ИНТЕГРАЛНА СХЕМА, Енциклопедия по света
ИНТЕГРАЛНА СХЕМА (IC), микроелектронна верига, образувана върху малка плоча (кристал или „чип“) от полупроводников материал, обикновено силиций, която се използва за управление и усилване на електрически ток. Типичната интегрална схема се състои от много взаимосвързани микроелектронни компоненти, като транзистори, резистори, кондензатори и диоди, произведени в повърхностния слой на кристала. Размерите на силициевите кристали са в диапазона от около 1,3 - 1,3 mm до 13 - 13 mm. Напредъкът в интегралните схеми доведе до развитието на големи и много големи интегрални схеми (LSI и VLSI). Тези технологии правят възможно производството на интегрални схеми, всяка от които съдържа много хиляди схеми: в един чип може да има повече от 1 милион компонента. Вижте също ПОЛУПРОВОДНИ ЕЛЕКТРОННИ УСТРОЙСТВА.
Интегралните схеми имат редица предимства пред своите предшественици - схеми, сглобени от отделни компоненти, монтирани на шаси. ИС са по-малки, по-бързи и по-надеждни; те също са по-евтини и по-малко склонни към повреда поради вибрации, влага и стареене.
Миниатюризацията на електронните вериги стана възможна благодарение на специалните свойства на полупроводниците. Полупроводникът е материал, който има много по-висока електрическа проводимост (проводимост), отколкото диелектрик като стъкло, но много по-малък от проводници като мед. В кристалната решетка на полупроводников материал като силиций при стайна температура има твърде малко свободни електрони, за да се осигури значителна проводимост. Следователно чистите полупроводници имат ниска проводимост. Въвеждането на подходящ примес в силиция обаче увеличава неговата електропроводимост. Вижте също ТРАНЗИСТОР.
Легиращите примеси се въвеждат в силиция по два метода. При тежко допиране или в случаите, когато не е необходим прецизен контрол на количеството въведен примес, обикновено се използва дифузионният метод. Дифузията на фосфор или бор обикновено се извършва в атмосфера на добавки при температури между 1000 и 1150 ° C в продължение на половин час до няколко часа. При йонно имплантиране силиций се бомбардира с високоскоростни легиращи йони. Количеството на имплантирания примес може да се регулира с точност до няколко процента; точността е важна в някои случаи, тъй като усилването на транзистора зависи от броя на примесните атоми, имплантирани на 1 cm 2 от основата (виж по-долу).
Производство.
Производството на интегрална схема може да отнеме до два месеца, тъй като някои области на полупроводника трябва да бъдат легирани с висока точност. В процес, наречен растеж на кристали или изтегляне, първо се произвежда цилиндрична силиконова заготовка с висока чистота. От този цилиндър се изрязват плочи с дебелина, например, 0,5 mm. В крайна сметка вафлата се нарязва на стотици малки парчета, наречени чипове, всеки от които се трансформира в интегрална схема чрез описания по-долу процес.
Процесът на обработка на чипове започва с производството на маски за всеки IC слой. Мащабен шаблон се прави под формата на квадрат с площ приблизително. 0,1 m 2. Набор от такива маски съдържа всички съставни части на IC: нива на дифузия, нива на взаимосвързаност и т.н. Цялата получена структура се намалява фотографически до размера на кристал и се възпроизвежда слой по слой върху стъклена плоча. На повърхността на силициевата пластинка се отглежда тънък слой силициев диоксид. Всяка плоча е покрита със светлочувствителен материал (фоторезист) и изложена на светлина, пропускана през маските. Неекспонираните зони на светлочувствителното покритие се отстраняват с разтворител и с помощта на друг химически реагент, който разтваря силициевия диоксид, последният се гравира от тези области, където вече не е защитен от светлочувствителното покритие. Варианти на този основен технологичен процес се използват при производството на два основни типа транзисторни структури: биполярен и полеви ефект (MOS).
Биполярен транзистор.
Такъв транзистор има структура тип n-p-n или, много по-рядко, тип p-n-p. Обикновено процесът започва с плоча (субстрат) от силно легиран р-тип материал. На повърхността на тази плоча епитаксиално се отглежда тънък слой от леко легиран n-тип силиций; по този начин отглежданият слой има същата кристална структура като субстрата. Този слой трябва да съдържа активната част на транзистора - в него ще се образуват отделни колектори. Плочата първо се поставя във фурна с борни пари. Дифузията на бор в силициева пластина се получава само там, където повърхността му е претърпяла ецване. В резултат регионите и прозорците се оформят от материал от тип n. Вторият високотемпературен процес, при който се използват фосфорни пари и друга маска, служи за формиране на контакт с колекторния слой. Чрез извършване на последователни дифузии на бор и фосфор се образуват съответно основата и емитерът. Основата обикновено е с дебелина няколко микрона. Тези миниатюрни островчета от проводимост от n- и p-тип са свързани в обща верига чрез взаимни връзки, направени от алуминий, отложени от паровата фаза или отложени във вакуум. Понякога за тези цели се използват благородни метали като платина и злато. Транзисторите и други елементи на веригата, като резистори, кондензатори и индуктори, заедно със свързаните с тях взаимовръзки, могат да бъдат дифузирани във вафлата в последователност от операции, което води до пълна електронна схема. Вижте също ТРАНЗИСТОР.