半导体固体电路

随着无线电电子学的发展，尤其是宇宙航行、火箭技术、导弹、电子计算机等类技术的需要，推动着电子学工作者们急切地解决电子设备结构日益复杂所引起的体积与重量的矛盾，以及高可靠性的要求等问题，由此而产生了一门专门研究电子设备微小型化的学科——“微电子学”。本刊1966年第2期介绍的“微型组合件”就是微电子学的一个分枝。微型组件虽然已经把电子设备推进到一个体积、重量都与传统小型元件所不能比拟的境地，但对近代的火箭、宇宙航行等用的电子设备的复杂性说，都已嫌太重太大了。由此而促成进一步的发展，出现了所谓“集成电路”。集成电路是用特殊方法把一个电路的全部或一部分元件装制在一块作为衬底的极小的薄片材料上，因而能将一个电路做到十分小。集成电路又有多种，这里只介绍一种最有代表性的“半导体固体电路”。

半导体固体电路是将电路的所有元件或一部分元件制在一小块半导体衬底材料上，体积能做得更小，每一立方厘米能装接3500多个元件。半导体固体电路，主要是半导体技术发展的产物，它的制造基本上立足于半导体器件制造工艺。图1为各种半导体固体电路的外形（参看封底彩图）。

半导体固体电路分“单片型”及“多片型”两类。“单片型”是将电路的所有元件都制造在一块衬底上（如图2a），“多片型”是将电路元件分制在几块半导体材料上（如图2b），然后用引线联成电路。还有运用薄膜技术制作一部分元件的所谓“混合型固体电路”。这里只着重介绍单片型的固体电路。

半导体固体电路的制造，主要是利用半导体材料的体积特性和各种p－n结特性。单片型固体电路，一般是在一块半导体材料如p型硅晶片上，设法淀积一层n型硅，加热氧化形成氧化层，作为隔离罩（如图3①）。然后再利用照象掩蔽蚀刻方法除去部分氧化膜，暴露一部分n型层，在高温下经过扩散形成p型层，再经过氧化将表面封闭（如图3②）。再一次经过照象掩蔽光蚀，有选择地除去一部分氧化膜暴露n型区，进行第二次扩散，又形成一定深度的p型层（如图3③，左边为一个三极管，右边为一个电阻），并再一次氧化封闭。然后在这样形成的p型层上，再经过掩蔽光蚀及第三次扩散，生成一小块n型层（如图3④左边所示，作为三极管的发射极，电阻等元件部分留下不再蚀刻扩散）。至此，三极管、二极管、电阻、电容等类元件的基本部分均已形成。根据线路接线及元件需要，再一次进行掩蔽蚀刻，产生孔洞及沟渠，用真空蒸发镀膜方法，淀积一层铝膜。最后根据接线需要，经过掩蔽光蚀，除去不需要的铝膜，形成接线及内引线接线端（如图3⑤及封底）。以上方法称为“三次扩散方法”，这里所介绍的只是一个简略的过程。

上述方法制成的固体电路，由于元件与衬底之间存在“分布的二极管”，导致泄漏电流和寄生耦合电容，制造电阻值也有很大限制，因之产生一种“隔离式单片电路”。如图3⑥所示，将一块n型硅晶片加热氧化，蚀刻成隔离槽，并氧化封闭，再一步在氧化膜上，生长p型硅结晶，最后再将原来n型基底，大部分研磨掉，形成互相分离的n型区，再加氧化封闭。这样就减小了漏泄电流及耦合电容。

除以上方法外，还有一些制作方法这里就不介绍了。

半导体固体电路的元件，与普通“元件堆积式”的电路不同。在这里元件都在一块作衬底的半导体材料里制成，如上述主要是利用各种P－n结特性。元件之间的间隔与绝缘，有的是利用半导体的p－n结所具有的整流特性，特别是硅的反向电阻高的特性；有的是用氧化膜层作绝缘。

半导体三极管的制作是将隔离的n型区作为集电极（如图4a，b），再经过扩散，形成P型层和一个p、n结，以这个p型层为基极，再在p型层中，用扩散方法形成一个n型层，作为发射极，以制成npn型三极管（参看封底彩图左上角及中间所绘图案）。

二极管是在隔离的n型区中，经扩散形成P型层，形成一个p－n结，而制成。但一般是用以上所述的三极管的基极及发射极的P－n结作二极管用（如图4b所示），也可按需要将以上形成的三极管的集电极与基极作为二极管用，或用任二极短路与另一极形成二极管用。

电阻是在n型区中作P型扩散，利用这个p型区的体积电阻，作电阻用，一般作成100欧——20千欧的电阻比较经济。由于有分布电容的存在，在高频电路中是不太理想的。

电容器主要是利用p－n结形成的“结电容”，制作方法如电阻（如图4b中所示），只是利用p－n结的边界层两边作极片形成电容器。由于每个单位面积的电容量很小，在400微微法以上的电容器，从面积上说是不经济的。

除以上各种元件外，其他如线圈（电感）等类元件在晶体中制作问题还未完全解决，一般可将小电感线圈另外焊接，同装于一个管壳内，或另装于壳外。

各个元件形成后，以铝膜联结，晶片焊接在底座引线眼壳上，晶片边缘常留有内引线的接线端，再以较细的内引线焊接引向一定的外引线脚上。外引线固定在玻璃底座上（参见封底及图5），然后加上外壳封焊。成品的半导体固体电路每个大小约如一个普通低频三极管。固体电路的装配及接线有多种方式，可参阅图1及封底。

半导体固体电路的出现，对电子元件的生产方式和概念产生了质的变化。电子元件如半导体管、 电阻、电容器等，不再以传统的独立形式出现，而是不能分离地，在结构上、电性能上，都紧密结合在一起，成为一个整体的电子线路。这种技术的发展，使电子电路及设备，向更小的领域又跨了一大步，与微型组件相比，元件的装接密度增大了一百多倍。这就意味着设备体积可以缩小得更多了。由于元件间连接接线更少，所以可靠性更高了。使用半导体固体电路和其他一些微型器件的配合，可以把过去许多用传统元件制成的庞然大物，缩小成一个小纸盒般大小的东西。例如电子计算机，尤其是火箭、导弹中作制导用的各种计算机，可以选用更复杂的线路，装于弹体内占用更小的容积和重量，达到更高的精度，更提高制导性能。在宇宙航行上的电子仪器，固体电路的使用更具有决定性的意义。在其他方面，利用固体电路可以实现许多特殊的自动控制设备，例如装有微型控制计算机的自动机床。目前已有人利用固体电路制成能完全塞在耳内的助听器，及大小如一支自来水笔的收音机和扩音机等。在微电子学领域内，正在大力向更小的电子线路进军，目前如对所谓“分子功能块”的研究，已有许多成就，并逐渐接近实用阶段。（本刊根据资料编写）