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SEZIONE TRASVERSALE
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�_,.)(C) SCHEMA DEL CIRCUITO
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Figura 1 0.4Poiché tutti i com ponenti fan no parte del l a stessa piastri na d i s i l icio, potrebbe sem brare che essi possano cortoci rcu itarsi a vicenda. La vista del la sezione trasver sale, peraltro, fa vedere che og n u no d i essi è elettricamente separato ( isolato) dag l i altri g razie all 'azione da valvola a senso u n i co del le g i u nzioni PN. Affin ché la corren te convenzionale p renda il cam m i n o di corto c i rcuito non voluto, per esempio, dal resistore tipo P a l l a reg ione di col l ettore ti po N del transistore, essa dovrebbe passa re da P a N , poi a P e q u i n d i a N. Senonchè, i l passagg i o da N a P in q uesto percorso è i nterdetto dal l'azione a diodo - per c u i questa corrente di cortocircu ito viene bl occa ta. T utte le altre possi bi l i vie d i cortoci rcu ito sono si m i l mente bloccate da g i u nzioni P N . D i conseg uenza, la corrente è costretta a prendere i l cam m i n o vol uto attraverso i com ponenti .
COM E V I E N E COMPI UTA LA FOTOMASCH ERATU RA?
Le com p l i cate operazioni necessarie per corrodere le finestre occorrenti nel l'ossido e asportare con acido parti della metal izzazione vengono com p i ute con del le tecniche fotog rafiche. Per ogni operazione d i attacco c h i m i co, viene preparata u na l astra trasparente avente le di mensioni del l ' i ntera piastri na.
S u q u esta lastra, l ' i m mag i ne di og n i m i n uscola finestra appare sotto forma di una macc h i a opaca ( q uesta lastra, chi amata "fotomaschera", viene p reparata per ri-
d uzione fotog rafica d i u n o speciale pezzo p i ù g rande; la riduzione viene q u i n d i ri pe tuta centi naia di volte s u l l a l astra, u na volta per o g n i I C esistente s u l l a piastri na) . La su perficie su periore della piastri na, ricoperta di ossido, viene rivestita con u na sotti le pel l i cola di plastica l i q u ida chiamata "photoresist" .
La fotomaschera viene q u i n d i sospesa s u l l a piastri na rivestita, come i ndicato in Fig u ra 1 0.5, e si proiettano dall'alto, su l l a piastri na, dei ragg i u ltravioletti .
Q uesti ragg i fan n o indurire i l photoresist, che si trasforma i n u no strato sol ido di plastica ten ace e resistente ag l i aci di - tranne dove cade l'om bra dei p u nti opac h i
RAG G I ULTRAVIOLETTI FOTOMASCHERA TRASPAR ENTE CON PUNTI OPACH I DOVE SI
FIN ESTRE N ELL'OSSIDO LA PLASTI CA LIQUIDA PHOTORESIST S'I N D U R ISCE DOVE ESPOSTA Al RAG G I ULTRA VIOLETTI
PIASTR INA DI SILICIO
Figura 1 0.5
della fotomaschera. l punti di plastica non resistente - dov'erano le zone d'om bra vengono lavati via i n u n bag n o d i solvente, esponendo l'ossido d i s i l icio dove devo no apri rsi le finestre. Q u i nd i , la piastri na viene i m mersa in acido, che corrode via la pel l icola d i ossido ad eccezzione d i dove essa è protetta dal p h otoresist i n d u rito. Adesso abbiamo nel l'ossido le finestre volute. Il photoresist sol ido viene asportato con u n o speciale solvente e la piastri na è pro nta per il forno a diffusione. Q uesta tec n i ca d i fotomascheratu ra è l'operazione chiave nel processo di d iffusione planare che sta alla base dell'ind ustria dei sem iconduttori .
COME VENGONO RACCHIUSI I N CONTEN ITO R I. l CIRCUITI INTEGRATI? l c h i p a IC ven gono montati e m u n iti d i fi l i , q uasi a l l o stesso modo dei transi stori d iscreti - ved i F i g u ra 1 0.1 . Esistono diversi tipi d i conten itori; o g n i tipo ha i suoi preg i e l e sue l i m itazio n i . La F i g u ra 1 0.6 presenta u n cam p i onario rappresentativo dei tipi di custodie. l più usat i , al momento in c u i scriviamo, sono i vari formati di c u stod ie i n plastica ("d ual - i n - l i ne"si riferisce alle d ue file d i term i na l i esistenti i n q u e sti t i p i d i conten itori) .
U na delle rag i o n i per c u i queste custod ie hanno delle d i mensio n i d i verse è che dei c i rc u iti i nteg rati p i ù com plessi , anche se il c h i p ad essi occorrente non è molto più g ra nde, rich iedono un maggior n u mero d i term i na l i e q u i n d i un contenitore p i ù g rande. A q uesto pu nto converrà def i n i re tre term i n i che avrete senz'altro i n contra to nel corso delle vostre lettu re:
I ntegrazione su piccola scala (SSI}, che si riferisce a ci rcuiti integ rati aventi fino a 9 gate.
CONTENITO R I PIATTI
DUAL IN-LINE, PLASTICA (FLAT-PACKS), METALLICI DUAL IN-LINE, CERAMICA
BASSO COSTO MOLTO P I C C O L I I N S ER Z I O N E AUTOMATI ZZATA
SALDATU R A AUTOMAT I ZZ ATA COSTO C O N T E N UTO
I N S ER Z I O N E AUT O M AT I ZZATA
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• CONTENITORI ROTONDI AB BASTANZA P I CC O L I SALDAT U R A AUTOMATIZZATA l, ii\ l
CONTEN ITO R I PIATTI (FLAT -PACKS), CERAMICA
AB BASTANZA P I CC O L I COSTO C O N T E N U T O MOLTI T E R M I NA L I
Figura 1 0.6
I ntegrazione su media scala (MSI}, che si riferisce ai circuiti integ rati aventi da 1 0 a 1 00 gate.
I ntegrazione su larga scala (LSI}, che si riferisce ai c i rcu iti i n teg rati aventi più d i 1 00 gate.
Come ved remo in seg u ito, i dispositivi LS I stan no portando sempre più in alto i loro l i m iti su periori d i complessità e sono già i n uso com une dei c i rcuiti d i lavoro contenenti varie m i g l iaia d i gate
COME VENGONO PROVATI l CIRCU ITI I NTEGRATI?
Dopo l'assemblaggio ogni singolo c i rcu ito integ rato viene sottoposto a m olte prove, per verificare le sue p restazioni elettriche ed assicu rare che esso risponda al le specifiche contenute nei data sheet. Come per og n i altro c i rcu ito elettrico, l e pre stazioni deg l i I C variano con l a tem perat u ra del c i rcuito, perchè i l com portamento dei s i n g o l i componenti risente del la tem peratu ra. Perciò, per o g n i t i po di I C , viene specificata, nel suo data sheet, u na gamma d i tem peratu re.
Nella maggior parte dei casi, g l i IC provenienti da u na l i nea di prod uzione ven gono prima p rovati in funzionamento nel la gamma di tem perature com p rese fra O e 70°C ; q u este prove sono soddisfacenti per la magg ior parte del le appl i cazi o n i com merciali e i n d ustrial i . G l i IC che su perano q u este prove vengono poi, di sol ito, pro vati nella gamma -55°C + 1 25°C; i c i rcuiti che su perano le p rove in q uesta gamma
d i tem peratu re sono adatti per la maggior parte delle app l i cazi o n i m i l itari e aerospa zial i .Le due classi , stabi l ite per og n i tipo di I C, sono chiamate industriale e militare.
Questo sistema di classifica deg l i I C dà ai c l i enti del l ' i n d ustria e del c o m mer cio u n prodotto sodd isfacente a u n prezzo m i nore d i q u e l l o che sarebbe altri menti poss i b i le. O ltre alla maggior tol leranza d i temperatu ra rich iesta, i tipi m i l itari , m olto spesso, hanno l i m iti più stretti s u l l e loro prestazioni garantite.
Nel capitolo 1 1 , esa m i neremo più a fondo i circ u iti i nteg rat i , concentrando la nostra attenzione sug l i IC d i g ital i e s u l l e loro molte appl icazio n i .
Q U ESITI R E LATIVI AL CAPITOLO 1 0
1 . Perchè i c i rcu iti i nteg rati s i dividono i n due categorie ( d i g ital i e l i neari)? D a. Q u esti nomi si riferiscono a due tipi generali d i contenitori
D b. Q u este sono le due gamme di temperatu re, o classe, in cui gli IC vengono classificati i n seg u ito alle prove
D c. G l i IC sono sem p l i cemente dei ci rcuiti a c u i capita di essere costruiti i nteg ral mente e che, come tutti i c i rcuiti, sono del tipo a com m utazione o del tipo ad ampi ificazione
D d. Un tipo elabora l'i nformazione e l'altro controlla g rossi dispositivi d i l avoro, come i motori
D e. G l i IC vengono usati o per scopi d ' i m m issione o per scopi di emissione
2. Quali vantaggi presentano gli IC sui c i rcu iti a dispositivi d i screti, g razie a l l a
l o ro magg i o r complessità ( p i ù c i rcu iteria m e n o area)? D a. D i mensioni m i nori
D b. Maggior affidabi l ità
D c. M i g l iori p restazioni comp lessive D d. Costo p i ù basso
D e. Tutto come sopra tran ne c
3 . Q ua l i sono le l i m itazioni dei c i rcu iti i nteg rati?
D a. Non tutti i com ponenti elettro n i ci possono ven i r effi centemente i nteg rati in un c h i p d i s i l i c i o
D b . G l i I C s o n o general mente più costosi deg l i equ ivalenti d ispositivi d iscreti . D c . G l i I C s o n o l i m itati a delle tensioni pi uttosto basse
D d. G l i IC possono sostenere u na potenza dissi pata ( riscal damento) relativa- mente piccola
D e. T utto come sopra tran ne b
4. Q uale p rocesso viene usato per produ rre g l i elementi sem ico nduttori a I C?
D a. G i u nzione ad accresci mento D b. G i u nzione a lega
D c. D iffusione a m esa
D d. D iffusione planare ,
D e. U n n u ovo p rocesso speciale l i m itato agli I C
5 . Q u a l i dei seg uenti componenti elettronici d i uso com une n o n s i trovano neg l i
ord i n ari I C? D a. l nd uttori D b. Diodi D c. Resistori D d. T ransistori
D e. Condensatori a bassa capacità
6. l com ponenti i n u n chip a I C ord i nario sono elettricamente isolati u n o dall'al
tro da:
D a. U no strato d i ossido di silicio fra i componenti e il su bstrato
D b. G i u nzioni PN fra og n i componente e il su bstrato tipo P ( l a corrente conven zionale non può passare da N a P)
D c. U no strato d i silicio non " d rogato" che può non con d u rre elettricità
D e. N o n sono isolati ma la corrente scorre l i beramente da u no a l l'altro d i essi e fra essi
7. Un resistore i n un ord i nario c h i p a IC viene otten uto:
D a. Saldando in loco un transistore d iscreto
D b. Depositando una striscia di u n o speciale m ateriale resistivo sopra la pel l icola
d i ossido
D c. Facendo uso d i u n d iodo (che conduce una corrente i n versa di d ispersione)
come resistore
D d. D iffondendo u na striscia l u n ga e stretta d i reg ione P attraverso u na reg ione N
p i ù g rande
D e. R i d ucendo una striscia metal l i ca d'i nterconnessione, sovrapposta all'ossido,
a una larghezza motto piccola
8. Q uale metodo si usa per aprire delle m i n uscole finestre nel l o strato d i ossido
onde d i ffondere delle i m pu rità i n aree scelte del la piastri na d i s i l i ci o?
D a. U na del icata tecn ica manuale facente uso d i m i n usco l i attrezzi meccanici
D b. Le finestre si hanno nat u ra l mente g razie a l l a ossidazione i rregolare del s i i i cio
D c. Fotog rafi camente, facendo cadere del l e m i n uscole zone d i o m bra sulla pia-
stri na, onde ottenere dei fori i n u n a pel l icola p l asti ca sensibile a l l a l u ce, fa cendo seg u i re a tale operazione u n bag n o i n acido per corrodere l 'ossido sot tostante ai fo ri
D d. U n proceso seg reto " rivol uzionario" non poss i b i l e con d ispositivi d iscreti
D e. Un pen nel l o el ettron i co s i m i l e a quello usato in un tubo a ragg i catod ici
9. Perchè la custodia dual-i n-l i ne i n plastica è il p i ù usato contenitore deg l i IC?
D a. E' econom ica
D b. E' faci l e da i nseri re e sal dare in basette a ci rcu ito stam pato per mezzo d i ap-
parecch i atu re automatiche
D d. E' u na del le custodie p i ù piccole possibi l i
D e. T utto come sopra tranne d
1 0. Perchè g l i I C forn iti da u na l i nea d i prod uzione vengono classificati, d u rante
la fase del l e p rove elettriche, in due catego ri e?
D a. Le p restazioni dei c i rc u iti risentono sempre della temperatu ra. La categoria
m i l itare l avora entro una gamma di temperatu re p i ù estesa che non la catego ria i n d u striale
D b. S i fa uso del l'elettricità o per elaborare le i nfo rmazioni o per compiere un la
voro
D c. G l i IC sono d i tipo d i g itale o l i n eare
D d. Le prestazioni dei c i rcuiti risentono sempre del l a freq uenza di funzionamen
to. l tipi m i l itari possono funzionare a freq uenze più elevate che non i tipi i n
d u strial i
G LOSSAR IO R E LATIVO AL CAPITOLO 1 1
Convertitore di codice E' u n tipo d i blocco-d ig itale decision ale, che converte l'i nforma- zione ricevuta ai suoi i n g ressi in u n altro codice digitale, che viene trasmesso a l l e sue uscite, c h i amato anche cod ificatore o decod ificatore.
Selettore di dati E' un tipo di blocco d i g itale decisionale, che inoltra i dati provenienti da uno q u a lsiasi dei suoi d iversi i n g ressi a l l a sua uscita.
M u ltlplexer E' u n tipo d i b l occo decisionale, che i n o ltra i dati ricevuti dal suo u n ico i n g resso ad una q u alsiasi delle sue uscite.
R egistro E' u n g ru ppo d i 1 \ i p-flop usati i nsieme per memo rizzare diversi bit. Una sua variante è i l registro a scorrimento.
Contatore E' un blocco d i g itale di tipo memorizzato re, che conta g l i i m pu l s i ricevuti al suo i n g resso e trasmette il totale a l l e sue uscite.
Logica positiva E' u n a logica per c u i /a più alta d e l le due tens i o n i logiche sta per " u no" o "sì" e la più bassa sta per "zero" o " no" .
M emoria a sola lettura ( R O M ) E' un blocco d i g itale solitamente classificato come d i tipo memorizzatore. che contiene delle i n formaz i o n i scritte i n permanenza i n esso d u rante l a sua fabbricazione, le q u a l i possono ven i r "lette" a l l e uscite ma n o n variate (''scritte" ) . Logica negativa E' u n a log i ca p e r c u i / a più bassa d e l l e due ten s i o n i logiche sta per "uno"
o " sì " e la più alta sta per "zero" o " no".
M a rgine di rumore S pecifica elettrica di u n blocco d i g itale, che descrive con quanta sicu rezza il b locco trasmette e ri ceve delle i n formazioni co rrette, malgrado la presenza di seg n a l i elettrici caotici, non voluti, c h i amati "rumore" , che tendono ad i n s i n u a rsi in q u alsiasi col l egamento di co m u n i cazi o n i . E' il " marg ine di sicu rezza" esistente fra le ten s i o n i in uscita V oH e VOL prodotte dal blocco trasmittente e le tensioni i n i n g resso V I H e V I L rich i este dal b locco ricevente.
Fan-out ( g uadagno log i co) Specifica elett rica d i u n blocco d i g itale; è dato dal n u mero di altri b l occ h i a cui il primo blocco è capace d i trasmettere - cioè dal nu mero d i i n g ressi che u n ' uscita può p i l otare. E' dete rmi nato dalla capacità d i corrente dell'uscita divisa per i l fabbisogno d i corrente d i u n ' i n g resso.
Velocità di funzionamento E' data da alcune specifiche elettriche ( a volte c h iamate caratteristiche di comm utazione) di un blocco d i g itale, che descrivono con q uanta rap i d i tà il b l occo funziona ('' prende una decisione" ) . Di sol ito, vengono espresse come
tempi di ritardo della propagazione tPLH e tPHL.
D issipazione di potenza E' una specifica elettrica d i u n b l occo d i g itale (di sol ito, non formalmente garantita in un data-sheet perché essa d i pende da tante variab i l i ) . che d i ce q u anti Watt di potenza vengono consu mati dal b l occo e convertiti in calore d u rante i l funzionamento normale.
DTL Log i ca a diodi e transistori: qualsiasi c i rcu ito logico d i gate che facci a uso d i vari d i o d i per compiere l a funzione ANO od OR, segu ito da uno o più transistori per agg i u ng ere potenza al segnale i n uscita (ed eventualmente i nvertirlo) . In passato m olto u sato nei siste m i d i g itali ma ora l argamente soppiantato dai c i rc u iti TTL.
TTL Logica a transistori - transistori: q u alsiasi circu ito logico di gate, c h e faccia uso d i un transistore m u ltiemettitore NPN per compiere la funzione ANO positiva, segu ito da uno o più transistori per a g g i u ngere potenza a l seg nale i n usc ita (ed eventual mente invertirlo) . La velocità d i funzionamento è generalmente s u periore a q u e l l o dei DTL. 54-74 TTL E' una serie (origi nata dalla Texas l nstru ments) di blocchi d i g ital i , che
i m piegano come u n ità base d i gate u n g ru ppo d i certi c i rcuiti TTL molto s i m i l i . E C L Logica ad accoppiamento d i e mettitore: è u n t i p o d i ci rcu ito i m piegato c o m e gate
log ico, notevole per l a sua altissi ma velocità di funzionamento e per l'alta potenza d issi pata. U sato principa l mente i n g randi calcolatori d i g itali ad altissima velocità e vend uto soprattutto in base a esigenze di p rogetto del c l iente.