Sveučilište J.J. Strossmayera u Osijeku Elektrotehnički fakultet Kneza Trpimira 2b, 31000 Osijek, HRVATSKA

Prof. dr. Tomislav Švedek

MIKROELEKTRONIKA

3+1+2

MODUL 1 /2 od 3

2. MIKROELEKTRONIČKE KOMPONENTE 2.1. MIKROELEKTRONIČKE KOMPONENTE BIPOLARNIH MONOLITNIH INTEGRIRANIH SKLOPOVA 2.1.1. Izolacija komponenata bipolarnog integriranog sklopa 2.1.2. Ostale vrste integriranih NPN tranzistora 2.1.3. PNP integrirani tranzistori 2.1.4. Spojni FET 2.1.5. Integrirane diode 2.1.6. Integrirani otpornici 2.1.7. Integrirani kondenzatori

MODUL 1/2od 3 2

2.1. MIKROELEKTRONIČKE KOMPONENTE BIPOLARNIH INTEGRIRANIH SKLOPOVA

NPN, PNP, diode, otpornici, kondenzatori

2.1.1. Izolacija komponenata bipolarnog integriranog sklopa

Osnovna komponenta je NPN tranzistor. On odeđuje osnovni tehnološki proces (tranzistor je najbolje izvedena komponenta, a sve ostale su lošijih karakteristika!).

Monolitni IS je zajednica mnoštva pojedinačnih komponenata koje međusobno moraju raditi nezavisno: problem izolacije!

MODUL 1/2od 3 3

A) Izolacija NPN tranzistora reverzno polariziranim PN-spojem

(najčešća metoda) 6. metalizacija C B E B C P + 1. difuzija podkolektorskog N + sloja 2. rast epitaksijalnog N-sloja 3. izolacijska P + difuzija 4. bazna P difuzija 5. emiterska i kolektorska N + difuzija podloga (Bulk) MODUL 1/2od 3 4

izolacijski N-otok izolacijski N-otok izolacijski PN-spojevi podloga Ako je podloga na najnegativnijem naponu IS-a (

U S

<

U N-otok

!), izolacijski otoci su izolirani međusobno i od podloge.

Svrha potkolektorskog N + sloja (engl.

Burried Layer

) ispod svake aktivne i pasivne komponente smanjenje je otpora

R C

(sa  150 na 10  ) i poboljšanje izolacije.

MODUL 1/2od 3 5

Nadomjesna shema: C (N + )

R C

(N) B (P) parazitni PNP tranzistor

C Cb

E (N + ) Bulk (P + ) MODUL 1/2od 3 6

Topološki prikaz tranzistora

(engl.

layout

) N + - emiterska i kolektorska difuzija P + - podloga N-otok C B E P - bazna difuzija MODUL 1/2od 3 7

B) Izolacija SOS

(engl. Silicon on Saphire)

tehnikom

epitaksija N P N Safir (ista struktura kao Si) Poteškoće s metalizacijom zbog reljefne strukture.

MODUL 1/2od 3 8

2.1.2. Ostale vrste integriranih NPN tranzistora Višeemiterski NPN tranzistor

(TTL -logika) E 1 N + E N 2 + E 3 N + B C P N + C širi razmak da ne djeluje kao baza!

B E 1 E 2 E 3 MODUL 1/2od 3 9

Višekolektorski NPN tranzistor

(I 2 L - Integrated Injection Logic) B C 1 N + C 1 C N C 2 + 2 C 3 C N 3 + B E P N + Obrnut smjer struje: od emitera (dolje) prema kolektorima (gore).Tranzistor je u inverznom načinu rada ( 

I

< 

N

).

- površina EB je veća od površine BC spoja, a - u bazi djeluje usporavajuće električno polje:  = 0,8- 0,9  = 4-10.

E MODUL 1/2od 3 10

NPN tranzistor sa Schottkyjevom barijerom

(Schottkyjeva TTL logika) E B C Al-metalizacija N + P N + B C Schottkyjeva barijera Ova se struktura može primijeniti i na višeemiterske tranzistore.

Vrijeme preklapanja (engl.

switching time

) kraće za faktor 1,5 do 2.

E MODUL 1/2od 3 11

2.1.3. PNP tranzistori

(kompatibilni s procesom izrade NPN tranzistora)

A) Lateralni PNP tranzistor

- izoliran od ostalih komponenata, C E C P P B P N + N - bolji parametri od parazitnog PNP,

w (širina baze)

- lako prelazi u višekolektorsku strukturu.

C E B Širina baze

w

= 3-4  m pa je   50, a

f T

= 2-100 MHz. To je difuzni, a ne driftni tranzistor!

MODUL 1/2od 3 12

B) Supstratni PNP tranzistor

nema potkolektorskog spoja B E N + P C N P + U dinamičkim uvjetima radi u spoju zajedničkog kolektora.

E Malo pojačanje i niska granična frekvencija.

B C MODUL 1/2od 3 13

2.1.4. Spojni FET

(kompatibilan s procesom izrade NPN tranzistora) P-JFET G P + N + S N + D P N P + G D P S D - sirina kanala nema potkolektorskog spoja Niski probojni napon

U GD

 6 V, i niski napon dodira

U p

MODUL 1/2od 3 14

2.1.5. Integrirane diode

Svaki PN-spoj služi kao dioda. NPN tranzistor kao dioda: E-B E-B C-B C-B//E-B E-B

U pr

= 6-9V C-B

U pr

> 25V MODUL 1/2od 3 C-B 15

2.1.6. Integrirani otpornici

Izvode se istovremeno s NPN tranzistorima.

A) otpornici dobiveni baznom P-difuzijom A B (R=50  - 30 k  ) N P P + jedan N-otok za više otpornika

R s



x



j

= 200[  ] otvori za kontakte

L D R



R s



L D

MODUL 1/2od 3 16

B) otpornici u emiterskoj N + -difuziji (

R

= 1  - 1 k  ) Za male iznose

R

, širina

D

materijal s manjim

R s

bi bila prevelika, pa se uzima (npr. N + -emiterska difuzija) A B

R s

= 2 - 5 [  ] N P N + P + Radi izolacije N + -područja od P-podloge moraju svi okolni PN spojevi biti reverzno polarizirani. Zato se P-sloj spaja na najnegativniji napon sklopa.

MODUL 1/2od 3 17

N C) Ionsko implantirani P otpornici (

R

= 10k  - 1 M  ) Zbog male debljine P-sloja (

x j

)

, R s

= 10k - 20k [  ] A B P + implantirani P-sloj difundirani P-sloj MODUL 1/2od 3 18

2.1.7. Integrirani kondenzatori

Samo kondenzatori malog kapaciteta A) PN kondenzatori (reverzno polarizina PN spoj) 1(baza) 2(kolektor)  100 pF/mm 2 N + P 1 -

C BC

+ P +

R C C BC



f

(

U

) Može se koristiti samo DC napon određenog polariteta!

MODUL 1/2od 3 S- podloga

C CS

2 19

B) MOS kondenzatori 1 2 SiO 2 N + 1  670 pF/mm 2

C R

2 P +

D 1 C b

Parazitna dioda D 1 i kapacitet

C b

N-otoka prema P-podlozi.

reverzno polariziranog Može se koristiti DC napon bilo kojeg polariteta!

MODUL 1/2od 3 20

C



f

(

U

)

C

, pF/cm 2

C i

nisko-frekvencijsko mjerenje

C i C b

(

U

)

C min C i C b /

(

C i + C b

) 0

U tn U

, V

akumulacija osiromašenje inverzija

MODUL 1/2od 3 21