Mikroelektrické součástky, integrované obvody


Snaha miniaturizovat elektronické obvody je diktována potřebou zmenšovat rozměry, spotřebu elektřiny a hmotnost elektronických zařízení při zachování nebo zlepšení jejich funkčních vlastností. Tato tendence (zmenšování a zhušťování jednotlivých součástek) narazila na omezení v podobě konečných rozměrů součástek a na odvádění tepla. Další pokrok v miniaturizaci nastal až s vytvořením obvodu sestaveného z diskrétních (oddělených) součástek v jediném, rozměrově co nejmenším, kusu materiálu jako uzavřeného celku v pouzdře. Pro takový obvod je charakteristické, že jeho jednotlivé funkční prvky, zastávající funkci elektronických součástek, není možné z celku mechanicky oddělit, aniž by se obvod zničil. Tento druh obvodů se nazývá integrovaný obvod.

Dělení integrovaných obvodů se provádí podle způsobu jejich vytvoření: monolitické, vrstvové, hybridní (viz obr.).

Monolitické integrované obvody

Monolitický obvod je integrovaný obvod, který je vyroben z jednoho kusu monokrystalu. Funkci jednotlivých elektronických součástek vykonávají dílčí miniaturní oblasti monokrystalu, které se vyrábí epitaxně planární technologii. Tím to se vytvoří velké množství na sobě nezávislých PN přechodů, které zastávají funkci elektronického obvodu.

Pro výrobu monolitických obvodů se použijí základní destičky z polovodičového materiálu (většinou křemík) vyříznuté z monokrystalu. Tyto destičky se nejčastěji dotují akceptory, tj. základní destička má tedy vodivost typu P. Na základní destičce (= substrát) se pak nechá narůst epitaxní vrstva, která je opačného typu vodivosti (zpravidla typu N) než základní destička (substrát). Následuje oxidace, jíž se na povrchu epitaxní vrstvy vytvoří kysličníková ochranná vrstva s maskovací schopností. Souvislá plocha ochranné vrstvy se rozruší pravidelnou sítí vyleptaných kanálků - tzv. izolační kapsy, které jsou úzké a svou hloubkou zasahují až k základní destičce, a které mají stejný typ vodivost jako základní destička, tj. vodivost typu P. Vznikají tak malé oblasti - tzv. izolační ostrůvky.

Protože izolační ostrůvek má opačnou vodivost než izolační kanálky vzniká tak souvislý PN přechod, který se musí chovat jako izolant, a proto se tyto PN přechody zapojují v závěrném směru. Do každého izolačního ostrůvku lze pak vytvořit jeden i více nezávislých funkčních součástek integrovaného obvodu.

Jednotlivé funkční struktury vytvořené v izolačních ostrůvcích se vyvedou na kovové (obvykle hliníkové) kontaktní plošky na povrchu destičky. Kontaktní plošky jsou mezi sebou propojeny sítí tenkých kovových drah, probíhajících po povrchu ochranné vrstvy, která slouží jako izolace mezi spojovacími vodiči a povrchem polovodiče. Izolaci vodičů mezi sebou tvoří jen jejich vzájemné odstupy.













Vytváření jednotlivých součástek v monolitickém obvodu:

Bipolární tranzistory musí mít u integrovaných obvodů vyveden kolektor spolu s ostatními vývody na společnou spojovací rovinu. Dobře vodivý substrát (základní destička) je oddělen od epitaxní vrstvy zavřeným PN přechodem. Proto je kolektorový proud procházející od přechodu báze - kolektor k vývodu kolektoru se může uzavřít jedině poměrně dlouhou a málo vodivou dráhou v epitaxní vrstvě, rovnoběžnou s povrchem destičky. To se však nepříznivě projevuje ve spínacích a vysokofrekvenčních vlastnostech tranzistorů (obr. A).

Aby se zlepšily vlastnosti tranzistorů používá se tzv. utopená vrstva. V místech, kde mají být v integrovaném obvodu tranzistory, se ještě před epitaxí difúzí vytvoří v základní destičce tenké, silně dotované ostrůvky N+ (obr. B). Teprve potom probíhá epitaxe, difúze izolačních kapes atd. Utopená vrstva představuje pro kolektorový proud dobře vodivou cestu, a jejímž vlivem se dosáhne dobrých spínacích a vysokofrekvenčních vlastností.

Unipolární tranzistory se v nynější době považují v integrovaných obvodech za velmi perspektivní, a to jak z důvodů technologických, tak obvodových.

Zpravidla se užívá tranzistorů typu MIS s indukovaným kanálem, který se vyrábí planární technologií. Oblasti emitoru a kolektoru se vytvoří difúzí a mají opačný typ vodivosti než základní destička. Kovová řídící elektroda je na izolační vrstvu na pařena ve vakuu v podobě tenké hliníkové vrstvy.

Diody v monolitických obvodech tvoří zpravidla vhodně zapojené struktury tranzistorů, neboť při výrobě je výhodné, vyrábějí-li se diody současně a stejnými operacemi jako tranzistor.

Z tranzistorové struktury lze vytvořit 5 druhů diod - jednak využívající emitorového přechodu (obr. A) a jednak využívající kolektorového přechodu (obr. B). Vlastnosti těchto druhů diod se od sebe liší a závisejí na tom, kterého z přechodů tranzistorové struktury využito a jak zapojena zbývající elektroda.

Diody lze také realizovat jako tranzistor bez emitorové difúze.

Monolitický rezistor je tvořen vlastním polovodičovým materiálem monokrystalu mezi dvěma kontaktními přívody. Podle způsobu tvoření odporové dráhy se rozlišují tyto monolitické rezistory:

a) difúzní - odporová dráha vznikne difúzí do přesně vymezené plochy a hloubky ostrůvku. Vyrábí se současně s difúzí bází nebo emitorů tranzistorů.

b) epitaxní - odporovou dráhu tvoří vymezená oblast epitaxní vrstvy

Pro rezistory s velkými odpory (nad 0,1 M) se využívá závěrně polarizovaného PN přechodu nebo kanálu unipolárního tranzistoru.

Velikost odporu závisí na délce odporové dráhy L , šířce odporové dráhy š , tloušťce odporové dráhy d , a materiálu , podle vztahu: R = *L / d*š

Kondenzátory rozlišujeme podle způsobu vytvoření v monolitickém obvodu na:

a) difúzní kondenzátor - je vyroben jako přechod PN, u něhož se využívá kapacity v závěrném směru. Podle požadavků na vlastnosti se využívá buď emitorového nebo kolektorového přechodu tranzistorových struktur

b) kondenzátor se strukturou MIS - využívá se kapacity mezi emitorem a řídící elektrodou unipolárního tranzistoru.

Měrné kapacity kondenzátoru v monolitických obvodech jsou 100 až 1000 pF/mm2 (maximálně používané 500pF). Větší kapacity se v integrovaných obvodech nevyrábějí (zabrali by mnoho místa), ale připojují se zvnějšku jako diskrétní součástky.

Cívky je nemožné monolitickou technologií vytvořit s funkční strukturou s požadovanou indukčností v slušných rozměrech. Proto se užití cívek snažíme vyhnout, nejde-li to, připojují se zvnějšku jako diskrétní součástky.








Vrstvové a hybridní integrované obvody

Vrstvové obvody jsou integrované obvody vytvořené technikou tenkých a tlustých vrstev. Pasivní prvky, vodiče, popř. tranzistorové struktury, se vytváří nanášením vodivých, odporových, izolačních a polovodičových vrstev ve vhodném sledu a tloušťce na společnou nevodivou podložku. Podle tloušťky vrstev rozdělujeme vrstvové obvody na: tlustovrstvé (desítky m) a tenkovrstvé (desetiny m).

Hybridní obvody vznikli jako kombinace vrstvové a monolitické technologie, neboť ve vrstvové technologii se vyrábí špatně polovodičové prvky a v monolitické zase pasivní prvky.

a) Tlustovrstvé hybridní obvody:

Na keramické podložce se vytváří elektronické prvky nanášením odporových, izolačních a vodivých past přes masky na povrchu podložky v takovém sledu, aby vznikla požadovaná struktura, která se vypálí pří vysoké teplotě.

Tlustovrstvé odpory se vytvářejí jako plošky pokryté odporovou pastou z danou velikostí odporu. Předností této technologie je možnost přesného nastavení velikosti odporu.

Tlustovrstvé kondenzátory se realizují jako kondenzátor vyrobené postupným nanášením vodivých a dielektrických past (dosahuje se kapacity pF až 10 nF) nebo vložením, tzv. kapacitního čipu (pro větší kapacity).

Cívky s malými indukčnostmi (stovky nH), lze vyrobit v podobě ploché spirály z vodivé spirály. Větší indukčnosti by vyžadovali více závitu více místa, proto je výhodnější je připojit zvnějšku jako diskrétní součástky.

Tranzistorové struktury se tlustovrstvou technologií nevyrábějí, ale vkládají se do integrovaného obvodu jako samostatně vyrobené polovodičové čipy (zpravidla monolitickou technologii).

Na spojovací sítě se užívá past s malým odporem. Spoje se mohou křížit, vloží-li se mezi ně izolační vrstva.

b) Tenkovrstvé hybridní obvody:

Tenkovrstvé obvody se nanášejí na skleněné, keramické nebo křemíkové podložky s co nejdokonalejším hladkým povrchem a stejným izolačním obvodem po celé ploše. K nanášení vrstev dochází 2 způsoby: vakuovým napařováním nebo katodovým napařováním. K dosažení žádaného rozložení vrstev po povrchu podložky se užívá kovových krycích masek. Vytvořené vrstvy se dále tvarově upravují pomocí svazku elektronů, leptáním nebo oxidací.

Rezistory a kondenzátory mají uspořádaní shodné s tlustovrstvými obvody, tranzistorové struktury se realizují především jako vložené monolitické čipy podobně jako u tlustovrstvých obvodů.


Stupeň integrace:

Podle počtu tvořících integrovaný obvod rozlišujeme následující stupně integrace:

a) Standardní integraci (SSI) - integrovaný obvod obsahuje v jednom čipu méně než 100 prvků.

b) Střední integrace (MSI) - 100 až 1 000 prvků v jednom čipu.

c) Velká integrace (LSI) - více než 1 000 prvků v jednom čipu.

d) Extrémně velká integrace (ELSI) - více něž 10 000 prvků v jednom čipu.

Mezi těmito skupinami jsou zásadní rozdíly v technologii výroby i způsobu jejich použití.


Integrované obvody podle způsobu zpracování signálu

Podle závislosti mezi vstupním a výstupním signálem rozdělujeme integrované obvody na:

a) Analogové obvody jsou takové obvody, kde je výstupní signál spojitou funkcí signálu vstupního. Někdy se těmto obvodům nesprávně říká lineární integrované obvody.

b) Číslicové obvody jsou takové obvody, kde je výstupní signál nespojitou funkcí signálu vstupního. Pro tyto obvody se užívá též název logické obvody.

dlabos.wz.cz