Лекция 6 Полупроводниковые приборы. Интегральные схемы

Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных элементов – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Микросхема размером в 1 см² может содержать несколько сотен тысяч микроэлементов.

Применение микросхем привело к революционным изменениям во многих областях современной электронной техники. Это особенно ярко проявилось в электронной вычислительной технике. На смену громоздким ЭВМ, содержащим десятки тысяч электронных ламп и занимавшим целые здания, пришли персональные компьютеры.

Как изготавливается ИС?

Вначале берется заготовка, представляющая собой пластину, изготовленную из смеси кремния и алюминия, взятых в нужной пропорции (полупроводник типа р). Одну из поверхностей пластины шлифуют и закрывают тонкой металлической пластинкой с двумя отверстиями — маской. Вместе с маской пластину помещают в печь, где она нагревается примерно до 1100 градусов Цельсия. Над поверхностью маски пропускают пары фосфора. Под влиянием высокой температуры атомы фосфора через отверстия маски проникают (диффундируют) в пластину. Таким образом формируются четыре n -области будущих транзисторов, то есть исток верхнего и сток нижнего. Количество фосфора, проникшего в пластину, зависит от времени, в течение которого над поверхностью пластины пропускаются пары фосфора.

Затем печь вентилируют. Через печь пропускают струю кислорода. Незакрытые маской области поверхности окисляются. Так формируются изолирующие слои окиси кремния. Вторую маску заменяют третьей, показанной на рис. в. Над поверхностью пластины распыляют алюминий, то есть формируют электроды. Наконец, используют четвертую маску с единственным отверстием — и над поверхностью пластины снова сгущаются пары фосфора. Схема готова. Осталось приварить выводы к тем электродам, которые служат внешними выходами схемы, и покрыть поверхность пластины защитным слоем лака.

Вся схема изготовляется в едином технологическом процессе, в течение которого кремниевая пластина даже не вынимается из печи. Маски заменяют с помощью автоматических манипуляторов. Наполнение печи парами различных веществ также производится автоматически. Для этого, к примеру, включается ток в нагревательный элемент крошечного тигля с фосфором. Фосфор нагревается и превращается в пар.

Теперь самое интересное. Сильно ли изменится технология, если вы захотите изготовить таким образом схему, состоящую не из двух, а, скажем, из двух тысяч транзисторов? В том-то и дело, что в технологическом процессе практически ничего не придется менять. По-прежнему нужна одна-единственная кремниевая пластина, и можно изготовить всю схему, не извлекая пластины из печи, а лишь заменяя маски. Естественно, что количество отверстий в масках будет неизмеримо больше.

Каждый отдельный транзистор чрезвычайно мал. Показанные на рисунке области имеют линейные размеры в несколько микрон. На кремниевой пластине размером пять на шесть миллиметров и толщиной две десятых доли миллиметра удается разместить более десяти тысяч электронных компонентов: диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов.

Схемы, изготовленные таким способом, называются интегральными схемами (ИС). Независимо от того, содержат они два или двадцать тысяч транзисторов, ИС обладают теми же качествами, что и один-единственный транзистор. Если технологический процесс выполнен точно и в нем не допущено никаких отклонений, схемы получаются практически вечными. Исключение составляют все те же выводы, которые необходимы для соединения ИС с внешним миром.

Различают малые интегральные схемы (МИС), содержащие десятки компонентов, средние интегральные схемы (СИС), содержащие до тысячи компонентов, и большие интегральные схемы (БИС), содержащие свыше тысячи компонентов. Даже у БИС проблема наводок отсутствует, поскольку длина самой большой соединительной цепи не превышает нескольких миллиметров. В последние годы появились сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) с количеством компонентов в несколько миллионов.

Выполнять соединения между компонентами чрезвычайно просто. Достаточно ввести нужное количество примеси в избранную область кристалла. Однако при конструировании интегральных схем надо соблюдать важное условие: соединения не должны пересекаться. Говорят, схема межсоединений должна быть планарной. Чем больше степень интеграции, тем труднее разработать монтажную схему так, чтобы ни одна пара проводников не пересекалась.

Проектирование БИС — дело чрезвычайно сложное. При конструировании больших ЭВМ просматривается огромное количество вариантов. Но даже в этих условиях проектирование БИС, если оно вообще оказывается возможным, требует нескольких месяцев труда большого коллектива. Часто требования к не пересечению межсоединений приводят к тому, что приходится менять исходную принципиальную электрическую схему. Это влечет за собой необходимость проведения новых расчетов и подчас внесения изменений в исходный проект.

Есть еще проблемы, связанные с изготовлением масок. Изготовить листик тончайшей металлической фольги размером, скажем, пять на шесть миллиметров с несколькими сотнями тысяч мельчайших отверстий — задача, для решения которой требуется сложнейшее оборудование и высокая культура производства. Пылинка, попавшая на поверхность кристалла во время его изготовления, делает кристалл неработоспособным. Поэтому в цехах заводов, производящих БИС, воздух во много раз чище, чем, например, в операционных.

Каков же окончательный вывод? Проектирование и изготовление оснастки для одного типа БИС обходится чрезвычайно дорого. Затраты на эти процессы достигают десятков миллионов рублей, и пока нет оснований полагать, что в ближайшем будущем эти затраты существенно уменьшатся. Речь идет именно о затратах на проектирование схемы и изготовление оснастки для ее производства. Само производство БИС, благодаря высокой степени автоматизации и однородности технологического процесса, а также малого количества потребляемых материалов, весьма дешево. При массовом производстве изготовление одной БИС стоит буквально несколько копеек.

Возникает парадоксальная ситуация. Предположим, на проектирование БИС и изготовление необходимой технологической оснастки затрачено десять миллионов рублей. Если выпускается серия в десять экземпляров, то себестоимость каждого экземпляра составляет миллион рублей. А если выпустить серию в миллион экземпляров? Себестоимость каждой БИС в таком случае — десять рублей (затраты на производство в обоих случаях можно не учитывать).

Грубо говоря, стоимость одной БИС обратно пропорциональна общему количеству выпускаемых БИС данного типа. Следовательно, экономически оправданным оказывается выпуск чрезвычайно больших серий однотипных БИС — в миллион экземпляров и больше.