آشنایی با مدارات مجتمع خطی

زندیه:
ديد کلي

درست همانطور که ترانزيستور با ارائه انعطاف پذيري ، سادگي و اطمينان پذيري بيشتر نسبت به لامپ خلا انقلابي در الکترونيک ايجاد کرد مدارهاي مجتمع نيز کاربردهاي تازه‌اي براي الکترونيک بوجود آورده‌اند که بوسيله قطعات مجزا امکان پذير نموده است مجتمع سازي اين امکان را فراهم ساخته که مي‌توان مدارهاي پيچيده شامل هزاران ترانزيستور ، ديود ، مقاومت و خازن را روي يک تراشه نيمه رساناي جاي داد.

انواع مدارهاي مجتمع برحسب کاربرد

مدار مجتمع خطي

يک IC خطي عمل تقويت يا ساير اعمال اساسا خطي را روي سيکنالها انجام مي‌دهد نمونه‌اي از اين مدارهاي خطي عبارتند از: تقويت کننده‌هاي ساده ، تقويت کننده‌هاي عملياتي و مدارهاي مخابراتي قياسي

مدار مجتمع دیجیتالی

شامل مدارهای منطقی و حافظه برای کاربرد در کامپیوترها ، حسابگرها ، زیرپرندازه‌ها ، امثال آن می‌باشند تا به حال بیشترین حجم ICها مربوط به حوزه دیجیتالی و به دلیل نیاز زیاد به این مدارها بوده است. از آنجایی که مدارهای دیجیتالی معمولا فقط به عملکرد «قطع و وصل» ترانزیستورها نیاز دارند شرایط طراحی مدارهای دیجیتالی مجتمع اغلب ساده‌تر از مدارهای خطی است.

انواع مدارهای مجتمع برحسب ساخت

مدارهای یکپارچه

مدارهای مجتمعی که بطور کامل روی یک تراشه نیمه رسانا (معمولا سیلسیوم) قرار می‌گیرند مدارهای یکپارچه نامیده می‌شود واژه یکپارچه از لحاظ ادبی به معنای «تک سنگی» بوده و به مفهوم آن است که کل مدار در یک قطعه واحد از نیمه رسانا جا داده می‌شود. مدارهای یکپارچه دارای این مزیت هستند که تمام عناصر در یک ساختار منفرد و محکم و با امکان تولید گروهی قرار می‌گیرند یعنی صدها مدار مشابه را می‌توان بطور همزمان روی یک پولک: S ساخت.

مدارهای آمیخته

هر گونه الحاقاتی به نمونه نیمه رسان مانند لایه‌های عایق کننده و الگوهای فلز کاری در سطح تراشه انجام می‌پذیرد. یک مدار آمیخته می‌تواند دارای یک یا چند مدار یکپارچه یا ترانزیستورهای جداگانه باشد که به همراه اتصالات داخلی مناسب به یک بستر با مقاومت‌ها ، خازنها ، و سایر عناصر مداری پیوند شده باشند. مدارهای آمیخته با داشتن عایق عالی بین عناصر امکان استفاده از مقاومت‌ها و خازنهای دقیق را فراهم می‌سازند.

تکنولوژی مورد استفاده در هنگام ساخت مقاومت و... بیرون تراشه SI

فرآیند لایه نازک

تکنولوژی لایه نازک از دقت و کوچک سازی بیشتری برخورد بوده و عموما در جایی که فضا اهمیت دارد ترجیح داده می‌شود الگوهای اتصال بندی و مقاومت‌های لایه - نازک را می‌توان به روش خلا روی یک بستر سرامیکی شیشه‌ای یا لعابی نشاند. ساخت خازنها در روشهای لایه - نازک از طریق نشاندن یک لایه عایق بین دو لایه فلزی بین دو لایه فلزی یا با اکسید کردن سطح یک لایه و سپس نشاندن لایه دوم روی آن صورت می‌گیرد.

فرآیند لایه ضخیم

مقاومت‌ها ، الگوهای اتصالات داخلی روی یک بستر سرامیکی به روش سیلک - اسکرین (نوعی توری محافظ و با عبور رنگ در سوراخهای باز و بسته توری نقش دلخواه روی هر چه که بخواهیم چاپ می‌شود) یا فرآیند‌های مشابه چاپ می‌شوند خمیرهای مقاومتی و هدایتی متشکل از پودرهای فلزی در شکلی سازمان یافته روی بستر چاپ شده و در یک اجاق حرارت داده می‌شوند یک مزیت این است که می‌توان مقاوت‌ها را در کمتر از مقادیر مشخص شده ساخت و سپس بوسیله سایش یا تبخیر انتخابی توسط یک لیزر پالسی آنها را تنظیم کرده خازنهای کوچک سرامینیققا می‌توان همراه با مدارهای یکپارچه یا ترانزیستورهای منفرد در جای خود در الگوی اتصالات داخلی متصل کرد.

فرآيند ساخت
نقاب گذاري و آلايش انتخابي
هدف از فرآيند ساخت ، آلايش انتخابي نواحي معين از نيم رسانا و اتصال مناسب عناصر بدست آمده بوسيله يک الگوي فلز کاري است. با منظور کردن مراحل اکسايش ، تعداد عمليات بکار رفته در ساخت يک مدار مي‌تواند کاملا زياد باشد به عنوان مثال ترانزيستور نفوذ داده شده را در نظر مي‌گيريم، مراحل اساسي عبارتند از:

رشد لايه اکسيد اول
بازکردن يک پنجره در SiO2 براي نفوذ بيس
انجام نفوذ بر
رشد يک لايه اکسيد دوم
باز کردن يک پنجره براي نفوذ اميتر
انجام نفوذ فسفر
رشد يک لايه اکسيد سوم
باز کردن پنجره‌هايي براي اتصالات بيس و اميتر
تبخير Al روي سطح
برداشتن Al بجز در الگوهاي فلز کاري مورد نظر
در اين مثال ساده دو مرحله اکسايش ، دو نفوذ و يک فلز کاري بکار رفته است. تعداد نقابهاي لازم 4 عدد است، دو تا براي نفوذ ، يکي براي پنجره‌هاي اتصالات و يکي براي تعريف فلز کاري. براي مدارهاي مجتمع مراحل خيلي بيشتر و در نتيجه نقابهاي خيلي زيادي لازم است. نکته مهم کاهش ابعاد هر مدار و استفاده از پولکهاي بزرگ به منظور افزايش تعداد قطعات قابل استفاده از توليد گروهي است. مفهوم اين امر اين است که نقابهاي مختلف بايد بسيار دقيق بوده و در طي هر مرحله ليتوگرافي نوري بخوبي همراستا شوند.
در حالت کلي يک نسخه دقيق از الگوي مورد نظر براي يکي از مراحل نقاب گذاري ، براي عضوي از آرايه مدارها تهيه مي‌شود. اين نسخه اوليه عکسبرداري شده و ابعاد آن کاهش مي‌يابد. سپس يک دوربين با تکرار مرحله‌اي براي عکسبرداري از الگوي کوچک شده و انجام کوچک سازي نهايي مورد استفاده قرار گرفته و اين روند را براي هر مستطيل در آرايه نهايي که مي‌تواند داراي صدها الگوي مشابه باشد تکرار مي‌کند. آرايه الگوي نهايي روي يک نقاب شيشه‌اي چاپ شده و اين نقاب در مرحله ليتوگرافي روي پولک Si قرار داده مي‌شود

مزایای مجتمع سازی

ممکن است بنظر آید که ساخت مدارهای مجتمع شامل تعداد زیادی قطعه به هم متصل شده روی یک بستر si از جنبه‌های فن و اقتصادی مخاطره آمیز خواهد بود. در حالیکه حقیقت این است که روشهای نوین امکان انجام این کار را به صورت مطمئن و نسبتا کم هزینه فراهم ساخته‌اند، در بیشتر مواقع یک مدار کامل روی تراشه Si را می‌توان بسیار ارزانتر و مطمئن‌تر از یک مدار مشابه با استفاده از قطعات مجزا تولید کرد. دلیل اصلی این امر ساخت صدها مدار مشابه بطور همزمان روی پولک Si است این فرآیند تولید گروهی نامیده می‌شود.

علیرغم پیچیدگی و هزینه بالای مراحل ساخت برای یک پولک تعداد زیادی مدارهای مجتمع بدست آمده هزینه نهایی هر یک را بطور نسبی پایین می‌آورد. Ic امکان افزودن اقتصادی قطعات متعددی را دارا هستند، همچنین اطمینان پذیری نیز بهتر می‌شود زیرا ساخت تمام قطعات و اتصالات داخلی روی یک بستر محکم انجام شده و در نتیجه معایب ناشی از اتصالات سیم کاری به میزان بسیار زیادی کاهش می‌یابد، برخی از مزایای کوچک سازی مربوط به زمان پاسخ و سرعت انتقال یکسان بین مدارها است.

کاربرد

مدارهای پیچیده را می‌توان برای استفاده در سفینه فضایی ، کامپیوترهای بزگ و کاربردهای دیگری که استفاده از مجموعه بزرگی از قطعات مجزا در آنها غیر عملی است به میزان بسیار زیادی کوچک کرد یقینا عناصر مجزا نقش مهمی در توسعه مدارهای الکترونیکی داشته‌اند با این وجود امروزه بیشتر مدارها به جای استفاده از مجموعه عناصر منفرد روی یک تراشه Si ساخته می‌شود.

زندیه:
ليتوگرافي خط - ريز Fine - Line Lithography

تلاش در جهت جا دادن چگالي عملياتي مدام در حال افزايش روي يک تراشه Si اشتياق شديدي براي هر چه کوچکتر ساختن اجزاء مدار بوجود آورده است. شرايط بدعت و مصرف توان نيز طراحان را به استفاده از ابعاد کوچکتر متمايل مي‌کند. ليتوگرافي نوري عامل محدود کننده فرآيند کاهش ابعاد است، اگر از نور فرابنفش براي تاباندن به لايه حساس به نور از طريق يک نقاب استفاده شود. حداقل پهناي خطوط در نهايت به دليل آثار تفرقي يا پراش به چند طول موج محدود مي‌شود.
براي مثال براي يک ماوراء بنفش به طول موج 0.35 ميکرو متر نبايد انتظار داشت که پهناي خطوط کمتر از حدود 1 ميکرو متر باشد. بديهي است که براي ابعاد هندسي زير ميکروني لازم است که طول موجهاي کوتاهتر به لايه حساس نور تابانده شود. بنابه قضيه دوبروي که طول موج يک ذره بطور معکوس با ممان تغيير مي‌کند پس براي دستيابي به طول موجهاي کوتاهتر بايد ذرات سنگينتر يا فوتونهاي پر انرژي در نظر گرفته شود. لکترونها ، يونها يا پروتوهاي ايکس بهترين مورد در اين خصوص هستند.

عايق سازي Isolon ati

يک مرحله مهم در فرآيند ساخت مدار مجتمع ايجاد عايق الکتريکي بين عناصر مدار است، اگر ترانزيستور دو قطبي روي يک تراشه ساخته مي‌شود تمام نواحي کلکتور مشترک مي‌بودند پس لازم است که بيشتر عناصر عايق سازي شده و سپس توسط الگوهاي فلز کاري به يکديگر متصل شوند. مثلا براي ترانزيستور n - p - n يک روش عايق سازي ، نفوذ الگويي از خندقهاي نوع p در يک لايه رونشستي نوع n واقع در بستر از نوع p است. بستر نوع p پشتيباني مکانيکي ساختار را بر عهده دارد و به همراه الگوي نفوذي نوع p نواحي عايق شده براي ماده نوع n را تعريف مي‌کند.
چون هر قطعه را مي‌توان در جزيره‌اي از نوع n قرار داد، با نگه داشتن ماده بستر نوع p در منفي‌ترين پتانسيل موجود در مدار ، عايق سازي خوبي بدست خواهد آمد. يک عيب اين روش ظرفيت ذاتي موجود در پيوند نهايي عايق ساز p - n است. ظرفيت ايجاد شده بين ديواره‌هاي جانبي ناحيه n و پيوندهاي نفوذ داده شده را مي‌توان با استفاده از ترکيبهاي مختلف عايق اکسيدي حذف کرد.
يک طرح عايق سازي که بويژه براي مدارهاي با چگالي بالا مفيد است در برگيرنده تشکيل چاله‌هاي نسبتا عميق و پر کردن آن با پلي سيليسيوم است. در اين فرآيند يک لايه نيتريد الگوسازي شده و به عنوان نقاب براي زدايش ناهمسانگرد سيليسيوم به منظور تشکيل چاله بکار مي‌رود. اکسايش داخل چاله تشکيل يک لايه عايق داده و بعد از آن با استفاده از روش نشست بخار شيميايي چاله از پلي سيليسيوم پر مي‌شود

آشنایی با مدارات مجتمع خطی

مطالب مشابه :

جزوه درس مدار مجتمع خطی

دانلود کتاب مدارهای مجتمع خطی

گزارش کار ازمایشگاه مدارهای مجتمع خطی

دانلود کتاب مدارهای مجتمع خطی

جزوه مدارهای مجتمع خطی

آشنایی با مدارات مجتمع خطی

مراجع پیشنهادی برای آزمون دکتری مهندسی برق الکترونیک