SHPORA.net :: PDA

[ Back ]

Mikroskeemide valmistamise tehnoloogiad

Esimesed digitaalsetest integraallülitustes kasutati lülituselementidena

bipolaartransistore, sest nende valmistamise tehnoloogia oli rohkem arenenud. Hiljem

aga osutus, et suure tihedusega lülituste tarbeks on unipolaarne e. väljatransistor palju

sobivam. Viimaste valmistamine nõuab vähem tehnoloogilisi operatsioone ja vähem

pinda ühe lülituselemendi kohta. Seetõttu valmistati esimesed mikroprotsessorid

eranditult väljatransistoride baasil.

Vaatamata oma tehnoloogilistele eelistele jäävad väljatransistorid bipolaarsetele siiski

alla töökiiruse poolest. See omakorda stimuleeris viimaste forsseeritud arendamist

2

ning selline konkureeriv areng on kestnud tänapäevani. Tulemusena ei ole kumbagi

tüüpi suudetud välja tõrjuda, küll on aga tekkinud nende erinevad rakendusalad.

Bipolaartransistoridel valmistatakse suure töökiirusega mikroprotsessorid, mälud ja

mitmesugused abilülitused. Nende puuduseks on väiksem lülituselementide arv ühel

kristallil ning seega ka tagasihoidlikumad funktsionaalsed võimalused. Teiseks

oluliseks puuduseks on mitu suurusjärku suurem võimsustarve.

Väljatransistoridel on ehitatud suurem osa mikroprotsessoreid ja mäluelemente, mis

nõuavad suurt elementide tihedust ning vähem võimsust. Puuduseks on oluliselt

väiksem töökiirus.

Npn-bipolaartransistor: Räni-aluskristalli tekitatakse difusiooni teel n- ja ppiirkonnad,

mis moodustavad transistori. Pärast difusiooniprotsesse kristalli pind

oksüdeeritakse, mis annab väga hea SiO2-isoleerkihi. Kontaktpindade

moodustamiseks jäetakse isoleerkihti maski abil sobivad avad. Ühendusjuhtmed

moodustatakse alumiiniumist samuti fotolitograafia abil.

Bipolaartransistore kasutatakse põhiliselt kahte tüüpi lülituselementide

valmistamiseks. Esimesteks on TTL-tüüpi loogikaelemendid (transistor-transistorloogika),

mis on väga levinud väikestes ja keskmistes integraallülitustes.

Maksimaalse võimaliku töökiiruse saavutamiseks tuleb kasutada transistore

emittersidestuses, mis annab teise võimaliku loogikaelemendi tüübi ECL

(emittersidestusloogika, Emitter-Coupled Logic).

Töökiiruse suurendamiseks kasutatakse tihti ka kollektori ja baasi vahele lülitatavaid

Schottky dioode, mis välistavad transistori mineku küllastusrežiimi. Loomulikult

nõuavad need aga lisaruumi, suurendades elementide mahtu.

Suureks sammuks edasi elemenditiheduse tõstmisel (paraku küll töökiiruse arvel) oli

nn. IIL-tehnoloogia (Integrated injection logic). Selle kohaselt moodustatakse ühe

kompleksina kaks transistori, mis toimivad ühise, voolu ümberlülituva elemendina.

Taoline element võimaldab hõlpsasti moodustada loogikalülitusi ning TTL-tüübiga

võrreldes saavutatakse umbes 100 korda suurem tihedus. Märkimisväärne on IILelementide

väike võimsustarve, sest tööpinge on madal; selle määrab pingelang

avatud siirdel. Elemendid säilitavad oma töövõime kuni üliväikeste pingeteni, selle

juures aga väheneb nende töökiirus mitu suurusjärku.

Et väljatransistore nimetatakse tihti MOS-transistorideks (metall-oksiid pooljuht),

kannab ka valmistamisviis nime MOS (Metal-oxyde-semiconductor). MOS

transistorid võivad erineda kanalit juhtivustüübilt. Seejuures on p-kanaliga transistorid

lihtsamad valmistada ning seetõttu kasutati neid esimestes mikroprotsessorites

valdavalt. Nende töökiirus on aga n-kanaliga transistoridega võrreldes oluliselt

väiksem, sest aukude liikuvus on tunduvalt madalam elektronide liikuvusest. Seetõttu

on tänapäeval p-kanaliga MOP transistoridest praktiliselt loobutud n-kanaliga seadiste

kasuks.

Oluliselt õnnestus loogikaelementide voolutarvet vähendada, kui võeti tarvitusele

komplementaarlülitused. Siin on loogikaelemendil koormustakistuseks teine,

vastupidise juhtivustüübiga transistor. Tulemusena saadakse element, mis jõudeseisus

üldse voolu ei tarbi (avatud on alati ainult üks transistoridest). Energiat kulub ainult

parasiitmahtuvuste ümberlaadimiseks elemendi ümberlülituse hetkel.

Komplementaarlülituse (CMOS) äärmiselt väike voolutarve võimaldab neid väga

edukalt kasutada näiteks käekellades. Puuduseks on asjaolu, et transistore läheb vaja

kaks korda rohkem, ka on töökiirus väiksem.

Enamkasutatavaid kombinatsioonskeeme

3

? välistav või (eXclusive-OR)

Kui kaks signaali on võrdsed annab XOR element väljundsignaaliks 0 ja 1, siis kui

signaalid ei ole võrdsed. Kasutatakse komparaatoris võrdlemaks kahte sisendsõna.