Модуль 7 – Інтегральні схеми (ІС)

ЗМ8.

Тема 15. - Аналогові ІС.

Тема 16. - Цифрові ІС.

 

7.1 Інтегральні мікросхеми: загальні поняття та історія розвитку мікроелектроніки

Інтегральна мікросхема (ІС) являє собою сукупність електрично пов'язаних компонентів (резисторів, конденсаторів, діодів, транзисторів і ін), виготовлених в єдиному технологічному циклі на єдиній напівпровідникової основі (підкладці). Інтегральна мікросхема виконує певні функції обробки (перетворення) інформації, заданої у вигляді електричних сигналів: напруг або струмів. Компоненти, що входять до складу ІС, не можуть бути виділені з неї в якості самостійних виробів, крім того, вони характеризуються деякими особливостями в порівнянні з дискретними транзисторами, діодами і т. д.

Електричні сигнали можуть представляти інформацію в безперервній (аналоговій), дискретній цифровій формі. Аналогові сигнали обробляються аналоговими або лінійними мікросхемами, цифрові (дискретні) сигнали - цифровими мікросхемами. Існує цілий клас пристроїв і відповідно мікросхем які слугують для перетворення сигналів з однієї форми в іншу і званих аналого-цифровими чи цифроаналоговими перетворювачами.

Сучасна мікроелектроніка характеризується органічною єдністю фізичних, конструкторсько-технічних і схемотехнічних аспектів, вона охоплює питання конструювання, дослідження та принципів застосування інтегральних мікросхем. Особливістю ІС є висока складність виконуваних ними функцій, тому кількість компонентів в одній мікросхемі може обчислюватися сотнями тисяч і навіть мільйонами.

Інтегральні мікросхеми класифікуються за трьома основними параметрами: ступенем інтеграції, технологіэю виготовлення і за типом функціонального призначення.

Складність інтегральної мікросхеми визначається ступенем інтеграції. Мірою ступеня інтеграції є щільність елементів, яка визначається числом елементів на кристалі або на одиниці площі. Вона визначається також площею, необхідною для функціонування елемента, і відношенням дійсно використовуваної площі на кристалі до його загальної площі, так як для реалізації схемних елементів потрібно більша площа, ніж та, яка необхідна для його функціонування (наприклад, ізолюючі зони між окремими елементами). Залежно від кількості елементів на кристалі інтегральні схеми поділяються на:

• мала ІС (МІС або IС) - до 100 елементів на кристалі;

• ІС середнього ступеня інтеграції (СІС або MSI) - в ній використовується до 1000 елементів на одному кристалі;

• велика інтегральна схема (ВІС або LSI) - в ній застосовується до 10000 елементів на кристалі;

• надвеликі інтегральні схеми (НВІС або VLSI) - використано 10000 і більше елементів на одному кристалі.

Скорочення наведені англійською мовою мають наступний зміст: IС - Integrated Circuit; MSI - Medium Scale Integration; LSI - Large Scale Integration; VLSI - Very Large Scale Integration.

Раніше ще використовувалися такі назви, як ультравелика інтегральна схема (УВІС), в якій налічується приблизно до 1 мільярда елементів, і гігавелика ІМС - у ній більше 1 мільярда елементів. Зараз дані назви майже не використовуються, і всі мікросхеми у яких кількість елементів більше 10 тисяч відносять до класу НВІС. На рисунку 7.1 наведено графік зміни кількості елементів на кристалі з часом.

 

Рисунок 7.1 - Графік зміни кількості елементів на кристалі з часом

 

Якісними характеристиками технологічного процесу виробництва мікросхем є мінімальні контрольовані розміри топології фотоповторювача (контактні вікна в оксиді кремнію, ширина затворів в транзисторах і т. д.) і, як наслідок цього, розміри транзисторів (а також інших елементів) на кристалі. Даний параметр, однак, тісно взаємозалежний з низкою наступних виробничих можливостей: чистотою кремнію, характеристиками інжекторів, методами фотолітографії, витравлювання і напилення.

У 70 -х роках минулого століття мінімальний контрольований розмір становив 2-8 мкм, в 1980 -х він був зменшений до 0,5-2 мкм. Деякі окремі експериментальні зразки фотолітографічного обладнання рентгенівського діапазону забезпечували мінімальний розмір 0,18 мкм.

У 1990-х роках, зі стрімким розвитком конкуруючих платформ центральних процесорів ПЕОМ впровадження нових технологій значно прискорилося: спочатку 1990-х процесори (наприклад, ранні Pentium і Pentium Pro) виготовляли за технологією 0,5-0,6 мкм (500-600 нм), потім технологія дозволила перейти до 250-350 нм. Наступне покоління процесорів (Pentium II, Athlon) вже виготовлялося за технологією 180 нм. Наприкінці 1990 -х фірма Texas Instruments створила і впровадила ультрафіолетову технологію з мінімальним контрольованим розміром порядку 80 нм [].

Наступні покоління процесорів виготовлялося по УФ- технології 45 нм (починаючи з Core 2 Duo). Інші типи мікросхем досягли і перевершили цей рівень (зокрема, відеопроцесори і флеш -пам'ять фірми Samsung - 40 нм). У 2010 році в роздрібному продажі з'явилися процесори, розроблені за 32 -нм техпроцесом. У квітні 2012 року в продаж надійшли процесори, розроблені за 22 -нм техпроцесом (ними стали процесори фірми Intel, виконані по архітектурі Ivy Bridge). Процесори з технологією 14 нм планується до впровадження в 2014 році, а 10 нм - близько 2018 року.

Іноді складність ІС характеризують таким показником, як щільність упаковки. Це кількість компонентів, що припадають на одиницю площі кристала. Цей показник характеризує рівень технології, і в даний час він становить більше 10⁴ компонентів/мм².

 

Основним елементом будь-якої інтегральної мікросхеми є польові або біполярні транзистори. Тип виготовлення транзисторів, на яких побудована ІС, дуже сильно впливає на характеристику мікросхеми. Тип виготовлення («логіку») мікросхеми зазвичай завжди вказують у технічному описі пристрою (Data Sheet). Найпоширенішими «логіками» мікросхем є КМОП (CMOS, або комплементарні МОН-транзистори) і ТТЛ (транзисторно- транзисторна логіка). КМОП технологію застосовують у мікросхемах, де важливо економити споживання струму. Найістотнішим недоліком мікросхем, які побудовані за КМОП технології, є сильна вразливість до електростатичного розряду. Для мікросхем, де потрібна швидкість роботи і не важлива економія споживаної потужності, зазвичай застосовують ТТЛ логіку.

 

7.2 Типи функціонального призначення ІС

Інтегральні ІС бувають аналогові та цифрові.

 

7.2.1 Аналогові інтегральні мікросхеми (АІС)

АІС призначені для перетворення та обробки сигналів, що безперервно змінюються за рівнем і в часі. Вони широко застосовуються в апаратурі звуковідтворення і звукопідсилення, радіоприймачах і телевізорах, у вимірювальних приладах, техніці зв'язку і т. д. АІС дозволяє створювати складний завершений функціональний вузол в сукупності з обмеженою кількістю зовнішніх елементів.

Функціональний вузол - це група елементів, об'єднаних конструктивно і технологічно в модуль. Ця група призначена для створення будь-якої закінченої частини електронної апаратури, наприклад, підсилювача, фільтра, джерела живлення і т. п. До аналогових ІС відносяться операційні підсилювачі, генератори сигналів, фільтри (у тому числі на п'єзоефекті), схеми синхронізації, компаратори, аналогові помножувачі, стабілізатори джерел живлення (стабілізатори напруги та струму), перетворювачі сигналів, мікросхеми управління імпульсних блоків живлення, аналогові аттенюатори і регульовані підсилювачі.

Аналогові мікросхеми можна розділити на дві групи. Першу складають мікросхеми універсального призначення: матриці узгоджених резисторів, діодів, транзисторів і т. д. Сюди також відносяться інтегральні операційні підсилювачі (ОП), поява яких є найважливішим досягненням аналогової мікроелектроніки. У другу групу входять спеціалізовані аналогові мікросхеми, які виконують певні функції, наприклад, фільтрації, компресії, перемноження аналогових сигналів.

Робота аналогових пристроїв супроводжується помилками, джерелами яких може бути технологічний розкид параметрів елементів, їхній температурний і часовий дрейфи, шуми, наводки. Зменшення похибки роботи аналогових пристроїв - одне з головних завдань їх розробників. Висока складність вирішення цієї проблеми викликала відставання технології аналогових мікросхем порівняно із технологіями цифрових мікросхем. Серйозною перешкодою з'явився обмежений набір напівпровідникових елементів мікросхем, зокрема відсутність індуктивних елементів. Важкою виявилася також задача розробки невеликого числа типових структур, які подібно логічними елементами в цифрових мікросхемах могли б стати основою для аналогової мікросхемотехніки.

В даний час багато із зазначених труднощів подолані. Розроблено спеціальні схемотехнічні прийоми взаємної компенсації нестабільності параметрів елементів електричних ланцюгів, при яких точність роботи аналогового пристрою гарантується ідентичністю характеристик елементів. Особливістю схемотехніки аналогових мікросхем є реалізація принципу схемотехнічної надмірності, який, незважаючи на ускладнення виробів, завдяки інтегральній технології дозволяє поліпшити їх якість.

Напівпровідниковий резистор та ємність представлені на рисунку

 

Функціонування інтегрального біполярний транзистор подібне до розглянутого в модулі 2. На рисунку наведена топологія із деякими конструктивними елементами інтегрального БТ.

 

Рисунок – Топологія інтегрального БТ

 

Його особливість – малі розміри і потужність, планарна технологія виготовлення. особливістю ІС на основі біполярних приладів є те, що вони складаються з p-n переходів, які відкритими під час функціонування пристрою (ІС), тому їх необхідно ізолювати, якщо вони не повязані в єдиний функціональний елемент. На рисунку показаний внутрішній зв'язок в твердому тілі елементів аналогової інтегральної схеми на основі БТ через підкладку n-типу, коли ізоляція, наприклад спеціально введеними зворотновключеними p-n переходами відсутня.

 

а) б)

Рисунок – Зв'язок

 

В ІС на основі МОНТ, такий примусовий зв'язок відсутній, оскільки в польових транзисторах існуючі p-n переходи є закритими.

 

Рисунок -

Диференціальний підсилювач (ДП) є вхідним каскадом найважливішого елемента аналогової інтегральної електроніки - операційного підсилювача (ОП). Він складається з двох однакових симетричних плечей, кожне з яких містить транзистор і резистор. Вихідною напругою є різниця колекторних потенціалів, а вхідною - різниця потенціалів базових.

В основу ДП покладена ідеальна симетрія його плечей, тобто ідентичність параметрів транзисторів Т1,Т2 (що складають нижнє плече моста) і рівність опорів, що складають верхнє плече) R_К. При цьому, у відсутності сигналу, струми через транзистори, та колекторні потенціали будуть однакові, а вихідна напруга буде дорівнювати нулю (міст – врівноважений). Нульове значення U_ВИХ так само зберігається при одночасній зміні струмів в обох плечах. Таким чином, в ідеальному ДП дрейф вихідної напруги відсутній, хоча в кожному з плечей він може бути порівняно великим. Для випадку синфазного сигналу модель ДП можна представити, як показано на рисунку 7.2.

Рисунок 7.2 – Модель ДП

 

Цифрові ІС, служать для перетворення та обробки сигналів, представлених в двійковому або іншому цифровому коді. Широко застосовуються для розробки логічних елементів, тригерів, регістрів, лічильників, дешифраторів, мікроконтролерів. Аналогові мікросхеми характеризуються тим, що вхідна і вихідна електричні величини можуть мати будь-які значення в заданому діапазоні. У цифрових ж мікросхемах вхідні і вихідні сигнали можуть мати або високий, або низький рівень напруги. До цифрових відносять лічильники, регістри, ПЛІС (програмовані інтегральні схеми – PLA, CPLD, FPGA []), шифратори, дешифратори, мультиплексори, цифрові компаратори, демультиплексори, суматори, ключі, мікроконтролери, процесори (у тому числі ЦП для комп'ютерів), мікропроцесори, мікросхеми і модулі пам'яті, тригери, буферні перетворювачі, однокристальні мікрокомп'ютери, АЛП (арифметико-логічні пристрої), логічні елементи.

Цифрові мікросхеми призначені для виконання заданих логічних операцій над вхідними сигналами. Наприклад, при наявності хоча б на одному вході цифрової мікросхеми, яка реалізує виконання логічної операції OR, високого рівня напруги викликає появу високого рівня напруги на її виході. Така мікросхема (логічне додавання). У цифрових мікросхемах можна поставити безліч різних правил обробки сигналів []. Робота цифрових мікросхем грунтується на двійковій системі числення. У даній системі застосовуються дві цифри: нуль (0) і одиниця (1). Цифра 0 позначає відсутність напруги на виході (вході) логічного пристрою, 1 відповідає наявності напруги.

Слід зазначити, що аналогові і цифрові мікросхеми випускаються так званими серіями. Серія - це група мікросхем, що мають єдине конструктивно - технологічне виконання і призначених для спільного застосування. Мікросхеми однієї серії, як правило, мають однакові напруги живлення, вони узгоджені по вхідних і вихідних опорах, рівням сигналів.

Цифрові інтегральні мікросхеми мають ряд переваг в порівнянні з аналоговими:

• зменшене енергоспоживання, яке пов'язане із застосуванням в цифровій електроніці імпульсних електричних сигналів. При отриманні та перетворенні таких сигналів активні елементи електронних пристроїв (транзисторів) працюють в «ключовому» режимі, тобто транзистор або «відкритий» - що відповідає сигналу високого рівня (1), або «закритий» - (0). У першому випадку на транзисторі практично відсутнє падіння напруги, у другому - через нього майже не йде струм. В обох випадках енергоспоживання близько до 0, на відміну від аналогових пристроїв, в яких велику частину часу транзистори знаходяться в активному (лінійному) стані.

• Висока перешкодостійкість цифрових пристроїв, пов'язана із значною різницею сигналів високого (наприклад, 2,5-5 В) і низького (0-0,5 В) рівнів. Помилка можлива за таких перешкодах, коли високий рівень сприймається як низький і навпаки. Така ситуація при вказаній різниці напруг малоймовірна. Крім того, в цифрових пристроях можливе застосування спеціальних кодів, що дозволяють виправляти помилки.

• Велика відмінність сигналів високого і низького рівня і досить широкий інтервал їх допустимих змін робить цифрову техніку нечутливою до неминучого в інтегральній технології розкиду параметрів елементів. Дана властивість значною мірою позбавляє від необхідності підбору і настройки цифрових пристроїв.

 

Польові транзистори зі структурою метал-діелектрик-напівпровідник знайшли широке застосування в інтегральних схемах (ІС). Електрична схема та топологія CMOS-інвертора, що вирощений по технології CMOS із алюмінієвим затвором та ізоляцією зворотнозміщеними переходами [] наведені на рисунку.

 

Рисунок – Електрична схема та топологія CMOS-інвертора

 

Барєр Шотткі має малу ємність переходу, що дозволяє підвищити робочу частоту, що використовується в ІС, де діодами Шотткі шунтуються переходи транзисторів логічних елементів. На рисунку наведений БТ, із колекторним переходом, шунтованим діодом Шотткі (БТШ) – логіка ТТЛШ.

 

Рисунок –Топологія та електрична схема елемента ТТЛШ

 

7.5 Прилади із зарядовим зв'язком

Прилад із зарядовим зв'язком (ПЗЗ) являє собою МДН – структуру з великою кількістю управляючих електродів-затворів (рис. 1). Головна особливість ПЗЗ в тому, що він зберігає та передає інформацію у вигляді кількості заряду – «зарядових пакетів», які складаються з рухливих носіїв заряду (електронів чи дірок). У найпростіших випадках застосування ПЗЗ такий інформаційний зарядовий пакет вводиться через вхідний електрод і потім поступово за допомогою управляючих напруг передається від затвора до затвору, отже, на вихідному електроді ПЗЗ інформація виявляється затриманою по відношенню до вхідного сигналу, тобто ПЗЗ виконує функцію елемента затримки. Затримка сигналу в ПЗЗ полягає в тому, що поданий на вхід сигнал запам’ятовується та передається на вихід без спотворення форми через деякий час у вигляді сигналу . Затримка сигналу на час порядку 10^-4-10^-3с є необхідною операцією у радіолокації, електронно-обчислювальній техніці.

ПЗЗ складається з трьох секцій. Перша секція (І) - вхідна - включає виток з області та вхідний затвор З_вх. В момент часу , коли на вхідний затвор подається негативна напруга, під ним утворюється потенціальна яма для дірок, яка швидко наповнюється ними в наслідок їх інжектування у яму з області (рис. 1.З, а). Кількість дірок залежить від миттєвого значення струму витоку . Далі в роботу вступає секція ІІ. Негативна напруга з вхідного затвору З_вх знімається, проте подається на перший затвор З₁. Дірки, які раніше були під затвором З_вх, тепер перетікають у потенціальну яму, що утворилась під затвором З₁ (рис. 1.9, б). Далі негативна напруга подасться на затвор З₂ і дірки переміщуються під нього (рис. 1.З, в) і т.п. Отже, по затворах секції ІІ рухається хвиля негативної напруги і разом з нею переміщуються дірки.

Рисунок 1.9 – Процеси в ПЗЗ

 

Вихідна секція ІІІ виконує роль стоку - це закритий p-n перехід, куди екстрагуються дірки, що дійшли до крайнього затвору секції ІІ. Вхідний сигнал повторюється на виході системи із затримкою в часі, рівною тривалості "транспортування" дірок від вхідного затвора до стоку, що залежить від кількості затворів та швидкості переміщення по ним хвилі негативної напруги. Загальний час затримки, який здатні забезпечити ПЗЗ, не може бути надто великим, оскільки кількість зарядів, що зберігається в потенціальній ямі, поступово змінюється через процеси рекомбінації та дифузії, які є слідством прагнення системи до рівноважного стану, отже, записаний в них сигнал поступово "стирається". Цим і визначається максимальний час затримки, який в сучасних ПЗЗ досягає 10-20 мс.

Можливе також паралельне введення інформації, коли зарядові пакети поступають одночасно на всі затвори ПЗЗ. Потім записана у вигляді зарядових пакетів інформація послідовно виводиться з ПЗЗ, тобто записана інформація «розгортається» у часі.

За виконуваними функціями сучасні ПЗЗ можна поділити на 3 класи:

1) ПЗЗ для обробки та перетворення аналогових сигналів;

2) ПЗЗ для прийому та перетворення зображень - фото-ПЗЗ;

3) ПЗЗ для запам'ятовуючих пристроїв.

Фото-ПЗЗ сприймають інформацію про зображення паралельно, а потім перетворюють її у так званий відеосигнал. Запам'ятовуючі пристрої на ПЗЗ вирізняються своєю низькою вартістю.

Прилади, які використовують ПЗЗ для обробки аналогових сигналів:

- лінії затримки (вхідний аналоговий сигнал перетворюється у дискретні зарядові пакети, та через час затримки поступає на вихід ПЗЗ);

- мультіплексори (декілька вхідних сигналів паралельно вводяться в ПЗЗ, а тоді послідовно виводяться на вихід ПЗЗ);

- фільтри та інші пристрої.

Низька вартість виготовлення – основна перевага ПЗЗ порівняно з іншими класами цифрових пристроїв. Крім того, ПЗЗ вирізняють малі маса та габарити, низька споживана потужність, підвищена надійність.

 

7.6 Елементи пам'яті на МДН-структурах

Якщо затвор звичайного польового транзистора модифікувати введенням додаткового метал-напівпровідникового шару (плаваючий затвор), нова структура може служити елементом пам'яті, яка тривало зберігає накопичений заряд. Схематично структуру польового транзистора з плаваючим затвором, який працює в режимі збагачення, представлений на рис. 1.

 

Рисунок 1 – МДН-транзистор із плаваючим затвором

МДН-транзистор з плаваючим затвором може бути використаний в якості елемента пам'яті з часом зберігання, рівним часу діелектричної релаксації структури. Затвор з таким елементом пам'яті забезпечує можливість безперервного зчитування без руйнування інформації (з електродів стік-витік), причому запис і зчитування можуть бути виконані в дуже короткий час, наприклад, в наносекундний інтервал або навіть менше.

На базі МДН-транзистора з плаваючим затвором, реалізовані пристрої flash-пам'яті. Операція програмування (заряд плаваючого затвору) проводиться лавинною інжекцією електронів з стокової області каналу МДН-транзистора. Якщо заряд плаваючого затвору у однобітного МДН-транзистора менше 5000 електронів, то це означає, що комірка зберігає логічну «1», а якщо заряд більше 30 000 електронів, то - «0». Заряд осередку викликає зміну порогової напруги транзистора, і при операції читання вимірюється величина цієї порогової напруги, а по ній визначається кількість заряду на плаваючому затворі.

 

МНОН-структури (метал - нітрид кремнію - оксид кремнію - напівпровідник) в даний час використовуються при конструюванні елементів пам'яті енергонезалежних запам'ятовуючих пристроїв завдяки ефекту накопичення об'ємного заряду на глибоких пастках в підзатворному діелектрику.

Ефект пам'яті заснований на зміні порогової напруги транзистора при наявності захопленого в підзатворному діелектрику заряду певного знаку. Позитивний або негативний заряд зберігається на глибоких пастках в нітриді кремнію поблизу кордону SiO2 - Si3N4 і переписується при подаванні до затвору імпульсів напруги досить великої амплітуди. У добре сконструйованій комірці пам'яті заряд може зберігатися багато років. Основними факторами, що впливають на запис і зберігання заряду, є електричне поле, температура і радіація.

На рис. 2 наведена конструкція МНОН-транзистора, який використовується в якості елемента пам'яті інтегральних схем.

 

 

Рисунок 2 - Конструкція МНОНТ: 1 - металічний затвор;

2,3 – виток та стік; 4 – підложка

 

На основі МОН-транзисторів будуються мікросхеми динамічної пам'яті (рис.3).

 

на МОН-структурах

Рисунок 3 - Елемент динамічної пам'яті

В основі запам'ятовуючого елемента лежить один конденсатор С1 і один МОН-транзистор VT1. На схемі конденсатор показаний у вигляді окремого елемента, хоча реально його функції виконує ємність затвор-підкладка. Транзистор VT2 відкривається сигналом по затвору ТС (логічною одиницею), та від джерела U0 ємність СШ заряджається до напруги U0.

Запам'ятовуючим елементом служить конденсатор, який є ємністю переходу витік - стік польового транзистора. При записуванні логічної одиниці в елемент пам'яті конденсатор заряджається, нуля - розряджається. При зчитуванні інформації конденсатор теж розряджається і, якщо заряд не була нульовим, підсилювач зчитування встановлює на виході одиничне значення потенціалу, і конденсатор спеціальної схемою перезапису знову заряджається до потенціалу логічної одиниці. За відсутності звернення до елементу динамічної пам'яті з часом, за рахунок струмів витоку, конденсатор розряджається та інформація втрачається, тому така пам'ять вимагає постійного періодичного перезаряду конденсаторів методом перезапису кожного елемента (регенерації). Отже, така пам'ять може працювати тільки в динамічному режимі, із постійним перезарядом конденсаторів осередків.

 

7.7 Фізичні явища, що обмежують мікромініатюризацію МДН приладів

Одне з основних завдань мікроелектроніки полягає у підвищенні ступеня інтеграції та швидкодії ІС. Технології виготовлення мікроелектронних приладів на основі МОНТ:

1.D-МОS технологія (принцип подвійної дифузії, структура має планарний характер).

2. V-МОS технологія (принцип подвійної дифузії, структура має вертикальний характер).

3. N-МОS технологія (пропорційна мікромініатюризація звичайного планарного МДП-транзистора). Така технологія заснована на положенні, що при зменшенні довжини каналу в N раз для збереження тих же характеристик транзистора інші його параметри (товщина оксиду, ширина каналу, напруга живлення) необхідно зменшити в N разів, а концетрацию легуючої домішки в підкладці збільшити в N разів. При цьому швидкодія, що визначається часом прольоту носіїв через канал зросте в N разів, струм каналу зменшитися в N разів, розсіювана потужність зменшитися в N² разів.

Щільність упаковки СMOS - більше 100 млн. чарунок на квадратний дюйм [].

Гранично допустимі значення параметрів та фізичні обмеження мініатюризації приладів мікроелектроніки на базі МДН-елементів наведені в таблиці 7.1.

 

Таблиця 7.1 - Гранично допустимі значення і основні обмеження

 

Мінімальні розміри та параметри	Причини обмежень
Мінімальна величина одного елемента - 0,03 нм	Статистичні флуктуації легування підкладки, дозвіл фоторезиста, космічні промені і радіоактивність, кінцева ширина p-n переходу
Товщина подзатворного діелектрика - 2,3 нм	Тунельні струми через діелектрик
Мінімальна напруга живлення - 0,025 В	Тепловий потенціал kT/q
Мінімальна щільність струму, 10-6 А/см2	Дискретність заряду електрона, флуктуації вбудованого заряду
Мінімальна потужність, 10-12 Вт / елемент при f = 1 кГц	Шуми, теплова енергія, діелектрична постійна
Гранична швидкодія - 0,03 нс	Швидкість світла
Максимальна напруга живлення	Пробій подзатворного діелектрика, змикання областей витоку і стоку
Максимальне легування підкладки	Тунельний пробій pn переходу стоку
Максимальна щільність струму	Електроміграціі, падіння напруги на паразитних опорах контактів
Максимальна потужність	Теплопровідність підкладки і компонентів схеми
Кількість елементів на кристал, 10^9	Сукупність усіх раніше перерахованих обмежень

 

 

Контрольні питання

1. Структури польових транзисторів.

2. Загальні відомості про польові транзистори.

3. Режими роботи та ВАХ ПТКП.

4. Структури ПТКП.

5. Параметри польових транзисторів.

6. Фізичні процеси в ПТКП.

7. Режими роботи та ВАХ МОНТ.

8. Прилади із зарядовим зв’язком.

9. Елементи пам’яті на МДН- структурах.

10. Мініатюризація МДН-структур: тенденції та обмеження.

 

Питання до самостійної роботи

1. Еволюція польових приладів.

2. Види МДН транзисторів.

3. Особливості потужних польових транзисторів (ПТ).

4. Основні схеми включення польових транзисторів.

5. СІТ - відмінності від ПТКП.

6. Еквівалентна схема ПТ.

7. МОН- транзистори з вбудованим каналом.

8. Вплив температури на роботу ПТ.

9. Аналіз переваг та недоліків тиристорів.

10. Області застосування ПТ.

ТЕСТИ

1. Які фізичні явища обмежують мінімальну напругу живлення?

а) тепловий потенціал;

б) шуми;

в) обмежена швидкість електромагнітної хвилі;

г) дефекти у кристалі;

д) анізотропія кристалу напівпровідника;

 

2. Які фізичні явища обмежують максимальну потужність інтегральної схеми?

а) тепловий потенціал;

б) шуми;

в) теплопровідність кристала;

г) тунельний пробій;

д) анізотропія кристалу напівпровідника;

 

3. Що обмежує граничну швидкодію при мініатюризації МОН- приладів?

а) тепловий потенціал;

б) швидкість носіїв заряду;

в) обмежена швидкість електромагнітної хвилі;

г) дефекти у кристалі;

д) анізотропія кристалу напівпровідника;

 

4. Як зміниться розсіювана потужність, якщо всі геометричні розміри МОНТ зменшити в N разів, а концентрацію домішок підвищити в N разів?

а) не зміниться;

б) збільшиться в N² разів$

в) зменшиться в N разів;

г) збільшиться в N разів;

д) зменшиться в N² разів;

 

5. На яких приладах базуються стуктура flash-пам'яті?

а) DNMOS;

б) МОНТ із плаваючим затвором;

в) МНОН транзистор;

г) комплементарних МОНТ;

д) приладах із зарядовим зв’язком.

 

Модуль 8 – Курсовий проект.

 

ВИСНОВКИ

 

Твердотільні прилади та інтегральні схеми - сучасна база електроніки, як силової, так і цифрової, яка продовжує вдосконалюватися за рахунок модифікації геометричних і фізичних параметрів твердого тіла та конструкцій приладів. Основні тренди розвитку – використання нових матеріалів, покращення тепловідведення, перехід в силовій електроніці від дискретних приладів – до інтегрованих електронних пристроїв із вбудованими системами автоматичного регулювання, уніфікація та стандартизація.

В останні роки процес покращення швидковідновлювальних діодів на базі кремнію уповільнився. Найкращі показники якості мають структури «траншейного» типу (trench), максимальна блокована напруга яких – до 8 кВ. Для зменшення часу життя неосновних носіїв, і відповідно, часу відновлення запірної властивості, використовують технології опромінення. Використовуються також p-i-n діоди Шотткі, та діоди на базі арсеніда галія (GaAs). Силові діоди на базі карбіда кремнія (SiC) починають активніше застосовуватися для високочастотних пристроїв, мають високу допустиму температуру експлуатації; напруги - до 1200 В, струми - до 20 А (очікувані значення - 2500 В/100 А, а до 2020 р. - 5 кВ/200 А []). Прогрнозується також виробництво діодів на базі GaN та діамантових плівок.

Тиристори типу SCR вдосконалюються в напрямках покращення конструкцій, що підвищує їх допустимі потужності за рахунок термоциклостійкості. Все більше в мегаватному діапазоні потужностей використовуються повністю керовані тиристори (оптотиристори – LTT [], GTO, GCT, IGCT -тиристори). Однак, за прогнозами, тиристори, як колись БТ (що в схемі Дарлінгтона досягли показників 1400 В/200 А), будуть замінюватися модулями на базі високовольтних IGBT та гібридними тиристорами (MCT та EST), при умові зменшення їхньої вартості, наприклад, за рахунок технології безпосереднього зрощування пластин (wafer bonding).

MOSFET вдосконалюються шляхом зменшення опору у відкритому стані (кожні два року - на 50%), оптимізації фізико-топологічних параметрів кристала, наприклад обмеженням дрейфової області (CoolMOS™), технології втопленого затвора (trenchgate technology). Діапазон напруг: 500 - 1200 В. Прогонозується поява ПТКП на базе карбіда кремнія (SiC) – VJFET []. Все ширше використовуються складені прилади (див. п. 5.5).

Продовжується покращення й IGBT: розширюється діапазон робочих напруг, зокрема, зявились прилади із можливістю блокування зворотної напруги, зменшуються втрати використанням іонної імплантації, буферних шарів, тонких пластин (thin wafer technology діаметром 150 мм, товщиною 100 мкм), втопленого затвора, зменшується їхня вартість.

IEGT [] модулі прижимної конструкції призначені для енергетики (високовольтні лінії передачі постійного струму, статичні компенсатори реактивної потужності), для промислових електроприводів, для електротранспорта.

Твердотільна електроніка продовжує свій стрімкий розвиток завдяки успіхам у створенні нових матеріалів та впровадженню нових технологій, так, технологія кремнія на ізоляторі (SOI) призначена для силових інтегральних схем, карбід кремнія починає використовуватися для приладів силової електроніки в енергетиці, автомобільній електроніці, аерокосмічній техніці (діоди Шотткі з блокуючою напругою до 5 кВ; MOSFET із опором, в 1000 разів меньшим порівняно із MOSFET на базі Si; JFET із блокуючою напругою 3,5кВ та питомим опором у відкритому стані 25 мОм/см², що відповідає щільності струму 100 А/см²; каскадні складені SiC-Si прилади; високовольтні високочастотні (кГц діапазон) биполярні силові прилади (діоди, транзистори, тиристори) із комутованою напругою до 20 кВ [].

Разроблені прилади на широкозоних напівпровідниках (ШНП) (карбіді кремнія, нітрідів галлія, алюмінія, індія, бора, а також діаманта) мають значно кращі параметри, ніж прилади на основі Si і GaAs: ширина забороненої зони ШЗП в два-пять разів більша, на порядок вище поле пробою та теплопровідність. Вони відрізняються високою твердістю, стійкостю до агресивних середовищ та радіаційоного випромінювання [3]. Лідер серед ШЗП – нітрід галлія (GaN), прилади, створені на його основі мають граничні частоти до 100 ГГц [4, 5]. СВЧ-прилади будуються на основі широкозонних гетероструктур (Al,Ga,In)N. На основі гетеростуктури InP-GaInAs матеріалу виготовляються СВЧ-транзистори, в із високими значеннями рухомості електронів (HEMT), рабоча частота якого перевищила 600 ГГц[2].

На карбіді кремнія (SiC) разроблений МОНТ із втопленим каналом, опором 1,8 мОм/⋅см2, робочим струмом – 10 А при активній площаді S = 0,8 мм². Розпочато випуск приладів HEMT на основі GaN і SiC (фірма Nitronex, США; Eudyna Devices, Японія) [] для діапазону частот 2–4 ГГц, робочої температури Tр – 200°С. В якості діелектрика затвору деяких ПТ використовується фторид кальцію (СaF₂) []. Однак, навіть ці параметри не є граничними, оскільки вдосконалення фізико-топологічних параметрів приладів та параметрів теплопровідності підкладок триває.

Для підкладок потужних приладів можна використовувати матеріали SiC, AlN, такі перспективні структури, як "діамант на кремнії" (Diamond on Silicon, DOS), завдяки їхній високій теплопровідності [].

Діамант взагалі має найкраще поєднання електрофізичних параметрів, що робить його придатним для використання в екстремальних умовах. Прилади на його основі можуть на порядок перевищувати традиційні прилади по показникам якості, мати діапазон температури до 600°С при рабочій напрузі до 2,5 В і більше. На основі діаманта можна проектувати потужні СВЧ прилади, швидкодіючі цифрові схеми. Малосигнальні ВЧ ПТ із затвором Шотткі (ПТШ) вже виготовляються на нелегованих гомоепітаксійнних діамантових плівках (High Pressure High Temperature, HPHT-діамант []). Теоретичний аналіз показав, що завдяки високим значенням теплопровідності, пробивної напруги та дрейфової швидкості носіїв, «діамантові» прилади, порівняно із кремнієвими, можуть працювати при температурі, в пять разів більшій, в 30 разів більших значеннях напруги, в три рази більш високих частотах [32].

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Т. В. Критская. Современные тенденции получения кремния для устройств электроники. – Запоріжжя, ЗДІА, 2013 р. – 356 с.

2. Тугов Н.Н., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы – М.: Энергоиздат, 1990 – 676 с.

3. А.В.Переверзєв, О.В.Василенко. Моделювання в електроніці. – Запоріжжя, ЗДІА, 2003 р. – 160 с.

4. Василенко О.В. Моделювання в електроніці. Методичні вказівки до лабораторних робіт. Запоріжжя, ЗДІА, 2011 р. – 60 с.

5. Переверзєв А.В., Тімовський А.К., Василенко О.В. Моделювання елементів силової електроніки. – Запоріжжя: ЗДІА, 1998. – 117с.

6. Micro-Cap 10, Analog and Digital Behavioral Modeling [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.spectrum-soft.com/demo/abm.shtm

7. CoolMOS TM Technology and Design Guide/ Application Note AN 2013-04 [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.spectrum-soft.com/demo/abm.shtm

8. В.С.Руденко, В.И.Сенько, В.В.Трифонюк. Приборы и устройства промышленной электроники. – К.: Техніка, 1990. – 368 с.

9. Петухов В.М. Полевые и высокочастотные