« poprzedni punkt 


7. Układy scalone

Definicja 6.15. Układem scalonym nazywa się mikrostrukturę, spełniającą określoną funkcję układową, w której wszystkie lub część elementów jest nierozłącznie związana w podłożu lub umieszczona na nim.

Układu takiego nie można rozłożyć na części bez jego uszkodzenia, nie można również zmieniać połączeń miedzy elementami ani ich naprawiać. W urządzeniu elektronicznym układ scalony jest podstawowym, pojedynczym i niepodzielnym elementem, takim jak opór, kondensator czy dioda lub tranzystor w technice konwencjonalnej.

Układy scalone są rezultatem prac zmierzających do jak największej miniaturyzacji sprzętu elektronicznego, przy jednocześnie zwiększonej niezawodności. Gęstość upakowania w układach scalonych jest obecnie rzędu kilku tysięcy elementów w centymetrze sześciennym (1/cm3), a wymiar liniowy pojedynczego elementu jest rzędu mikrometrów.

Do najistotniejszych zalet układów scalonych, oprócz zmniejszenia wymiarów i masy, zalicza się: zwiększoną niezawodność, małe koszty, dobre parametry, dużą szybkość działania i mały pobór mocy.


7.1. Klasyfikacja układów scalonych

Konkretny układ scalony może spełniać tylko określone funkcje i przez to jest mało uniwersalny. Zachodzi zatem konieczność produkowania całych grup różnych typów układów scalonych. Ze względu na wykonywaną funkcję układy scalone, podobnie jak wszystkie układy elektroniczne, dzieli się na układy cyfrowe i układy analogowe.

W układach cyfrowych sygnały przyjmują najczęściej dwa poziomy: wysoki i niski, którym przypisuje się wartości logiczne "0" lub "1". Układy te składają się z elementów łatwych do realizacji w postaci scalonej. Tranzystory pełnią funkcje przełączników, będących w dwóch stanach skrajnych: nasycenia i odcięcia. Możliwy jest zatem znaczy rozrzut ich parametrów. Do tej grupy układów należą: podstawowe funktory logiczne czyli bramki, przerzutniki, rejestry, liczniki, dalej układy arytmetyczne, pamięci, układy programowalne np. mikroprocesory.

W układach analogowych przetwarzane są sygnały ciągle w czasie. Układy te powinny charakteryzować się dużą stałością parametrów w szerokim zakresie zmian sygnałów, częstotliwości, temperatury i napięć zasilających oraz niskim poziomem szumów. Budowa układów analogowych jest bardziej złożona niż cyfrowych, a technologia trudniejsza. Produkowane są obecnie scalone układy analogowe do urządzeń powszechnego zastosowania np. wzmacniacze operacyjne, generatory, stabilizatory prądu i napięcia oraz układy do urządzeń radiowych i telewizyjnych i inne.

Wytwarza się również układy scalone będące ogniwem pośrednim miedzy układami cyfrowymi i analogowymi. Należą do nich przetworniki analogowo-cyfrowe a/c i cyfrowo-analogowe c/a, komparatory itp.

Układy scalone pod względem technologiczny wykonuje się w postaci monolitycznej i w postaci hybrydowej.

W układach monolitycznych wszystkie elementy aktywne i pasywne wytwarza się wewnątrz podłoża, którym jest płytka krzemowa. Połączenia miedzy elementami są dokonywane ścieżkami metalicznymi na powierzchni pasywującej, warstwie dwutlenku krzemu SiO2. Podstawowymi elementami mogą być tranzystory bipolarne lub unipolarne z izolowana bramką, stąd bierze się nazwa układy bipolarne lub układy unipolarne.

W układach hybrydowych do rezystorów i kondensatorów produkowanych technika warstwową dołącza się diody i tranzystory monolityczne. W technice warstwowej elementy wytwarza się na podłożu izolacyjnym (szkło, ceramika), będącym jednocześnie podłożem konstrukcyjnym. Na nim osadza się ścieżki połączeniowe oraz elementy bierne, w przypadku układów cienkowarstwowych o grubości rzędu 0,05 mm, a w przypadku grubowarstwowych o grubości rzędu 10 mm.

Ze względu na skale scalenia (integracji) układy scalone dzieli się na cztery grupy. Miarą skali scalenia jest liczba podstawowych jednostek funkcjonalnych (bramek w układach cyfrowych lub tranzystorów w analogowych) zawartych w jednym układzie. Wyróżnia się:


7.2. Układy monolityczne

Scalony bipolarny układ monolityczny składa się z podłoża półprzewodnikowego oraz wytworzonych w jego objętości lub na jego powierzchni obszarów funkcjonalnych elementów, obszarów izolujących elementy, połączeń wewnętrznych miedzy elementami oraz obudowy i doprowadzeń zewnętrznych.

Rys. 6.30. Przekrój podstawowej struktury monolitycznego układu scalonego

W przekroju poprzecznym struktury bipolarnego układu scalonego, pokazanego na rys. 6.30, wyróżnia się cztery warstwy:

  1. warstwa dolna z krzemu Si typu p ma grubość rzędu 0,15 ¸ 0,20 mm i pełni role podłoża, na którym jest wytwarzany układ scalony
  2. warstwa następna z krzemu SI typu n, cienka o grubości 5 ¸ 15 mm, która osadzona jest na podłożu, w niej wykonywane są wszystkie elementy; między tą warstwą a podłożem powstaje złącze p-n, które wykorzystuje się do izolacji elementów od podłoża
  3. warstwa izolacyjna dielektryczna , najczęściej SiO2, spełniająca zadania: maskowania w selektywnej dyfuzji domieszek do określonych obszarów płytki, zabezpieczenia przed wpływami zewnętrznymi, funkcję dielektryka w kondensatorach układu scalonego oraz izolowania powierzchni układu scalonego
  4. warstwa metaliczna aluminiowa Al, do utworzenia sieci połączeń wewnętrznych miedzy elementami układu.

Poszczególne elementy układów monolitycznych są wykonywane na obszarach odizolowanych od siebie i podłoża, zwanych wyspami.

Budowa tranzystora stosowanego w układach monolitycznych (rys. 6.31) jest podobna do budowy dyskretnego tranzystora epitaksjalno-planarnego (pkt. 5). Jedyna różnica polega na wytworzeniu, na spodzie warstwy kolektorowej obszaru n+, tzw. warstwy zagrzebanej, charakteryzującej się małą

Rys. 6.31. Realizacja tranzystora techniką monolityczną

rezystancją. Pozwala to zmniejszyć rezystancję kolektora, a wiec zwiększyć częstotliwość graniczną. Przy wykonaniu preferuje się tranzystory n-p-n. Typowe wartości parametrów są następujące: b 0 » 50 ¸ 200, fT » 600 MHz.

Jako diody stosuje się najczęściej struktury tranzystorowe, przy czym używa się tylko jednego ze złączy tranzystora.

Rezystory w układach monolitycznych bipolarnych tworzy się z warstwy półprzewodnika typu p lub n+ najczęściej w postaci meandrów (rys. 6.32). Ponieważ grubość h warstwy rezystancyjnej jest zwykle

Rys. 6.32. Realizacja rezystora techniką monolityczną

mała w stosunku do długości l i szerokości w, to rezystory te charakteryzuje się rezystancją powierzchniową Rÿ

     Rÿ = r/h(6.38)     

o wymiarze om na kwadrat. Rezystancje powierzchniowe warstw półprzewodnikowych są rzędu od 50 ¸ 250 Ω⁄ÿ, a wartości praktyczne wykonywanych rezystorów

     R = Rÿ (6.39)     

przyjmują wartości 10 ¸ 50 W. Maja one duży współczynnik zmian temperaturowy i dużą tolerancje wykonania ok. 10 %.

W realizacjach monolitycznych stosuje się dwa rodzaje kondensatorów, jak pokazano na rys. 6.33.

Rys. 6.33. Realizacje monolityczne kondensatorów

Pierwszy rodzaj wykorzystuje pojemność spolaryzowanego wstecznie złącza p-n (rys. 6.33a). Pojemności złączowe wynoszą 102 ¸ 105 pF/cm2 i zależą od napięcia. Drugim rodzajem są kondensatory tlenkowe (rys. 6.33b). Jedną okładzinę stanowi silnie domieszkowana warstwa dyfuzyjna n+, dielektrykiem jest warstwa SiO2, a drugą okładzinę warstwa Al, stosowana na połączenia. Pojemność kondensatorów tlenkowych jest mniejsza od złączowych, a wymiary większe.

Cewek indukcyjnych w zasadzie w tej technologii nie wytwarza się. Wszystkie elementy układu monolitycznego są realizowane w identycznych warunkach i w ciągu jednego procesu technologicznego. Dlatego łatwo jest uzyskać elementy o bardzo podobnych parametrach. Dzięki scaleniu w jednym podłożu powstaje silne sprzężenie termiczne i w konsekwencji możliwość niemal idealnej kompensacji zmian temperaturowych elementów. Pod względem wymiarów najmniejszą powierzchnie zajmują tranzystory, a o wielkości układu w zasadzie decydują wymiary kondensatorów.

W układach cyfrowych podstawową technologią jest technologia MOS. W układach scalonych MOS podstawowe funkcje układowe, a więc tranzystorów, rezystorów i kondensatorów mogą spełniać tranzystory MOSFET. Wykonanie takiego tranzystora wymaga mniejszej liczby operacji niż wykonanie tranzystora bipolarnego. Zajmuje on również mniejsza powierzchnię.

Duże zalety maja scalone układy komplementarne MOS - układy CMOS. W układach tych stosuje się jednocześnie tranzystory z kanałem typu p oraz n. Wymaga to co prawda dodatkowych procesów technologicznych, jednak umożliwia wykonanie cyfrowych układów scalonych wysokiej jakości, o bardzo małym poborze mocy.


« poprzedni punkt