Ολοκληρωμένα Κυκλώματα.

Transcript

1 Ολοκληρωμένα Κυκλώματα

2 Χρήση πολυμερικών υλικών στην Μικροηλεκτρονική Ακτινοευαίσθητα πολυμερικά υλικά για λιθογραφία Πολυμερή ως διηλεκτρικά εντός ψηφίδας και ως υλικά συσκευασίας Αγώγιμα πολυμερή. Χρησιμοποίηση μοριακών υλικών και πολυμερών ειδικότερα σε νέες διατάξεις και μικροσυστήματα.

3 Ολοκληρωμένο κύκλωμα Μια μικρή ηλεκτρονική συσκευή κατασκευασμένη σε ημιαγώγιμο υλικό. Αποτελείται από πολλαπλά κυκλωματικά στοιχεία (τρανζίστορ, δίοδοι, αντιστάσεις κ.τ.λ.) τα οποία μαζί με τις διασυνδέσεις τους έχουν κατασκευαστεί σε ένα και μόνο κοινό υπόστρωμα. Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα στις μέρες μας.

4 Στοιχεία Ολοκληρωμένου κυκλώματος Το τρανζίστορ δουλεύει σαν ένας διακόπτης. Μπορεί να ενεργοποιήσει (ή να απενεργοποιήσει) την ροή του ηλεκτρικού ρεύματος ή να αυξομειώσει την ένταση του ρεύματος. Για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στους Η/Υ για την φύλαξη δεδομένων ή σε ενισχυτές στερεοφωνικών συγκροτημάτων για την ενδυνάμωση του ηχητικού σήματος. Η αντίσταση περιορίζει την ροή του ηλεκτρισμού και δίνει την ικανότητα ελέγχου της ποσότητας του ρεύματος που είναι επιτρεπτό να περάσει. Οι αντιστάσεις χρησιμοποιούνται και, μεταξύ άλλων, για τον έλεγχο της έντασης του ήχου σε ραδιοφωνικά συστήματα και τηλεοράσεις. Ο πυκνωτής συγκεντρώνει ρεύμα και το απελευθερώνει με μια γρήγορη έκρηξη, όπως για παράδειγμα στις φωτογραφικές μηχανές όπου μια μικρή μπαταρία μπορεί να προμηθεύσει αρκετή ενέργεια για την ενεργοποίηση της λυχνίας-φλας. Η δίοδος σταματά τον ηλεκτρισμό κάτω από κάποιες συνθήκες και επιτρέπει τη διέλευση ρεύματος όταν οι συνθήκες αυτές αλλάξουν. Αυτό χρησιμοποιείται για παράδειγμα στα φωτοκύτταρα, όπου μια διακεκομμένη δέσμη φωτός ενεργοποιεί την δίοδο σταματώντας με αυτό τον τρόπο τη διέλευση του ηλεκτρισμού.

5 Ηλεκτρονική Λυχνία / Τρανζίστορ H ηλεκτρονική λυχνία και το σημερινό τρανζίστορ Το πρώτο τρανζίστορ 1947 Bell Labs

6 Ηλεκτρονική Λυχνία Κατασκευάστηκε το 1906 από τον Αμερικάνο τεχνικό Lee de Forest ( ) Η λυχνία κενού ήταν μια αναπόσπαστη συσκευή στα ηλεκτρονικά εξαρτήματα πριν την εφεύρεση του τρανζίστορ. Βεβαίως χρησιμοποιήθηκε για τις ίδιες εργασίες - μεταγωγή και διαμόρφωση (ενίσχυση) - αλλά ήταν ακριβή, αναξιόπιστη, ογκώδης και ζεσταινόταν πολύ. Οι πρώτοι υπολογιστές έγιναν με λυχνίες κενού, αλλά συχνά καίγονταν και έτσι κάτι καλύτερο αναζητήθηκε. Οι λυχνίες προσήλκυαν διάφορες μικρές πεταλούδες οι οποίες βραχυκύκλωναν τον υπολογιστή. Έκτοτε η επισκευή προβλημάτων υπολογιστών ονομάστηκαν «debugging = αποσφαλμάτωση» (bug = πεταλουδίτσα, ζουζούνι). Στις αρχές της δεκαετίας του 1920 κατηγορήθηκε ότι «έκλεψε» μια ιδέα του τέως συμφοιτητή του Th. Willard Case για την εισαγωγή ήχου στις ταινίες του βωβού κινηματογράφου. Η ιδέα του Phonofilm ήταν να αποτυπώνονται σε μία ζώνη, δίπλα στα καρέ της ταινίας οπτικά ίχνη, τα οποία αποτελούν αποτυπώματα των ηλεκτρικών σημάτων του ήχου. Κατά την προβολή της ταινίας γίνεται σύγχρονη μετατροπή αυτών των αποτυπωμάτων σε ηλεκτρικά σήματα και στη συνέχεια σε ήχο.

7 Ηλεκτρονική Λυχνία Δίοδος Λυχνία Τρίοδος Λυχνία άνοδος άνοδος Control grid κάθοδος θερμαντήρας κάθοδος θερμαντήρας

8 Ηλεκτρονική Λυχνία

9 Μειονεκτήματα Ηλεκτρονικής Λυχνίας Παραγωγή θερμότητας Καίγεται εύκολα Ογκώδης 1 ος ψηφιακός Η/Υ (ENIAC): 30 τόνοι 200KW ηλεκτρονικές λυχνίες

10 Πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα Βραβείο Nobel Φυσικής το 2000 Το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα το οποίο εφευρέθηκε από τον Jack Kilby στην Texas Instruments το 1958

11 Διασύνδεση Στοιχείων Ο.Κ. Ο Robert Noyce (ένας από τους ιδρυτές της Intel) και ένα από τα πρώτα ολοκληρωμένα κυκλώματά του. Οι αγώγιμοι οδηγοί που συνδέουν διαφορετικά στοιχεία είναι ενσωματωμένοι ως μέρος του τσιπ

12 Σημασία Ολοκληρωμένου κυκλώματος Κατασκευή όλων των στοιχείων πάνω στο ίδιο κομμάτι (μονόλιθος) ημιαγωγού (semiconductor) Πλεονεκτήματα: 1. Ταχύτητα (μικρότερα σύρματα) 2. Ευκολότερη ένωση στοιχείων (ένωση από πάνω με στρώμα μετάλλου)

13 Moore s Law «Ο αριθμός των τρανζίστορ ανά τετραγωνική ίντσα διπλασιάζεται κάθε χρόνο» (1965). Αργότερα το διόρθωσε σε κάθε 1.5 χρόνια

14 Processor Transistor count Date of introduction Manufacturer Tech. Intel 4004 (4 bit, 640 bytes) Intel 10 μm Intel 8008 (8 bit, 16 Kbytes ) Intel 10 μm Intel 8080 (8 bit, 64 Kbytes) Intel 3 μm (1 st ) Intel 8088 (16 bit) Intel 3 μm (2 nd ) Intel (16 bit, 1 Mbyte) Intel 1.5 μm (3 rd ) Intel (32 bit, 4Gbytes) Intel 1 μm (4 th ) Intel (32 bit) Intel 0.8 μm (5 th ) Pentium (32 bit, 4GB) Intel 0.8 μm AMD K AMD 0.6 μm (6 th ) Pentium II (32 bit) Intel 0.6 μm AMD K AMD 0.35 μm Pentium III (64 bit) Intel 0.35 μm AMD K6-III AMD 0.35 μm AMD K AMD (7 th ) Pentium 4 (64,128 bit) Intel 0.18 μm Barton AMD AMD K AMD Itanium 2 (64 bit) Intel Itanium 2 with 9MB cache Intel Cell Sony/IBM/Toshiba (8 th ) Core 2 Duo (64 bit) Intel 65 nm Core 2 Quad Intel 65 nm G NVIDIA POWER IBM Dual-Core Itanium Intel

15 Πρώτες γενιές Ο.Κ.

16 Ημιαγωγικές Συσκευές Ένας καθαρός ημιαγωγός δεν χρησιμοποιείται ο ίδιος σχεδόν ποτέ σαν συσκευή Ημιαγωγικές συσκευές παράγονται όταν προσμίξεις, μέταλλα και μονωτές ενσωματώνονται με ακριβή τρόπο σε ένα ημιαγωγό Οι επαφές μεταξύ ημιαγωγών με διαφορετικά ποσοστά προσμίξεων, μεταξύ μετάλλων και ημιαγωγών και μεταξύ διαφορετικών ημιαγωγών παρέχουν τα κατασκευαστικά συγκροτήματα των συσκευών.

17 Ημιαγωγοί Ενεργειακό χάσμα Απαγορευμένη ζώνη Μονωτές Το εύρος ζώνης Ε G είναι πολύ μεγάλο (περί τα 5eV) και με μια συνηθισμένη προσφορά ενέργειας τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να μεταβούν στη ζώνη αγωγιμότητας. Ημιαγωγοί Το εύρος ζώνης Ε G είναι μικρό (για το Si είναι 1,4ev και για το Ge 0,67 ev) και με μικρή προσφορά ενέργειας τα ηλεκτρόνια μεταβαίνουν από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας μια κενή θέση που ονομάζεται οπή. Υπάρχει δυναμική ισορροπία οπών - ηλεκτρoνίων, δηλαδή συνεχώς δημιουργούνται και καταστρέφονται οπές. Μέταλλα Οι ζώνες σθένους και αγωγιμότητας επικαλύπτονται μερικώς και δημιουργείται μια συνεχής ζώνη μισοάδεια, επόμενος με μικρή προσφορά ενέργειας μετακινούνται ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους και γίνονται (σχεδόν) ελεύθερα στη ζώνη αγωγιμότητας.

18 Όπου n είναι ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων στην μονάδα του όγκου Ημιαγωγοί Ζώνη Σθένους Ζώνη Αγωγιμότητας Ενεργειακό Χάσμα Τα ηλεκτρόνια σθένους σε θερμοκρασία 0 0 Κ. Συμπεριφέρεται σαν μονωτής. Δημιουργία ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών σε θερμοκρασία περιβάλλοντος Στους καθαρούς ημιαγωγούς έχουμε δύο είδη φορέων τα ηλεκτρόνια και τις οπές και ισχύει: n=p=n i

19 Πυρίτιο (Si) Ατομικός αριθμός 14 και ατομικό βάρος 28,0855 gr/mol Θερμοκρασία τήξης 1414 C και θερμοκρασία βρασμού 3265 C

20 Πυρίτιο (Si) Το πυρίτιο δεν απαντά ελεύθερο στη φύση Τα διάφορα ορυκτά και πετρώματα του Si αποτελούν το 87% του φλοιού της Γης Κυριότερα ορυκτά του είναι ο χαλαζίας, οι άστριοι, οι μαρμαρυγίες Είναι βασικό συστατικό της άμμου και του αμιάντου Σήμερα παρασκευάζεται βιομηχανικά σε ηλεκτρικό κλίβανο με συνθέρμανση χαλαζία και μεταλλουργικού άνθρακα σε θερμοκρασία περίπου 2000 ο C: SiO 2 + C Si + CO 2 SiO 2 + 2C Si + 2CO Στο κατώτερο σημείο του κλιβάνου συλλέγεται σε υγρή μορφή και καθαρότητα περίπου 98%, λόγω της αντίδρασής του με τον άνθρακα, με τον οποίο σχηματίζει το καρβίδιο του πυριτίου (carborundum), ένα από τα σκληρότερα υλικά στη φύση (σκληρότητα 9,5 στην κλίμακα Mohs). Για την παρασκευή του σε απόλυτα καθαρή μορφή, το συλλεγέν μίγμα ξαναθερμαίνεται στον κλίβανο με χαλαζία: 2 SiC + SiO 2 3 Si + 2CO

21 Πυρίτιο (Si) Κρυσταλλική μορφή: Διαμαντιού Κυβικό ολοεδρικά κεντρωμένο Διάσταση κύβου: nm Το πυρίτιο κυριάρχησε έναντι του γερμανίου λόγω : των μικρότερων ρευμάτων διαρροής επαφής που παρουσιάζει σε σχέση με το γερμάνιο. Αυτό οφείλεται στο μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα του πυριτίου (1,4 ev) έναντι αυτού του γερμανίου (0,67 ev). το γεγονός ότι οι συσκευές πυριτίου μπορούν να λειτουργήσουν μέχρι και τη θερμοκρασία των 150 ⁰C έναντι των 100 ⁰C των συσκευών γερμανίου, οι εξαιρετικές ιδιότητες του θερμικού διοξειδίου του πυριτίου για εφαρμογές επίπεδης τεχνολογίας σε αντίθεση με το ακατάλληλο οξείδιο του γερμανίου η απαγορευτικά χαμηλή ειδική αντίσταση του ενδογενούς γερμανίου (μερικές δεκάδες Ω*cm) έναντι της πολύ υψηλότερης ( Ω*cm) του ενδογενούς πυριτίου.

22 Περιοχές p- και n-τύπου p-τύπου (positive, θετικό): Δημιουργία οπών με εισαγωγή προσμίξεων ενός τρισθενούς στοιχείου στον κρύσταλλο του καθαρού ημιαγωγού, όπως το Βόριο (B), το Αλουμίνιο (Al) ή το Γάλλιο (Ga) n-τύπου (negative, αρνητικό): Περίσσεια ηλεκτρονίων με εισαγωγή προσμίξεων πεντασθενούς στοιχείου όπως Φωσφόρου (P) ή Αρσενικού (As). p-τύπος n-τύπος

23 Ημιαγωγοί Ημιαγωγός τύπου n ή με προσμίξεις δότου. Ηλεκτρόνια από την ενεργειακή στάθμη Ε D εύκολα μετακινούνται στη ζώνη αγωγιμότητας. Ημιαγωγός τύπου p ή με προσμίξεις αποδέκτη. Ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους εύκολα καταλαμβάνουν την ενεργειακή στάθμη Ε Α και δημιουργούν οπές στη ζώνη σθένους.

24 Δίοδος Σε μια p-n δίοδο, συμβατικό ρεύμα μπορεί να ρέει από τη μεριά τύπου p (η άνοδος) στην άλλη μεριά τύπου n (η κάθοδος), αλλά δεν μπορεί να ρέει κατά την αντίθετη κατεύθυνση.

25 Δίοδος Κάθοδος Άνοδος e - οπές Όταν φέρουμε σε επαφή μία περιοχή p-τύπου με μία n-τύπου δημιουργείται μία διαχωριστική ζώνη μεταξύ των δύο ημιαγωγών (περιοχή εκκενώσεως ή απογυμνώσεως). Γύρω από το σημείο επαφής δημιουργείται ένα εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο έντασης Ē και εμφανίζεται μια διαφορά δυναμικού, που ονομάζεται φραγμός δυναμικού. Εξ αιτίας του φραγμού αυτού, εμποδίζεται η περαιτέρω διάχυση φορέων και αποκαθίσταται μια κατάσταση ηλεκτρικής ισορροπίας.

26 Δίοδος Ορθή πόλωση Ανάστροφη πόλωση

27 Περιοχή κατάρρευσης: το ανάστροφο ρεύμα αυξάνεται απότομα και η δίοδος καταστρέφεται Δίοδος Η χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης ή I-V μιας διόδου ημιαγωγού αποδίδεται στη συμπεριφορά της περιοχής κατάρρευσης η οποία υπάρχει στην επαφή p-n μεταξύ των διαφορετικών ημιαγωγών Όταν συνδέσουμε στα άκρα της διόδου μια πηγή με τάση ίση ή μεγαλύτερη από κάποια συγκεκριμένη τιμή (0.3 Vοlt για το Ge και 0.7 Vοlt για το Si) με ορθή πόλωση, τότε το φράγμα ξεπερνιέται και τα ηλεκτρόνια ρέουν από τον ημιαγωγό τύπου n στον ημιαγωγό τύπου p. Όταν η πολικότητα της πηγής αναστραφεί δεν έχουμε διέλευση ηλεκτρονίων. Η δίοδος επιτρέπει την κίνηση ηλεκτρονίων μόνο κατά τη μία διεύθυνση. Χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης

28 Τρανζίστορ Το τρανζίστορ ή κρυσταλλοτρίοδος είναι ένα μικρό ηλεκτρονικό στοιχείο το οποίο βρίσκεται σχεδόν σε κάθε ηλεκτρονική συσκευή. Έχει δύο βασικές εφαρμογές. Το πρώτο, την διαμόρφωση ενός ηλεκτρικού ρεύματος, το οποίο εμφανίστηκε αρχικά υπό τη μορφή ενίσχυσης ενός ηλεκτρικού σήματος σε ραδιόφωνο. Η δεύτερη εφαρμογή, η μεταγωγή (διακόπτης), η οποία είναι η ύψιστης σημασίας στην λειτουργία των υπολογιστών και η οποία βασίζεται σε εκατομμύρια αστραπιαίες αποφάσεις on-off. Το τρανζίστορ είναι ένα αναπόσπαστο στοιχείο του ολοκληρωμένου κυκλώματος- «το μυαλό» του υπολογιστή. Συλλέκτης Εκπομπός Βάση Σχηματική παράσταση του τρανζίστορ npn Εγκάρσια τομή τρανζίστορ npn

29 Τρανζίστορ Υπάρχουν πολλά είδη τρανζίστορ, αλλά η αρχή λειτουργίας είναι κοινή για όλα. Τα τρία στοιχεία του τρανζίστορ διπλής επαφής είναι: (1) ο εκπομπός, που δίνει φορείς φορτίου (ηλεκτρόνια ή οπές, (2) η βάση, που ελέγχει την ροή των φορέων και (3) ο συλλέκτης, που συλλέγει τους φορείς. Το βέλος πάντα δείχνει προς την διεύθυνση ροής των οπών, ή από το P προς το N, ανεξαρτήτως αν το P είναι ο εκπομπός ή ο συλλέκτης. Εναλλακτικά, η ροή ηλεκτρονίων είναι πάντα ανάποδα από το βέλος.

30 Τρανζίστορ Μία επαφή p-n ορθής πόλωσης είναι συγκρίσιμη με μία μικρή αντίσταση επειδή επιτρέπει την διέλευση ενός μεγάλου ρεύματος για κάποια δεδομένη τάση. Αντίθετα, μια επαφή ανάστροφης πόλωσης είναι συγκρίσιμη με μια μεγάλη αντίσταση. Χρησιμοποιώντας το νόμο του Ohm (ισχύς: P = I 2 R, Ι=V/R) και υποθέτοντας ότι το ρεύμα είναι σταθερό, συμπεραίνουμε ότι η ισχύς που δημιουργείται στην μεγάλη αντίσταση είναι μεγαλύτερη από αυτή που δημιουργείται στην μικρή αντίσταση. Γι αυτό, αν ένας κρύσταλλος περιέχει 2 επαφές p-n (μία με ορθή και μία με ανάστροφη πόλωση), ένα μικρό σήμα που εφαρμόζεται στην επαφή ορθής πόλωσης παράγει ένα μεγάλο σήμα στην επαφή ανάστροφης πόλωσης. Αυτή η ιδέα είναι η βασική θεωρία για την χρήση του τρανζίστορ ως ενισχυτή σήματος.

31 Διπολικό τρανζίστορ επαφής Ο όρος transistor (τρανζίστορ) προέρχεται από τις λέξεις: TRANSfer (μεταφορά) και resistor (αντίσταση). Επικράτησε αυτός ο όρος γιατί περιγράφει την λειτουργία του: την μεταφορά ενός σήματος από ένα κύκλωμα μικρής αντίστασης σε ένα κύκλωμα μεγάλης αντίστασης. Το τρανζίστορ είναι μία διάταξη στερεάς κατάστασης που ενισχύει ένα σήμα, ελέγχοντας την ροή των φορέων ρεύματος μέσω ημιαγωγών.

32 Διπολικό τρανζίστορ επαφής Συλλέκτης N Βάση P Εκπομπός N Συλλέκτης N Βάση P Εκπομπός N + _ Με την εφαρμογή ενός μικρού δυναμικού, ένα μικρό ρεύμα διαπερνά την επαφή και ο διακόπτης είναι μερικώς κλειστός + _ 9V Συλλέκτης N Βάση P Εκπομπός N + _ 0.5V Η διαφορά δυναμικού μεταξύ της βάσης και του εκπομπού ελέγχει το ρεύμα μεταξύ της βάσης και του συλλέκτη Ο εκπομπός είναι πιο ντοπαρισμένος από την βάση Η βάση είναι το πιο λεπτό στρώμα Το 98% του ρεύματος περνάει από την επαφή βάσης-συλλέκτη

33 Διπολικό τρανζίστορ επαφής 1. Η ορθή πόλωση της επαφής ΕΒ εγχέει ηλεκτρόνια από τον εκπομπό στη βάση. 2. Επειδή η περιοχή της βάσης είναι πολύ λεπτή, η πλειονότητα αυτών των ηλεκτρονίων διαχέεται προς την περιοχή απογύμνωσης της επαφής BC και κατόπιν σαρώνονται προς τον συλλέκτη από το ηλεκτρικό πεδίο της ανάστροφα πολωμένης επαφής BC. 3. Ένα μικρό ποσοστό από αυτά τα ηλεκτρόνια επανασυνδέονται με τις οπές στην περιοχή της βάσης. 4. Οπές εγχέονται από τη βάση στην περιοχή του εκπομπού, (4)<<(1).

34 Τρανζίστορ Είδη τρανζίστορ: Διπολικό τρανζίστορ επαφής (ή διφυούς αγωγής) Bipolar Junction Transistor (BJT) MOS transistor [Metal Oxide Semiconductor (MOS) Capacitor]

35 MOS τρανζίστορ Η κεντρική ιδέα της λειτουργίας των MOSFET είναι η ακόλουθη: Η εφαρμογή μιας διαφοράς δυναμικού μεταξύ πύλης και πηγής δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο το οποίο διαπερνά το διηλεκτρικό της πύλης και δημιουργεί (MOSFET προσαύξησης) ή τροποποιεί (MOSFET διακένωσης) ένα στρώμα αναστροφής. Το στρώμα αναστροφής έχει αντίθετο τύπο αγωγιμότητας από αυτόν του υποβάθρου και ταυτόσημο με αυτόν των διαχύσεων σε πηγή και απαγωγό. πηγή πύλη απαγωγός Λειτουργεί ως διακόπτης MOSFET προσαύξησης n-καναλιού (enhancement NMOS) με το σύμβολό του. NMOS: φορείς του ρεύματος ηλεκτρόνια PMOS: φορείς του ρεύματος οπές Διατάξεις ελεγχόμενες από την τάση Πολύ μικρή ισχύς λόγω του μονωτικού στρώματος Μικρά ρεύματα οδήγησης

36 MOS Τρανζίστορ Το p-τύπου υπόστρωμα το μονωτικό οξείδιο και η μεταλλική πύλη αποτελούν έναν πυκνωτή. Όταν η μεταλλική πύλη βρεθεί σε θετικό δυναμικό υψηλότερο από αυτό της πηγής (υ GS >0) συσσωρεύονται σε αυτήν θετικά φορτία τα οποία έλκουν ηλεκτρόνια (φορείς μειονότητας) από το p-υπόστρωμα προς τη διεπιφάνεια με το οξείδιο απωθώντας παράλληλα τις οπές. Όταν η συσσώρευση αυτών των αρνητικών φορτίων φτάσει σε συγκέντρωση τέτοια ώστε να ξεπερνά τη συγκέντρωση των φορέων πλειονότητας (οπών) του p-υποστρώματος επέρχεται η αναστροφή του τύπου αγωγιμότητας και σχηματίζεται ένας ομοιογενής δίαυλος τύπου n στο p- υπόστρωμα, όπως φαίνεται στο σχήμα. MOSFET προσαύξησης n-καναλιού. Δημιουργία του n-καναλιού όταν η θετική τάση υ GS ξεπεράσει την τιμή κατωφλίου V Τ. Κανάλι αναστροφής

37 MOS Τρανζίστορ Για να μπορέσει η συγκέντρωση ηλεκτρονίων να ξεπεράσει τοπικά - κοντά στο μονωτικό στρώμα και κατά μήκος ολόκληρης της έκτασης της πύλης- αυτήν των οπών χρειάζεται η τάση υ GS να ξεπεράσει κάποια τιμή κατωφλίου V T (Threshold Voltage) που είναι της τάξης των 1-4V. Ο σχηματισμός του διαύλου ουσιαστικά ισοδυναμεί με τη δημιουργία ενός καναλιού υψηλής αγωγιμότητας μεταξύ πηγής και απαγωγού. Όσο το θετικό δυναμικό της πύλης αυξάνει τόσο αυξάνεται και η αγωγιμότητα του διαύλου.

38 MOS Τρανζίστορ Τροποποίηση της μορφής του καναλιού υπό την επίδραση διαφοράς δυναμικού υ DS μεταξύ απαγωγού και πηγής. Χ Αν στη συνέχεια ο απαγωγός έρθει σε θετικό δυναμικό σε σχέση με την πηγή θα παρουσιαστεί ροή ρεύματος μεταξύ πηγής και απαγωγού ενώ παράλληλα λόγω της πτώσης τάσης που προκαλεί το ρεύμα κατά μήκος της αντίστασης του διαύλου το σχήμα του διαύλου θα τροποποιηθεί παρουσιάζοντας μια συρρίκνωση προς την περιοχή του απαγωγού. Για να συντηρείται δίαυλος σε κάποια θέση x μεταξύ πηγής και απαγωγού θα πρέπει η διαφορά δυναμικού υ GX να είναι τουλάχιστον ίση ή να ξεπερνά το δυναμικό κατωφλίου V T.

39 MOS Τρανζίστορ Ένα χρήσιμο μέγεθος που δείχνει το κατά πόσο σε κάποιο σημείο x μεταξύ πηγής και απαγωγού συντηρείται η αναστροφή τύπου αγωγιμότητας, υπάρχει δηλαδή ο δίαυλος, είναι το δυναμικό διατήρησης διαύλου, V δδ : V δδ =υ GX V T Στα σημεία όπου το δυναμικό αυτό είναι θετικό ο n-δίαυλος συντηρείται στα σημεία όπου αλλάζει πρόσημο και γίνεται αρνητικό ο δίαυλος παύει να υφίσταται. Όταν ο δίαυλος διατηρείται σε όλο του το μήκος από την πηγή στον απαγωγό η αγωγιμότητα του MOSFET χαρακτηρίζεται ως μη κορεσμένη. Όταν ο δίαυλος κλείνει από κάποιο σημείο του μέχρι τον απαγωγό η αγωγιμότητα χαρακτηρίζεται ως κορεσμένη και το ρεύμα που ρέει μεταξύ πηγής και απαγωγού είναι ανεξάρτητο της διαφοράς δυναμικού υ DS στους δύο αυτούς ακροδέκτες και εξαρτάται μόνο από το υ GS. Όταν ο δίαυλος δεν σχηματίζεται καθόλου (υ GS < V T ) τότε το τρανζίστορ βρίσκεται σε αποκοπή και το ρεύμα μηδενίζεται.

40 MOS Τρανζίστορ Μη κορεσμένη αγωγιμότητα Κορεσμένη αγωγιμότητα Περιοχή τριόδου ή γραμμικής λειτουργίας υ GS > V T και υ DS < V GS -V T Περιοχή κόρου υ GS > V T και υ DS > V GS -V T

41 SSI Μικρής κλίμακας ολοκλήρωση (small-scale integration): Μέχρι 100 ηλεκτρονικά στοιχεία ανά ψηφίδα (chip) MSI Μεσαίας κλίμακας ολοκλήρωση (medium-scale integration): Από 100 to 3,000 ηλεκτρονικά στοιχεία ανά ψηφίδα LSI Υψηλής κλίμακας ολοκλήρωση (large-scale integration): Από 3,000 to 100,000 ηλεκτρονικά στοιχεία ανά ψηφίδα VLSI Πολύ υψηλής κλίμακας ολοκλήρωση (very large-scale integration): Από 100,000 to 1,000,000 ηλεκτρονικά στοιχεία ανά ψηφίδα ULSI Υπέρ υψηλής κλίμακας ολοκλήρωση (ultra large-scale integration): Περισσότερα από 1 εκατομμύριο ηλεκτρονικά στοιχεία ανά ψηφίδα Τρανζίστορ Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα συχνά χωρίζονται από τον αριθμό των τρανζίστορ και άλλων ηλεκτρονικών στοιχειών που περιέχουν :

42 Κατασκευή ενός MOSFET (Field Effect Transistor)Τρανζίστορ

43 Απλοποιημένο Σχήμα Λιθογραφίας Κρίσιμη διάσταση

44 1. Στο δισκίο πυριτίου p-τύπου αρχικά δημιουργείται ένα μονωτικό στρώμα διοξειδίου του πυριτίου (κίτρινο) είτε με θέρμανση είτε με επίστρωση μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών (chemical vapor deposition) 2. Ένα φωτοευαίσθητο πολυμερικό υλικό (μπλε) επιστρώνεται ομοιόμορφα στο δισκίο 3. Η πρώτη μάσκα τοποθετείται πάνω από το δισκίο και εκτίθεται σε υπεριώδη ακτινοβολία. Οι περιοχές της ρητίνης που εκτίθηκαν στο φως δικτυώνονται ενώ οι άλλες περιοχές παραμένουν ανέπαφες. 4. Οι μη εκτεθειμένες περιοχές της ρητίνης απόμακρύνονται με διαλύτη, αφήνοντας τις δικτυωμένες περιοχές και το υποκείμενο στρώμα SiO 2 ανέπαφα.

45 5. Το μεγαλύτερο μέρος του στρώματος του SiO 2 απομακρύνεται με πλάσμα, αφήνοντας ένα λεπτό μονωτικό υμένιο 6. Η δικτυωμένη ρητίνη απομακρύνεται με τη βοήθεια διαλύτη, αφήνοντας ένα ανομοιόμορφο στρώμα SiO 2 σε όλο το δισκίο 7. Στη συνέχεια με τη χρήση χημικής εναπόθεσης ατμών τοποθετείται στρώμα πολυκρυσταλλικού πυριτίου (poly-si) πάνω από το στρώμα του SiO 2. Αυτό το υλικό θα χρησιμοποιηθεί ως η πύλη του τρανζίστορ. 8. Ένα δεύτερο υμένιο φωτοπολυμερούς επιστρώνεται πάνω από το poly-si, ώστε να εκτεθεί το δισκίο για δεύτερη φορά.

46 9. Μία δεύτερη μάσκα τοποθετείται πάνω από το δισκίο και εκτίθεται σε ακτινοβολία UV. Οι περιοχές που εκτίθηκαν στην ακτινοβολία δικτυώνονται 10. Οι ανέκθετες περιοχές απομακρύνονται παρουσία εμφανιστή, αφήνοντας τη δικτυωμένη L σχήματος δικτυωμένη ρητίνη 11. Στη συνέχεια γίνεται εγχάραξη με δέσμη ιόντων για την απομάκρυνση της περίσ-σειας poly-si και του λεπτού υμενίου SiO 2, αποκαλύπτοντας την επιφάνεια του δισκίου 12. Η ρητίνη απομακρύνεται με διαλύτη αφήνοντας προεξοχή poly-si (η πύλη του τρανζίστορ), που βρίσκεται πάνω από τις κοιλότητες του πυριτίου

47 13. Εισάγονται προσμίξεις φωσφόρου (πράσινο) βαθειά μέσα στις κοιλότητες του πυριτίου, οι οποίες περιτριγυρίζονται από στρώματα SiO 2 και poly-si, δημιουργώντας πυρίτιο τύπου n 14. Ένα δεύτερο στρώμα SiO 2 τοποθετείται για να παράσχει την μόνωση της βασικής δομής του τρανζίστορ από τις μεταλλικές επαφές που θα τοποθετηθούν στη συνέχεια 15. Ένα τρίτο υμένιο ρητίνης επιστρώνεται για την δημιουργία κατακόρυφων καναλιών, τα οποία θα περιέχουν τις μεταλλικές επαφές για το poly-si και τις κοιλότητες 16. Το δισκίο εκτίθεται ξανά σε ακτινοβολία UV, δικτυώνοντας την ρητίνη παντού εκτός από κάποιες μικρές παραλληλό-γραμμες περιοχές που θα μετατραπούν σε κοιλότητες

48 17. Η απομάκρυνση της μη εκτεθειμένης ρητίνης με εμφανιστή αποκαλύπτει τρεις περιοχές SiO 2 που είναι προγραμματισμένα για κοιλότητες 18. Το δισκίο εγχαράζεται για την απομάκρυνση του SiO 2 και αποκαλύπτεται το πυρίτιο n-τύπου και η πύλη από poly-si 19. Το εναπομένων φωτοπολυμερές απομακρύνεται με διαλύτη. Οι περιοχές του πυριτίου με θετικές προσμίξεις (πράσινo) θα χρησιμοποιηθούν ως πηγή και απαγωγός. 20. Το δισκίο επικαλύπτεται με αλουμίνιο, το οποίο γεμίζει τις κοιλότητες και καλύπτει ομοιόμορφα την επιφάνεια του δισκίου παρέχοντας τις ηλεκτρικές επαφές

49 21. Ένα τέταρτο στρώμα ρητίνης επιστρώνεται στο δισκίο, το οποίο θα σχηματίσει τις επαφές αλουμινίου 22. Εκτίθεται το δισκίο σε ακτινοβολία UV. 23. Οι ανέκθετες περιοχές απομακρύνονται, αποκαλύπτοντας μεγάλες περιοχές αλουμινίου οι οποίες θα απομακρυνθούν στην συνέχεια 24. Ένα τελικό βήμα εγχάραξης απομακρύνει το εκτεθειμένο αλουμίνιο, αφήνοντας μόνο τις απαραίτητες επαφές για την μεταφορά ρεύματος προς και από το τρανζίστορ

50 Αλουμίνιο SiO 2 poly-si Δισκίο Si Si με προσμίξεις φωσφόρου Πηγή Πύλη Απαγωγός 25. Το εναπομένων φωτοπολυμερές απομακρύνεται με διαλύτη και το τρανζίστορ είναι έτοιμο.

51

52

53

54 Αυτοματισμός Εγκαταστάσεις κατασκευής δισκίων πυριτίου της IBM

55 Αυτοματισμός Δισκίο με ολοκληρωμένα κυκλώματα, εγκαταστάσεις Intel Δισκίο 300mm με 52 Mbit SRAM chips. Σε αυτό το δισκίο υπάρχουν 120 δισεκατομμύρια τρανζίστορ. Κατασκευάστηκε στο Hillsboro, Oregon fab της Intel.

56 Αναφορές Σημειώσεις Δρ. C.C. Katsidis, Παν/μιο Θεσσαλονίκης istor/ esperia.iesl.forth.gr cgi.di.uoa.gr