Интегральные микросхемы
 Скачать 1.1 Mb.
|
|
Интегральные микросхемы Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС, чипом) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение чип-компоненты означает «компоненты для поверхностного монтажа» (в отличие от компонентов для пайки в отверстия на плате). История 7 мая 1952 года британский радиотехник Джеффри Даммер впервые выдвинул идею интеграции множества стандартных электронных компонентов в монолитном кристалле полупроводника, а год спустя Харвик Джонсон подал первую в истории патентную заявку на прототип интегральной схемы (ИС). Реализация этих предложений в те годы не могла состояться из-за недостаточного развития технологий Джеффри Даммер Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип интеграции, создал первые, несовершенные, прототипы ИС и довёл их до серийного выпуска. Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированых на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом). Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии Жана Эрни. 27 сентября 1960 года группа Джея Ласта создала на Fairchild Semiconductor первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни. Джек Килби Курт Леговец Роберт Нойс Сравнение структур генератора колебаний по патенту Джонсона (со сплавным транзистором) и по патенту Килби (с меза-транзистором). Размер опытной структуры Килби — 10 мм в длину и 1.6 мм в ширину. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год). В 1961—1962 парадигму проектирования сломал ведущий разработчик Sylvania Том Лонго, впервые использовав в одной ИС различные конфигурации транзисторов в зависимости от их функций в схеме. В конце 1962 Sylvania выпустила в продажу первое семейство разработанной Лонго транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) — исторически первый тип интегральной логики. Уровни проектирования 1. Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.). 2. Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехнические схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.). 3.Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.). 4.Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле. 5.Топологический — топологические фотошаблоны для производства. 6.Программный уровень — позволяет программисту программировать (для ПЛИС, микроконтроллеров и микропроцессоров) разрабатываемую модель используя виртуальную схему. В настоящее время большая часть интегральных схем проектируется при помощи специализированных САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить производственные процессы, например, получение топологических фотошаблонов. Классификация Степень интеграции малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле, средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле, большая интегральная схема (БИС) — до 10 тыс. элементов в кристалле, сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тыс. элементов в кристалле. Технология изготовления Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле. Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок. Гибридная микросхема— кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус. Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла. Вид обрабатываемого сигнала Аналоговые. Цифровые. Аналого-цифровые. Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания. Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. Технологии изготовления Типы логики Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем. 1. МОП-логика (металл-оксид-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа; 2. КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП). Статический КМОП инвертор 1.РТЛ — резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ); 2.ДТЛ — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ); 3.ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе; 4.ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки; 5.ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие; 6.ИИЛ — интегрально-инжекционная логика. Технологический процесс При изготовлении микросхем используется метод фотолитографии (проекционной, контактной и др.), при этом схему формируют на подложке (обычно из кремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины. Ввиду малости линейных размеров элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолета при засветке отказались. В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают минимальные контролируемые размеры топологии фотоповторителя (контактные окна в оксиде кремния, ширина затворов в транзисторах и т. д.) и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости с рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами фотолитографии, методами вытравливания и напыления. Назначение Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера. Аналоговые схемы: Операционные усилители. Компараторы. Генераторы сигналов. Фильтры (в том числе на пьезоэффекте). Аналоговые умножители. Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители. Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока. Микросхемы управления импульсных блоков питания. Преобразователи сигналов. Схемы синхронизации. Различные датчики (например, температуры). Генератор сигналов Аналоговый умножитель Стабилизатор напряжения переменного тока Преобразователь сигналов тензодатчиков Цифровые схемы: Цифровые схемы: Логические элементы Триггеры Счётчики Регистры Буферные преобразователи Шифраторы Дешифраторы Цифровой компаратор Мультиплексоры Демультиплексоры Сумматоры Полусумматоры Ключи АЛУ Микроконтроллеры (Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров) Однокристальные микрокомпьютеры Микросхемы и модули памяти ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы) Компараторы массы Сумматор ЦП Аналогово-цифровые схемы: Аналогово-цифровые схемы: цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС). Трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet). Модуляторы и демодуляторы. Радиомодемы Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста Трансиверы Fast Ethernet и оптических линий Dial-Up модемы Приёмники цифрового ТВ Сенсор оптической мыши Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах Цифровые аттенюаторы. Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с последовательным интерфейсом. Коммутаторы. Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации Базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые первичные элементы. Dial-Up модем Коммутатор Приемник цифрового ТВ |