Лекция 16 Раздел 2. ЦИФРОВАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА И

Лекция 16
Раздел 2. ЦИФРОВАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА
Тема 2.1: МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
План лекции:
1. Интегральные микросхемы: общее представление, классификация.
2. Пленочные ИМС.
3. Полупроводниковые ИМС.
Литература и источники информации:
[1] Ю.П.Колонтаєвський, А.Г.Сосков „Промислова електроніка та мікросхемотехніка:
теорія і практикум”. За ред. А.Г.Соскова.- К.: Каравела, 2003.- 368 с.
[2] Кучумов А.И. Электроника и схемотехника. Учеб. Пособие. 2002.
[3] Прищепа М.М. Мікроелектроніка. Ч.2. Елементи мікросхемотехніки. Навч. Посібник.
2006.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Cуществование и развитие МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ обусловлено созданием нового
сверхминиатюрного электронного элемента — ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ (рис.1).
Появление этих схем, основано на логике развития полупроводниковых приборов.
Раньше каждый электронный компонент - транзистор, резистор или диод использовался
по отдельности, обладал индивидуальным корпусом и включался в схему при помощи
своих индивидуальных контактов. Но постепенно полупроводниковая электроника создала
предпосылки для создания подобных устройств на общем кристалле, а не из отдельных
элементов.
Рис.1.
Благодаря применению данной технологии, в настоящее время можно сразу создать на
одном кристалле законченную схему из нескольких десятков, сотен или даже тысяч
электронных компонентов. Преимущества новой разработки очевидны:
• Снижение затрат (стоимость микросхемы обычно гораздо меньше, чем общая
стоимость всех электронных элементов ее составляющих).
• Минитюризация конечного устройства.
•
•
Надежность устройства. Это имеет огромное значение, поскольку поиск
неисправности в схеме из десятков или сотен тысяч электронных компонентов –
довольно сложная и трудоемкая работа.
Ввиду того, что электронные элементы интегральной микросхемы в сотни и
тысячи раз меньше своих аналогов в обычной сборной схеме, их
энергопотребление намного меньше, а КПД гораздо выше.
ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМОЙ (ИМС)называют миниатюрное электронное устройство,
выполняющее определенные функции преобразования, обработки сигналов и (или)
накапливания информации и содержащее большое число активных и пассивных элементов
(от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч) в сравнительно небольшом
корпусе. Часто под ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМОЙ (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку
с электронной схемой (рис.1, верхний справа), а под МИКРОСХЕМОЙ (МС) — ИС,
заключённую в корпус (рис.1).
ЭЛЕМЕНТ ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ не может быть отделен от ИМС как самостоятельное
изделие.
КОМПОНЕНТ ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ — часть ИМС, выполняющая функцию какого-либо
электронного элемента, которая до монтажа в ИМС была самостоятельным комплектующим
изделием. Компонент может быть отделен от изготовленной ИМС (например керамический
конденсатор, бескорпусный транзистор).
КОРПУС ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ, предназначен для защиты от внешних воздействий и
соединения ее с внешними электрическими цепями посредством выводов (рис.2).
Рис.2.
ПОДЛОЖКА — заготовка из диэлектрического материала, предназначенная для нанесения
на нее элементов гибридных и пленочных интегральных микросхем межэлементных и (или)
межкомпонентных соединений, а также контактных площадок (рис.4).
Рис.3. 8-дюймовая и 450 мм Si-подложки (кремниевые пластины), на которых "выращивают" кристаллы
полупроводниковых микросхем.
ПЛАТА ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ является частью подложки или всей подложкой гибридной
или пленочной ИМС, на поверхность которой нанесены пленочные элементы ИМС,
межэлементные и межкомпонентные соединения и контактные площадки.
Рис.4.
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ
ПЛАСТИНА
—
заготовка
из
полупроводникового
материала,
предназначенная для изготовления полупроводниковых интегральных микросхем (рис.3).
При производстве микросхем этим термином называют не только первоначальную
заготовку, но и пластину со сформированными элементами полупроводниковых микросхем.
Этот термин используется в течение всего технологического процесса — от его начала
до разделения группового изделия на отдельные кристаллы.
КРИСТАЛЛ — часть пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы
полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки
(рис.3).
Рис.5.
БАЗОВЫЙ КРИСТАЛЛ — часть полупроводниковой пластины с определенным набором
сформированных элементов, в том числе электрически соединенных и не соединенных
между собой, предназначенный для дальнейшего проектирования микросхемы. Основное
отличие термина КРИСТАЛЛ от термина БАЗОВЫЙ КРИСТАЛЛ заключается в отсутствии в
последнем законченных межэлементных соединений, которые будут выполнены при
дальнейшем проектировании.
БАЗОВЫЙ МАТРИЧНЫЙ КРИСТАЛЛ (БМК) — базовый кристалл интегральной микросхемы с
регулярным, в виде матрицы, расположением не соединенных и (или) соединенных между
собой элементов, без межэлементных соединений (рис.5).
КОНТАКТНАЯ ПЛОЩАДКА — металлизированный участок на плате или кристалле, или корпусе
интегральной
микросхемы,
служащий
для
присоединения
выводов
компонентов
и
кристаллов, перемычек, а также для контроля ее электрических параметров и режимов.
КОНТАКТЫ ПЛОЩАДКИ представляют собой металлизированные участки на плате, подложке
или кристалле ИМС, предназначенные для присоединения выводных тактов, а также
контроля электрических параметров и режимов ИМС (рис.4, нижний справа).
БЕСКОРПУСНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА — кристалл микросхемы, предназначенный для
монтажа в гибридную интегральную микросхему или микросборку. Этот термин в
последнее время приобрел большое значение в связи с тем, что такие микросхемы
широко применяются при создании микросборок и микроблоков. Если в обычной
микросхеме корпус служит для защиты от внешних воздействий, то бескорпусная
микросхема такой собственной защиты (по крайней мере, от механических воздействий)
не имеет. Для соединения с внешними электрическими цепями бескорпусная микросхема
имеет собственные выводы, а ее полная защита обеспечивается корпусом устройства, в
которое эта микросхема установлена.
ВЫВОД БЕСКОРПУСНОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ — проводник, соединенный электрически с
контактной площадкой кристалла или механически с его поверхностью. Главным
назначением вывода является обеспечение электрического контакта одной из цепей
бескорпусной микросхемы при ее соединении с внешними электрическими цепями. По
выводам от бескорпусной микросхемы отводится значительная часть тепла. Выводы
бескорпусной микросхемы могут быть жесткими (шариковые, столбиковые, балочные) или
гибкими (лепестковые, проволочные). Жесткие выводы могут использоваться для
механического крепления бескорпусной микросхемы без ее приклеивания. Гибкие выводы
бескорпусной микросхемы для механического крепления не применяются.
КЛАССИФИКАЦИЯ ИМС
Интегральные микросхемы в зависимости от функционального предназначения делятся на:
• АНАЛОГОВЫЕ;
• ЦИФРОВЫЕ.
В зависимости от технологии изготовления ИМС делятся на:
• ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ - все элементы и межэлементные соединения выполнены на
одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида
галлия, оксид гафния),
• ПЛЕНОЧНЫЕ - все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок;
различают толстоплёночные и тонкопленочные ИС,
• ГИБРИДНЫЕ -кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных
диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один
корпус,
• СМЕШАННЫЕ - кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные
(толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.
В зависимости от степени интеграции ИМС делятся на:
• малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,
• средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,
• большая интегральная схема (БИС) — до 10 тыс. элементов в кристалле,
• сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тыс. элементов в кристалле.
АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ (АИМС) предназначены для преобразования и
обработки сигналов, непрерывно изменяющихся по уровню и во времени. Они широко
применяются в аппаратуре звуковоспроизведения и звукоусиления, радиоприемниках и
телевизорах, видеомагнитофонах, в аналоговых вычислительных машинах, и
измерительных приборах, технике связи и т. д. АИМС позволяет создавать сложный
завершенный функциональный узел в совокупности с ограниченным количеством внешних
радиоэлементов (например, видеоусилитель, генератор и т. п.). ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ УЗЕЛэто группа радиоэлементов, объединенных конструктивно и технологически в модуль.
Эта группа предназначена для создания какой-либо законченной части радиоэлектронной
аппаратуры, например, усилителя, фильтра, источника питания и т. п. (стабилизаторы
источников питания, операционные усилители, фильтры, преобразователи сигналов).
ЦИФРОВЫЕ ИМС, служат для преобразования и обработки сигналов, выраженных в двоичном
или другом ЦИФРОВОМ КОДЕ. Широко применяются для разработки логических элементов,
триггеров, регистров, счетчиков, дешифраторов, микрокортроллеров.
Аналоговые микросхемы характеризуются тем, что входная и выходная электрические
величины могут иметь любые значения в заданном диапазоне. В цифровых же микросхемах
входные и выходные сигналы могут иметь либо высокий, либо низкий уровень
напряжения. В первом случае мы имеем дело с высоким логическим уровнем, а во
втором - с низким логическим уровнем. Так, для микросхем транзисторно-транзисторной
логики (ТТЛ) при напряжении питания +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует
ЛОГИЧЕСКОМУ НУЛЮ, а диапазон 2,4…5 В — ЛОГИЧЕСКОЙ ЕДИНИЦЕ. Радиолюбители наряду с
микросхемами ТТЛ широко применяют также микросхемы на полевых транзисторах, из
которых наиболее распространены серии микросхем КМОП (комплементарные полевые
транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник). Для микросхем напряжения
серий К164, К176, К561, К564, соответствующие высокому и низкому логическим
уровням, составляют соответственно 8,6...8,8 и 0,02...0,05 В (при напряжении
питания 9 В).
И в том, и другом случае случае уровни напряжений принято называть ЛОГИЧЕСКИМИ. Это
обусловлено тем, что цифровые микросхемы предназначены для выполнения определенных
логических действий над входными сигналами. Например, на выходе цифровой микросхемы
должно появиться напряжение высокого уровня в случае, если напряжение высокого
уровня присутствует хотя бы на одном из входов. Таким образом, данная микросхема
выполняет логическую операцию или (ЛОГИЧЕСКОЕ СЛОЖЕНИЕ). Если же логический сигнал
на выходе микросхемы должен быть равен произведению логических сигналов на входах
микросхемы, то это операция называется ЛОГИЧЕСКИМ УМНОЖЕНИЕМ. Можно назвать
множество других правил обработки сигналов в цифровых микросхемах. Поэтому
цифровые микросхемы называют еще и логическими.
Основу работы цифровых микросхем составляет двоичная система счисления. В этой
системе используются две цифры: 0 и 1. Цифра 0 обозначает отсутствие напряжения на
выходе логического устройства, 1 - наличию напряжения. С помощью нулей и единиц
двоичной системы можно закодировать любое десятичное число.
Следует отметить, что аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. СЕРИЯ —
это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и
предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило,
имеют одинаковые напряжения источников питания, они согласованы по входным и
выходным сопротивлениям, уровням сигналов.
ПЛЕНОЧНЫЕ ИМС
Пленочными микросхемами называют схемы, выполняемые осаждением пленок различных
материалов на изоляционное основание (подложку). Пленочная технология позволяет
получать все пассивные элементы схем (резисторы, конденсаторы и др.). Получение
активных элементов (диодов, транзисторов) связано с большими технологическими
трудностями создания монокристаллических полупроводниковых пленок на подложках.
Поэтому активные элементы (в миниатюрном или бескорпусном оформлении) выполняют по
обычной технологии изготовления дискретных полупроводниковых приборов и монтируют
на готовых подложках. Пленочные микросхемы, в которых используются навесные
активные элементы, а пассивные элементы выполнены в виде пленок, называют
ГИБРИДНЫМИ МИКРОСХЕМАМИ. Таким образом, в гибридных микросхемах осуществляется
только частичная интеграция элементов схемы.
В зависимости от толщины пленок различают толстопленочные (от 1 до 25 мкм) и
тонкопленочные гибридные микросхемы (до 1 мкм).
КОМПОНЕНТЫ ПЛЕНОЧНЫХ МИКРОСХЕМ:
ПОДЛОЖКИ. В качестве материала подложки наиболее часто используют стекло и керамику. Выбор этих
материалов
обусловлен
малой
удельной
электропроводностью,
химической
стойкостью
и
высокой
диэлектрической прочностью. Для обеспечения хорошего сцепления пленок с подложкой последние подвергаются
тщательной полировке, травлению в кислотах и промывке. Кроме того, перед нанесением пленок подложки
очищают путем ионной бомбардировки непосредственно в установке для напыления. Подложка для нанесения
гибридной микросхемы представляет собой четырехугольную пластинку длиной l, шириной b и толщиной s.
Толщина подложек 0,6; 1,0; 1,6 мм с отклонениями 0,06 мм. Подложки 48 х 60 мм или кратных размеров
используются для изготовления за один технологический цикл нескольких одинаковых пленочных схем с
последующей
разрезкой
на
меньшие
платы.
Неперпендикулярность
сторон
не
более
0,1—0,2
мм,
непараллельность плоскостей не более 0,05 мм.
РЕЗИСТОРЫ. Пленочные резисторы изготавливаются из материалов, обладающих высоким электрическим
сопротивлением
и
низким
температурным
коэффициентом
сопротивления:
хрома,
нихрома,
тантала,
металлокерамики, специальных проводящих красок на основе углерода и др. Номиналы пленочных резисторов
из нихрома лежат в пределах 0,075—0,75; 0,75—7,5; 7,5—30 кОм, номиналы резисторов из прочих материалов —
в пределах 0,05—0,5; 0,5—5,0; 5—50 кОм. На рис. 6 схематически показан нихромовый тонкопленочный
резистор, сформированный на слое двуокиси кремния. Тонкопленочные резисторы могут работать при
напряжениях до нескольких сотен вольт на частотах до нескольких сотен МГц.
(а)
(б)
(в)
Рис. 6. Тонкопленочный резистор: (а) 1 – кремниевая подложка; 2 – выводы из алюминия; 3 –
изолирующий слой двуокиси кремния; 4 – пленка нихрома;, (б,в) — вид на плате.
КОНДЕНСАТОРЫ. Для напыления пленочных конденсаторов в качестве диэлектрика используют моноокись
кремния SiO, трехсернистую сурьму Sb2S3, халькогенидные стекла ХГ44 и ИКС24, а в качестве обкладок —
алюминий. Типичная структура пленочного конденсатора типа металл-диэлектрик - металл показана на рис. 7,
а. Площадь обкладок конденсатора выбирают по заданной и удельной емкости.
(а)
(б)
Рис. 7. (а) Тонкопленочный конденсатор: 1 - нижняя обкладка (металл); 2 - диэлектрик; 3 - верхняя
обкладка (металл); 4 - изоляционная подложка. (б) Тонкопленочная катушка индуктивности.
ИНДУКТИВНОСТИ. В тонкопленочных схемах применяют пленочные индуктивности в виде однослойной спирали
(рис. 7,б). В качестве материала спирали обычно используют золото, так как оно обладает хорошей
проводимостью. Такие спирали имеют очень малую индуктивность (единицы мкГ/см2). При изготовлении больших
индуктивностей трудно одновременно
удовлетворить двум противоречивым требованиям уменьшить габариты и
получить высокую добротность. Наиболее целесообразная форма индуктивности — квадратная. Подобная
индуктивность, например на 10 мкГ, содержит 46 витков шириной
0,05 мм каждый при расстоянии между
витками 0,1 мм; размер катушки 15 х 15 мм. Поскольку изготовление тонкопленочных индуктивностей связан с
большими трудностями, в тонкопленочных схемах применяют главным образом дискретные микрокатушки
индуктивности с сердечником из порошкового железа или из специальных ферритов.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИМС
Полупроводниковыми ИМС называют электронные схемы, целиком выполняемые внутри
единого
монолитного
полупроводникового
кристалла
(монокристалла).
Функции
дискретных элементов - активных и пассивных - в таких схемах выполняют различные
локальные (местные) области, между которыми существуют необходимые электрические
соединения и изолирующие прослойки. Полупроводниковые ИМС имеют наиболее высокую
степень
интеграции компонентов (до 1000 элементов/см 3) и позволяют получить
максимальную надежность, так как количество соединений в них сведено к минимуму.
Полупроводниковые интегральные схемы в основном изготавливают из кремния. Выбор
кремния обусловлен тем, что по сравнению с германием он имеет большую запретную
зону, меньшие обратные токи и более высокую рабочую температуру (до + 125 С°).
Кроме того, путем окисления поверхности кремния легко получить пленку двуокиси
кремния, обладающую хорошими защитными свойствами.
Основными процессами создания компонентов полупроводниковых интегральных схем
являются технологические процессы формирования р-n-переходов, с помощью которых
формируются как активные, так и пассивнее компоненты интегральных схем транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т.д. Такими процессами являются
ДИФФУЗИЯ ПРИМЕСЕЙ В КРЕМНИЙ и ЭПИТАКСИАЛЬНОЕ НАРАЩИВАНИЕ (эпитаксия — это
закономерное
нарастание
одного
кристаллического
материала
на
другой,
т.е.
ориентированный
рост
одного
кристалла
на
поверхности
другого
(подложки))
монокристаллических слоев кремния на кремниевую подложку, имеющую противоположный
тип проводимости. В соответствии с этим по технологии изготовления современные
интегральные схемы можно разделить на два типа:
•
•
схемы, изготавливаемые с применением только процессов диффузии,
схемы, при создании которых используются как процессы диффузии,
процессы эпитаксиального наращивания.
так
и
Технология изготовления интегральных схем первого типа получила название ПЛАНАРНОЙ,
а второго типа — ЭПИТАКСИАЛЬНО-ПЛАНАРНОЙ.
При формировании пассивных и активных элементов в твердом теле полупроводника
необходимо изолировать их друг от друга во избежание коротких замыканий. По способу
изоляции компонентов полупроводниковые интегральные схемы можно разделить на две
группы. В схемах первой группы изоляция осуществляется формированием между
элементами
(группой
элементов)
дополнительных
р-n-переходов,
включаемых
в
непроводящем направлении. При их формировании создаются изолирующие перегородки
шириной 20—30 мкм. Эти перегородки разделяют пластинку кремния на отдельные
микроучастки - «островки». Процесс формирования «островков» иллюстрируется рис. 8.
В
качестве
исходной
структуры
берется
однородно
легированная
сравнительно
высокоомная пластина кремния р-типа, на которую методом фотолитографии (метод
получения рисунка на тонкой плёнке материала) наносится защитный слой SiO2 (рис. 8).
Через незащищенные участки производится диффузия из паровой фазы примеси п-типа. В
результате диффузии образуются изолированные n-слои (рис. 8), причем р-n-переход
заканчивается на плоской поверхности под защитной пленкой, что позволяет резко
снизить
токи
утечки
по
поверхности.
К
полученным
р-п-переходам
подключают
напряжение таким образом, чтобы переход был
заперт.
Вследствие
этого
получаются
электрически изолированные друг от друга
«островки»,
в
которых
затем
формируют
необходимые схемные элементы.
Рис.8.