Il y a à peine vingt-cinq ans, les radioamateurs et les spécialistes de l'ancienne génération devaient alors étudier de nouveaux appareils : les transistors. Il n’a pas été facile d’abandonner les tubes à vide auxquels nous étions si habitués et de passer à la « famille » encombrée et en constante expansion des dispositifs à semi-conducteurs.

Et maintenant, cette «famille» commence de plus en plus à céder la place dans l'ingénierie radio et l'électronique à la dernière génération de dispositifs à semi-conducteurs - les circuits intégrés, souvent appelés CI en abrégé.

Qu'est-ce qu'un circuit intégré

Circuit intégré est une unité électronique miniature contenant dans un boîtier commun des transistors, des diodes, des résistances et d'autres éléments actifs et passifs, dont le nombre peut atteindre plusieurs dizaines de milliers.

Un microcircuit peut remplacer une unité entière d'un récepteur radio, d'un ordinateur électronique (ordinateur) et d'une machine électronique. Le « mécanisme » d’une montre-bracelet numérique, par exemple, n’est qu’une puce plus grande.

Selon leur objectif fonctionnel, les circuits intégrés sont divisés en deux groupes principaux : les microcircuits analogiques ou à impulsions linéaires et logiques ou numériques.

Les microcircuits analogiques sont destinés à l'amplification, à la génération et à la conversion d'oscillations électriques de différentes fréquences, par exemple pour les récepteurs, les amplificateurs et les logiques - pour une utilisation dans les appareils d'automatisation, dans les appareils à horloge numérique, dans les ordinateurs.

Cet atelier est consacré à la familiarisation avec le dispositif, le principe de fonctionnement et l'application possible des circuits intégrés analogiques et logiques les plus simples.

Sur une puce analogique

Parmi l'immense « famille » des microcircuits analogiques, les plus simples sont les microcircuits jumeaux K118UN1A (K1US181A) et K118UN1B (K1US181B), qui font partie de la série K118.

Chacun d’eux est un amplificateur contenant… Cependant, il vaut mieux parler plutôt de « bourrage » électronique. Pour l'instant, nous les considérerons comme des « boîtes noires » avec des broches pour y connecter des alimentations, des pièces supplémentaires, des circuits d'entrée et de sortie.

La différence entre eux réside uniquement dans leurs facteurs d'amplification pour les oscillations basse fréquence : le facteur de gain du microcircuit K118UN1A à une fréquence de 12 kHz est de 250, et celui du microcircuit K118UN1B est de 400.

Aux hautes fréquences, le gain de ces microcircuits est le même - environ 50. Ainsi, n'importe lequel d'entre eux peut être utilisé pour amplifier les oscillations des basses et des hautes fréquences, et donc pour nos expériences. L'apparence et les symboles de ces microcircuits amplificateurs sur les schémas électriques des appareils sont illustrés à la Fig. 88.

Ils ont un corps rectangulaire en plastique. Sur le dessus du boîtier se trouve une marque qui sert de point de référence pour les numéros de broches. Les microcircuits sont conçus pour être alimentés à partir d'une source CC avec une tension de 6,3 V, qui est fournie via les broches 7 (+Upit) et 14 (— U Pierre).

La source d'alimentation peut être une alimentation alternative avec une tension de sortie réglable ou une batterie composée de quatre cellules 334 et 343.

La première expérience avec le microcircuit K118UN1A (ou K118UN1B) a été réalisée selon le schéma présenté sur la Fig. 89. Comme planche de montage, utilisez une plaque en carton mesurant environ 50X40 mm.

Broches de microcircuit 1, 7, 8 Et 14 souder aux agrafes métalliques passées à travers les trous du carton. Tous serviront de supports maintenant le microcircuit sur la carte et les supports de broches 7. et 14, de plus, connecter les contacts avec la batterie G.B.1 (ou alimentation secteur).

Entre eux, des deux côtés du microcircuit, renforcez deux ou trois contacts supplémentaires, qui serviront d'intermédiaires pour des pièces supplémentaires. Monter les condensateurs sur la carte C1(type K50-6 ou K50-3) et C2(KYAS, BM, MBM), connectez un casque à la sortie du microcircuit À 2 HEURES.

Connectez-vous à l'entrée du microcircuit (via un condensateur C1) microphone électrodynamique EN 1 n'importe quel type de capsule téléphonique DEM-4m, allumez l'appareil et, en appuyant plus fermement les téléphones contre vos oreilles, tapotez légèrement sur le microphone avec un crayon. S'il n'y a aucune erreur lors de l'installation, des sons ressemblant à des clics sur un tambour devraient être entendus dans les téléphones.

Demandez à un ami de dire quelque chose devant le microphone - vous entendrez sa voix au téléphone. Au lieu d'un microphone, vous pouvez connecter un haut-parleur de diffusion radio (abonné) avec son transformateur correspondant à l'entrée du microcircuit. L'effet sera à peu près le même.

Poursuivant l'expérience avec un appareil téléphonique simple effet, connectez entre le conducteur commun (négatif) du circuit de puissance et la sortie 12 condensateur électrolytique à microcircuit NO, indiqué sur le schéma par des lignes pointillées. Dans le même temps, le volume sonore des téléphones devrait augmenter.

Les téléphones sonneront encore plus fort si le même condensateur est connecté au circuit de sortie 5 (sur la Fig. 89 - condensateur C4). Mais si l'amplificateur est excité, alors entre le fil commun et la broche 11, vous devrez connecter un condensateur électrolytique d'une capacité de 5 à 10 µF. tension nominale 10 V.

Autre expérience : allumez-le entre les broches 10 Et 3 microcircuits condensateur en céramique ou en papier d'une capacité de 5 à 10 000 picofarads. Ce qui s'est passé? Un son incessant de hauteur moyenne est apparu sur les téléphones. À mesure que la capacité de ce condensateur augmente, la tonalité sonore des téléphones devrait diminuer et, avec une diminution, elle devrait augmenter. Vérifie ça.

Ouvrons maintenant cette « boîte noire » et regardons son « remplissage » (Fig. 90). Oui, il s'agit d'un amplificateur à deux étages avec couplage direct entre ses transistors. Transistors en silicium, structures n -R-n. Le signal basse fréquence généré par le microphone est fourni (via le condensateur C1) à l'entrée du microcircuit (broche 3).

Chute de tension créée aux bornes de la résistance R.6 dans le circuit émetteur du transistor V2, à travers des résistances R.4 Et R.5 fourni à la base du transistor VI et l'ouvre. Résistance R.1 — charge de ce transistor. Le signal amplifié qui en est extrait va à la base du transistor V2 pour un gain supplémentaire.

Dans un amplificateur expérimental avec une charge à transistor V2 il y avait des écouteurs inclus dans son circuit collecteur, qui convertissaient le signal basse fréquence en son.

Mais sa charge pourrait être une résistance R.5 microcircuits, si vous connectez les fils ensemble 10 Et 9. Dans ce cas, les téléphones doivent être connectés entre le fil commun et le point de connexion de ces bornes via un condensateur électrolytique d'une capacité de plusieurs microfarads (la plaque positive au microcircuit).

Lors de la connexion d'un condensateur entre le fil commun et la borne 12 microcircuit, le volume sonore a augmenté, Pourquoi ? Parce qu'il shunte la résistance R.6 microcircuit, affaibli la rétroaction négative sur le courant alternatif qui y fonctionne.

La rétroaction négative est devenue encore plus faible lorsque vous avez inclus un deuxième condensateur dans le circuit de base du transistor. V1. Et le troisième condensateur connecté entre le fil commun et la sortie 11, formé d'une résistance R.7 filtre de découplage de microcircuit qui empêche l'excitation de l'amplificateur.

Que s'est-il passé lorsque vous avez connecté un condensateur entre les bornes ? 10 et 5 ? Il a créé une rétroaction positive entre la sortie et l’entrée de l’amplificateur, ce qui l’a transformé en oscillateur de fréquence audio.

Ainsi, comme vous pouvez le constater, le microcircuit K118UN1B (ou K118UN1A) est un amplificateur qui peut être basse ou haute fréquence, par exemple dans un récepteur. Mais il peut aussi devenir un générateur d’oscillations électriques de basses et hautes fréquences.

Microcircuit dans un récepteur radio

Nous proposons de tester ce microcircuit dans le trajet haute fréquence d'un récepteur assemblé, par exemple, selon le circuit représenté sur la Fig. 91. Le circuit d'entrée de l'antenne magnétique d'un tel récepteur est formé par une bobine L1 et un condensateur variable C1. Signal haute fréquence provenant de la station radio sur laquelle le circuit est syntonisé, via une bobine de communication L2 et condensateur d'isolement C2 arrive à l'entrée (sortie 3) microcircuits L1.

De la sortie du microcircuit (sortie 10, connecté à la sortie 9) le signal amplifié est alimenté par un condensateur C4 pour détecteur, diodes VI Et V2 qui sont allumés en fonction du circuit de multiplication de tension, et le signal basse fréquence qui lui est attribué est le téléphone EN 1 converti en son. Le récepteur est alimenté par batterie G.B.1, composé de quatre éléments 332, 316 ou cinq batteries D-01.

Dans de nombreux récepteurs à transistors, l'amplificateur haute fréquence est constitué de transistors, mais dans celui-ci, il s'agit d'un microcircuit. C'est la seule différence entre eux. Ayant l'expérience des ateliers précédents, j'espère que vous saurez monter et monter en toute autonomie g installez un tel récepteur et même, si vous le souhaitez, complétez-le par un amplificateur basse fréquence pour la réception radio haut-parleur.

Sur une puce logique

L'élément logique ET-NON, dont vous voyez le symbole sur la Fig. 92, UN. Son symbole est le signe "&" placé à l'intérieur d'un rectangle, généralement dans le coin supérieur gauche, remplaçant la conjonction "AND" en anglais. Il y a deux entrées ou plus à gauche, une sortie à droite.

Le petit cercle qui commence la ligne de communication du signal de sortie symbolise la négation logique « NON » à la sortie du microcircuit. Dans le langage de la technologie numérique, « NON » signifie que l'élément NAND est un onduleur, c'est-à-dire un appareil dont les paramètres de sortie sont opposés à ceux d'entrée.

L'état électrique et le fonctionnement d'un élément logique sont caractérisés par les niveaux de signal à ses entrées et à sa sortie. Un signal de tension faible (ou nul), dont le niveau ne dépasse pas 0,3 - 0,4 V, est généralement appelé (conformément au système de nombres binaires) zéro logique (0) et un signal de tension plus élevé (par rapport au 0 logique) , dont le niveau peut être de 2,5 à 3,5 V, - unité logique (1).

Par exemple, ils disent : « la sortie de l’élément est le 1 logique ». Cela signifie qu'au moment où un signal est apparu à la sortie de l'élément, dont la tension correspond au niveau logique 1.

Afin de ne pas entrer dans la technologie et la structure de l'élément NAND, nous le considérerons comme une « boîte noire », qui possède deux entrées et une sortie pour un signal électrique.

La logique de l'élément est que lorsque le O logique est appliqué à l'une de ses entrées et que le 1 logique est appliqué à la deuxième entrée, un signal logique 1 apparaît à la sortie, qui disparaît lorsque les signaux correspondant au 1 logique sont appliqués aux deux entrées. .

Pour les expériences qui mémorisent cette propriété de l'élément, vous aurez besoin du microcircuit K155LAZ le plus courant, d'un voltmètre DC, d'une pile 3336L neuve et de deux résistances d'une résistance de 1...1,2 kOhm.

Le microcircuit K155LAZ est constitué de quatre éléments 2I-NOT (Fig. 92, b), alimentés par une source commune de 5 V CC, mais chacun d'eux fonctionne comme un dispositif logique indépendant. Le chiffre 2 dans le nom du microcircuit indique que ses éléments ont deux entrées.

En apparence et en conception, comme tous les microcircuits de la série K155, il ne diffère pas du microcircuit analogique déjà familier K118UN1, seule la polarité de connexion de la source d'alimentation est différente. Par conséquent, le carton que vous avez fabriqué précédemment convient aux expériences avec ce microcircuit. La source d'alimentation est connectée : +5 V - à la broche 7" — 5 B - jusqu'à la conclusion 14.

Mais ces conclusions ne sont généralement pas indiquées sur un schéma de principe du microcircuit. Cela s'explique par le fait que sur les schémas de circuit, les éléments qui composent le microcircuit sont représentés séparément, par exemple, comme sur la Fig. 92, v. Pour les expériences, vous pouvez utiliser l’un de ses quatre éléments.

Broches du microcircuit 1, 7, 8 Et 14 souder aux poteaux métalliques sur le carton (comme sur la Fig. 89). L'une des broches d'entrée de l'un de ses éléments, par exemple un élément avec des broches 1 — 3, connecter via une résistance d'une résistance de 1...1,2 kOhm à la sortie 14, la sortie de la deuxième entrée est directement avec le conducteur commun (« mis à la terre ») du circuit de puissance, et connectez un voltmètre CC à la sortie de l'élément (Fig. 93, UN).

Allumer l'appareil. Que montre le voltmètre ? Une tension d'environ 3 V. Cette tension correspond à un signal logique 1 en sortie de l'élément. A l'aide du même voltmètre, mesurez la tension à la sortie de la première entrée. Et ici, comme vous pouvez le voir, c'est aussi le 1 logique. Par conséquent, lorsque l'une des entrées de l'élément est le 1 logique, et la seconde est le 0 logique. , la sortie sera logique 1.

Connectez maintenant la sortie de la deuxième entrée via une résistance d'une résistance de 1...1,2 kOhm à la sortie. 14 et en même temps un cavalier - avec un conducteur commun, comme le montre la Fig. 93, b.

Dans ce cas, la sortie, comme dans la première expérience, sera le 1 logique. Ensuite, en surveillant l'aiguille du voltmètre, retirez le cavalier pour qu'un signal correspondant au 1 logique soit envoyé à la deuxième entrée.

Qu'enregistre un voltmètre ? Le signal à la sortie de l'élément est converti en 0 logique. C'est comme ça que ça devrait être ! Et si l'une des entrées est périodiquement court-circuitée avec un fil commun et simule ainsi la fourniture d'un 0 logique, alors des impulsions de courant apparaîtront à la sortie de l'élément avec la même fréquence, comme en témoignent les fluctuations de l'aiguille du voltmètre. Vérifiez cela expérimentalement.

La propriété de l'élément NAND de changer d'état sous l'influence de signaux de commande d'entrée est largement utilisée dans divers appareils informatiques numériques. Les radioamateurs, en particulier les débutants, utilisent très souvent un élément logique comme inverseur - un appareil dont le signal de sortie est opposé au signal d'entrée.

L'expérience suivante peut confirmer cette propriété de l'élément. Connectez les bornes des deux entrées de l'élément ensemble et, via une résistance d'une résistance de 1...1,2 kOhm, connectez-les à la sortie 14 (Fig. 93, V).

De cette façon vous appliquerez un signal correspondant au 1 logique à l'entrée commune de l'élément dont la tension pourra être mesurée avec un voltmètre. Quel est le résultat ?

L'aiguille du voltmètre qui y était connectée s'écartait légèrement du repère zéro. Ici donc, comme prévu, le signal correspond au 0 logique.

Ensuite, sans déconnecter la résistance de la sortie 14 microcircuits, connectez l'entrée de l'élément au conducteur commun plusieurs fois de suite avec un cavalier (sur la Fig. 93, V représenté par une ligne pointillée avec des flèches) et suivez en même temps l'aiguille du voltmètre. Ainsi vous serez persuadé que lorsque l'entrée de l'onduleur est à 0 logique, la sortie est à 1 logique et, à l'inverse, lorsque l'entrée est à 1 logique, la sortie est à 0 logique.

C'est ainsi que fonctionne un onduleur, particulièrement souvent utilisé par les radioamateurs dans les appareils à impulsions qu'ils construisent.

Un exemple d'un tel dispositif est un générateur d'impulsions assemblé selon le circuit représenté sur la Fig. 94. Vous pouvez vérifier sa fonctionnalité immédiatement en y consacrant seulement quelques minutes.

La sortie de l'élément D1.1 est reliée aux entrées de l'élément D1.2 le même microcircuit, sa sortie est avec les entrées de l'élément DJ.3, et la sortie de cet élément (sortie 8) - avec entrée d'élément D1.1 via la résistance variable R1 . Vers la sortie de l'élément D1.3 (entre la sortie 8 et un conducteur commun) connectez les écouteurs B1, un parallèle aux éléments D1.1 et D1.2 condensateur électrolytique C1.

Réglez le moteur à résistance variable sur la position droite (selon le schéma) et mettez sous tension - vous entendrez un son dans les téléphones, dont la tonalité peut être modifiée avec une résistance variable.

Dans cette expérience, les éléments D1.1, D1.2 etD1.3, connectés les uns aux autres en série, comme les transistors d'un amplificateur à trois étages, ils formaient un multivibrateur - un générateur d'impulsions électriques rectangulaires.

Le microcircuit est devenu un générateur grâce à un condensateur et une résistance, qui créaient des circuits de rétroaction dépendant de la fréquence entre la sortie et l'entrée des éléments. À l'aide d'une résistance variable, la fréquence des impulsions générées par le multivibrateur peut varier en douceur d'environ 300 Hz à 10 kHz.

Quelle application pratique un tel appareil à impulsions peut-il trouver ? Il peut devenir, par exemple, une cloche d'appartement, une sonde pour vérifier les performances des cascades de récepteurs et d'amplificateurs basse fréquence, un générateur pour s'entraîner à l'écoute de l'alphabet télégraphique.

Machine à sous faite maison sur puce

Un tel appareil peut être transformé en machine à sous « Rouge ou Vert ? Le schéma d'un tel dispositif à impulsion est présenté sur la Fig. 95. Voici les éléments D1.1, D1.2, D1.3 le même (ou le même) microcircuit et condensateur K155LAZ C1 former un multivibrateur similaire dont les impulsions contrôlent les transistors VI Et V2, connectés selon un circuit émetteur commun.

Élément D1.4 fonctionne comme un onduleur. Grâce à lui, les impulsions du multivibrateur arrivent aux bases des transistors en antiphase et les ouvrent alternativement. Ainsi, par exemple, lorsque le niveau logique est 1 à l'entrée de l'inverseur, et que le niveau logique est 0 à la sortie, alors à ces instants, le transistor EN 1 ouvert et ampoule SALUT dans son circuit collecteur est allumé, et le transistor V2 fermé et son ampoule H2 ne brûle pas.

Avec l'impulsion suivante, l'onduleur changera son état à l'opposé. Maintenant le transistor va s'ouvrir V2 et la lumière s'allume H2, et le transistor VI l'ampoule va se fermer H1 va sortir.

Mais la fréquence des impulsions générées par le multivibrateur est relativement élevée (au moins 15 kHz) et les ampoules ne peuvent naturellement pas répondre à chaque impulsion.

C'est pourquoi ils brillent faiblement. Mais cela vaut la peine d'appuyer sur le bouton S1 pour court-circuiter le condensateur avec ses contacts C1 et perturbe ainsi la génération du multivibrateur, lorsque l'ampoule du transistor sur la base de laquelle à ce moment il y aura une tension correspondant au 1 logique s'allume immédiatement vivement, et l'autre ampoule s'éteint complètement.

Il est impossible de dire à l'avance laquelle des ampoules continuera à s'allumer après avoir appuyé sur le bouton - on ne peut que deviner. C'est le but du jeu.

La machine à sous ainsi que la batterie (3336L ou trois éléments 343 connectés en série) peuvent être placées dans un petit boîtier, par exemple dans le cas d'un récepteur « de poche ».

Ampoules à incandescence SALUT Et H2(MH2.5-0.068 ou MH2.5-0.15) placez-les sous les trous de la paroi avant du boîtier et recouvrez-les de capuchons ou de plaques de verre organique de couleurs rouge et verte. Ici, renforcez l'interrupteur d'alimentation (interrupteur à bascule TV-1) et l'interrupteur à bouton-poussoir §1(tapez P2K ou KM-N) arrêtant le multivibrateur.

Mettre en place une machine à sous implique de sélectionner soigneusement une résistance R.1. Sa résistance doit être telle que lorsque vous arrêtez le multivibrateur avec le bouton S1 au moins 80 à 100 fois le nombre de lumières sur chacune des ampoules était à peu près le même.

Vérifiez d’abord si le multivibrateur fonctionne. Pour ce faire, parallèlement au condensateur C1, e, dont la capacité peut être de 0,1...0,5 µF, connectez un condensateur électrolytique d'une capacité de 20...30 µF et des écouteurs à la sortie du multivibrateur - un son grave devrait apparaître dans les téléphones.

Ce son est un signe du fonctionnement du multivibrateur. Retirez ensuite le condensateur électrolytique, la résistance R.1 remplacer par une résistance d'accord d'une résistance de 1,2...1,3 kOhm, et entre les bornes 8 et 11 éléments D.I..3 Et D1.4 allumez le voltmètre DC. En modifiant la résistance de la résistance d'ajustement, obtenez une position telle que le voltmètre indique une tension nulle entre les sorties de ces éléments du microcircuit.

Il peut y avoir n'importe quel nombre de joueurs. Chaque personne appuie à tour de rôle sur le bouton d'arrêt du multivibrateur. Le gagnant est celui qui, avec un nombre égal de mouvements, par exemple vingt pressions sur un bouton, devine les couleurs des ampoules qui s'allument plusieurs fois après l'arrêt du multivibrateur.

Malheureusement, la fréquence du multivibrateur de la machine à sous la plus simple décrite ici change quelque peu en raison de la décharge de la batterie, ce qui, bien sûr, affecte la probabilité égale d'allumer différentes ampoules, il est donc préférable de l'alimenter à partir d'une source de tension stabilisée de 5 V.

Littérature : Borisov V.G. Atelier pour radioamateur débutant. 2e éd., révisée. et supplémentaire - M. : DOSAAF, 1984. 144 p., ill. 55k.

La mise en œuvre de ces propositions au cours de ces années n'a pas pu avoir lieu en raison du développement insuffisant de la technologie.

À la fin de 1958 et dans la première moitié de 1959, une percée a eu lieu dans l'industrie des semi-conducteurs. Trois hommes, représentant trois sociétés privées américaines, ont résolu trois problèmes fondamentaux qui empêchaient la création de circuits intégrés. Jack Kilby de Texas Instruments a breveté le principe de combinaison, créé les premiers prototypes imparfaits de propriété intellectuelle et les a amenés à la production en série. Kurt Lehovec de Compagnie électrique Sprague a inventé une méthode pour isoler électriquement des composants formés sur une seule puce semi-conductrice (isolation à jonction p-n). Isolation de la jonction P – n)). Robert Noyce de Fairchild Semi-conducteur a inventé une méthode de connexion électrique des composants IC (métallisation de l'aluminium) et proposé une version améliorée de l'isolation des composants basée sur la dernière technologie planaire de Jean Herni. Jean Hoerni). Le 27 septembre 1960, le groupe de Jay Last Jay Dernier) créé sur Fairchild Semi-conducteur le premier qui fonctionne semi-conducteur IP basée sur les idées de Noyce et Ernie. Texas Instruments, qui détenait le brevet de l'invention de Kilby, a lancé une guerre des brevets contre ses concurrents, qui s'est terminée en 1966 par un accord de règlement sur les technologies de licences croisées.

Les premiers circuits intégrés logiques de la série mentionnée étaient littéralement construits à partir de standard composants dont les tailles et les configurations ont été spécifiées par le processus technologique. Les concepteurs de circuits qui ont conçu des circuits intégrés logiques d'une famille particulière fonctionnaient avec les mêmes diodes et transistors standard. En 1961-1962 le principal développeur a brisé le paradigme de la conception Sylvanie Tom Longo, pour la première fois utilisant différents circuits intégrés en un seul configurations de transistors en fonction de leurs fonctions dans le circuit. Fin 1962 Sylvanie a lancé la première famille de logiques transistor-transistor (TTL) développée par Longo - historiquement le premier type de logique intégrée qui a réussi à s'implanter à long terme sur le marché. Dans les circuits analogiques, une percée de ce niveau a été réalisée en 1964-1965 par le développeur d'amplificateurs opérationnels. Fairchild Bob Widlar.

Le premier microcircuit national a été créé en 1961 au TRTI (Taganrog Radio Engineering Institute) sous la direction de L. N. Kolesov. Cet événement a attiré l'attention de la communauté scientifique du pays et TRTI a été reconnu comme leader du système du ministère de l'Enseignement supérieur sur le problème de la création d'équipements microélectroniques hautement fiables et de l'automatisation de sa production. L.N. Kolesov lui-même a été nommé président du Conseil de coordination sur ce problème.

Le premier circuit intégré hybride à couche épaisse d'URSS (série 201 « Trail ») a été développé en 1963-65 à l'Institut de recherche en technologie de précision (« Angstrem »), production en série depuis 1965. Des spécialistes du NIEM (aujourd'hui Argon Research Institute) ont participé au développement.

Le premier circuit intégré à semi-conducteurs d'URSS a été créé sur la base de la technologie planaire, développée au début des années 1960 au NII-35 (alors rebaptisé Pulsar Research Institute) par une équipe qui a ensuite été transférée au NIIME (Mikron). La création du premier circuit intégré national en silicium s'est concentrée sur le développement et la production avec l'acceptation militaire de la série TS-100 de circuits intégrés en silicium (37 éléments - l'équivalent de la complexité du circuit d'une bascule, un analogue du circuit intégré américain série IC SN-51 entreprises Texas Instruments). Des échantillons prototypes et des échantillons de production de circuits intégrés en silicium destinés à la reproduction ont été obtenus aux États-Unis. Les travaux ont été réalisés au NII-35 (directeur Trutko) et à l'usine de semi-conducteurs Fryazino (directeur Kolmogorov) pour une commande de défense destinée à être utilisée dans un altimètre autonome pour un système de guidage de missile balistique. Le développement comprenait six circuits planaires intégrés standard en silicium de la série TS-100 et, avec l'organisation de la production pilote, a duré trois ans au NII-35 (de 1962 à 1965). Il a fallu encore deux ans pour développer la production en usine avec l'acceptation militaire à Fryazino (1967).

En parallèle, des travaux sur le développement d'un circuit intégré ont été menés au bureau d'études central de l'usine de dispositifs semi-conducteurs de Voronej (aujourd'hui -). En 1965, lors d'une visite au VZPP du ministre de l'Industrie électronique A.I. Shokin, l'usine fut chargée de mener des travaux de recherche sur la création d'un circuit monolithique en silicium - R&D « Titan » (arrêté ministériel n° 92 du 16 août 2008). 1965), achevé plus tôt que prévu, à la fin de l'année. Le sujet a été soumis avec succès à la Commission d'État et une série de 104 microcircuits logiques à diodes et transistors est devenue la première réalisation fixe dans le domaine de la microélectronique à semi-conducteurs, ce qui a été reflété dans l'ordonnance MEP n° 403 du 30 décembre 1965.

Niveaux de conception

Actuellement (2014), la plupart des circuits intégrés sont conçus à l'aide de systèmes de CAO spécialisés, qui permettent d'automatiser et d'accélérer considérablement les processus de production, par exemple l'obtention de photomasques topologiques.

Classification

Degré d'intégration

Selon le degré d'intégration, les noms de circuits intégrés suivants sont utilisés :

• petit circuit intégré (MIS) - jusqu'à 100 éléments par puce,
• circuit intégré moyen (SIS) - jusqu'à 1000 éléments par puce,
• grand circuit intégré (LSI) - jusqu'à 10 000 éléments par puce,
• circuit intégré à très grande échelle (VLSI) - plus de 10 000 éléments dans un cristal.

Auparavant, des noms désormais obsolètes étaient également utilisés : circuit intégré à très grande échelle (ULSI) - de 1 à 10 millions à 1 milliard d'éléments dans un cristal et, parfois, circuit intégré à très grande échelle (GBIC) - plus de 1 milliards d'éléments dans un cristal. Actuellement, dans les années 2010, les noms « UBIS » et « GBIS » ne sont pratiquement pas utilisés et tous les microcircuits comportant plus de 10 000 éléments sont classés comme VLSI.

Technologie de fabrication

Microensemble hybride STK403-090, retiré du boîtier

• Puce semi-conductrice - tous les éléments et connexions inter-éléments sont réalisés sur un seul cristal semi-conducteur (par exemple, silicium, germanium, arséniure de gallium).

• Circuit intégré en film - tous les éléments et connexions inter-éléments sont réalisés sous forme de films :
  • circuit intégré à couche épaisse;
  • circuit intégré à couche mince.
• Puce hybride (souvent appelée microassemblage), contient plusieurs diodes, transistors et/ou autres composants électroniques actifs. Le microensemble peut également comprendre des circuits intégrés non emballés. Les composants de microassemblages passifs (résistances, condensateurs, inductances) sont généralement fabriqués à l'aide de technologies à couches minces ou à couches épaisses sur un substrat de puce hybride commun, généralement en céramique. L'ensemble du substrat avec les composants est placé dans un seul boîtier étanche.
• Microcircuit mixte - en plus du cristal semi-conducteur, il contient des éléments passifs à couche mince (à couche épaisse) situés à la surface du cristal.

Type de signal traité

• Analogique-numérique.

Technologies de fabrication

Types de logique

L'élément principal des microcircuits analogiques sont les transistors (bipolaires ou à effet de champ). La différence dans la technologie de fabrication des transistors affecte considérablement les caractéristiques des microcircuits. Par conséquent, la technologie de fabrication est souvent indiquée dans la description du microcircuit, soulignant ainsi les caractéristiques générales des propriétés et des capacités du microcircuit. Les technologies modernes combinent les technologies des transistors bipolaires et à effet de champ pour améliorer les performances des microcircuits.

• Les microcircuits à base de transistors unipolaires (à effet de champ) sont les plus économiques (en termes de consommation de courant) :
  • Logique MOS (logique métal-oxyde-semi-conducteur) - les microcircuits sont formés à partir de transistors à effet de champ n-MOS ou p-Type MOS ;
  • Logique CMOS (logique MOS complémentaire) - chaque élément logique du microcircuit est constitué d'une paire de transistors à effet de champ complémentaires (complémentaires) ( n-MOS et p-SERPILLIÈRE).
• Microcircuits à base de transistors bipolaires :
  • RTL - logique résistance-transistor (obsolète, remplacée par TTL) ;
  • DTL - logique diode-transistor (obsolète, remplacée par TTL) ;
  • TTL - logique transistor-transistor - les microcircuits sont constitués de transistors bipolaires avec des transistors multi-émetteurs en entrée ;
  • TTLSh - logique transistor-transistor avec diodes Schottky - un TTL amélioré qui utilise des transistors bipolaires avec effet Schottky ;
  • ECL - logique couplée à l'émetteur - sur les transistors bipolaires dont le mode de fonctionnement est sélectionné de manière à ce qu'ils n'entrent pas en mode saturation - ce qui augmente considérablement les performances ;
  • IIL - logique d'injection intégrale.
• Microcircuits utilisant à la fois des transistors à effet de champ et bipolaires :

En utilisant le même type de transistors, des puces peuvent être créées en utilisant différentes méthodologies, telles que statiques ou dynamiques.

Les technologies CMOS et TTL (TTLS) sont les puces logiques les plus courantes. Lorsqu'il est nécessaire d'économiser la consommation de courant, la technologie CMOS est utilisée, lorsque la vitesse est plus importante et qu'une économie de consommation d'énergie n'est pas requise, la technologie TTL est utilisée. Le point faible des microcircuits CMOS est leur vulnérabilité à l'électricité statique : il suffit de toucher la sortie du microcircuit avec la main, et son intégrité n'est plus garantie. Avec le développement des technologies TTL et CMOS, les paramètres des microcircuits se rapprochent et, par conséquent, par exemple, la série 1564 de microcircuits est réalisée à l'aide de la technologie CMOS, et la fonctionnalité et le placement dans le boîtier sont similaires à la technologie TTL.

Les microcircuits fabriqués selon la technologie ESL sont les plus rapides, mais aussi les plus énergivores, et ont été utilisés dans la production de matériel informatique dans les cas où le paramètre le plus important était la vitesse de calcul. En URSS, les ordinateurs les plus productifs de type ES106x étaient fabriqués sur des microcircuits ESL. De nos jours, cette technologie est rarement utilisée.

Processus technologique

Dans la fabrication des microcircuits, on utilise la méthode de photolithographie (projection, contact, etc.), dans laquelle le circuit est formé sur un substrat (généralement du silicium) obtenu en découpant des monocristaux de silicium avec des disques de diamant en tranches minces. En raison des petites dimensions linéaires des éléments du microcircuit, l'utilisation de la lumière visible et même du rayonnement ultraviolet proche pour l'éclairage a été abandonnée.

Les processeurs suivants ont été fabriqués à l'aide de lumière UV (laser excimer ArF, longueur d'onde 193 nm). En moyenne, les leaders de l'industrie ont introduit de nouveaux procédés technologiques selon le plan ITRS tous les 2 ans, doublant le nombre de transistors par unité de surface : 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011), la production de 14 nm a commencé en 2014 , le développement des procédés 10 nm est attendu vers 2018.

En 2015, on estimait que l’introduction de nouveaux procédés technologiques allait ralentir.

Contrôle de qualité

Pour contrôler la qualité des circuits intégrés, les structures dites de test sont largement utilisées.

But

Un circuit intégré peut avoir des fonctionnalités complètes, quelle que soit leur complexité, jusqu'à un micro-ordinateur complet (micro-ordinateur monopuce).

Circuits analogiques

Analogique intégré (micro)schème (AIS, OBJECTIFS) - un circuit intégré dont les signaux d'entrée et de sortie varient selon la loi d'une fonction continue (c'est-à-dire qu'il s'agit de signaux analogiques).

Un prototype de laboratoire d'un circuit intégré analogique a été créé par Texas Instruments aux États-Unis en 1958. C'était un générateur de déphasage. En 1962, la première série de microcircuits analogiques est apparue - SN52. Il contenait un amplificateur basse fréquence de faible puissance, un amplificateur opérationnel et un amplificateur vidéo.

En URSS, une large gamme de circuits intégrés analogiques était disponible à la fin des années 1970. Leur utilisation a permis d'augmenter la fiabilité des appareils, de simplifier la configuration des équipements et souvent même d'éliminer le besoin de maintenance pendant le fonctionnement.

Vous trouverez ci-dessous une liste partielle des appareils dont les fonctions peuvent être exécutées par des circuits intégrés analogiques. Souvent, un microcircuit en remplace plusieurs à la fois (par exemple, le K174XA42 contient tous les composants d'un récepteur radio FM superhétérodyne).

• Filtres (y compris effet piézoélectrique).
• Multiplicateurs analogiques.
• Atténuateurs analogiques et amplificateurs variables.
• Stabilisateurs d'alimentation : stabilisateurs de tension et de courant.
• Microcircuits de contrôle d'alimentation à découpage.
• Convertisseurs de signaux.
• Divers capteurs.

Les microcircuits analogiques sont utilisés dans les équipements d'amplification et de reproduction sonore, les magnétoscopes, les téléviseurs, les équipements de communication, les instruments de mesure, les ordinateurs analogiques, etc.

Dans les ordinateurs analogiques

• Amplificateurs opérationnels (LM101, μA741).

Dans les alimentations

Puce stabilisatrice de tension KR1170EN8

• Stabilisateurs de tension linéaires (KR1170EN12, LM317).
• Stabilisateurs de tension de commutation (LM2596, LM2663).

Dans les caméras vidéo et les caméras

• Matrices CCD (ICX404AL).
• Réseaux CCD (MLX90255BA).

Dans les équipements d'amplification et de reproduction sonore

• Amplificateurs de puissance audiofréquence (LA4420, K174UN5, K174UN7).
• Double UMZCH pour équipement stéréophonique (TDA2004, K174UN15, K174UN18).
• Divers régulateurs (K174UN10 - UMZCH à deux canaux avec réglage électronique de la réponse en fréquence, K174UN12 - contrôle du volume et de la balance à deux canaux).

Dans les instruments de mesure Dans les appareils de transmission et de réception radio

• Détecteurs de signaux AM (K175DA1).
• Détecteurs de signaux FM (K174UR7).
• Mélangeurs (K174PS1).
• Amplificateurs haute fréquence (K157ХА1).
• Amplificateurs à fréquence intermédiaire (K157ХА2, K171UR1).
• Récepteurs radio monopuces (K174ХА10).

Sur les téléviseurs

• Dans le canal radio (K174UR8 - amplificateur avec AGC, détecteur d'image et de son IF, K174UR2 - amplificateur de tension d'image IF, détecteur synchrone, préamplificateur de signal vidéo, système de contrôle automatique du gain par clé).
• Dans le canal de chromaticité (K174AF5 - façonneur de signaux de couleur R, G, B, K174ХА8 - commutateur électronique, amplificateur-limiteur et démodulateur de signaux d'information de couleur).
• En unités de numérisation (K174GL1 - générateur de numérisation de trames).
• Dans les circuits de commutation, de synchronisation, de correction et de contrôle (K174AF1 - sélecteur de signal de synchronisation d'amplitude, générateur d'impulsions de fréquence horizontale, unité de réglage automatique de la fréquence et de la phase du signal, générateur d'impulsions maître horizontal, K174UP1 - amplificateur de signal de luminosité, régulateur électronique du plage du signal de sortie et niveau de noir ").

Production

La transition vers des tailles submicroniques d’éléments intégraux complique la conception de l’AIMS. Par exemple, les transistors MOS avec une longueur de grille courte présentent un certain nombre de caractéristiques qui limitent leur utilisation dans les blocs analogiques : niveau élevé de bruit de scintillement basse fréquence ; une forte répartition de la tension de seuil et de la pente, conduisant à l'apparition d'une tension de polarisation importante des amplificateurs différentiels et opérationnels ; faible valeur de la résistance des petits signaux de sortie et du gain des cascades avec charge active ; faible tension de claquage des jonctions p-n et de l'espace drain-source, provoquant une diminution de la tension d'alimentation et une diminution de la plage dynamique.

Actuellement, les microcircuits analogiques sont produits par de nombreuses entreprises : Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments, etc.

Circuits numériques

Circuit intégré numérique(microcircuit numérique) est un circuit intégré conçu pour convertir et traiter des signaux qui changent selon la loi d'une fonction discrète.

Les circuits intégrés numériques sont basés sur des interrupteurs à transistors qui peuvent être dans deux états stables : ouvert et fermé. L'utilisation de commutateurs à transistors permet de créer divers circuits logiques, déclencheurs et autres circuits intégrés. Les circuits intégrés numériques sont utilisés dans les dispositifs discrets de traitement de l'information des ordinateurs électroniques (ordinateurs), des systèmes d'automatisation, etc.

• Convertisseurs de tampon
• (Micro)processeurs (y compris processeurs pour ordinateurs)
• Puces et modules de mémoire
• FPGA (circuits intégrés logiques programmables)

Les circuits intégrés numériques présentent de nombreux avantages par rapport aux circuits analogiques :

• Consommation d'énergie réduite associé à l’utilisation de signaux électriques pulsés dans l’électronique numérique. Lors de la réception et de la conversion de tels signaux, les éléments actifs des dispositifs électroniques (transistors) fonctionnent en mode « clé », c'est-à-dire que le transistor est soit « ouvert » - ce qui correspond à un signal de haut niveau (1), soit « fermé ». " - (0), dans le premier cas à Il n'y a pas de chute de tension dans le transistor, dans le second il n'y a pas de courant qui le traverse. Dans les deux cas, la consommation électrique est proche de 0, contrairement aux dispositifs analogiques, dans lesquels les transistors sont la plupart du temps dans un état intermédiaire (actif).
• Immunité élevée au bruit Les appareils numériques sont associés à une grande différence entre les signaux de niveau élevé (par exemple, 2,5-5 V) et faible (0-0,5 V). Une erreur d’état est possible à un niveau d’interférence tel qu’un niveau élevé est interprété comme un niveau faible et vice versa, ce qui est peu probable. De plus, dans les appareils numériques, il est possible d'utiliser des codes spéciaux permettant de corriger les erreurs.
• La grande différence entre les niveaux d'états des signaux de niveau haut et bas (« 0 » et « 1 » logiques) et une plage assez large de leurs changements admissibles rendent la technologie numérique insensible à la dispersion inévitable des paramètres des éléments dans la technologie intégrée, élimine la nécessité de sélectionner des composants et de configurer des éléments de réglage dans les appareils numériques.

Circuits analogiques-numériques

Circuit intégré analogique-numérique(microcircuit analogique-numérique) - un circuit intégré conçu pour convertir des signaux variant selon la loi d'une fonction discrète en signaux variant selon la loi d'une fonction continue, et vice versa.

Souvent, une puce remplit les fonctions de plusieurs appareils à la fois (par exemple, les CAN à approximation successive contiennent un DAC, ils peuvent donc effectuer des conversions bidirectionnelles). Liste des appareils (incomplète) dont les fonctions peuvent être assurées par des circuits intégrés analogiques-numériques :

• convertisseurs numérique-analogique (DAC) et analogique-numérique (ADC);
• multiplexeurs analogiques (alors que les (dé)multiplexeurs numériques sont des circuits intégrés purement numériques, les multiplexeurs analogiques contiennent des éléments logiques numériques (généralement un décodeur) et peuvent contenir des circuits analogiques) ;
• émetteurs-récepteurs (par exemple, émetteur-récepteur d'interface réseau Ethernet);
• modulateurs et démodulateurs;
  • modems radio;
  • télétexte, décodeurs de texte radio VHF ;
  • Émetteurs-récepteurs Fast Ethernet et ligne optique ;
  • Connexion commutée modems;
  • récepteurs de télévision numérique ;
  • capteur optique de souris d'ordinateur;
• microcircuits d'alimentation pour appareils électroniques - stabilisateurs, convertisseurs de tension, interrupteurs de puissance, etc.;
• atténuateurs numériques;
• circuits à boucle à verrouillage de phase (PLL);
• générateurs et restaurateurs de fréquence de synchronisation d'horloge;
• Cristaux matriciels de base (BMC) : contient à la fois des circuits analogiques et numériques.

Série de puces

Les microcircuits analogiques et numériques sont produits en série. Une série est un groupe de microcircuits qui ont une conception et une conception technologique uniques et sont destinés à une utilisation commune. En règle générale, les microcircuits de la même série ont les mêmes tensions d'alimentation et sont adaptés en termes de résistances d'entrée et de sortie et de niveaux de signal.

Logements

Boîtiers CI à montage en surface

Microensemble à microcircuit à cadre ouvert soudé sur un circuit imprimé

Noms spécifiques

Marché mondial

En 2017, le marché mondial des circuits intégrés était évalué à 700 milliards de dollars.

semi-conducteur La mise en œuvre de ces propositions au cours de ces années n'a pas pu avoir lieu en raison du développement insuffisant de la technologie.

À la fin de 1958 et dans la première moitié de 1959, une percée a eu lieu dans l'industrie des semi-conducteurs. Trois hommes, représentant trois sociétés privées américaines, ont résolu trois problèmes fondamentaux qui empêchaient la création de circuits intégrés. Jack Kilby de Texas Instruments a breveté le principe de combinaison, créé les premiers prototypes imparfaits de propriété intellectuelle et les a amenés à la production en série. Kurt Legovets de Compagnie électrique Sprague a inventé une méthode pour isoler électriquement des composants formés sur une seule puce semi-conductrice (isolation à jonction p-n). Isolation P–n jonction )). Robert Noyce de Fairchild Semi-conducteur a inventé une méthode de connexion électrique des composants IC (métallisation de l'aluminium) et proposé une version améliorée de l'isolation des composants basée sur la dernière technologie planaire de Jean Herni. Jean Hoerni). Le 27 septembre 1960, le groupe de Jay Last Jay Dernier) créé sur Fairchild Semi-conducteur le premier qui fonctionne semi-conducteur IP basée sur les idées de Noyce et Ernie. Texas Instruments, qui détenait le brevet de l'invention de Kilby, a lancé une guerre des brevets contre ses concurrents, qui s'est terminée en 1966 par un accord mondial sur les technologies de licences croisées.

Les premiers circuits intégrés logiques de la série mentionnée étaient littéralement construits à partir de standard composants dont les tailles et les configurations ont été spécifiées par le processus technologique. Les concepteurs de circuits qui ont conçu des circuits intégrés logiques d'une famille particulière fonctionnaient avec les mêmes diodes et transistors standard. En 1961-1962 le principal développeur a brisé le paradigme de la conception Sylvanie Tom Longo, pour la première fois utilisant différents circuits intégrés en un seul configurations de transistors en fonction de leurs fonctions dans le circuit. Fin 1962 Sylvanie a lancé la première famille de logique transistor-transistor (TTL) développée par Longo - historiquement le premier type de logique intégrée qui a réussi à s'implanter longtemps sur le marché. Dans les circuits analogiques, une percée de ce niveau a été réalisée en 1964-1965 par le développeur d'amplificateurs opérationnels. Fairchild Bob Vidlar.

Le premier microcircuit national a été créé en 1961 au TRTI (Taganrog Radio Engineering Institute) sous la direction de L. N. Kolesov. Cet événement a attiré l'attention de la communauté scientifique du pays et TRTI a été reconnu comme leader du système du ministère de l'Enseignement supérieur sur le problème de la création d'équipements microélectroniques hautement fiables et de l'automatisation de sa production. L.N. Kolesov lui-même a été nommé président du Conseil de coordination sur ce problème.

Le premier circuit intégré hybride à couche épaisse d'URSS (série 201 « Trail ») a été développé en 1963-65 à l'Institut de recherche en technologie de précision (« Angstrem »), production en série depuis 1965. Des spécialistes du NIEM (aujourd'hui l'Institut de recherche scientifique Argon) ont participé au développement.

Le premier circuit intégré à semi-conducteurs d'URSS a été créé sur la base de la technologie planaire, développée au début des années 1960 au NII-35 (alors rebaptisé Pulsar Research Institute) par une équipe qui a ensuite été transférée au NIIME (Mikron). La création du premier circuit intégré national en silicium s'est concentrée sur le développement et la production avec l'acceptation militaire de la série TS-100 de circuits intégrés en silicium (37 éléments - l'équivalent de la complexité du circuit d'une bascule, un analogue du circuit intégré américain série IC SN-51 entreprises Texas Instruments). Des échantillons prototypes et des échantillons de production de circuits intégrés en silicium destinés à la reproduction ont été obtenus aux États-Unis. Les travaux ont été réalisés au NII-35 (directeur Trutko) et à l'usine de semi-conducteurs Fryazino (directeur Kolmogorov) dans le cadre d'une commande de défense destinée à être utilisée dans un altimètre autonome pour un système de guidage de missile balistique. Le développement comprenait six circuits planaires intégrés standard en silicium de la série TS-100 et, avec l'organisation de la production pilote, a duré trois ans au NII-35 (de 1962 à 1965). Il a fallu encore deux ans pour développer la production en usine avec l'acceptation militaire à Fryazino (1967).

En parallèle, des travaux sur le développement d'un circuit intégré ont été menés au bureau d'études central de l'usine de dispositifs semi-conducteurs de Voronej (aujourd'hui -). En 1965, lors d'une visite au VZPP du ministre de l'Industrie électronique A.I. Shokin, l'usine fut chargée de mener des travaux de recherche sur la création d'un circuit monolithique en silicium - R&D « Titan » (arrêté ministériel n° 92 du 16 août 2008). 1965), achevé plus tôt que prévu, à la fin de l'année. Le sujet a été soumis avec succès à la Commission d'État et une série de 104 microcircuits logiques à diodes et transistors est devenue la première réalisation fixe dans le domaine de la microélectronique à semi-conducteurs, ce qui a été reflété dans l'ordonnance MEP n° 403 du 30 décembre 1965.

Niveaux de conception

Actuellement (2014), la plupart des circuits intégrés sont conçus à l'aide de systèmes de CAO spécialisés, qui permettent d'automatiser et d'accélérer considérablement les processus de production, par exemple l'obtention de photomasques topologiques.

Classification

Degré d'intégration

Selon le degré d'intégration, les noms de circuits intégrés suivants sont utilisés :

• petit circuit intégré (MIS) - jusqu'à 100 éléments par puce,
• circuit intégré moyen (SIS) - jusqu'à 1000 éléments par puce,
• grand circuit intégré (LSI) - jusqu'à 10 000 éléments par puce,
• circuit intégré à très grande échelle (VLSI) - plus de 10 000 éléments dans un cristal.

Auparavant, des noms désormais obsolètes étaient également utilisés : circuit intégré à très grande échelle (ULSI) - de 1 à 10 millions à 1 milliard d'éléments dans un cristal et, parfois, circuit intégré à très grande échelle (GBIC) - plus de 1 milliards d'éléments dans un cristal. Actuellement, dans les années 2010, les noms « UBIS » et « GBIS » ne sont pratiquement pas utilisés et tous les microcircuits comportant plus de 10 000 éléments sont classés comme VLSI.

Technologie de fabrication

• Puce semi-conductrice - tous les éléments et connexions inter-éléments sont réalisés sur un seul cristal semi-conducteur (par exemple, silicium, germanium, arséniure de gallium, oxyde d'hafnium).

• Circuit intégré en film - tous les éléments et connexions inter-éléments sont réalisés sous forme de films :
  • circuit intégré à couche épaisse;
  • circuit intégré à couche mince.
• Puce hybride (souvent appelée microassemblage), contient plusieurs diodes, transistors et/ou autres composants électroniques actifs. Le microensemble peut également comprendre des circuits intégrés non emballés. Les composants de microassemblages passifs (résistances, condensateurs, inductances) sont généralement fabriqués à l'aide de technologies à couches minces ou à couches épaisses sur un substrat commun, généralement en céramique, d'une puce hybride. L'ensemble du substrat avec les composants est placé dans un seul boîtier étanche.
• Microcircuit mixte - en plus du cristal semi-conducteur, il contient des éléments passifs à couche mince (à couche épaisse) situés à la surface du cristal.

Type de signal traité

Technologies de fabrication

Types de logique

L'élément principal des microcircuits analogiques sont les transistors (bipolaires ou à effet de champ). La différence dans la technologie de fabrication des transistors affecte considérablement les caractéristiques des microcircuits. Par conséquent, la technologie de fabrication est souvent indiquée dans la description du microcircuit, soulignant ainsi les caractéristiques générales des propriétés et des capacités du microcircuit. Les technologies modernes combinent les technologies des transistors bipolaires et à effet de champ pour améliorer les performances des microcircuits.

• Les microcircuits à base de transistors unipolaires (à effet de champ) sont les plus économiques (en termes de consommation de courant) :
  • Logique MOS (logique métal-oxyde-semi-conducteur) - les microcircuits sont formés à partir de transistors à effet de champ n-MOS ou p-Type MOS ;
  • Logique CMOS (logique MOS complémentaire) - chaque élément logique du microcircuit est constitué d'une paire de transistors à effet de champ complémentaires (complémentaires) ( n-MOS et p-SERPILLIÈRE).
• Microcircuits à base de transistors bipolaires :
  • RTL - logique résistance-transistor (obsolète, remplacée par TTL) ;
  • DTL - logique diode-transistor (obsolète, remplacée par TTL) ;
  • TTL - logique transistor-transistor - les microcircuits sont constitués de transistors bipolaires avec des transistors multi-émetteurs en entrée ;
  • TTLSh - logique transistor-transistor avec diodes Schottky - un TTL amélioré qui utilise des transistors bipolaires avec effet Schottky ;
  • ECL - logique couplée à l'émetteur - sur les transistors bipolaires dont le mode de fonctionnement est sélectionné de manière à ce qu'ils n'entrent pas en mode saturation - ce qui augmente considérablement les performances ;
  • IIL - logique d'injection intégrale.
• Microcircuits utilisant à la fois des transistors à effet de champ et bipolaires :

En utilisant le même type de transistors, des puces peuvent être créées en utilisant différentes méthodologies, telles que statiques ou dynamiques.

Les technologies CMOS et TTL (TTLS) sont les puces logiques les plus courantes. Lorsqu'il est nécessaire d'économiser la consommation de courant, la technologie CMOS est utilisée, lorsque la vitesse est plus importante et qu'une économie de consommation d'énergie n'est pas requise, la technologie TTL est utilisée. Le point faible des microcircuits CMOS est leur vulnérabilité à l'électricité statique : il suffit de toucher la sortie du microcircuit avec la main, et son intégrité n'est plus garantie. Avec le développement des technologies TTL et CMOS, les paramètres des microcircuits se rapprochent et, par conséquent, par exemple, la série 1564 de microcircuits est réalisée à l'aide de la technologie CMOS, et la fonctionnalité et le placement dans le boîtier sont similaires à la technologie TTL.

Les microcircuits fabriqués selon la technologie ESL sont les plus rapides, mais aussi les plus énergivores, et ont été utilisés dans la production de matériel informatique dans les cas où le paramètre le plus important était la vitesse de calcul. En URSS, les ordinateurs les plus productifs de type ES106x étaient fabriqués sur des microcircuits ESL. De nos jours, cette technologie est rarement utilisée.

Processus technologique

Dans la fabrication des microcircuits, on utilise la méthode de photolithographie (projection, contact, etc.), dans laquelle le circuit est formé sur un substrat (généralement du silicium) obtenu en découpant des monocristaux de silicium avec des disques de diamant en tranches minces. En raison des petites dimensions linéaires des éléments du microcircuit, l'utilisation de la lumière visible et même du rayonnement ultraviolet proche pour l'éclairage a été abandonnée.

Les processeurs suivants ont été fabriqués à l'aide d'un rayonnement UV (laser excimer ArF, longueur d'onde 193 nm). En moyenne, les leaders de l'industrie ont introduit de nouveaux procédés technologiques selon le plan ITRS tous les 2 ans, doublant le nombre de transistors par unité de surface : 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011), la production de 14 nm a commencé en 2014 , le développement des procédés 10 nm est attendu vers 2018.

En 2015, on estimait que l’introduction de nouveaux procédés technologiques allait ralentir.

Contrôle de qualité

Pour contrôler la qualité des circuits intégrés, les structures dites de test sont largement utilisées.

But

Un circuit intégré peut avoir des fonctionnalités complètes, quelle que soit leur complexité, jusqu'à un micro-ordinateur complet (micro-ordinateur monopuce).

Circuits analogiques

• Filtres (y compris effet piézoélectrique).
• Analogique multiplicateurs.
• Atténuateurs analogiques et amplificateurs variables.
• Stabilisateurs d'alimentation : stabilisateurs de tension et de courant.
• Microcircuits de contrôle d'alimentation à découpage.
• Convertisseurs de signaux.
• Circuits de synchronisation.
• Divers capteurs (par exemple, température).

Circuits numériques

• Convertisseurs de tampon
• (Micro)processeurs (y compris processeurs pour ordinateurs)
• Puces et modules de mémoire
• FPGA (circuits intégrés logiques programmables)

Les circuits intégrés numériques présentent de nombreux avantages par rapport aux circuits analogiques :

• Consommation d'énergie réduite associé à l’utilisation de signaux électriques pulsés dans l’électronique numérique. Lors de la réception et de la conversion de tels signaux, les éléments actifs des dispositifs électroniques (transistors) fonctionnent en mode « clé », c'est-à-dire que le transistor est soit « ouvert » - ce qui correspond à un signal de haut niveau (1), soit « fermé ». " - (0), dans le premier cas à Il n'y a pas de chute de tension dans le transistor ; dans le second, aucun courant ne le traverse. Dans les deux cas, la consommation électrique est proche de 0, contrairement aux dispositifs analogiques, dans lesquels les transistors sont la plupart du temps dans un état intermédiaire (actif).
• Immunité élevée au bruit Les appareils numériques sont associés à une grande différence entre les signaux de niveau élevé (par exemple, 2,5-5 V) et faible (0-0,5 V). Une erreur d’état est possible à un niveau d’interférence tel qu’un niveau élevé est interprété comme un niveau faible et vice versa, ce qui est peu probable. De plus, dans les appareils numériques, il est possible d'utiliser des codes spéciaux permettant de corriger les erreurs.
• La grande différence entre les niveaux d'états des signaux de niveau haut et bas (« 0 » et « 1 » logiques) et une plage assez large de leurs changements admissibles rendent la technologie numérique insensible à la dispersion inévitable des paramètres des éléments dans la technologie intégrée, élimine la nécessité de sélectionner des composants et de configurer des éléments de réglage dans les appareils numériques.

Circuits analogiques-numériques

• convertisseurs numérique-analogique (DAC) et analogique-numérique (ADC);
• émetteurs-récepteurs (par exemple, convertisseur d'interface Ethernet);
• modulateurs et démodulateurs;
  • modems radio
  • télétexte, décodeurs de texte radio VHF
  • Émetteurs-récepteurs Fast Ethernet et optiques
  • Connexion commutée modems
  • récepteurs de télévision numérique
  • capteur de souris optique
• microcircuits d'alimentation pour appareils électroniques - stabilisateurs, convertisseurs de tension, interrupteurs de puissance, etc.;
• atténuateurs numériques;
• circuits à boucle à verrouillage de phase (PLL);
• générateurs et restaurateurs de fréquence de synchronisation d'horloge;
• cristaux de base matrice  (BMC) : contient à la fois des circuits analogiques et numériques ;

Série de puces

Les microcircuits analogiques et numériques sont produits en série. Une série est un groupe de microcircuits qui ont une conception et une conception technologique uniques et sont destinés à une utilisation commune. En règle générale, les microcircuits de la même série ont les mêmes tensions d'alimentation et sont adaptés en termes de résistances d'entrée et de sortie et de niveaux de signal.

Logements

Noms spécifiques

Protection légale

La législation russe offre une protection juridique aux topologies de circuits intégrés. La topologie d'un circuit intégré est la disposition spatio-géométrique de l'ensemble des éléments d'un circuit intégré et des connexions entre eux enregistrés sur un support matériel (article 1448

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Établissement d'enseignement unitaire de l'État fédéral d'enseignement professionnel supérieur

"Université électrotechnique d'État de Saint-Pétersbourg "LETI" du nom de V.I. Oulianov (Lénine)"

(SPbSETU "LETI")

Département de philosophie

Essai

sur le thème de :" Histoire du développement de l'électronique intégrée"

Étudiant de troisième cycle de JSC "NPP SRadar MMSS"

Popova A.B.

Conseiller scientifique:

Docteur en Sciences Techniques, Prof. Balachov V.M.

Saint-Pétersbourg 2015

• Introduction
• Chapitre 1. Principales orientations de développement de la microélectronique
• 1.1 Electronique et types d'électronique
• 1.2 Développement de la microélectronique
• Chapitre 2. Évolution de l'électronique intégrée
• 2.1 Circuits intégrés et étapes de développement de l'électronique intégrée
• 2.2 Le rôle de la technologie des couches minces dans le développement de l'électronique intégrée
• Conclusion
• Littérature

Introduction

L'origine et le développement de la microélectronique en tant que nouvelle direction scientifique et technique assurant la création d'équipements radioélectroniques complexes (REA) sont directement liés à la situation de crise survenue au début des années 60, lorsque les méthodes traditionnelles de fabrication de REA à partir d'éléments discrets par leur assemblage séquentiel n'a pas pu fournir la fiabilité, l'efficacité, la consommation d'énergie, le temps de fabrication et les dimensions acceptables de REA requis.

Malgré la courte période de son existence, l'interconnexion de la microélectronique avec d'autres domaines de la science et de la technologie a assuré des taux de développement inhabituellement élevés de cette industrie et a considérablement réduit le temps de mise en œuvre industrielle de nouvelles idées. Cela a également été facilité par l'émergence de liens de rétroaction particuliers entre le développement des circuits intégrés, qui constituent la base de l'automatisation de la production et de la gestion, et l'utilisation de ces développements pour automatiser le processus même de conception, de production et de test des circuits intégrés.

Le développement de la microélectronique a apporté des changements fondamentaux dans les principes de conception des appareils électroniques et a conduit à l'utilisation d'une intégration complexe, qui consiste en : une intégration structurelle ou de circuit (c'est-à-dire l'intégration de fonctions de circuit au sein d'une seule unité structurelle) ; avec le degré d'intégration de l'ordre de centaines et de milliers de composants, les méthodes existantes de division des systèmes en composants, dispositifs, sous-systèmes et blocs, ainsi que les formes de coordination du développement de composants, dispositifs et sous-systèmes, deviennent inefficaces ; Dans le même temps, le centre de gravité se déplace vers le domaine des circuits, ce qui nécessite une restructuration radicale des méthodes de mise en œuvre des systèmes électroniques avec la construction d'équipements au niveau supermodulaire.

Chapitre 1. Principales orientations de développement de la microélectronique

1.1 Electronique et types d'électronique

L'électronique est une science qui étudie les phénomènes d'interaction des électrons et d'autres particules chargées avec des champs électriques, magnétiques et électromagnétiques, qui constituent la base physique du fonctionnement des appareils et dispositifs électroniques (vide, chargement de gaz, semi-conducteurs et autres) utilisés pour transmettre, traiter et stocker des informations.

Couvrant un large éventail de problématiques scientifiques, techniques et industrielles, l’électronique s’appuie sur les avancées dans divers domaines de la connaissance. En même temps, d'une part, l'électronique impose de nouvelles tâches aux autres sciences et à la production, en stimulant leur développement ultérieur, et d'autre part, elle leur fournit des moyens techniques et des méthodes de recherche qualitativement nouveaux.

Les principales directions de développement de l’électronique sont : l’électronique du vide, du solide et quantique.

L'électronique sous vide est une branche de l'électronique qui comprend des études sur l'interaction des flux d'électrons libres avec des champs électriques et magnétiques dans le vide, ainsi que des méthodes de création de dispositifs électroniques et de dispositifs dans lesquels cette interaction est utilisée. Les domaines de recherche les plus importants dans le domaine de l'électronique sous vide comprennent : l'émission électronique (en particulier l'émission thermique et photoélectronique) ; générer un flux d'électrons et/ou d'ions et contrôler ces flux ; formation de champs électromagnétiques à l'aide de dispositifs d'entrée et de sortie d'énergie ; physique et technologie du vide poussé, etc.

Les principales orientations de développement de l'électronique sous vide sont associées à la création de dispositifs électriques à vide des types suivants : tubes électroniques (diodes, triodes, tétrodes, etc.) ; dispositifs à électro-vide à ultra-haute fréquence (par exemple, magnétrons, klystrons, tubes à ondes progressives et inverses) ; faisceaux d'électrons et dispositifs photoélectroniques (par exemple, tubes cathodiques, vidicons, convertisseurs électron-optique, photomultiplicateurs) ; dispositifs à décharge de gaz (par exemple, thyratrons, indicateurs de charge de gaz).

L'électronique du solide résout les problèmes liés à l'étude des propriétés des matériaux solides (semi-conducteurs, diélectriques, magnétiques, etc.), de l'influence des impuretés et des caractéristiques structurelles du matériau sur ces propriétés ; étudier les propriétés des surfaces et des interfaces entre couches de divers matériaux ; créer des régions avec différents types de conductivité dans un cristal en utilisant diverses méthodes ; création d'hétérojonctions et de structures monocristallines ; création de dispositifs fonctionnels de tailles microniques et submicroniques, ainsi que de méthodes de mesure de leurs paramètres.

Les principaux domaines de l'électronique à semi-conducteurs sont : l'électronique à semi-conducteurs, associée au développement de divers types de dispositifs semi-conducteurs, et la microélectronique, associée au développement de circuits intégrés.

L'électronique quantique couvre un large éventail de problématiques liées au développement de méthodes et de moyens d'amplification et de génération d'oscillations électromagnétiques basées sur l'effet d'émission stimulée d'atomes et de molécules. Les grandes orientations de l'électronique quantique : la création de générateurs quantiques optiques (lasers), d'amplificateurs quantiques, de générateurs moléculaires, etc.

Les caractéristiques des dispositifs électroniques quantiques sont les suivantes : haute stabilité de la fréquence d'oscillation, faible niveau de bruit intrinsèque, puissance élevée de l'impulsion de rayonnement - ce qui leur permet d'être utilisés pour créer des télémètres de haute précision, des étalons de fréquence quantique, des gyroscopes quantiques, des systèmes optiques. systèmes de communication multicanaux, communications dans l'espace lointain, équipements médicaux, enregistrement et lecture du son au laser, etc. Même des pointeurs laser miniatures ont été créés pour un accompagnement minimal.

1.2 Développement de la microélectronique

La microélectronique est un domaine de connaissances complexe dont l'objet d'étude et de développement est constitué de circuits intégrés fonctionnellement complexes, de leur structure, de leur technologie, de leur diagnostic, de leur fiabilité et de leur fonctionnement. Les dispositifs microélectroniques influencent délibérément les processus électromagnétiques dans un corps solide, ce qui permet de traiter des informations à grande vitesse et de stocker des informations pendant une longue période dans des volumes assez petits d'un corps solide.

La microélectronique a été créée sur la base d'une recherche scientifique approfondie et des réalisations de la pratique de l'ingénierie conformément aux exigences du progrès scientifique et technologique. Les concepts et méthodes ME, qui ont émergé et se sont développés sur plus de 30 ans, sont largement utilisés en informatique, en informatique, en automatisation et en physique du solide. La microélectronique progresse rapidement dans le développement et l'utilisation pratique des résultats et est passée d'un domaine hautement spécialisé à un domaine physique général.

Étant pour ainsi dire à la frontière de la physique du solide, de la chimie, de l'électrodynamique et de la radiophysique, il a acquis sa vaste base théorique.

En tant que direction scientifique avec une certaine mise en œuvre technique. ME est basé sur les idées d'intégration fonctionnelle de microdispositifs sur une puce, de technologie planaire de puces intégrées sur une rondelle, de traitement groupé du matériau de la rondelle et de contrôle fonctionnel de la mémoire LSI.

Le contrôle fonctionnel repose sur la synthèse d'idées reflétant la relation entre les processus physico-chimiques et électromagnétiques se produisant dans les microdispositifs et la transformation fonctionnelle (ciblée) des signaux d'information.

Grâce à une approche intégrée, le contrôle fonctionnel combine plusieurs domaines scientifiques, crée des moyens technologiques de mise en œuvre de l'ingénierie, du diagnostic des LSI et permet de déterminer leur fiabilité. Pour comprendre les conditions préalables à l'émergence de la surveillance diagnostique fonctionnelle du LSI et ses particularités, il est nécessaire de retracer le passage de l'électronique discrète (DE) à la microélectronique (ME), ainsi que d'établir la différence entre les objets de surveillance et de diagnostic.

Jusqu'au milieu des années 1950. L'orientation principale du développement des équipements électroniques (ET) était la spécialisation de sa base d'éléments, y compris l'amélioration de la conception, la miniaturisation et l'amélioration des paramètres des composants électroniques discrets (actifs et passifs) des équipements électroniques (EA). Il s'agit notamment des appareils à vide (lampes), des résistances, des condensateurs, des inductances, des panneaux, des connecteurs, etc. Chacun des composants électroniques (EC) a été fabriqué indépendamment et n'était pas structurellement, et encore moins fonctionnellement, connecté à l'autre.

D'où le nom - éléments discrets d'EA.

Cette méthode de conception et de production d’EA a ses avantages. Il s'agit principalement de :

la possibilité d'un contrôle individuel de chaque CE ;

une procédure simple pour mesurer et évaluer l'adéquation d'un EC à l'aide d'un équipement élémentaire d'instrumentation et de contrôle (KIA) ;

réglages pratiques qui vous permettent d'obtenir les caractéristiques électriques requises des unités électroniques et de l'EA en général ;

facilité de détection et de localisation des défauts aussi bien lors de la mise en place des unités électroniques qu'en cas de panne des équipements électroniques

pendant le fonctionnement ;

maintenabilité de l'EA (disponibilité de n'importe quel EC, possibilité de le remplacer dans l'EA)

Tout cela contribue à réduire les défauts des produits finis et au contrôle technique des composants électroniques et de l'équipement lui-même.

Au début des années 1950. Les premiers ordinateurs à usage général sont apparus. Ils ont également utilisé des tubes à vide pour créer des nœuds permettant de calculer, de contrôler, de traiter et de stocker des informations. Ces ordinateurs étaient volumineux, immobiles et émettaient une grande quantité d’énergie thermique, ce qui nécessitait un refroidissement forcé. Ils occupaient de grandes salles et nécessitaient un entretien constant. La fiabilité du fonctionnement de l'ordinateur était faible et le coût de production était élevé.

Pour stocker les programmes de contrôle et de calcul, la capacité des dispositifs de stockage (mémoire) n'a cessé d'augmenter. Le développement accéléré de la science, de l'aérospatiale et de la technologie militaire a conduit à l'émergence de problèmes graves non seulement dans l'étude et la gestion de processus rapides, mais également dans le traitement de gros volumes d'informations sur de courtes périodes.

Les résultats techniques de la recherche dans le domaine de la physique et de la chimie du solide, ainsi que la production de semi-conducteurs et de ferromagnétiques chimiquement purs, la synthèse de couches minces de métaux et de diélectriques ont reçu des applications pratiques spécifiques. À la fin des années 1950, ils ont commencé à utiliser des EC à semi-conducteurs - transistors (Tr) et diodes (D) - des éléments montés discrets, ce qui a permis de réduire considérablement les dimensions et la consommation électrique des ordinateurs et, par conséquent, de réduire la chaleur. génération et augmenter la fiabilité.

Les éléments discrets actifs (D, Tr), ainsi que massifs (R, C, L) ont continué à être améliorés : leurs tailles et leur consommation d'énergie ont diminué, le contrôle s'est amélioré et la fiabilité de l'EC a augmenté. Cela a permis de modifier les dimensions de dispositifs fonctionnellement complets - des micromodules, qui prenaient la forme d'une structure empilée ou plate dans laquelle des éléments discrets sont reliés par brasage ou soudage. Les testeurs se sont concentrés sur le contrôle et la fiabilité du signal. Ainsi, l'augmentation de la complexité fonctionnelle de l'EA nécessitait l'utilisation d'un grand nombre d'EC et, par conséquent, une augmentation des rations, ce qui réduisait la fiabilité. L'équipement de contrôle et de mesure n'était pas automatisé et le contrôle complet de chaque EC pour EA prenait beaucoup de temps, ce qui, à son tour, affectait le coût de l'équipement.

Les domaines technologiques en développement rapide pour le stockage et le traitement de l'information à grande vitesse nécessitaient de garantir une fiabilité élevée et un fonctionnement sans problème à long terme des équipements électroniques exploités sous diverses influences externes. Dans le même temps, l'éventail des changements dans les facteurs d'influence est très large (il peut également inclure les conditions d'exploitation). Il fallait créer une REA qui réponde aux exigences du progrès technique. Ceux-ci inclus:

augmenter la complexité fonctionnelle des équipements pour résoudre les problèmes de contrôle des processus ;

performances accrues dans les calculs et le contrôle des processus ;

réduction des caractéristiques de poids et de taille des équipements ;

réduction de la consommation d'énergie pendant le fonctionnement ;

fiabilité accrue;

réduction des coûts d’équipement.

De nouvelles caractéristiques de l'EA ne pourraient être obtenues qu'avec une miniaturisation significative des composants de l'EA et l'élimination de l'utilisation de la soudure. La production d’EA de petite taille basée sur des éléments discrets s’est heurtée à des obstacles technologiques fondamentaux et insurmontables.

Le prochain inconvénient est lié aux opérations d'assemblage d'EA et d'éléments discrets. Ce processus à forte intensité de main-d'œuvre ne pouvait pas être automatisé et le coût de l'EE restait élevé.

Les inconvénients incluent également les nombreux contacts externes sur la carte, c'est-à-dire un petit nombre de fonctions par contact.

Les facteurs limitants de ce principe de conception incluent également la grande longueur des circuits de commutation du circuit, ce qui réduit les performances et l'immunité au bruit de l'EA.

Ainsi, l'amélioration ultérieure de l'EA sur une base d'éléments discrets était limitée par les méthodes technologiques de fabrication et de surveillance de l'EC, et non par des raisons de nature physique.

Les limites envisagées du principe de conception d'appareils électroniques sur des éléments discrets ont été découvertes lors de la création d'ordinateurs de bord de petite taille et très fiables, dont la vitesse est proportionnelle à la vitesse des processus dans ces appareils (fonctionnant en temps réel) . Cela a confirmé la nécessité d'améliorer l'EA et d'accroître sa fiabilité en tant que problème central de la technologie électronique. L'objectif a été défini - la microminiaturisation résultant de l'intégration fonctionnelle de composants de circuits électroniques sur une base solide, c'est-à-dire création de circuits intégrés (IC) en intégrant EC. Pour la mise en œuvre technique de l'idée de microminiaturisation de l'EA basée sur l'intégration fonctionnelle de l'EC passive et active, de nouveaux matériaux et équipements ainsi que d'autres principes technologiques pour leur mise en œuvre et leur contrôle étaient nécessaires. Tous les composants IC similaires doivent être fabriqués simultanément dans un seul cycle technologique, en utilisant une méthode groupée de traitement des matériaux, en effectuant un contrôle automatiquement, selon un principe fonctionnel. Cette direction de l'électronique est appelée microélectronique. Ainsi, la base de la microélectronique repose sur les principes suivants :

EA est créé sur la base d'un SI avec intégration constructive et fonctionnelle de microdispositifs - EC ;

les processus physiques dans les microdispositifs se produisent dans des microvolumes, dans des structures en couches minces ;

production simultanée d'éléments de conception similaires de microdispositifs IC en utilisant la technologie planaire et le traitement groupé des matériaux ;

contrôle fonctionnel des circuits intégrés et des circuits de test.

L'apparition des premiers dispositifs microélectroniques - les CI - a été précédée par des recherches fondamentales et des développements techniques dans le domaine de la physique du solide, de la chimie et de la radioélectronique.

Chapitre 2. Évolution de l'électronique intégrée

2.1 Circuits intégrés et étapes de développement de l'électronique intégrée

Circuit intégré (CI) est un produit microélectronique qui remplit les fonctions de conversion et de traitement du signal, caractérisé par un emballage dense d'éléments de sorte que toutes les connexions et connexions entre les éléments forment un tout.

Les éléments qui agissent comme des éléments électriques et radio (transistors, résistances, etc.) font partie intégrante d'un CI et ne peuvent être séparés en tant que produits indépendants. Dans ce cas, les éléments IC qui remplissent les fonctions d'amplification ou autre conversion de signal (diodes, transistors, etc.) sont appelés actifs, et les éléments qui mettent en œuvre une fonction de transfert linéaire (résistances, condensateurs, inductances) sont appelés passifs.

Classification des circuits intégrés :

Par mode de fabrication :

Selon le degré d'intégration.

Le degré d'intégration d'un système d'information est un indicateur de complexité, caractérisé par le nombre d'éléments et de composants qu'il contient. Le degré d'intégration est déterminé par la formule

k=log(N),

où k est un coefficient qui détermine le degré d’intégration, arrondi au nombre entier le plus proche, et N est le nombre d’éléments et de composants inclus dans le SI.

Pour caractériser quantitativement le degré d'intégration, les termes suivants sont souvent utilisés : si k ? 1, Un IC est appelé un IC simple si 1< k ? 2 - средней ИС (СИС), если 2 < k ? 4 - большой ИС (БИС), если k ?4 - сверхбольшой ИС (СБИС).

En plus du degré d'intégration, un autre indicateur est utilisé comme la densité de compactage des éléments - le nombre d'éléments (le plus souvent des transistors) par unité de surface du cristal. Cet indicateur caractérise principalement le niveau de technologie, actuellement il est supérieur à 1000 éléments/mm 2.

Circuits intégrés cinématographiques- ce sont des circuits intégrés dont les éléments sont déposés à la surface d'un support diélectrique sous forme de film. Leur particularité est qu’ils n’existent pas sous leur forme pure. Ils sont utilisés uniquement pour la fabrication d'éléments passifs - résistances, condensateurs, conducteurs, inductances.

Riz. 1. Structure d'un circuit intégré hybride à film : 1, 2 - plaques de condensateur inférieure et supérieure, 3 - couche diélectrique, 4 - bus de connexion, 5 - transistor monté, 6 - résistance à film, borne à 7 broches, 8 - substrat diélectrique

Les circuits intégrés hybrides sont des microcircuits à couches minces constitués d'éléments passifs (résistances, condensateurs, plots) et d'éléments actifs discrets (diodes, transistors). Le CI hybride illustré à la Fig. 1, est un substrat diélectrique sur lequel sont appliqués des condensateurs à film et des résistances et un transistor monté attaché, dont la base est connectée à la plaque supérieure du condensateur par un bus sous la forme d'un fil très fin.

Dans les circuits intégrés à semi-conducteurs Tous les éléments et connexions inter-éléments sont réalisés dans la masse et à la surface du cristal semi-conducteur. Les CI semi-conducteurs sont un cristal semi-conducteur plat (substrat), dans la couche superficielle duquel, à l'aide de diverses techniques technologiques, sont formées des zones locales équivalentes aux éléments d'un circuit électrique (diodes, transistors, condensateurs, résistances, etc.), réunies le long la surface par des connexions métalliques en film (interconnexions).

Les substrats des circuits intégrés semi-conducteurs sont des tranches rondes d'arséniure de silicium, de germanium ou de gallium, ayant un diamètre de 60 à 150 mm et une épaisseur de 0,2 à 0,4 mm.

Le substrat semi-conducteur est une pièce de groupe (Fig. 2) sur laquelle un grand nombre de circuits intégrés sont fabriqués simultanément.

Riz. 2. Groupe de tranches de silicium : 1 - tranche de base, 2 - cristaux individuels (puces)

Après avoir terminé les principales opérations technologiques, il est découpé en morceaux - cristaux 2, également appelés chips. Les dimensions des flancs du cristal peuvent aller de 3 à 10 mm. La base découpée 1 de la plaque sert à l'orienter lors de différents processus technologiques.

Les structures des éléments d'un circuit intégré semi-conducteur - transistor, diode, résistance et condensateur, fabriqués par dopage approprié de sections locales du semi-conducteur à l'aide de méthodes de technologie planaire, sont illustrées sur la Fig. 3, après JC. La technologie planaire se caractérise par le fait que toutes les bornes des éléments IC sont situées dans le même plan sur la surface et sont simultanément connectées à un circuit électrique à l'aide d'interconnexions en couches minces. Avec la technologie planaire, un traitement de groupe est effectué, c'est-à-dire qu'au cours d'un processus technologique, un grand nombre de circuits intégrés sont produits sur des substrats, ce qui garantit une fabricabilité et une efficacité élevées, et permet également l'automatisation de la production.

Riz. 3. Structures des éléments d'un CI semi-conducteur : a - transistor, b - diode, c - résistance, d - condensateur, 1 - contact à couche mince, 2 - couche diélectrique, 3 - émetteur ; 4 - base, 5 - collecteur, 6 - cathode, 7 - anode, 8 - couche isolante ; 9 - couche résistive, 10 - couche isolante, 11 - plaque, 12, 14 - électrodes supérieure et inférieure du condensateur, 13 - couche diélectrique

DANSIP combinée(Fig. 4), qui sont une variante des semi-conducteurs, créent des éléments semi-conducteurs et à couches minces sur un substrat de silicium. L'avantage de ces circuits est qu'il est technologiquement difficile de fabriquer des résistances d'une résistance donnée dans un corps solide, car cela dépend non seulement de l'épaisseur de la couche semi-conductrice dopée, mais aussi de la répartition de la résistivité sur l'épaisseur. Le réglage de la résistance à la valeur nominale après fabrication de la résistance présente également des difficultés importantes. Les résistances semi-conductrices ont une dépendance notable à la température, ce qui complique le développement des circuits intégrés.

Riz. 4. Structure d'un circuit intégré combiné : 1 - film de dioxyde de silicium, 2 - diode, 3 - connexions en circuit du film, 4 - résistance à couche mince, 5, 6, 7 - électrodes supérieure et inférieure d'un condensateur à couche mince et diélectrique, 8 - contacts à couche mince, 9 - transistor, 10 - plaquette de silicium.

De plus, il est également très difficile de créer des condensateurs dans des solides. Pour étendre les valeurs nominales des résistances et des condensateurs des circuits intégrés à semi-conducteurs et améliorer leurs caractéristiques de performance, une technologie combinée basée sur la technologie des couches minces appelée technologie des circuits interconnectés a été développée. Dans ce cas, les éléments actifs du circuit intégré (éventuellement certaines résistances qui ne sont pas critiques en termes de résistance nominale) sont fabriqués dans le corps du cristal de silicium par diffusion, puis les éléments passifs - résistances, condensateurs et interconnexions - sont fabriqués. formé par dépôt sous vide de films (comme dans les circuits intégrés à film).

La base des éléments électroniques se développe à un rythme toujours plus rapide. Chaque génération, apparue à un moment donné, continue de s'améliorer dans les directions les plus justifiées. Le développement des produits électroniques de génération en génération évolue dans le sens de leur complexité fonctionnelle, augmentant la fiabilité et la durée de vie, réduisant les dimensions globales, le poids, le coût et la consommation d'énergie, simplifiant la technologie et améliorant les paramètres des équipements électroniques.

L'émergence de la microélectronique en tant que science indépendante est devenue possible grâce à l'utilisation d'une riche expérience et de la base de l'industrie produisant des dispositifs semi-conducteurs discrets. Cependant, à mesure que l'électronique à semi-conducteurs se développait, de sérieuses limites à l'utilisation des phénomènes électroniques et des systèmes basés sur ceux-ci sont devenues évidentes. Par conséquent, la microélectronique continue de progresser à un rythme rapide, à la fois dans le sens de l’amélioration de la technologie intégrée des semi-conducteurs et dans le sens de l’utilisation de nouveaux phénomènes physiques. circuit intégré radio électronique

Produits microélectroniques : circuits intégrés de divers degrés d'intégration, microassemblages, microprocesseurs, mini et micro-ordinateurs - ont permis de réaliser la conception et la production industrielle d'équipements radio et informatiques fonctionnellement complexes, qui se distinguent mieux des équipements des générations précédentes Paramètres, fiabilité et durée de vie plus élevées, consommation d'énergie et coûts plus courts. Les équipements basés sur des produits microélectroniques sont largement utilisés dans tous les domaines de l'activité humaine.

La microélectronique contribue à la création de systèmes de conception assistée par ordinateur, de robots industriels, de lignes de production automatisées et automatiques, d'équipements de communication et bien plus encore.

Première étape

La première étape comprenait l’invention de la lampe à incandescence en 1809 par l’ingénieur russe Ladygin.

Découverte en 1874 par le scientifique allemand Brown de l'effet redresseur dans les contacts métal-semi-conducteur. L'utilisation de cet effet par l'inventeur russe Popov pour détecter les signaux radio lui a permis de créer le premier récepteur radio. La date de l'invention de la radio est considérée comme étant le 7 mai 1895, lorsque Popov a fait un rapport et une démonstration lors d'une réunion du département de physique de la Société physico-chimique russe à Saint-Pétersbourg. Dans différents pays, le développement et la recherche ont été menés sur différents types de détecteurs simples et fiables de vibrations à haute fréquence - les détecteurs.

Seconde phase

La deuxième étape du développement de l’électronique a commencé en 1904, lorsque le scientifique anglais Fleming a conçu une diode électrique à vide. S'ensuit l'invention du premier tube d'amplification, la triode, en 1907.

1913 - 1919 fut une période de développement rapide de la technologie électronique. En 1913, l'ingénieur allemand Meissner développa un circuit pour un récepteur régénérateur à tube et, à l'aide d'une triode, obtint des oscillations harmoniques non amorties.

En Russie, les premiers tubes radio ont été fabriqués en 1914 à Saint-Pétersbourg par Nikolai Dmitrievich Papaleksi, consultant auprès de la Société russe de télégraphie sans fil, futur académicien de l'Académie des sciences de l'URSS.

Troisième étape

La troisième période du développement de l'électronique est la période de création et de mise en œuvre de dispositifs semi-conducteurs discrets, qui a commencé avec l'invention du transistor point-point. En 1946, un groupe dirigé par William Shockley a été créé au Bell Telephone Laboratory, qui a mené des recherches sur les propriétés des semi-conducteurs sur silicium et en Allemagne. Le groupe a mené des études théoriques et expérimentales sur les processus physiques à l'interface entre deux semi-conducteurs présentant différents types de conductivité électrique. En conséquence, des dispositifs semi-conducteurs à trois électrodes ont été inventés : les transistors. En fonction du nombre de porteurs de charge, les transistors étaient divisés en :

Unipolaire (champ), où des médias unipolaires ont été utilisés.

Bipolaire, où des porteurs de polarités différentes (électrons et trous) ont été utilisés.

L'invention du transistor a marqué une étape importante dans l'histoire de l'électronique et c'est pourquoi ses auteurs John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley ont reçu le prix Nobel de physique en 1956.

L'émergence de la microélectronique

Avec l'avènement des transistors bipolaires à effet de champ, des idées pour le développement d'ordinateurs de petite taille ont commencé à se concrétiser. Sur cette base, ils ont commencé à créer des systèmes électroniques embarqués pour la technologie aéronautique et spatiale. Étant donné que ces appareils contenaient des milliers d'éléments électroradio individuels et que de plus en plus d'entre eux étaient constamment nécessaires, des difficultés techniques sont apparues. Avec l'augmentation du nombre d'éléments des systèmes électroniques, il était pratiquement impossible d'assurer leur fonctionnement immédiatement après l'assemblage, et d'assurer, à l'avenir, la fiabilité des systèmes. Le problème de la qualité des travaux d'installation et d'assemblage est devenu le principal problème des fabricants pour garantir l'opérabilité et la fiabilité des appareils radioélectroniques. La solution au problème de l’interconnexion était une condition préalable à l’émergence de la microélectronique. Le prototype des futurs microcircuits était une carte de circuit imprimé dans laquelle tous les conducteurs individuels étaient combinés en un seul tout et fabriqués simultanément selon une méthode de groupe en gravant une feuille de cuivre avec le plan du diélectrique de la feuille. Le seul type d'intégration dans ce cas est celui des conducteurs. Si l’utilisation de circuits imprimés ne résout pas le problème de la miniaturisation, elle résout cependant le problème de l’augmentation de la fiabilité des interconnexions. La technologie de fabrication des circuits imprimés ne permet pas de fabriquer simultanément d'autres éléments passifs autres que des conducteurs. C’est pourquoi les circuits imprimés n’ont pas évolué vers des circuits intégrés au sens moderne du terme. Les premiers circuits hybrides à couches épaisses ont été développés à la fin des années 40 ; leur production était basée sur la technologie déjà éprouvée de fabrication de condensateurs céramiques, utilisant la méthode d'application de pâtes contenant de l'argent et de la poudre de verre sur un substrat céramique à l'aide de pochoirs.

La technologie des couches minces pour la production de circuits intégrés consiste à appliquer sous vide des couches minces de divers matériaux (conducteurs, diélectriques, résistifs) sur la surface lisse de substrats diélectriques.

Quatrième étape

En 1960, Robert Noyce de Fairchild a proposé et breveté l'idée d'un circuit intégré monolithique et, en utilisant la technologie planaire, a produit les premiers circuits intégrés monolithiques en silicium.

Une famille d'éléments logiques transistor-transistor monolithiques avec quatre transistors bipolaires ou plus sur une seule puce de silicium a été lancée par Fairchild déjà en février 1960 et s'appelait « micrologics ». La technologie planaire de Horney et la technologie monolithique de Noyce ont jeté les bases du développement des circuits intégrés en 1960, d'abord avec des transistors bipolaires, puis entre 1965 et 1985. sur les transistors à effet de champ et des combinaisons des deux.

Deux décisions politiques adoptées en 1961-1962. influencé le développement de la production de transistors et de circuits intégrés en silicium. La décision d'IBM (New York) de développer pour un ordinateur prometteur non pas des dispositifs de stockage ferromagnétiques, mais des mémoires électroniques (dispositifs de stockage) basées sur des transistors à effet de champ à canal N (semi-conducteur à oxyde métallique - MOS). Le résultat de la mise en œuvre réussie de ce plan fut la sortie en 1973. ordinateur universel avec mémoire MOS - IBM-370/158. Décisions directives de Fairchild prévoyant l'expansion des travaux dans le laboratoire de recherche sur les semi-conducteurs pour l'étude des dispositifs en silicium et de leurs matériaux.

Pendant ce temps, en juillet 1968, Gordon Moore et Robert Noyce quittèrent la division semi-conducteurs de Fairchild et, le 28 juin 1968, créèrent une petite entreprise, Intel, avec douze personnes qui louèrent une chambre à Mountain View, en Californie. La tâche que Moore, Noyce et le spécialiste en technologie chimique qui les a rejoints, Andrew Grove, se sont fixés était d'utiliser l'énorme potentiel de l'intégration d'un grand nombre de composants électroniques sur une seule puce semi-conductrice pour créer de nouveaux types d'appareils électroniques.

En 1997, Andrew Grove est devenu « la personne de l’année » et la société qu’il dirigeait, Intel, devenue l’une des sociétés leaders de la Silicon Valley en Californie, a commencé à produire des microprocesseurs pour 90 % de tous les ordinateurs personnels de la planète. L'émergence des circuits intégrés a joué un rôle décisif dans le développement de l'électronique, ouvrant la voie à une nouvelle étape de la microélectronique. La microélectronique de la quatrième période est dite schématique, car dans la composition des principaux éléments de base, il est possible de distinguer des éléments équivalents aux éléments électro-radio discrets et chaque circuit intégré correspond à un certain circuit électrique de base, comme pour les composants électroniques des équipements de les générations précédentes.

Les circuits intégrés ont commencé à être appelés dispositifs microélectroniques, considérés comme un produit unique avec une haute densité d'éléments équivalente aux éléments d'un circuit conventionnel. La complexité des fonctions assurées par les microcircuits est obtenue en augmentant le degré d'intégration.

RéelsonélectroniqueEt

Actuellement, la microélectronique passe à un niveau qualitativement nouveau : la nanoélectronique.

La nanoélectronique repose principalement sur les résultats d'études fondamentales des processus atomiques dans les structures semi-conductrices de faible dimension. Les points quantiques, ou systèmes à dimension zéro, sont un cas extrême de systèmes à dimension réduite constitués d'un réseau d'amas ou d'îlots atomiques de taille nanométrique dans une matrice semi-conductrice qui présentent une auto-organisation en hétérostructures épitaxiales.

L'un des travaux possibles liés à la nanoélectronique est la création de matériaux et d'éléments de technologie IR. Ils sont demandés par les entreprises industrielles et constituent la base de la création dans un avenir proche de systèmes de vision « artificiels » (techniques) avec une gamme spectrale élargie, par rapport à la vision biologique, dans les régions ultraviolettes et infrarouges du spectre. Les systèmes de vision technique et les composants photoniques sur les nanostructures, capables de recevoir et de traiter d'énormes quantités d'informations, deviendront la base de dispositifs de télécommunication fondamentalement nouveaux, de systèmes de surveillance environnementale et spatiale, d'imagerie thermique, de nanodiagnostic, de robotique, d'armes de précision, d'équipements antiterroristes, etc. L'utilisation de nanostructures semi-conductrices réduira considérablement la taille des dispositifs de surveillance et d'enregistrement, réduira la consommation d'énergie, améliorera les caractéristiques de coût et permettra de tirer parti de la production de masse en micro et nanoélectronique dans un avenir proche.

2.2 Le rôle de la technologie des couches minces dans le développement de l'électronique intégrée

La direction des couches minces de l'électronique intégrée est basée sur la croissance séquentielle de films de divers matériaux sur une base commune (substrat) avec la formation simultanée de micro-pièces (résistances, condensateurs, plages de contact, etc.) et de connexions en circuit à partir de ces films.

Relativement récemment, les circuits intégrés hybrides à semi-conducteurs (solides) et à couches minces étaient considérés comme des directions concurrentes dans le développement de l'électronique intégrée. Ces dernières années, il est devenu évident que ces deux directions ne s'excluent pas du tout, mais au contraire se complètent et s'enrichissent mutuellement. De plus, à ce jour, aucun circuit intégré utilisant un seul type de technologie n'a été créé (et, apparemment, cela n'est pas nécessaire). Même les circuits monolithiques en silicium, fabriqués principalement à l'aide de la technologie des semi-conducteurs, utilisent simultanément des méthodes telles que le dépôt sous vide de films d'aluminium et d'autres métaux pour produire des connexions dans le circuit, c'est-à-dire méthodes sur lesquelles repose la technologie des couches minces.

Le grand avantage de la technologie des couches minces est sa flexibilité, exprimée dans la capacité de sélectionner des matériaux avec des paramètres et des caractéristiques optimaux et d'obtenir, en fait, n'importe quelle configuration et paramètres requis pour les éléments passifs. Dans ce cas, les tolérances avec lesquelles les paramètres individuels des éléments sont maintenus peuvent être augmentées jusqu'à 1 à 2 %. Cet avantage est particulièrement efficace dans les cas où la valeur exacte des valeurs nominales et la stabilité des paramètres des composants passifs sont critiques (par exemple, dans la fabrication de circuits linéaires, de circuits résistifs et RC, de certains types de filtres, sensibles à la phase et circuits sélectifs, générateurs, etc.).

En raison du développement et de l'amélioration continus de la technologie des semi-conducteurs et des couches minces, ainsi que de la complexité croissante des circuits intégrés, qui se reflète dans une augmentation du nombre de composants et de la complexité de leurs fonctions, il faut s'attendre à ce que dans un avenir proche à l'avenir, il y aura un processus d'intégration des méthodes et techniques technologiques et les circuits intégrés les plus complexes seront fabriqués à l'aide d'une technologie convergée. Dans ce cas, il est possible d'obtenir de tels paramètres et une telle fiabilité du CI qui ne peuvent être obtenus en utilisant chaque type de technologie séparément. Par exemple, dans la fabrication d'un circuit intégré semi-conducteur, tous les éléments (passifs et actifs) sont réalisés au cours d'un seul processus technologique, de sorte que les paramètres des éléments sont interdépendants. Les éléments actifs sont déterminants, puisque généralement la jonction base-collecteur du transistor est utilisée comme condensateur, et la région de diffusion résultant de la création de la base du transistor est utilisée comme résistance. Il est impossible d'optimiser les paramètres d'un élément sans modifier simultanément les caractéristiques des autres. Compte tenu des caractéristiques des éléments actifs, les valeurs des éléments passifs ne peuvent être modifiées qu'en modifiant leurs tailles.

Lors de l'utilisation d'une technologie combinée, les éléments actifs sont le plus souvent fabriqués selon la technologie planaire dans une plaquette de silicium, et les éléments passifs sont fabriqués selon la technologie des couches minces sur un élément oxydé élément par élément (résistances et parfois condensateurs) - la surface de la même plaquette de silicium. . Cependant, les processus de fabrication des parties actives et passives du circuit intégré sont séparés dans le temps. Par conséquent, les caractéristiques des éléments passifs sont largement indépendantes et sont déterminées par le choix du matériau, de l’épaisseur du film et de la géométrie. Étant donné que les transistors d'un circuit intégré hybride sont situés à l'intérieur du substrat, la taille d'un tel circuit peut être considérablement réduite par rapport aux circuits intégrés hybrides, qui utilisent des éléments actifs discrets occupant un espace relativement important sur le substrat.

Les circuits réalisés à l'aide de technologies combinées présentent un certain nombre d'avantages incontestables. Par exemple, dans ce cas, il est possible d'obtenir des résistances avec une grande valeur et un faible coefficient de température, ayant une largeur très étroite et une résistance superficielle élevée, sur une petite surface. Le contrôle de la vitesse de dépôt lors de la fabrication des résistances permet de les fabriquer avec une très grande précision. Les résistances obtenues par dépôt de film ne sont pas caractérisées par des courants de fuite à travers le substrat, même à des températures élevées, et la conductivité thermique relativement élevée du substrat empêche l'apparition de zones à températures élevées dans les circuits.

Conclusion

Le stade actuel de développement de l'électronique intégrée se caractérise par des tendances à augmenter davantage les fréquences de fonctionnement et à réduire les temps de commutation, à augmenter la fiabilité et à réduire les coûts des matériaux et du processus de fabrication des circuits intégrés.

La réduction du coût des circuits intégrés nécessite le développement de principes qualitativement nouveaux pour leur fabrication utilisant des procédés basés sur des phénomènes physiques et chimiques similaires, ce qui, d'une part, est une condition préalable à l'intégration ultérieure d'opérations technologiques homogènes du cycle de production et, d'autre part, ouvre la possibilité fondamentale de contrôler toutes les opérations à partir d'un ordinateur. La nécessité de changements qualitatifs dans la technologie et de rééquipement technique de l'industrie est également dictée par la transition vers l'étape suivante de développement de la microélectronique - l'électronique fonctionnelle, basée sur les phénomènes optiques, magnétiques, de surface et de plasma, les transitions de phase, les électrons. -interactions phononiques, effets d'accumulation et de transfert de charges, etc.

Le critère de « progressivité » du processus technologique, ainsi que l'amélioration des paramètres et des caractéristiques du produit lui-même, est une efficacité économique élevée, déterminée par un certain nombre de critères privés et interdépendants qui garantissent la possibilité de construire des ensembles de systèmes entièrement automatisés. , un équipement performant avec une longue durée de vie.

Les critères particuliers les plus importants sont :

l'universalité, c'est-à-dire la capacité de réaliser la totalité (ou la majorité des opérations) du cycle de production en utilisant les mêmes méthodes technologiques ;

la continuité, qui est une condition préalable à l'intégration (combinaison) ultérieure d'un certain nombre d'opérations technologiques du cycle de production, combinée à la possibilité de recourir à la transformation groupée simultanée d'un nombre important de produits ou de produits semi-finis ;

vitesse élevée de toutes les opérations principales du processus technologique ou possibilité de leur intensification, par exemple à la suite d'une exposition à des champs électriques et magnétiques, à un rayonnement laser, etc.

reproductibilité des paramètres à chaque opération et pourcentage élevé de rendement en produits semi-finis et adaptés ;

fabricabilité de la conception d'un produit ou d'un produit semi-fini qui répond aux exigences de la production automatisée (possibilité de chargement, de basement, d'installation, d'assemblage, etc. automatisés), qui doit se refléter dans la simplicité de la forme, ainsi que limitée tolérances pour les dimensions hors tout et de base ;

formalisation, c'est-à-dire la possibilité d'établir (sur la base des dépendances analytiques des paramètres du produit sur les paramètres du processus technologique) une description mathématique (algorithme) de chaque opération technologique et le contrôle ultérieur de l'ensemble du processus technologique à l'aide d'un ordinateur ;

l'adaptabilité (vitalité) du procédé, c'est-à-dire la capacité d'exister longtemps dans des conditions d'émergence et de développement continus de nouveaux procédés compétitifs et la capacité de reconstruire rapidement les équipements pour la fabrication de nouveaux types de produits sans coûts d'investissement importants.

La plupart des critères énumérés sont satisfaits par des procédés utilisant des phénomènes électroniques et ioniques se produisant sous vide et dans des gaz raréfiés, à l'aide desquels il est possible de produire :

pulvérisation ionique de métaux, alliages, diélectriques et semi-conducteurs afin d'obtenir des films de différentes épaisseurs et compositions, interconnexions, structures capacitives, isolation intercouche, câblage intercouche ;

gravure ionique de métaux, alliages, semi-conducteurs et diélectriques afin de supprimer des zones localisées individuelles lors de l'obtention d'une configuration IC ;

anodisation plasma pour obtenir des films d'oxyde ;

polymérisation de films organiques dans des zones irradiées par des électrons pour obtenir des couches isolantes organiques ;

nettoyer et polir la surface des substrats;

croissance de monocristaux ;

évaporation des matériaux (y compris réfractaires) et recristallisation des films ;

micro-fraisage de films;

micro-soudage et micro-soudage pour connecter les câbles IC, ainsi que pour sceller les boîtiers ;

méthodes sans contact pour surveiller les paramètres IC.

La communauté des phénomènes physiques et chimiques sur lesquels reposent les processus répertoriés montre la possibilité fondamentale de leur intégration ultérieure afin de créer une nouvelle base technologique pour la production automatisée haute performance de circuits intégrés et de dispositifs électroniques fonctionnels.

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Circuit intégré (CI) est un produit microélectronique qui remplit les fonctions de conversion et de traitement du signal, caractérisé par un emballage dense d'éléments de sorte que toutes les connexions et connexions entre les éléments forment un tout.

Les éléments qui agissent comme des éléments électriques et radio (transistors, résistances, etc.) font partie intégrante d'un CI et ne peuvent être séparés en tant que produits indépendants. Dans ce cas, les éléments IC qui remplissent les fonctions d'amplification ou autre conversion de signal (diodes, transistors, etc.) sont appelés actifs, et les éléments qui mettent en œuvre une fonction de transfert linéaire (résistances, condensateurs, inductances) sont appelés passifs.

Classification des circuits intégrés :

Par mode de fabrication :

Selon le degré d'intégration.

Le degré d'intégration d'un système d'information est un indicateur de complexité, caractérisé par le nombre d'éléments et de composants qu'il contient. Le degré d'intégration est déterminé par la formule

où k est un coefficient qui détermine le degré d’intégration, arrondi au nombre entier le plus proche, et N est le nombre d’éléments et de composants inclus dans le SI.

Pour caractériser quantitativement le degré d'intégration, les termes suivants sont souvent utilisés : si k ? 1, Un IC est appelé un IC simple si 1< k ? 2 - средней ИС (СИС), если 2 < k ? 4 - большой ИС (БИС), если k ?4 - сверхбольшой ИС (СБИС).

En plus du degré d'intégration, un autre indicateur est utilisé comme la densité de compactage des éléments - le nombre d'éléments (le plus souvent des transistors) par unité de surface du cristal. Cet indicateur caractérise principalement le niveau de technologie, actuellement il est supérieur à 1000 éléments/mm 2.

Circuits intégrés cinématographiques- ce sont des circuits intégrés dont les éléments sont déposés à la surface d'un support diélectrique sous forme de film. Leur particularité est qu’ils n’existent pas sous leur forme pure. Ils sont utilisés uniquement pour la fabrication d'éléments passifs - résistances, condensateurs, conducteurs, inductances.

Riz. 1. Structure d'un CI hybride à film : 1, 2 - plaques de condensateur inférieure et supérieure, 3 - couche diélectrique, 4 - bus de connexion, 5 - transistor monté, 6 - résistance à film, borne à 7 broches, 8 - substrat diélectrique

Les circuits intégrés hybrides sont des microcircuits à couches minces constitués d'éléments passifs (résistances, condensateurs, plots) et d'éléments actifs discrets (diodes, transistors). Le CI hybride illustré à la Fig. 1, est un substrat diélectrique sur lequel sont appliqués des condensateurs à film et des résistances et un transistor monté attaché, dont la base est connectée à la plaque supérieure du condensateur par un bus sous la forme d'un fil très fin.

Dans les circuits intégrés à semi-conducteurs Tous les éléments et connexions inter-éléments sont réalisés dans la masse et à la surface du cristal semi-conducteur. Les CI semi-conducteurs sont un cristal semi-conducteur plat (substrat), dans la couche superficielle duquel, à l'aide de diverses techniques technologiques, sont formées des zones locales équivalentes aux éléments d'un circuit électrique (diodes, transistors, condensateurs, résistances, etc.), réunies le long la surface par des connexions métalliques en film (interconnexions).

Les substrats des circuits intégrés semi-conducteurs sont des tranches rondes d'arséniure de silicium, de germanium ou de gallium, ayant un diamètre de 60 à 150 mm et une épaisseur de 0,2 à 0,4 mm.

Le substrat semi-conducteur est une pièce de groupe (Fig. 2) sur laquelle un grand nombre de circuits intégrés sont fabriqués simultanément.

Riz. 2. Plaquette de silicium en groupe : 1 - coupe de base, 2 - cristaux individuels (puces)

Après avoir terminé les principales opérations technologiques, il est découpé en morceaux - cristaux 2, également appelés chips. Les dimensions des flancs du cristal peuvent aller de 3 à 10 mm. La base découpée 1 de la plaque sert à l'orienter lors de différents processus technologiques.

Les structures des éléments d'un circuit intégré semi-conducteur - transistor, diode, résistance et condensateur, fabriqués par dopage approprié de sections locales du semi-conducteur à l'aide de méthodes de technologie planaire, sont illustrées sur la Fig. 3, après JC. La technologie planaire se caractérise par le fait que toutes les bornes des éléments IC sont situées dans le même plan sur la surface et sont simultanément connectées à un circuit électrique à l'aide d'interconnexions en couches minces. Avec la technologie planaire, un traitement de groupe est effectué, c'est-à-dire qu'au cours d'un processus technologique, un grand nombre de circuits intégrés sont produits sur des substrats, ce qui garantit une fabricabilité et une efficacité élevées, et permet également l'automatisation de la production.

Riz. 3. Structures des éléments d'un CI semi-conducteur : a - transistor, b - diode, c - résistance, d - condensateur, 1 - contact à couche mince, 2 - couche diélectrique, H - émetteur ; 4 - base, 5 - collecteur, 6 - cathode, 7 - anode, 8 - couche isolante ; 9 - couche résistive, 10 - couche isolante, 11 - plaque, 12, 14 - électrodes supérieure et inférieure du condensateur, 13 - couche diélectrique

Dans les CI combinés(Fig. 4), qui sont une variante des semi-conducteurs, créent des éléments semi-conducteurs et à couches minces sur un substrat de silicium. L'avantage de ces circuits est qu'il est technologiquement difficile de fabriquer des résistances d'une résistance donnée dans un corps solide, car cela dépend non seulement de l'épaisseur de la couche semi-conductrice dopée, mais aussi de la répartition de la résistivité sur l'épaisseur. Le réglage de la résistance à la valeur nominale après fabrication de la résistance présente également des difficultés importantes. Les résistances semi-conductrices ont une dépendance notable à la température, ce qui complique le développement des circuits intégrés.

Riz. 4. Structure du circuit intégré combiné : 1 - film de dioxyde de silicium, 2 - diode, 3 - connexions en circuit du film, 4 - résistance à couche mince, 5, 6, 7 - électrodes supérieure et inférieure du condensateur à couche mince et du diélectrique, 8 - contacts à couche mince, 9 - transistor, 10 - plaquette de silicium.

De plus, il est également très difficile de créer des condensateurs dans des solides. Pour étendre les valeurs nominales des résistances et des condensateurs des circuits intégrés à semi-conducteurs et améliorer leurs caractéristiques de performance, une technologie combinée basée sur la technologie des couches minces appelée technologie des circuits interconnectés a été développée. Dans ce cas, les éléments actifs du circuit intégré (éventuellement certaines résistances qui ne sont pas critiques en termes de résistance nominale) sont fabriqués dans le corps du cristal de silicium par diffusion, puis les éléments passifs - résistances, condensateurs et interconnexions - sont fabriqués. formé par dépôt sous vide de films (comme dans les circuits intégrés à film).

La base des éléments électroniques se développe à un rythme toujours plus rapide. Chaque génération, apparue à un moment donné, continue de s'améliorer dans les directions les plus justifiées. Le développement des produits électroniques de génération en génération évolue dans le sens de leur complexité fonctionnelle, augmentant la fiabilité et la durée de vie, réduisant les dimensions globales, le poids, le coût et la consommation d'énergie, simplifiant la technologie et améliorant les paramètres des équipements électroniques.

L'émergence de la microélectronique en tant que science indépendante est devenue possible grâce à l'utilisation d'une riche expérience et de la base de l'industrie produisant des dispositifs semi-conducteurs discrets. Cependant, à mesure que l'électronique à semi-conducteurs se développait, de sérieuses limites à l'utilisation des phénomènes électroniques et des systèmes basés sur ceux-ci sont devenues évidentes. Par conséquent, la microélectronique continue de progresser à un rythme rapide, à la fois dans le sens de l’amélioration de la technologie intégrée des semi-conducteurs et dans le sens de l’utilisation de nouveaux phénomènes physiques. circuit intégré radio électronique

Produits microélectroniques : circuits intégrés de divers degrés d'intégration, microassemblages, microprocesseurs, mini et micro-ordinateurs - ont permis de réaliser la conception et la production industrielle d'équipements radio et informatiques fonctionnellement complexes, qui se distinguent mieux des équipements des générations précédentes Paramètres, fiabilité et durée de vie plus élevées, consommation d'énergie et coûts plus courts. Les équipements basés sur des produits microélectroniques sont largement utilisés dans tous les domaines de l'activité humaine.

La microélectronique contribue à la création de systèmes de conception assistée par ordinateur, de robots industriels, de lignes de production automatisées et automatiques, d'équipements de communication et bien plus encore.

Première étape

La première étape comprenait l’invention de la lampe à incandescence en 1809 par l’ingénieur russe Ladygin.

Découverte en 1874 par le scientifique allemand Brown de l'effet redresseur dans les contacts métal-semi-conducteur. L'utilisation de cet effet par l'inventeur russe Popov pour détecter les signaux radio lui a permis de créer le premier récepteur radio. La date de l'invention de la radio est considérée comme étant le 7 mai 1895, lorsque Popov a fait un rapport et une démonstration lors d'une réunion du département de physique de la Société physico-chimique russe à Saint-Pétersbourg. Dans différents pays, le développement et la recherche ont été menés sur différents types de détecteurs simples et fiables de vibrations à haute fréquence - les détecteurs.

Seconde phase

La deuxième étape du développement de l’électronique a commencé en 1904, lorsque le scientifique anglais Fleming a conçu une diode électrique à vide. S'ensuit l'invention du premier tube d'amplification, la triode, en 1907.

1913 - 1919 fut une période de développement rapide de la technologie électronique. En 1913, l'ingénieur allemand Meissner développa un circuit pour un récepteur régénérateur à tube et, à l'aide d'une triode, obtint des oscillations harmoniques non amorties.

En Russie, les premiers tubes radio ont été fabriqués en 1914 à Saint-Pétersbourg par Nikolai Dmitrievich Papaleksi, consultant auprès de la Société russe de télégraphie sans fil, futur académicien de l'Académie des sciences de l'URSS.

Troisième étape

La troisième période du développement de l'électronique est la période de création et de mise en œuvre de dispositifs semi-conducteurs discrets, qui a commencé avec l'invention du transistor point-point. En 1946, un groupe dirigé par William Shockley a été créé au Bell Telephone Laboratory, qui a mené des recherches sur les propriétés des semi-conducteurs sur silicium et en Allemagne. Le groupe a mené des études théoriques et expérimentales sur les processus physiques à l'interface entre deux semi-conducteurs présentant différents types de conductivité électrique. En conséquence, des dispositifs semi-conducteurs à trois électrodes ont été inventés : les transistors. En fonction du nombre de porteurs de charge, les transistors étaient divisés en :

• - unipolaire (champ), où des médias unipolaires ont été utilisés.
• - bipolaire, où des porteurs de polarités différentes (électrons et trous) étaient utilisés.

L'invention du transistor a marqué une étape importante dans l'histoire de l'électronique et c'est pourquoi ses auteurs John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley ont reçu le prix Nobel de physique en 1956.

L'émergence de la microélectronique

Avec l'avènement des transistors bipolaires à effet de champ, des idées pour le développement d'ordinateurs de petite taille ont commencé à se concrétiser. Sur cette base, ils ont commencé à créer des systèmes électroniques embarqués pour la technologie aéronautique et spatiale. Étant donné que ces appareils contenaient des milliers d'éléments électroradio individuels et que de plus en plus d'entre eux étaient constamment nécessaires, des difficultés techniques sont apparues. Avec l'augmentation du nombre d'éléments des systèmes électroniques, il était pratiquement impossible d'assurer leur fonctionnement immédiatement après l'assemblage, et d'assurer, à l'avenir, la fiabilité des systèmes. Le problème de la qualité des travaux d'installation et d'assemblage est devenu le principal problème des fabricants pour garantir l'opérabilité et la fiabilité des appareils radioélectroniques. La solution au problème de l’interconnexion était une condition préalable à l’émergence de la microélectronique. Le prototype des futurs microcircuits était une carte de circuit imprimé dans laquelle tous les conducteurs individuels étaient combinés en un seul tout et fabriqués simultanément selon une méthode de groupe en gravant une feuille de cuivre avec le plan du diélectrique de la feuille. Le seul type d'intégration dans ce cas est celui des conducteurs. Si l’utilisation de circuits imprimés ne résout pas le problème de la miniaturisation, elle résout cependant le problème de l’augmentation de la fiabilité des interconnexions. La technologie de fabrication des circuits imprimés ne permet pas de fabriquer simultanément d'autres éléments passifs autres que des conducteurs. C’est pourquoi les circuits imprimés n’ont pas évolué vers des circuits intégrés au sens moderne du terme. Les premiers circuits hybrides à couches épaisses ont été développés à la fin des années 40 ; leur production était basée sur la technologie déjà éprouvée de fabrication de condensateurs céramiques, utilisant la méthode d'application de pâtes contenant de l'argent et de la poudre de verre sur un substrat céramique à l'aide de pochoirs.

La technologie des couches minces pour la production de circuits intégrés consiste à appliquer sous vide des couches minces de divers matériaux (conducteurs, diélectriques, résistifs) sur la surface lisse de substrats diélectriques.

Quatrième étape

En 1960, Robert Noyce de Fairchild a proposé et breveté l'idée d'un circuit intégré monolithique et, en utilisant la technologie planaire, a produit les premiers circuits intégrés monolithiques en silicium.

Une famille d'éléments logiques transistor-transistor monolithiques avec quatre transistors bipolaires ou plus sur une seule puce de silicium a été lancée par Fairchild déjà en février 1960 et s'appelait « micrologics ». La technologie planaire de Horney et la technologie monolithique de Noyce ont jeté les bases du développement des circuits intégrés en 1960, d'abord avec des transistors bipolaires, puis entre 1965 et 1985. sur les transistors à effet de champ et des combinaisons des deux.

Deux décisions politiques adoptées en 1961-1962. influencé le développement de la production de transistors et de circuits intégrés en silicium. La décision d'IBM (New York) de développer pour un ordinateur prometteur non pas des dispositifs de stockage ferromagnétiques, mais des mémoires électroniques (dispositifs de stockage) basées sur des transistors à effet de champ à canal N (semi-conducteur à oxyde métallique - MOS). Le résultat de la mise en œuvre réussie de ce plan fut la sortie en 1973. ordinateur universel avec mémoire MOS - IBM-370/158. Décisions directives de Fairchild prévoyant l'expansion des travaux dans le laboratoire de recherche sur les semi-conducteurs pour l'étude des dispositifs en silicium et de leurs matériaux.

Pendant ce temps, en juillet 1968, Gordon Moore et Robert Noyce quittèrent la division semi-conducteurs de Fairchild et, le 28 juin 1968, créèrent une petite entreprise, Intel, avec douze personnes qui louèrent une chambre à Mountain View, en Californie. La tâche que Moore, Noyce et le spécialiste en technologie chimique qui les a rejoints, Andrew Grove, se sont fixés était d'utiliser l'énorme potentiel de l'intégration d'un grand nombre de composants électroniques sur une seule puce semi-conductrice pour créer de nouveaux types d'appareils électroniques.

En 1997, Andrew Grove est devenu « la personne de l’année » et la société qu’il dirigeait, Intel, devenue l’une des sociétés leaders de la Silicon Valley en Californie, a commencé à produire des microprocesseurs pour 90 % de tous les ordinateurs personnels de la planète. L'émergence des circuits intégrés a joué un rôle décisif dans le développement de l'électronique, ouvrant la voie à une nouvelle étape de la microélectronique. La microélectronique de la quatrième période est dite schématique, car dans la composition des principaux éléments de base, il est possible de distinguer des éléments équivalents aux éléments électro-radio discrets et chaque circuit intégré correspond à un certain circuit électrique de base, comme pour les composants électroniques des équipements de les générations précédentes.

Les circuits intégrés ont commencé à être appelés dispositifs microélectroniques, considérés comme un produit unique avec une haute densité d'éléments équivalente aux éléments d'un circuit conventionnel. La complexité des fonctions assurées par les microcircuits est obtenue en augmentant le degré d'intégration.

Électronique présente

Actuellement, la microélectronique passe à un niveau qualitativement nouveau : la nanoélectronique.

La nanoélectronique repose principalement sur les résultats d'études fondamentales des processus atomiques dans les structures semi-conductrices de faible dimension. Les points quantiques, ou systèmes à dimension zéro, sont un cas extrême de systèmes à dimension réduite constitués d'un réseau d'amas ou d'îlots atomiques de taille nanométrique dans une matrice semi-conductrice qui présentent une auto-organisation en hétérostructures épitaxiales.

L'un des travaux possibles liés à la nanoélectronique est la création de matériaux et d'éléments de technologie IR. Ils sont demandés par les entreprises industrielles et constituent la base de la création dans un avenir proche de systèmes de vision « artificiels » (techniques) avec une gamme spectrale élargie, par rapport à la vision biologique, dans les régions ultraviolettes et infrarouges du spectre. Les systèmes de vision technique et les composants photoniques sur les nanostructures, capables de recevoir et de traiter d'énormes quantités d'informations, deviendront la base de dispositifs de télécommunication fondamentalement nouveaux, de systèmes de surveillance environnementale et spatiale, d'imagerie thermique, de nanodiagnostic, de robotique, d'armes de précision, d'équipements antiterroristes, etc. L'utilisation de nanostructures semi-conductrices réduira considérablement la taille des dispositifs de surveillance et d'enregistrement, réduira la consommation d'énergie, améliorera les caractéristiques de coût et permettra de tirer parti de la production de masse en micro et nanoélectronique dans un avenir proche.