Układ scalony

0
9

Układ scalony – zminiaturyzowany układ elektroniczny wykonany na bazie wspólnego podłoża monokryształu półprzewodnikowego (zwykle krzemu), w którym wszystkie elementy wraz z połączeniami są wytworzone w jednym cyklu technologicznym i stanowią nierozerwalną całość.

Budowa

Ze względu na sposób wykonania układy scalone dzielimy na:

  • monolityczne (półprzewodnikowe) – wszystkie elementy (czynne i bierne) wykonane są w monokrystalicznej strukturze półprzewodnika.
  • hybrydowe (warstwowe) – na podłoże wykonane z izolatora nanoszone są jedynie odpowiednie elementy bierne oraz połączenia w postaci warstw produkowanych w ciągłym procesie technologicznym, natomiast elementy czynne oraz pozostałe elementy pasywne są produkowane w odrębnym procesie i następnie podłączane do właściwych miejsc podłoża. Ze względu na grubość zastosowanej warstwy rozróżnia się układy: cienkowarstwowe i grubowarstwowe. Klasyfikacja związana jest z zastosowanymi metodami produkcji. W układach cienkowarstwowych warstwy nanoszone są w próżni na podłoże izolacyjne metodą termicznego naparowania lub napylania katodowego. W układach grubowarstwowych, warstwy o określonych właściwościach przewodzących, rezystywnych lub dielektrycznych nanosi się na podłoże ceramiczne metodą sitodruku.

 

Większość współczesnych układów scalonych wykonywana jest w technologii monolitycznej.

Układy scalone monolityczne dzieli się ze względu na występujący w ich budowie rodzaj tranzystora. Wyróżniamy układy bipolarne i unipolarne. 

Układy bipolarne wytwarzane są na ogół na podłożu krzemowym. Elementami czynnymi są tu tranzystory bipolarne typu n–p–n lub p–n–p. Diody otrzymuje się dzięki odpowiedniemu wykorzystaniu złącz p–n tranzystora. Rezystory wykonywane są w postaci odpowiednio domieszkowanych warstw (napylanych w procesie technologicznym równocześnie z warstwami bazy lub emitera. Kondensatory występują jako złącza p–n lub struktury MOS. Elementy połączone są ze sobą za pomocą ścieżek naniesionych na powierzchnię płytki.  

Układy scalone unipolarne są wytwarzane głównie w podłożu krzemowym (układy MOS) i z arsenku galu (układy GaAs). 

 

Wśród układów MOS wyróżnia się m.in. układy scalone:

  • NMOS — zawierające tranzystory o kanale typu n, 
  • PMOS — zawierające tranzystory o kanale typu p, 
  • CMOS — zawierające pary tranzystorów MOS o kanale typu n i typu p. 

Układy scalone w technologii MOS wykonuje się wyłącznie z tranzystorów MOS, które realizują funkcje elementów czynnych i biernych. Posiadają one większą gęstość upakowania i charakteryzują się mniejszym poborem energii, ale także mniejszą szybkością działania w porównaniu do układów bipolarnych (większą szybkością odznaczają się układy GaAs, jednak technologia ich wykonania jest bardziej skomplikowana od dużo prostszych układów MOS).

Wytworzona w procesie produkcyjnym struktura monokrystaliczna montowana jest w hermetycznej obudowie z tworzywa, ceramiki lub metalu, chroniącej ją przed wpływami otoczenia. Dzięki odpowiednim wyprowadzeniom zewnętrznym, możliwy jest montaż układów scalonych w urządzeniach elektronicznych. 

W monolitycznych układach scalonych większość elementów stanowią tranzystory. W dominującej obecnie technologii wytwarzania CMOS, wskaźnikiem gęstości upakowania elementów, a co za tym idzie, miarą zaawansowania procesu produkcyjnego, jest minimalna długość kanału tranzystora, wyrażona w nanometrach – im jest on mniejszy, tym upakowanie tranzystorów oraz szybkość działania układu większe. W kolejnych generacjach układów scalonych długość kanału staje się coraz mniejsza.

 

Miarą złożoności układu scalonego jest tzw. skala integracji czyli stopień scalenia, określający liczbę elementów wypełniających pojedynczą strukturą układu. I tak wyróżnia się układy:

  • małej skali integracji (SSI) – struktury posiadające do kilkudziesięciu elementów.
  • średniej skali integracji (MSI) – do kilkuset elementów.
  • dużej skali integracji (LSI) – do kilkudziesięciu tysięcy elementów.
  • wielkiej skali integracji (VLSI) – powyżej kilkudziesięciu tysięcy elementów.
  • ultrawielkiej skali integracji (ULSI) – powyżej miliona elementów.

 

Układy scalone produkowane są na ogół jako podzespoły standaryzowane, przeznaczone do uniwersalnych zastosowań. Są one wykonywane w różnych technologiach i produkowane przez różnych producentów. Wytwarzane są w formie prostych bramek logicznych czy wzmacniaczy, jak i bardzo złożonych procesorów, mikrokontrolerów pamięci czy jednoukładowych mikrokomputerów.

Dodaj komentarz

avatar
  Subscribe  
Powiadom o