книги / Применение аналоговых микросхем

£ А. КОЛОМБЕТ

К.ЮРКОВИЧ

ЯЗОДЛ

ПРИМЕНЕНИЕ

АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ

Под редакцией А. Г Алексенко

Редакция литературы по электронике

Производственное издание

КОЛОМБЕТ ЕВГЕНИИ АЛЕКСАНДРОВИЧ. ЮРКОВИЧ КАМИЛ, ЗОДЛ ЯН

ПРИМЕНЕНИЕ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ

Заведующий редакцией Ю. Н. Рысев. Редакторы М. М. Лисина, И. П. Леонтьева

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

В книге анализируется современный уровень развития АИС средней степени интеграции и аналого-цифровых БИС. Рассмот­ ренные в равных объемах вопросы проектирования и применения микросхем делают ее полезной как для разработчиков микросхем, так и аппаратуры на их основе. В главах, посвященных проекти­ рованию микросхем, изложены наиболее общие для каждого ти­ па микросхем вопросы схемотехники и принципы их работы. В главах, описывающих применение микросхем, приводятся типо­ вые функциональные узлы, их модификации или конкретные схе­ мы, обеспечивающие наилучшее сочетание параметров для вы­ полнения описываемой функции.

В гл. 1 даны общие сведения об основных технологических процессах изготовления АИС, а также о специфичных для АИС активных и пассивных компонентах. Рассмотрены типовые кас­ кады АИС средней степени интеграции. В гл. 2 приведены све­ дения о номенклатуре, применении и схемотехнике основных ти­ пов операционных усилителей, методах коррекции их частотных характеристик, защиты от перегрузок, типовых методах улучше­ ния параметров с помощью внешних цепей. В гл. 3 рассмотрена номенклатура и описаны особенности схемотехники компарато­ ров напряжения, их применение в микроэлектронной аппаратуре.

В гл. 4 приведены сведения о номенклатуре и принципах по­ строения однотактного и программируемого таймеров, а также примеры применения таймеров в качестве формирователей вре­ менных интервалов длительностью от микросекунды до несколь­ ких месяцев. В гл. 5 и 6 содержатся сведения о специальных ти­ пах АИС, используемых для построения источников вторичного электропитания, умножителей напряжений и балансных модуля­ торов.

Глава 7 посвящена АИС общего применения, предназначен­ ным для построения узлов высококачественных проигрывателей, магнитофонов, телевизоров, радиоприемников. В гл. 8 даны крат­ кие сведения об основных принципах построения современных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей. В при­ ложения вынесены данные о параметрах и основные схемы вклю­ чения АИС общего применения, а также некоторые расчетные соотношения для ряда схем на их основе.

Главы 1, 2, 5, 6, § 7.1 и приложения 1, 2, 5, 6, 7 написаны К. Юрковичем, Я. Зодлом и переведены на русский язык А. Д. Бла­ гининым, В. Ветровски; предисловие, гл. 3, 4, 8, § 7.2 и приложе­ ния 3, 4, 8 написаны Е. А. Коломбетом.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ

Для классификации интегральных микросхем (ИС) можно воспользоваться тремя основными критериями. Первым из них является степень интеграции, которая характеризуется числом элементов в одном кристалле ИС. В зависимости от числа элементов выделяют ИС малой степени интеграции (до 10 элементов на кристалле), средней степени интеграции (до 100 элементов), большой степени интеграции (до 1000 элементов) и сверхбольшие интегральные схемы (свыше 1000 элементов). В настоящее время производители ИС завер- 'шили создание микросхем средней степени интеграции, которым в основном и посвящена эта публикация. Центр тяжести в области разработки и производства ИС постепенно переместился в. сферу больших и сверхбольших интегральных схем.

В зависимости от вида обрабатываемых сигналов ИС можно разделить на цифровые и аналоговые. К цифровым относятся схемы, предназначенные для обработки сигналов в двоичном коде. В отличие от них аналоговые ИС пред­ назначены для обработки непрерывных по времени и амплитуде сигналов.

Наконец, третьим критерием классификации микросхем является технология производства ИС, которые делятся на полупроводниковые, пленочные и гиб­ ридные.

Полупроводниковые ИС. В полупроводниковых ИС все элементы выполнены в теле полупроводникового материала. Полупроводниковые ИС в зависимости от вида используемых в них активных элементов делятся на биполярные и унипо­ лярные. В отдельных случаях на одном кристалле производятся одновременно элементы обоих видов. Технология производства полупроводниковых ИС обоих видов основывается на легировании кремниевой пластины донорными и акцеп­ торными примесями, вследствие чего образуются тонкие слои разного типа про­ водимости и на их границах р-л переходы. Из отдельных участков таких слоев образуют резисторы, конденсаторы, р-л переходы — диоды и транзисторы.

Основным элементом биполярных ИС является л-р-л транзистор, который определяет технологический процесс изготовления ИС. Все остальные элементы получаются одновременно с этим транзистором без дополнительных технологи-

выполняют эти же транзисторы в соот­ ветствующем включении, а функцию конденсаторов — структуры, у которых слой диэлектрика наносится одновременно со слоем затвора транзистора.

Недостатком биполярных PIC является необходимость принятия специальных мер по изоляции отдельных элементов друг от друга, чтобы исключить их взаи­ модействие в теле кристалла. Элементы униполярных ИС не требуют специаль­ ной изоляции между ними, могут быть размещены на небольших расстояниях друг от друга. Это является их преимуществом по сравнению с биполярной ИС, в которой расстояния между отдельными элементами должны быть от 10 до. 100 мкм, и дает возможность создавать униполярные PIC с большей плот­ ностью размещения элементов.

Особенностью полупроводниковой ИС является отсутствие индуктивных, эле­ ментов, так как пока в теле кристалла полупроводника не удалось реализовать процесс электромагнитной индукции. По этой причине при проектировании ана­ логовых ИС (АИС) необходимо исключать индуктивные элементы, что в боль­ шинстве случаев вполне осуществимо.

Пленочные ИС. В пленочных ИС пассивные элементы и соединения между ними реализованы с помощью тонких или толстых проводящих пленок.

на изолирующую подложку паст различной проводимости с помощью методов шелкографии. Проводящие пасты образуют соединения между элементами, элек­ троды конденсаторов и выводы микросхем, резисторные пасты—резисторы, ди­ электрические пасты обеспечивают создание конденсаторов и защиту всех других элементов. Эта технология производства относительно проста, но большой раз­ брос параметров элементов не дает возможности производить согласованные по параметрам элементы. Потому на базе изготовления толстопленочных ИС реали­ зуют обычно простейшие ИС с низкими требованиями к точности параметров элементов.

Тонкопленочные ИС. В тонкопленочных ИС толщина пленок меньше 1 мкм. Элементы тонкопленочных ИС образуют, как правило, путем вакуумного испа­ рения или осаждения из газовой фазы. Технология их производства сложнее и потому дороже, чем толстопленочных ИС. Изменением химической структуры газовой фазы образуются резисторные и изолирующие слои для элементов и соединений между ними. Принцип этой технологии подробнее описан ниже.

В связи с тем, что слои «растут» постепенно и с малой скоростью, этим про­

теля, корректора и др. Такую целевую функцию не сможет выполнить, например, транзистор или даже несколько транзисторов без соединения их с резисторами и другими элементами определенной функциональной схемы.

Вторая особенность микросхемы определяется тем, что благодаря ее функ­ циональным особенностям улучшаются технико-экономические параметры конеч­ ных изделий, такие, как надежность, габаритные размеры, стоимость и др. Известно, что надежность электронных изделий определяется также количест­ вом паяных соединений. В микросхемах взаимные соединения элементов осу­ ществляются методом металлизации (не применяются паяные и сварные соеди­ нения). Потому надежность микросхем по сравнению со схемами на дискретных элементах существенно выше.

Элементы микросхем изготавливаются последовательно в одном технологи­ ческом цикле, и число операций существенно не отличается от числа операций при изготовлении транзистора. Поэтому стоимость микросхемы при прочих рав­ ных условиях не на много выше стоимости транзистора. Из этого следует, что

взависимости от степени интеграции стоимость отдельного элемента, входящего

вмикросхему, по сравнению со стоимостью дискретного элемента может быть на несколько порядков ниже.

Третьей особенностью микросхемы по сравнению со схемами на дискретных элементах является относительно большое число активных элементов по сравне­ нию с пассивными. Это отличие можно объяснить тем, что для схемы на дис­ кретных элементах стоимость определяется прежде всего активными элементами, а для микросхемы — размерами кристалла. Так как для реализации любого пас­ сивного элемента в ИС требуется большая площадь поверхности, чем для актив­ ного элемента, пассивные элементы по возможности заменяют активными.

Четвертой особенностью микросхемы являются расстояния между элемента­ ми, которые составляют 50 100 мкм. Поэтому параметры элементов зависят от свойств материала подложки, на которой они реализованы. Эта взаимосвязь сохраняется при изменениях температуры. Поэтому температурные коэффициен­ ты параметров элементов тождественны, что используют при проектировании микросхем. В результате достигается малый разброс параметров в зависимости от температуры по сравнению со схемами на дискретных элементах.

1.2.ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА

1.2.1.ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ

Для производства современных полупроводни­ ковых ИС необходимы чистые среды и дорогостоящее специаль­ ное оборудование. Необходимо подчеркнуть, что современная технология позволяет создавать пассивные элементы с ограни­ ченным диапазоном значений и конечным разбросом (±20% ) па­ раметров, а стоимость пассивного элемента сравнима со стоимо­ стью активного. Это надо иметь в виду при проектировании прин­ ципиальной схемы ИС.

В полупроводниковых ИС в качестве активных элементов ис­ пользуют биполярные и униполярные структуры. Биполярные транзисторы повышают стабильность схем в широком диапазоне температур, дают возможность достигать больших значений бы­ стродействия и мощности. Полупроводниковые ИС на полевых транзисторах обладают большой степенью интеграции, малой по­ требляемой мощностью и хорошими шумовыми характеристика­ ми. Производство полупроводниковых ИС предъявляет повышен­ ные требования к исходным материалам и прежде всего к их чистоте. Содержание примесей в большинстве материалов не должно превышать 10”5 10-9 частиц на единицу объема основ­ ного материала. Изменением концентраций примесей в разных областях и слоях монокристаллической полупроводниковой плас­ тинки получается многослойная структура, реализующая кон-, кретную электрическую функцию. Эта функция эквивалентна функции исходной схемы на дискретных элементах.

Основные технологические операции производства полупро­ водниковых ИС состоят из нескольких этапов. На этапе механи­ ческой обработки из цилиндрообразного монокристалла кремния диаметром 60 ... 100 мм нарезаются пластины толщиной от 250 до 400 мкм. Неровности их поверхности (достигают 20 мкм) шли­ фованием, полированием или химическим травлением уменьша­ ются до 1 2 мкм. Затем с помощью эпитаксиального наращи­ вания выращивается кристаллическая решетка моиокристаллического кремния путем осаждения из газовой фазы атомов крем-

кремния. .Процесс происходит в кислородной среде или водяном паре при температуре 1000 1300 °С. Толщина слоя окисла около 1 мкм. Затем наносится светочувствительная эмульсия — фоторе­ зист (толщиной около 1 мкм)—на окисленную пластинку кремния. Этот процесс повторяется при производстве ИС от 3 до 14 раз.

которые затем протравливаются фтористоводородной кислотой. Следующим этапом является диффузия через окна при тем­

пературе около 1200 °С специальных примесей в исходный мате­ риал. Для получения проводимости п-типа используются приме­ си фосфора, сурьмы, мышьяка, а для получения проводимости р-типа—бор, галлий, индий. Последним этапом является сое­ динение отдельных элементов ИС. Для этого пластина с ранее образованными транзисторами, диодами и резисторами покрыва­ ется слоем алюминия (толщиной 0,5 ...2 мкм). После этого не­ нужные части слоя протравливаются через окна фоторезиста пос­ ле последней операции фотолитографии и образуются межсоеди­ нения шириной около 10 мкм.

В настоящее время все виды технологий отличаются в основ­ ном способом образования изолирующего слоя между отдельны­ ми элементами микросхем. При планарно-эпитаксиой технологии изоляция образуется с помощью обратносмещенных р-п перехо­ дов. Недостатки этого метода изоляции — большие паразитные емкости, а также конечное значение проводимости между элемен­ тами, большие затраты поверхности на изоляционные области, относительно низкое напряжение пробоя и низкая стойкость к воздействию факторов радиационного облучения. С точки зрения производства эти структуры являются простейшими (рис, 1.3). При использовании изопланарной технологии изолирование эле­ ментов осуществляется с помощью протравливания канала между элементами с последующим термическим оксидированием по­ верхности кремния в этих каналах (рис. 1.4). Этот метод изоля-