ساختمان قطعات دیجیتال

بسیاری از خانواده های مختلف منطقی به صورت مدار های مجتمع در سطح تجاری عرضه شده اند. متداول ترین خانواده ها از این قرارند:
TTL - منطق ترانزیستور - ترانزیستور
ECL - منطق کوپل امیتر
MOS - منطق فلز - اکسید - نیمه هادی
CMOS - منطق فلز - اکسید - نیمه هادی مکمل

TTL یک خانواده متداول است که سالها مورد استفاده بوده و به عنوان استاندارد تلقی می شود. ECL در سیستم هایی که به سرعت عمل بالا نیاز دارند ترجیح داده می شوند. MOS برای مدار هایی که نیاز به تراکم بالا دارند مناسب است و CMOS در سیستم های کم مصرف به کار می رود.


خانواده منطقی ترانزیستور - ترانزیستور گونه تکامل یافته تکنولوژی قدیمی تریست که در آن از دیود و ترانزیستور برای ساخت گیت پایه NAND استفاده می شده است. این تکنولوژی منطق دیود ترانزیستور (DTL) خوانده می شده است. بعد ها برای بهبود عملکرد مدار به جای دیود از ترانزیستور استفاده شد و نام خانواده جدید ترانزیستور- ترانزیستور گذاشته شد.
علاوه بر نوع استاندارد TTL انواع دیگری از این خانواده عبارتند از TTL سرعت بالا -TTL توان پایین(یا کم مصرف)-TTL شوتکی -TTL شوتکی توان پایین و....
منیع تغذیه مدار های TTL پنج ولت و در دو سطح منطقی 0 و 3.5 ولت می باشد.

خانواده کوپل امیتر سریع ترین مدار های دیجیتال را به فرم مجتمع در اختیار می گذارند. ECL در مدار هایی مانند سوپر کامپیوتر ها و پردازنده های سیگنال که در آنها سرعت بالا ضرورت دارد بکار می رود. ترانزیستور ها در گیت های ECL در حالت غیر اشباح کار می کنند و رسیدن به تاخیر های انتشاری در حد 1 تا 2 نانو ثانیه در آنها میسر است.

منطق فلز- اکسید- نیمه هادی یک ترانزیستور تک قطبی ست که به جریان یک نوع حامل الکتریکی وابسته است. این حامل ها ممکن است الکترون (در نوع کانال n) یا حفره باشند. این بر خلاف ترانزیستور به کار رفته در گیت های TTL/ECL است که در عین عملکرد هر دو نوع حامل در آن وجود دارد.
یک MOS کانال p را PMOS و یک MOS کانال n را NMOS می نامند. معمولا در مدار هایی که فقط یک ترانزیستور MOS وجود دارد از NMOS استفاده می شود. در تکنولوژی CMOS هر دو نوع ترانزیستور که به شکل مکمل در تمام مدار ها بسته شده اند به کار رفته است . بزرگترین مزیت CMOS نسبت به دو قطبی تراکم بالای مدار ها در بسته بندی ساده بودن تکنیک ساخت و عملکرد مقرون به صرفه آن به دلیل مصرف توان کم است.

به علت مزایای بی شمار مدار های مجتمع انحصارا در تهیه انواع قطعات لازم در طراحی سیستم های کامپیوتر به کار می رود . برای درک سازمان و طراحی کامپیوتر ها آشنایی با انواع قطعات و اجزائ به کار رفته در مدار های مجتمع اهمیت دارد. به این دلیل اجزائ اصلی به همراه خواص منطقی آن تشریح شده است این اجزا مجموعه ای از واحد های عملیاتی دیجیتال را فراهم می کنند که در طراحی کامپیو تر های دیجیتال یه عنوان بلوک های ساختمان اصلی پایه به کار می روند.

فرآیند ساخت
نقاب گذاری و آلایش انتخابی
هدف از فرآیند ساخت ، آلایش انتخابی نواحی معین از نیم رسانا و اتصال مناسب عناصر بدست آمده بوسیله یک الگوی فلز کاری است. با منظور کردن مراحل اکسایش ، تعداد عملیات بکار رفته در ساخت یک مدار می‌تواند کاملا زیاد باشد به عنوان مثال ترانزیستور نفوذ داده شده را در نظر می‌گیریم، مراحل اساسی عبارتند از:

رشد لایه اکسید اول
بازکردن یک پنجره در SiO2 برای نفوذ بیس
انجام نفوذ بر
رشد یک لایه اکسید دوم
باز کردن یک پنجره برای نفوذ امیتر
انجام نفوذ فسفر
رشد یک لایه اکسید سوم
باز کردن پنجره‌هایی برای اتصالات بیس و امیتر
تبخیر Al روی سطح
برداشتن Al بجز در الگوهای فلز کاری مورد نظر
در این مثال ساده دو مرحله اکسایش ، دو نفوذ و یک فلز کاری بکار رفته است. تعداد نقابهای لازم 4 عدد است، دو تا برای نفوذ ، یکی برای پنجره‌های اتصالات و یکی برای تعریف فلز کاری. برای مدارهای مجتمع مراحل خیلی بیشتر و در نتیجه نقابهای خیلی زیادی لازم است. نکته مهم کاهش ابعاد هر مدار و استفاده از پولکهای بزرگ به منظور افزایش تعداد قطعات قابل استفاده از تولید گروهی است. مفهوم این امر این است که نقابهای مختلف باید بسیار دقیق بوده و در طی هر مرحله لیتوگرافی نوری بخوبی همراستا شوند.
در حالت کلی یک نسخه دقیق از الگوی مورد نظر برای یکی از مراحل نقاب گذاری ، برای عضوی از آرایه مدارها تهیه می‌شود. این نسخه اولیه عکسبرداری شده و ابعاد آن کاهش می‌یابد. سپس یک دوربین با تکرار مرحله‌ای برای عکسبرداری از الگوی کوچک شده و انجام کوچک سازی نهایی مورد استفاده قرار گرفته و این روند را برای هر مستطیل در آرایه نهایی که می‌تواند دارای صدها الگوی مشابه باشد تکرار می‌کند. آرایه الگوی نهایی روی یک نقاب شیشه‌ای چاپ شده و این نقاب در مرحله لیتوگرافی روی پولک Si قرار داده می‌شود


لیتوگرافی خط - ریز Fine - Line Lithography
تلاش در جهت جا دادن چگالی عملیاتی مدام در حال افزایش روی یک تراشه Si اشتیاق شدیدی برای هر چه کوچکتر ساختن اجزاء مدار بوجود آورده است. شرایط بدعت و مصرف توان نیز طراحان را به استفاده از ابعاد کوچکتر متمایل می‌کند. لیتوگرافی نوری عامل محدود کننده فرآیند کاهش ابعاد است، اگر از نور فرابنفش برای تاباندن به لایه حساس به نور از طریق یک نقاب استفاده شود. حداقل پهنای خطوط در نهایت به دلیل آثار تفرقی یا پراش به چند طول موج محدود می‌شود.
برای مثال برای یک ماوراء بنفش به طول موج 0.35 میکرو متر نباید انتظار داشت که پهنای خطوط کمتر از حدود 1 میکرو متر باشد. بدیهی است که برای ابعاد هندسی زیر میکرونی لازم است که طول موجهای کوتاهتر به لایه حساس نور تابانده شود. بنابه قضیه دوبروی که طول موج یک ذره بطور معکوس با ممان تغییر می‌کند پس برای دستیابی به طول موجهای کوتاهتر باید ذرات سنگینتر یا فوتونهای پر انرژی در نظر گرفته شود. لکترونها ، یونها یا پروتوهای ایکس بهترین مورد در این خصوص هستند.
عایق سازی Isolon ati
یک مرحله مهم در فرآیند ساخت مدار مجتمع ایجاد عایق الکتریکی بین عناصر مدار است، اگر ترانزیستور دو قطبی روی یک تراشه ساخته می‌شود تمام نواحی کلکتور مشترک می‌بودند پس لازم است که بیشتر عناصر عایق سازی شده و سپس توسط الگوهای فلز کاری به یکدیگر متصل شوند. مثلا برای ترانزیستور n - p - n یک روش عایق سازی ، نفوذ الگویی از خندقهای نوع p در یک لایه رونشستی نوع n واقع در بستر از نوع p است. بستر نوع p پشتیبانی مکانیکی ساختار را بر عهده دارد و به همراه الگوی نفوذی نوع p نواحی عایق شده برای ماده نوع n را تعریف می‌کند.
چون هر قطعه را می‌توان در جزیره‌ای از نوع n قرار داد، با نگه داشتن ماده بستر نوع p در منفی‌ترین پتانسیل موجود در مدار ، عایق سازی خوبی بدست خواهد آمد. یک عیب این روش ظرفیت ذاتی موجود در پیوند نهایی عایق ساز p - n است. ظرفیت ایجاد شده بین دیواره‌های جانبی ناحیه n و پیوندهای نفوذ داده شده را می‌توان با استفاده از ترکیبهای مختلف عایق اکسیدی حذف کرد.
یک طرح عایق سازی که بویژه برای مدارهای با چگالی بالا مفید است در برگیرنده تشکیل چاله‌های نسبتا عمیق و پر کردن آن با پلی سیلیسیوم است. در این فرآیند یک لایه نیترید الگوسازی شده و به عنوان نقاب برای زدایش ناهمسانگرد سیلیسیوم به منظور تشکیل چاله بکار می‌رود. اکسایش داخل چاله تشکیل یک لایه عایق داده و بعد از آن با استفاده از روش نشست بخار شیمیایی چاله از پلی سیلیسیوم پر می‌شود

ساخت مقاومتها و خازنها بیرون از تراشه

فرآیند لایه ضخیم
مقاومتها و الگوهای اتصالات داخلی روی یک بستر سرامیکی به روش سیلک اسکرین Silk Screen__ (نوعی سیستم چاپ که در آن روی چهار چوبی پارچه مخصوص توری کشیده می‌شود و طرح مورد نظر روی این پارچه پیاده می‌شود و با عبور رنگ در سوراخهای باز و بسته توری نقش دلخواه روی هر چه که بخواهیم چاپ می‌شوند) چاپ می‌شوند خمیرهای مقاومتی و هدایتی متشکل از پودرهای فلزی در شکل سازمان یافته روی بستر چاپ شده و در یک اجاق حرارت داده می‌شوند.

فرآیند لایه نازک
از دقت و کوچک سازی بیشتری برخوردار 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. لایه‌های مقاومتی معمولا از جنس تانتالیوم یا سایر فلزات مقاومتی بوده و رساناها نیز غالبا آلومینیوم یا طلا هستند.
مزایای مدارات مجتمع
معایب ناشی از اتصال لحیم کاری شده در مدارهای با قطعات مجزا به میزان بسیار زیادی کاهش می‌یابد.
بسیاری از عملیات مداری را می‌توان در یک فضای کوچک جا داد، امکان بکار گیری تجهیزات الکترونیکی پیچیده در بسیاری از کاربردها که در آنها وزن و فضا اهمیت حیاتی دارد، نظیر وسایل نقلیه هوایی و فضایی وجود خواهد داشت.
زمان پاسخ و سرعت انتقال سیگنال بین مدارها
درصد قطعات مفید که در فرآیند تولید گروهی حاصل می‌شود، معمولا بر اثر وجود نقصهایی در پولک Si یا در مراحل ساخت قطعات معیوب نیز بوجود می‌آید.