Электроника шаг за шагом [Практическая энциклопедия юного радиолюбителя]

Существуют две основные группы полупроводниковых интегральных схем — с обычными биполярными транзисторами (это уже знакомые нам приборы с коллектором, базой и эмиттером) и униполярными, или, как их иначе называют, полевыми, транзисторами. Эти полупроводниковые приборы по принципу действия и особенно по некоторым характеристикам похожи на электронные лампы. Так, например, у полевых транзисторов, как и у ламп, высокое входное сопротивление, их управляющий электрод — он называется уже не базой, а затвором, — подобно сетке, влияет на ток «без касания», своим электрическим полем, и не имеет прямого контакта с эмиттером и коллектором — у полевого транзистора они называются, соответственно, истоком и стоком. На основе полевых (униполярных) транзисторов появился огромный класс интегральных схем типа МОП, что расшифровывается так: металл — окисел — полупроводник (окисел является диэлектриком, и поэтому МОП-структуры иногда называют МДП: металл — диэлектрик — полупроводник). Структуры МОП — основа большинства интегральных схем для вычислительной техники, и в то же время полевые МОП-транзисторы благодаря некоторым важным достоинствам, таким, например, как высокое входное сопротивление и низкий уровень шумов, выпускаются в виде отдельных усилительных приборов (С-15, К-18).

Знакомясь с конкретными интегральными схемами и их описанием в справочниках, кроме сокращений МДП и МОП, можно встретить и другие важные аббревиатуры, другие сокращения, такие, в частности, как ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика, ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика, КМОП — комплиментарные (дополняющие) МОП-структуры, ДТЛ — диод-транзисторная логика. Мы не будем сейчас отвлекаться на эти подробности, а попробуем хотя бы в самых общих чертах познакомиться с существом дела — с устройством микросхем и технологией их изготовления.

Представим себе полупроводниковую интегральную схему, для начала не очень сложную. В тонкой пластинке кристаллического кремния создано несколько диодов и транзисторов — несколько микроскопических областей с примыкающими зонами р-n, n-р-n или р-n-р. Еще раз подчеркнем — все это образовано в едином кристалле, в определенные его микроучастки были введены необходимые примеси и таким образом созданы зоны n или р. Подобным же образом, путем введения различных примесей, созданы в кристалле микроскопические резисторы и конденсаторы. Теперь нужно как-то соединить эти разрозненные «детали», превратить их в электронную схему. Многие соединения, как уже говорилось, осуществляются внутри кристалла, отдельные «детали» просто примыкают друг к другу. Но многие соединения делаются снаружи в виде тончайшей паутинки напыленных проводов, чаще всего алюминиевых, а иногда серебряных.

Расположение деталей — однослойное, так что интегральная схема обычно уходит в глубь кристалла не больше чем на десятые доли миллиметра. Правда, в последнее время в технических журналах пишут о создании двух- и даже трехэтажных интегральных схем, но. все это пока, видимо, лишь первые шаги. Зато в части уменьшения площади отдельных «деталей» имеются большие достижения. (Слово «детали» приходится брать в кавычки потому, что в интегральной схеме нет деталей в привычном смысле слова, нет того, что можно было бы извлечь из схемы или заменить; с учетом этого полупроводниковые интегральные схемы долгое время называли монолитными; транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы, созданные в интегральной схеме, называют ее элементами.) В первые годы массового выпуска полупроводниковых интегральных схем их «детали» в среднем имели размеры 0,08-0,1 мм, то есть 80-100 мкм. Несколько лет назад уже пришли к размерам 5-10 мкм, а сегодня типичный размер элемента — 3 мкм, 3 микрона! Чтобы такая трехмикронная деталь стала размером хотя бы с типографскую точку, нужно всю микросхему увеличить до размеров большой книги. И еще одна попытка пояснить, что такое элемент микросхемы размером 3 мкм. Если среднюю по размерам букву на этой странице заполнить такими трехмикронными элементами, то их на территории этой буквы уместится чуть ли не целый миллион. Конечно, — эта цифра несколько превышает реальные возможности — многие детали нужно располагать на некотором расстоянии от других. Но даже с учетом этого плотность «монтажа» в современных БИСах, больших интегральных схемах (больших по количеству элементов), очень велика — в типичной кремниевой пластинке размером 5х5,2 мм (по размерам — это клеточка арифметической тетради) умещаются десятки тысяч элементов. А в СБИСах, сверхбольших схемах, число элементов исчисляется сотнями тысяч — по числу «деталей» такая схема эквивалентна нескольким сотням телевизоров.

Десятки и сотни телевизоров в клеточке арифметической тетради — действительно какая-то фантастика!

На рисунках Р-181 и Р-182 отмечены основные этапы создания интегральных схем.

Р-181

Р-182