INTEGRIRANI KRUGOVI

1.1 Klasifikacija integriranih krugova

Integrirani krugovi se prema tehnologiji proizvodnje dijele na: -Monolitni integrirani krugovi -Hibridni integrirani krugovi Osnovni materijal za izradu integriranih krugova je silicijum zbog svojih prednosti nad ostalim materijalima Na slici 1.1 dat je pregled podjele integriranih krugova

sl 1.1

1.2 Monolitni integrirani krugovi

Monolitni integrirani krugovi se dijele na: a) bipolarni monolitni integrirani krugovi: -inverzno polarizirani p-n izolacioni sloj -dielektrina izolacija -izolacija vazdunim rasporom b) unipolarni monolitni integrirani krugovi: -MOS-FET -CMOS -JFET

Integrirani krugovi

Monolitni Hibridni

Bipolarni Unipolarni

p-n izola- cija

Dielek. Izola- cija

Izolaci -ja vaz. raspo rom

MOS FET

JFET

Sa tankim film Sa debelim film.

1.3 Bipolarni monolitni integrirani krugovi

Redoslijed i detalji obrade monolitnog kristala poluprovodnika zavise od: -potrebnih tehnikih karakteristika -naina elektrine izolacije elemenata kruga -izbor tipa tranzistora (p-n-p ili n-p-n) Na slisi 1.2. predstavljen je postupak izolacije bipolarnog integriranog kruga (na bazi Si kristala) pomou inverzno polariziranog p-n spoja.

sl 1.2. 1.3.1 Planarni proces proizvodnje bipolarnih integriranih krugova -Planarna tehnplogija za proizvodnju bipolarnih integriranih krugova razvijena je jo za proizvodnju diskretnih poluprovodnikih komponenti -Postupci planarnog procesa: -epitaksijalni rast, -oksidacija silicijeve povrine, -fotolitografija, -difuzija primjesa, -metalizacija. Prikaz planarnog procesaq dat je na slici 1.3.

Sl.1.3.

Epitaksijalni rast je proces nanoenja epitaksijalnog n-sloja atoma Si i atoma primjesa na p-tip podloge . Proces se odvija na tempraturi od oko 1000C. Debljina epitaksijalnog sloja je reda 3-10 m.

Oksidacija silicijeve povrine je termiki proces formiranja silicijum dioksida (SiO2) na epitaksijalnoj povrini radi zatite. Zatita se moe izvriti nanoenjem i drugih dielektrinih materijala. Debljina oksidnog sloga je reda o,1 m.

Fotolitografski postupak je proces fomiranja otvora u oksidnom sloju da bi se izvrila difuzija primjesa u epitaksijalni sloj ili u silicijumavu baznu podlogu.

Fotolitografski postupak je prikazan na slici 1.4.

sl.1.4.

Difuzijski proces je postupak unoenja primjesa p, ili, n tipa u epitaksijalni sloj ili silicijunovu podlogu. Odvija se na temperaturi od 950-1300 C. Difuzijski postupak prikazan je na slici 1.5

Sl.1.5 Postoje dva tipa difuzije primjesa: -difuzija iz neogranienog izvora konstantna koncentracija atoma primjesa uz povrinu epitaksijalnog sloja sl.1.6 -difuzija iz ogranienog izvora konstanta ukupna koliina atoma primjesa, sl.1.6a

l.1.6 Sl.1.6a

Proces difuzije moe se opisati Fickovim zakonima:

x

txNDtxf

=

),(),( - Prvi Fickov zakon,

2

2 ),(),(x

txNDx

txN

=

- Drugi Fickov zakon, gdje su: f (x, t)-broj atoma primjesa koji prou u 1 s kroz 1cm2 povrine

- D-difuzijski koeficijent (zavisi od temperature) - N (x, t) koncentracija difundiranih atoma primjesa na

udaljenosti X od povrine poluprovodnika, nakon vremena t od poetka difuzije.

Prikaz proizvodnje monolitnog integriranog n-p-n tranzistora dat je na slici 1.7

Sl.1.7 Za izradu tranzistora na sl.1.7 potrebno je est maski:

- prva maska - difuzija potkolektorskog n+ sloja, - druga maska izolacija p+ difundiranih otoka,

- trea maska bazna p difuzija, - etvrta maska emiterska n+ difuzija, - peta maska otvori za kontakte, - esta maska metalizacija

1.3.2 Integrirani krugovi na bazi Schottky-jevog tranzistora

Kod realizacije integriranih krugova osim p-n ispravljakog spoja koristi se i spoj metal-poluprovodnik u ispravljakom reimu rada. Schottky-jeva barijera. Ispravljaki reim rada spoja metal-poluprovodnik uspostavljen je kada je povrinska koncentracija donora u poluprovodniku majna od neke granine. Simbol i presjek Schottky-jevog tranzistora prikazan je na slici 1.7a Schottky-jeva dioda je spojena izmeu baze i kolektora p-n-p tranzistora i ini je spoj metal-n-n+ na slici Schottky-jeva dioda ima malo vrijeme kanjenja (0,1ns) zbog veinskih nosilaca u metalu prilikom direktne polarizacije pa sprjeava da tranzistor ode u zasienje ime se poveava njegova brzina.

Sl.1.7a

1.3.3 Princip stapanja ili superintegracije

Stapanje ili superintegracija podrazumjeva viestruko koritenje dijela poluprovodnikog materijala. Isto poluprovodniko podruje pripada veem broju komponenata kruga. Na slici 1.8 dat je primjer stapanja kod Darlingtonovog spoja dva n-p-n tranzistora (zajedniki kolektor)

Sl.1.8 Prikaz integracije jednostavnog sklopa na kristalu silicijuma u bipolarnoj tehnologiji dat je na slici 1.9

Sl.1.9

1.3.4Osobine bipolarnih integriranih krugova Neke osobine bipolarnih integriranih krugova su:

- istovremena obrada vie elemenata - jednostavnost obrade - proizvodnja raznih ureaja primjenom istih fotografskih maski - koritenje malog broja razliitih materijala - faktor povrine - inverzna ekonomika

Disipacija kao vana karakteristika bipolarnih integriranih krugova zavisi od tehnologije proizvodnje integriranih krugova, materijala od koga je napravljeno kuite i naina pakovanja. U tabeli 1 navedene su neke uporedne karakteristike bipolarnih integriranih krugova i disketnih krugova.

Bipolarni integrirani krugovi Diskretni krugovi

Prednosti: - vii napon zasienja, - manja disipacija, - nia cijena i za male i za velike koliine, - dobro prilagoenje komponenti, - male dimenzije i teina, - najpovoljniji za visokoserijsku proizvodnju, - inherentnost na parazitne kap., - rjeenja treba da koriste aktivne komponente gdje god je mogue Nedostatci: -ograniene vrijednosti komponenti, - ograniene visokofrekventne mogunosti, - visoka cijena prvog rjeenja, - potrebna izolacije izmeu komponenti, -ogranienje na male probojne napone, - inherentnost na parazitne kap., -zabranjena upotreba induktiviteta, - vrijednost otpora manja od 20 K, - nelinearni kapaciteti

Prednosti: -vea fleksibilnost konstrukcije, - moe se dobiti proizvoljna vrijednost komponente, - najbolji visokofrekventni odziv, - komponente su izolovane razmakom. - nia cijena prvog rjeenja, - vii probojni naponi, - postoje sve vrste komponenti - uske tolerancije komponenti, - moe se koristiti bilo koja vrijednost kapaciteta i otpra, Nedostatci: -via cijena cijelog sistema, - velika disipacija, - manja pouzdanost, - komponente nisu inherentno prilagoene, - velike dimenzije i teina

Tab 1

1.4 Unipolarni integrirani krugovi

-Poznati su i kao integrirani krugovi sa efektom polja (FET- Field Effect Transistor): Tri su osnovne grupe unipolarni monolitnih integriranih krugova: - MOS (Metal-Oxid Semiconductor) - CMOS (Complementary MOS) - JFET (Junction Field Effect Transistor) - MOS-FET tranzistor je u osnovi svih digitalnih unipolarnih integriranih krugova: - dielektrini sloj izmeu poluprovodnika (p ili n tipa) i metala (kontaktnih povrina) je oksid Prednosti: - jednostavna realizacija tranzistora i kapaciteta - troe manje energije

1.4.1 Vrste MOS struktura p kanalni - poveavajueg tipa indukovani kanal, - smanjujueg tipa - ugraeni kanal,

n- kanalni poveavajueg tipa - indukovani kanal, - smanjujueg tipa - ugraeni kanal.

Kod ugraenog kanala u MOS strukture ( p ili n kanal) pri nultom prednaponu vrata (gate) MOS struktura vodi. MOS strukture sa ugraenim kanalom su pogodne za rad na viim frekvencijama, ali nisu kompatibilne sa drugim tehnologijama. MOS strukture sa indukovanim kanalom su pogodnije kao digitalne sturkture izmeu ostalog jer obezbjeuju zatitu od uma.

1.4.2 Karakteristike MOS struktura

-Koristi se ista tehnologija kao i kod proizvodnje bipolarnih struktura: -pravljenje maski, -fotografiranje, -difuzija, -oksidacija, -obrada metala. -Zahtjeva samo jedan difuzioni postupak za razliku od bipolarne tehnologije .

-Postavljaju se strogi zahtjevi na ienje povrina i debljinu oksida. - MOS tehnologija je jeftinija. - Vea koncentracija pakovanja jedininih komponenti (tranzistora) jedinici zapremine - Koriste se kod proizvodnje poluprovodnikih memorija - Omoguava izradu komplementarne MOS strukture C MOS integrirane strukture koja troi znatno manje energije.

1.4.3 MOS krugovi sa komplementarnom simetrijom CMOS krugovi

- CMOS tranzistor ine p-kanalni i n-kanalni MOS tranzistori sa indukovanim kanalom

- Tipina ema CMOS invertora kao osnovnog elementa u CMOS tehnologiji prikazana je na slici 1.8, a presjek na slici 1.8a i 1.8b

Sl. 1.8

Sl.1.8a

Sl.1.8b

- p kanalni krug mora imati dva puta veu debljinu od n-kanalnog zbog prilagoenja, jer elektroni (u kanalu) imaju dva puta veu pokretljivost od upljina.

- Postupak proizvodnje CMOS invertora pomou ionske implantacije prikazan je na slici 1.9. Na ovaj nain mogu se realizovati CMOS integrirani krugovi ije je napajanje 1,2-2 V, a naponi pragova reda 0,7 V

Sl. 1.9

Poboljanje elektrinih karakteristika (reduciranje parazitnih kapaciteta i poveanje brzine rada MOS Fet-ova moe se postii zamjenom podloge monokristalnog sicilijuma nekim drugim materijalom sa dobrim izolacijskim svojstvima Takav materijal je safir (Al2O3) u monokristalnoj formi. Na taj nain se dobivaju SOS MOS/CMOS strukture (silicium on sapphire) Postupak dobivanja n-kanalnog SOS MOS FET-a prikazan je na slici 1.10

Sl.1.10

1.5 Integrirana injekcijska - IIL tehnologija (I2L)

I2L tehnlologija pretstavlja karakteristian primjer stapanja komponenti bipolarnih monolitnih krugova. ematski prikaz osnovne I2L elije (invertor) dat je na slici 1.11

Sl. 1.11 Omoguava primjenu bipolarne tehnologije kod izrade LSI i VLSI integriranih struktura Zahtjevi u realizaciji LSI i VLSI krugova su:

- to vea gustoa elemenata po ipu, - to jednostavniji tehnoloki proces, - to jednostavnija osnovna logika elija, - to manja disipacija snage po eliji, - to manje kanjenje to vea sigurnost, - to manja potronja

Osnovno I2L kolo sa dvije elije prikazano je na slici 1.12a) Sastoji se od jednog viekolektorskog vertikalnog npn tranzistora i jednog lateralnog pnp tranzistora. Lateralni pnp tranzistor ima ulogu strujnog izvora, a npn tranzistor je invertor.Pnp tranzistor je stopljen sa strukturom npn tranzistora, osim injektorskog emitera Ep . Injektor

emiter je stalno propusno polariziran i daje konstantnu struju koja se moe ograniiti vanjskim otpornikom. Izborom vrijednosti ove struje definira se brzina rada I2L invertora na slici. Standardno I2L kolo prikazana na slici 1.12 a) realizovana je na n+ podlozi.

Sl. 1.12 a)

I2L krugove mogue je realizovati u kombinaciji sa standardnim bipolarnim krugovima na p podlozi, ali je taj postupak neto sloeniji, zahtjeva sedam maski i pet difuzija. Presjek standardne I2L elije na p podlozi prikazan je na slici 1.12 b) Potrebne maske:

- prva maska difuzija podkolektorskih n+ slojeva, - druga maska izolacija p-difuzija, - trea maska izolacija n+ difuzija, - etvrta maska za difuziju svih p podruja, - peta maska za difuziju n+ podruja viekolektorskih npn

tranzistora, - esta maska definiranje otvora za kontakte, - sedma maska metalizacija.

Sl.1.12 b)

Kod I2L npn tranzistora (sl.1.12 b)) struja izmeu emitera i kolektora tee u suprotnom smjeru u odnosu na struju izmeu emitera i kolektora kod standardnog npn tranzistora, to znai da I2L tranzistor radi u inverznom smjeru pa mu je pojaanje malo.

1.5 Projektovanje monolitnih integriranih krugova

Opti postupci prijektovanja monolitnih integriranih krugova prikazan je na slici 1.13

Sl.1.13 Detalji prikaza zavise od stupnja integracije i od toga da li je rije o bipolarnom ili unipolarnom sklopu. Na slici 1.14dat je prikaz razvoja integriranih grugova sa aspekta stepena integracuje i brzine.

Sl.1.14