.

Рассматриваются технологические основы, структуры и параметры биполярных и полевых транзисторов, а также пассивных элементов интегральных микросхем. Анализируются важнейшие логические и запоминающие элементы на биполярных и полевых транзисторах, в том числе для сверхбольших и сверхскоростных интегральных микросхем. Описываются основные типы цифровых и аналоговых интегральных микросхем. Дается представление о приборах с зарядовой связью, элементах интегральной опто-, акусто- и магнитоэлектроники.

средних геометрических расстояний, конечных разностей, конечных элементов, интегральных уравнений.

В то же время взаимная близость элементов интегральных микросхем и неполная изоляция друг от друга приводят к дополнительным паразитным эффектам. Они могут носить пассивный характер, создавая емкости и утечки, а могут быть активными, так как здесь не исключено образование паразитных активных элементов, существенно изменяющих работу схемы. Особенно ощутимы эти эффекты, если элементы схемы изолируют не диэлектриком, а диффузионным переходом.

Изложенные соображения явились основой для создания базовых элементов интегральной инжекционной логики (И2Л). Схема элемента И2Л приведена на 1.16. Между инжектором и эмиттером переключательного транзистора n-p-n-типа включен источник питания ?п, обеспечивающий прямое смещение эмиттерного р-л-пере-хода транзистора р-л-р-типа.

Следующим шагом к микроминиатюризации коммутационных схем будет переход от гальванических соединений в блоках к оптическим волноводным линиям связи. Построение радиоэлектронных средств в этом случае основывается на таком разделении функций: обработка информации осуществляется, как обычно, микросхемами, а связи с микросхемами — оптическими методами. Соединения в пределах ячеек и внутриблочные соединения могут быть выполнены целиком на основе элементов интегральной оптики, а межблочные соединения— на основе многоканальных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).

7. Володин Е. Б., Свидзинский К. К. Перспективы применения элементов интегральной оптики в микроэлектронной аппаратуре / Электронная промышленность, 1977, вып. 6.

1. Что такое уровень интеграции и степень интеграции? 2. Какие функции выполняют большие интегральные схемы? 3. Какие разновидности планарной технологии используют при изготовлении интегральных транзисторов? 4. Как создаются в интегральных микросхемах пассивные элементы? 5. В чем сущность технологического метода фотолитографии? 6. Что представляет собой эпитаксиальный слой на кристаллической подложке и каким образом получают в этом слое л-островки, служащие основой для изготовления элементов интегральной микросхемы? 7. Объясните сущность диффузионно-ллаяарной технологии. 8. Каковы преимущества эпитаксиалыю-планарной технологии перед диффузионно-планарной? 9. Какие компоненты используют при создании гибридных интегральных микросхем? 10. Как осуществляется объединение пленочных пассивных элементов в гибридную интегральную микросхему? 11. Какие требования предъявляют к изоляционным материалам, используемым при герметизации интегральных микросхем? 12. Перечислите основные типы защитных корпусов, применяемых для герметизации интегральных микросхем. 13. Какие функции реализуют аналоговые интегральные микросхемы?

До последнего времени логическая часть УРЗ на интегральных схемах выполнялась посредством унифицированных логических элементов И— НЕ серии К155. В одном стандартном корпусе на 14 выводов обычно размещается несколько элементов, число которых зависит от коэффициента объединения по входу. В УРЗ наиболее широко применяются интегральные схемы, состоящие из четырех двухвходовых элементов (К1ЛБ553), трех трехвходовых (К1ЛБ554) и двух четырехвходовых (К1ЛБ551). Коэффициент, разветвления по выходу для этих схем равен 10. Питание интегральных схем серии К155 осуществляется от источника с номинальным напряжением ?п = 5 В при отклонении его на ±5%. Диапазон рабочих температур — от —10 до +70° С. На 8.3, а показана схема одного из элементов интегральной схемы К1ЛБ554, а на 8.3,6 — цоколевка (присоединение входов, выходов и цепей питания) в корпусе схемы. Для элементов этой серии логическому сигналу 1 соответствует напряжение ^(1)вых=2,4 — 4 В, а логическому сигналу

трансформаторов собственных нужд, выпрямляющие ток, напряжение и обеспечивающие напряжение, используемое для питания оперативных цепей. Блоки делятся на токовые (БПТ), напряжения (БПН) и комбинированные, состоящие из БПТ и БПН, работающих параллельно на стороне выпрямленного напряжения. Блоки питания должны выполняться так, чтобы напряжение на их выходе поддерживалось во всех расчетных режимах достаточно стабильным. Подводимые к блокам питания токи и напряжения могут при КЗ, как известно, изменяться в широких пределах. Поэтому для выполнения указанного требования должна осуществляться стабилизация напряжения. Она может выполняться по-разному. Исследования и разработки, проводившиеся в течение ряда лет во ВНИИЭ (Я. С. Гельфанд и др.) по проблеме создания оптимальных устройств питания защит переменным оперативным током [48, 49], установили целесообразные схемы выполнения стабилизации. Для БПТ рекомендуется использование параллельного феррорезонансного контура, для БПН — часто дросселей насыщения. Однако при осуществлении защит с использованием элементов интегральной микроэлектроники необходимо еще дополнительное сглаживание выпрямленного напряжения. Возможная достаточно универсальная и экономичная структурная схема комбинированного блока питания приведена на 4.4. В ней БПТ включается на разность токов двух фаз и БПН — на напряжение между этими фазами. В этой схеме БПН обеспечивает, в частности, необходимое выпрямленное напряжение при замыканиях между двумя фазами за силовым трансформатором с соединением обмоток У/Д или Д/У, а также при однофазном КЗ за трансформаторами с соединением обмоток У/У с нулевым проводом (Ки = 380/220), когда (см. гл. 1) разность токов с питающей стороны может быть равна нулю, но междуфазное напряжение, им соответствующее, близко к рабочему. Иногда схема дополняется вторым БПТ в третьей фазе. Принципиальными преимуществами рассматриваемых блоков питания являются возможность осуществления индивидуального питания оперативным током одного защищаемого присоединения и отсутствие широко разветвленной (как при общей аккумуляторной батарее) сети оперативного тока. Однако при значительном числе присоединений экономически целесообразным оказывается групповое питание (например, элементов секции шин).

27. Носов Ю. Р., Пет росян ц Н. О., Шили н В. А. Математические модели элементов интегральной электроники. — М.: Сов. радио, 1976.— 304 с.

Плотность упаковки интегральной микросхемы — это отношение числа элементов интегральной микросхемы к объему интегральной микросхемы без учета объема выводов. Другим параметром, характеризующим степень сложности интегральной микросхемы или число содержащихся в ней элементов, является степень интеграции. Если интегральная микросхема содержит до 10 элементов включительно, то ее называют интегральной микросхемой первой степени интеграции; свыше 10 до 100 элементов — второй степени интеграции; свыше 100 до 1000 элементов — третьей степени интеграции и т. д. Интегральную микросхему, содержащую 500 элементов и более, изготовленных по биполярной технологии, или 1000 элементов и более, изготовленных по МДП-технологии, называют большой интегральной микросхемой (БИС).

метод получения резистивных пленок, а также других металлических и диэлектрических пленок, необходимых для изготовления интегральных микросхем. Унификация технологических операций получения различных элементов интегральной микросхемы, возможность изготовления этих различных элементов в едином технологическом цикле — это существенное преимущество термического испарения в вакууме среди других способов нанесения резистивных пленок.

9. Носов Ю. Р., Петросянц К. О., Шилин В. А. Математические модели элементов интегральной электроники. М.: Советское радио, 1976.

Схема технологического процесса изготовления гибридных толстопленочных микросхем показана на 50. Процесс изготовления толстопленочных микросхем начинают с подготовки поверхности подложки и трафаретов, затем на подложку наносят требуемый рисунок слоев. После каждого цикла нанесения соответствующего слоя последний обжигают для закрепления его на подложке и придания заданных свойств материалу слоя. Поскольку температура обжига проводящих, резистивных и диэлектрических паст различна, последовательность нанесения слоев должна быть вполне определенной. Сначала наносят слой с наибольшей температурой обжига — проводящую пасту, образующую проводники, контактные площадки и нижние обкладки конденсаторов, а затем пасту для диэлектриков конденсаторов и изоляции возможных пересечений проводников. Третьим слоем наносят верхние обкладки конденсаторов и пересекающиеся проводники. Наконец, наносят резистивные пасты, если температура их обжига наименьшая. После изготовления пассивных элементов интегральной микросхемы производят лужение контактных площадок и подгонку элементов к номинальному значению электрофизических параметров. Монтаж и сборку толстопленочных интегральных микросхем произродят так же, как и тонкопленочных.