Лише двадцять п'ять тому радіоаматорам і спеціалістам старшого покоління довелося займатися вивченням нових на той час приладів — транзисторів. Нелегко було відмовлятися від електронних ламп, до яких так звикли, і перемикатися на «родина» напівпровідникових приладів, що тіснить і все розростається.

А зараз ця «родина» дедалі більше почала поступатися своїм місцем у радіотехніці та електроніці напівпровідниковим приладам новітньої генерації — інтегральним мікросхемам, які часто називають скорочено ІМС.

Що таке інтегральна мікросхема

Інтегральна мікросхема- це мініатюрний електронний блок, що містить у загальному корпусі транзистори, діоди, резистори та інші активні та пасивні-елементи, кількість яких може досягати кількох десятків тисяч.

Одна мікросхема Може замінити цілий блок радіоприймача, електронної обчислювальної машини (ЕОМ) та електронного автомата. «Механізм» наручного електронного годинника, наприклад, — це лише одна більша мікросхема.

За своїм функціональним призначенням інтегральні мікросхеми поділяються на дві основні групи: аналогові, або лінійно-імпульсні, і логічні, або цифрові мікросхеми.

Аналогові мікросхеми призначаються посилення, генерування і перетворення електричних коливань різних частот, наприклад, для приймачів, підсилювачів, а логічні — для використання у пристроях автоматики, у приладах із цифровим відліком часу, в ЕОМ.

Цей практикум присвячується знайомству з пристроєм, принципом роботи та можливим застосуванням найпростіших аналогових та логічних інтегральних мікросхем.

На аналоговій мікросхемі

З величезної «родини» аналогових найпростішими є мікросхеми-близнюки» К118УН1А (К1УС181А) і К118УН1Б (К1УС181Б), що входять до серії К118.

Кожна з них є підсилювачем, що містить... Втім, про електронну «начинку» краще поговорити лозжі. А поки вважатимемо їх «чорними скриньками» з висновками для підключення до них джерел живлення, додаткових деталей, вхідних та вихідних ланцюгів.

Різниця між ними полягає лише у їх коефіцієнтах посилення коливань низьких частот: коефіцієнт посилення мікросхеми К118УН1А на частоті 12 кГц становить 250, а мікросхеми К118УН1Б — 400.

На високих частотах коефіцієнт посилення цих мікросхем однаковий — приблизно 50. Тож будь-яка їх може бути використана посилення коливань як низьких, і високих частот, отже, й у наших дослідів. Зовнішній вигляд та умовне позначення цих мікросхем-підсилювачів на важливих схемах пристроїв показані на рис. 88.

Корпус у них пластмасовий прямокутної форми. Зверху на корпусі — мітка, яка є точкою відліку номерів висновків. Мікросхеми розраховані на живлення від джерела постійного струму напругою 6,3, яке подають через висновки 7 (+Uпит) і 14 (— Uпіт).

Джерелом живлення може бути мережевий блок живлення з регульованою вихідною напругою або батарея, складена з чотирьох елементів 334 та 343.

Перший досвід із мікросхемою К118УН1А (або К118УН1Б) проводи за схемою, наведеною на рис. 89. Як монтажну плату використовуй картонну платівку розмірами приблизно 50X40 мм.

Мікросхему висновками 1, 7, 8 і 14 припай до дротяних дужок, пропущених через проколи в картоні. Всі вони будуть виконувати роль стійок, що утримують мікросхему на платі, а дужки висновків 7. 14, крім того, сполучними контактами з батареєю GB1 (або мережевим блоком живлення).

Між ними по обидва боки від мікросхеми зміцни ще по два-три контакти, які будуть проміжними для додаткових деталей. Змонтуй на платі конденсатори З 1(Типу К50-6 або К50-3) і С2(КЯС, БМ, МБМ), підключи до виходу мікросхеми головні телефони В 2.

До входу мікросхеми підключи (через конденсатор З 1)електродинамічний мікрофон В 1будь-якого типу або телефонний капсуль ДЕМ-4м, увімкни живлення і, притиснувши телефон до вух, постукати легенько олівцем по мікрофону. Якщо помилок у монтажі немає, у телефонах мають бути чутні звуки, що нагадують клацання по барабану.

Попроси товариша сказати щось перед мікрофоном – у телефонах почуєш його голос. Замість мікрофона до входу мікросхеми можеш підключити радіотрансляційний (абонентський) динамік з його узгоджуючим трансформатором. Ефект буде приблизно таким самим.

Продовжуючи досвід з телефонним пристроєм односторонньої дії, увімкни між загальним (мінусовим) провідником ланцюга живлення та виведенням 12 мікросхеми електролітичний конденсатор СЗ,позначений на схемі штриховими лініями. При цьому гучність звуку в телефонах має зрости.

Телефони звучатимуть ще голосніше, якщо такий же конденсатор включити в ланцюг виведення 5 (на рис, 89 - конденсатор С4).Але якщо при цьому підсилювач збудиться, то між загальним проводом та виведенням 11 доведеться включити електролітичний конденсатор ємністю 5 - 10 мкФ. номінальна напруга 10 Ст.

Ще один досвід: увімкни між висновками 10 і 3 мікросхеми керамічний або паперовий конденсатор ємністю 5 - 10 тис. пикофарад. Що вийшло? У телефонах з'явився безперервний звук середньої тональності. Зі збільшенням ємності цього конденсатора тон звуку в телефонах повинен знижуватися, а зі зменшенням підвищуватися. Перевір це.

А тепер розкриємо цю «чорну скриньку» і розглянемо її «начинку» (рис. 90). Так, це двокаскадний підсилювач із безпосереднім зв'язком між його транзисторами. Транзистори кремнієві, структури n -р-n. Низькочастотний сигнал, створюваний мікрофоном, надходить (через конденсатор С1) на вхід мікросхеми (висновок 3).

Падіння напруги, що створюється на резисторі R6 в емітерному ланцюгу транзистора V2, через резистори R4 і R5 подається на базу транзистора VI і відкриває його. Резистор R1 — навантаження цього транзистора. Посилений сигнал, що знімається з нього, надходить на базу транзистора V2 для додаткового посилення.

У досвідченому підсилювачі навантаження транзистора V2 були головні телефони, включені до його колекторного ланцюга, які перетворювали низькочастотний сигнал на звук.

Але його навантаженням міг би бути резистор R5 мікросхеми, якщо поєднати разом висновки 10 і 9. У такому разі телефони треба включати між загальним проводом і точкою з'єднання цих висновків через електролітичний конденсатор місткістю кілька мікрофарад (позитивною обкладкою до мікросхеми).

При включенні конденсатора між загальним дротом та виведенням 12 мікросхеми гучність звуку збільшилася, Чому? Тому що він, шунтуючи резистор R6 мікросхеми, послабив негативний зворотний зв'язок по змінному струму, що діє в ній.

Негативний зворотний зв'язок став ще слабшим, коли ти другий конденсатор включив у базовий ланцюг транзистора V1. А третій конденсатор, включений між загальним дротом та виведенням 11, утворив із резистором R7 мікросхеми розв'язує фільтр, що запобігає збудженню підсилювача.

Що вийшло при включенні конденсатора між виводами 10 та 5? Він створив між виходом і входом підсилювача позитивний зворотний зв'язок, який перетворив його на генератор коливань звукової частоти.

Отже, як бачиш, мікросхема К118УН1Б (або К118УН1А) - це підсилювач, який може бути низькочастотним або високочастотним, наприклад, у приймачі. Але може стати і генератором електричних коливань як низьких, і високих частот.

Мікросхема в радіоприймачі

Пропонуємо випробувати цю мікросхему високочастотному тракті приймача, зібраного, наприклад, за схемою, наведеною на рис. 91. Вхідний контур магнітної антени такого приймача утворюють котушка L1 та конденсатор змінної ємності С1. Високочастотний сигнал радіостанції, на хвилю якої контур налаштований, через котушку зв'язку L2 та розділовий конденсатор С2надходить на вхід (висновок 3) мікросхеми Л1.

З виходу мікросхеми (висновок 10, з'єднаний з висновком 9) посилений сигнал подається через конденсатор С4на детектор, діоди VI і V2 якого включені за схемою множення напруги, а виділений їм низькочастотний сигнал В 1перетворюють на звук. Приймач живиться від батареї GB1, складеної з чотирьох елементів 332, 316 або п'яти акумуляторів Д-01.

Багато транзисторних приймачах підсилювач високочастотного тракту утворюють транзистори, а цьому — мікросхема. Тільки в цьому полягає різниця між ними. Маючи досвід попередніх практикумів, ти, сподіваюся, зможеш самостійно змонтувати та гналагодити такий приймач і навіть, якщо забажаєш, доповнити його підсилювачем НЧг для гучномовного радіоприймання.

На логічній мікросхемі

Складовою багатьох цифрових інтегральних мікросхем є логічний елемент І-НЕ, умовне позначення якого ти бачиш на рис. 92, а.Його символом служить знак «&», що міститься всередині прямокутника, зазвичай у верхньому лівому кутку, що замінює спілку «І» в англійській мові. Зліва два або більше входів, праворуч - один вихід.

Невеликий гурток, яким починається лінія зв'язку вихідного сигналу, символізує логічне заперечення «НЕ» на виході мікросхеми. Мовою цифрової техніки «НЕ» означає, що елемент І-НЕ є інвертором, тобто пристроєм, вихідні параметри якого протилежні вхідним.

Електричний стан та роботу логічного елемента характеризують рівнями сигналів на його входах та виході. Сигнал невеликої (або нульової) напруги, рівень якого не перевищує 0,3 - 0,4 В, прийнято (відповідно до двійкової системи числення) називати логічним нулем (0), а сигнал вищої напруги (порівняно з логічним 0), рівень якого може бути 2,5 - 3,5, - логічною одиницею (1).

Наприклад, кажуть: "на виході елемента логічна 1". Це означає, що на момент виходу елемента з'явився сигнал, напруга якого відповідає рівню логічної 1.

Щоб не заглиблюватися в технологію та пристрій елемента І-НЕ, розглядатимемо його як «чорну скриньку», у якої для електричного сигналу є два входи та один вихід.

Логіка елемента полягає в тому, що при подачі на один з його входів логічного О, а на другий вхід логічної 1, на виході з'являється сигнал логічної 1, який зникає при подачі на обидва входи сигналів, відповідних логічної 1.

Для дослідів, що закріплюють у пам'яті цю властивість елемента, знадобляться найбільш поширена мікросхема К155ЛАЗ, вольтметр постійного струму, свіжа батарея 3336Л і два резистори опором 1...1,2 кОм.

Мікросхема К155ЛАЗ складається з чотирьох елементів 2І-НЕ (рис. 92, б),що живляться від одного загального джерела постійного струму напругою 5, але кожен з них працює як самостійний логічний пристрій. Цифра 2 у назві мікросхеми вказує на те, що її елементи мають два входи.

Зовнішнім виглядом і конструктивно вона, як і всі мікросхеми серії К155, не відрізняється від аналогової мікросхеми К118УН1, що вже знайома тобі, тільки полярність підключення джерела живлення інша. Тому зроблена тобою картонна плата підійде і для дослідів з цією мікросхемою. Джерело живлення підключають: +5 В - до висновку 7 » — 5 В - до висновку 14.

Але ці висновки не прийнято означати на схематичному зображенні мікросхеми. Пояснюється це тим, що у важливих електричних схемах елементи, складові мікросхему, зображують окремо, наприклад, як у рис. 92, ст. Для дослідів можна використовувати будь-який із чотирьох елементів.

Мікросхему висновками 1, 7, 8 і 14 припаю до дротяних стояків на картонній платі (як на рис. 89). Один із вхідних висновків будь-якого з її елементів, наприклад, елемента з висновками 1 — 3, з'єднай через ре-.зистор опором 1...1.2 кОм з висновком 14, виведення другого входу - безпосередньо із загальним («заземленим») провідником ланцюга живлення, а до виходу елемента підключи вольтметр постійного струму (рис. 93, а).

Увімкнути харчування. Що вказує вольтметр? Напруга, що дорівнює приблизно 3 В. Ця напруга відповідає сигналу логічної 1 на виході елемента. Тим же вольтметром виміряй напругу на виведенні першого входу, І тут, як бачиш, теж логічна 1. Отже, коли на одному з входів елемента логічна 1, а на другому логічний 0, на виході буде логічна 1.

Тепер виведення та другого входу з'єднай через резистор опором 1...1.2 кОм з висновком 14 і одночасно дротяною перемичкою - із загальним провідником, як показано на рис. 93, б.

При цьому на виході, як і в першому досвіді, буде логічна 1. Далі, стежачи за стрілкою вольтметра, видали дротяну перемичку, щоб і на другий вхід подати сигнал, що відповідає логічній 1.

Що фіксує вольтметр? Сигнал на виході елемента перетворився на логічний 0. Так воно й має бути! А якщо будь-який із входів періодично замикати на загальний провід і тим самим імітувати подачу на нього логічного 0, то з такою самою частотою на виході елемента з'являтимуться імпульси струму, про що свідчать коливання стрілки вольтметра. Перевір це досвідченим шляхом.

Властивість елемента І-НЕ змінювати свій стан під впливом вхідних сигналів, що управляють, широко використовується в різних пристроях цифрової обчислювальної техніки. Радіоаматори ж, особливо початківці, часто використовують логічний елемент як інвертор — пристрій, сигнал на виході якого протилежний вхідному сигналу.

Підтвердити таку властивість елемента може наступний досвід. З'єднай разом висновки обох входів елемента і через резистор опором 1...1,2 кОм підключи їх до виводу 14 (рис. 93, в).

Так ти подаси на загальний вхід елемента сигнал, що відповідає логічній 1, напруга якого можна виміряти вольтметром. Що при цьому виходить на виході?

Стрілка вольтметра, підключеного до нього, трохи відхилилася від нульової позначки шкали. Тут, отже, як і передбачалося, сигнал відповідає логічному 0.

Потім, не відключаючи резистор від виводу 14 мікросхеми, кілька разів поспіль замкні дротяною перемичкою вхід елемента на загальний провідник (на рис. 93, впоказано штриховою лінією зі стрілками) і одночасно стеж за стрілкою вольтметра. Так ти переконаєшся в тому, що коли на вході логічний інвертора 0, на виході в цей час логічна 1 і, навпаки, коли на вході логічна 1 — на виході логічний 0.

Так працює інвертор, особливо часто використовуваний радіоаматорами в імпульсних пристроях, що ними конструюються.

Прикладом такого пристрою може бути генератор імпульсів, зібраний за схемою, наведеною на рис. 94. У його працездатності ти можеш переконатися зараз, витративши на це лише кілька хвилин.

Вихід елемента D1.1 з'єднай із входами елемента D1.2 тієї ж мікросхеми, його вихід - з входами елемента DJ.3, а вихід цього елемента (висновок 8) - З входом елемента D1.1 через змінний резистор R1 . До виходу елемента D1.3 (між висновком 8 та загальним провідником) підключи головні телефони B1, a паралельно елементам D1.1 та D1.2 електролітичний конденсатор С1.

Двигун змінного резистора встанови в праве (за схемою) положення та увімкни живлення - в телефонах почуєш звук, тональність якого можна змінювати змінним резистором.

У цьому експерименті елементи D1.1, D1.2 таD1.3, з'єднані між собою послідовно, подібно до транзисторів трикаскадного підсилювача, утворили мультивібратор - генератор електричних імпульсів прямокутної форми.

Мікросхема стала генератором завдяки конденсатору та резистору, що створив між виходом і входом елементів частотозалежні ланцюги зворотного зв'язку. Змінним резистором частоту імпульсів, що генеруються мультивібратором, можна змінювати плавно приблизно від 300 Гц до 10 кГц.

Яке практичне застосування може знайти такий імпульсний пристрій? Воно може стати, наприклад, квартирним дзвінком, пробником для перевірки працездатності каскадів приймача та підсилювача НЧ, генератором для тренувань прийому на слух телеграфної абетки.

Саморобний ігровий автомат на мікросхемі

Подібний пристрій можна перетворити на ігровий автомат «Червоний чи зелений?». Схема такого імпульсного пристрою наведена на рис. 95. Тут елементи D1.1, D1.2, D1.3 тієї ж (або такої ж) мікросхеми К155ЛАЗ та конденсатор З 1утворюють аналогічний мультивібратор, імпульси якого керують транзисторами VI і V2, включеними за схемою із загальним емітером.

Елемент D1.4 працює як інвертор. Завдяки йому імпульси мультивібратора надходять на бази транзисторів у протифазі та відкривають їх по черзі. Так, наприклад, коли на вході інвертора рівень логічного 1, а на виході рівень логічного 0, то в ці моменти часу транзистор В 1відкритий і лампочка HI у його колекторному ланцюзі горить, а транзистор V2 закритий та його лампочка Н2не горить.

При наступному імпульсі інвертор змінить свій стан зворотний. Тепер відкриється транзистор V2 і загориться лампочка Н2,а транзистор VI закриється і лампочка H1 згасне.

Але частота імпульсів, що генеруються мультивібратором, порівняно висока (не менше 15 кГц) і лампочки, звичайно, не можуть реагувати на кожен імпульс.

Тому вони світяться тьмяно. Але варто натиснути на кнопку S1, щоб її контактами замкнути коротко конденсатор З 1і тим самим зірвати генерацію мультивібратора, як відразу яскраво загориться лампочка того з транзисторів, на основі якого в цей момент виявиться напруга, що відповідає логічній 1, а інша лампочка зовсім згасне.

Заздалегідь неможливо сказати, яка лампочка після натискання на кнопку продовжуватиме горіти — можна тільки ворожити. У цьому сенс гри.

Ігровий автомат разом з батареєю живлення (3336Л або три елементи 343, з'єднані послідовно) можна розмістити в коробці невеликих розмірів, наприклад, у корпусі «кишенькового» приймача.

Лампочки розжарювання HI і Н2(МН2,5-0,068 або МН2,5-0,15) розмісти під отворами в лицьовій стінці корпусу та закрий їх ковпачками або пластинками органічного скла червоного та зеленого кольорів. Тут же зміцни вимикач живлення (тумблер ТВ-1) та кнопковий вимикач §1(Типу П2К або КМ-Н) зупинки мультивібратора.

Налагодження грального автомата полягає у ретельному підборі резистора. R1. Його опір має бути таким, щоб при зупинці мультивібратора кнопкою S1 принаймні 80 — 100 разів кількість загорянь кожної лампочки була приблизно однакова.

Спочатку перевір, чи працює мультивібратор. Для цього паралельно конденсатору З 1,е,мкість якого може бути 0,1...0,5 мкФ, підключи електролітичний конденсатор ємністю 20...30 мкФ, а до виходу мультивібратора головні телефони - у телефонах повинен з'явитися звук низької тональності.

Цей звук – ознака роботи мультивібратора. Потім видали електролітичний конденсатор, резистор R1 заміни підстроювальним резистором опором 1,2...1,3 кОм, а між висновками 8 та 11 елементів DI.3 і D1.4 увімкни вольтметр постійного струму. Зміною опору підстроювального резистора досяг такого положення, щоб вольтметр показував нульову напругу між виходами цих елементів мікросхеми.

Число граючих може бути будь-яке. Кожен по черзі натискає кнопку зупинки мультивібратора. Виграє той, хто при рівній кількості ходів, наприклад двадцяти натискань на кнопку, більше разів вгадає кольори лампочок після зупинки мультивібратора.

На жаль, частота мультивібратора описаного тут найпростішого грального автомата через розрядку батареї дещо змінюється, що, звичайно, позначається на рівноймовірності запалювання різних лампочок, тому краще живити його від джерела стабілізованої напруги 5 В.

Література: Борисов В. Г. Практикум радіолюбителя-початківця. 2-ге вид., перераб. та дод. - М.: ДТСААФ, 1984. 144 с., Іл. 55к.

Здійснення цих пропозицій у роки не могло відбутися через недостатнього розвитку технологій.

Наприкінці 1958 року й у першій половині 1959 року у напівпровідникової промисловості відбувся прорив. Три особи, які представляли три приватні американські корпорації, вирішили три фундаментальні проблеми, які перешкоджали створенню інтегральних схем. Джек Кілбі з Texas Instrumentsзапатентував принцип об'єднання, створив перші, недосконалі, прототипи ІВ та довів їх до серійного виробництва. Курт Леговець з Sprague Electric Companyвинайшов спосіб електричної ізоляції компонентів, сформованих одному кристалі напівпровідника (ізоляцію p-n-переходом (англ. P-n junction isolation)). Роберт Нойс із Fairchild Semiconductorвинайшов метод електричного з'єднання компонентів ІС (металізацію алюмінієм) і запропонував удосконалений варіант ізоляції компонентів на базі нової планарної технології Жана Ерні (англ. Jean Hoerni). 27 вересня 1960 року група Джея Ласта (англ. Jay Last) створила на Fairchild Semiconductorпершу працездатну напівпровідниковуІС за ідеями Нойса та Ерні. Texas Instruments, Що володіла патентом на винахід Кілбі, розв'язала проти конкурентів патентну війну, що завершилася в 1966 мировою угодою про перехресне ліцензування технологій.

Ранні логічні ІС згаданих серій будувалися буквально з стандартнихкомпонентів, розміри та конфігурації яких були задані технологічним процесом. Схемотехніки, що проектували логічні ІВ конкретного сімейства, оперували одними і тими ж типовими діодами та транзисторами. У 1961-1962 pp. парадигму проектування зламав провідний розробник SylvaniaТом Лонго, вперше використавши в одній ІС різні Зміни транзисторів залежно від своїх функцій у схемі. Наприкінці 1962 р. Sylvaniaвипустила у продаж перше сімейство розробленої Лонго транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ) – історично перший тип інтегральної логіки, який зумів надовго закріпитися на ринку. В аналоговій схемотехніці прорив подібного рівня здійснив у 1964-1965 роках розробник операційних підсилювачів FairchildБоб Відлар.

Перша вітчизняна мікросхема була створена в 1961 році в ТРТІ (Таганрозькому Радіотехнічному Інституті) під керівництвом Л. Н. Колесова. Ця подія привернула увагу наукової громадськості країни, і ТРТІ було затверджено головним у системі мінвузу щодо проблеми створення мікроелектронної апаратури високої надійності та автоматизації її виробництва. Сам же Л. М. Колесов був призначений Головою координаційної ради з цієї проблеми.

Перша в СРСР гібридна товстоплівна інтегральна мікросхема (серія 201 «Сцежка») була розроблена в 1963-65 роках у НДІ точної технології («Ангстрем»), серійне виробництво з 1965 року. У розробці брали участь фахівці НДЕМ (нині НДІ «Аргон»).

Перша в СРСР напівпровідникова інтегральна мікросхема була створена на основі планарної технології, розробленої на початку 1960 року в НДІ-35 (потім перейменований в НДІ «Пульсар») колективом, який надалі був переведений до НДІМЕ («Мікрон»). Створення першої вітчизняної кремнієвої інтегральної схеми було сконцентровано на розробці та виробництві з військовою прийомкою серії інтегральних кремнієвих схем ТС-100 (37 елементів - еквівалент схемотехнічної складності тригера, аналога американських ІС серії SN-51 фірми Texas Instruments). Зразки-прототипи та виробничі зразки кремнієвих інтегральних схем для відтворення були отримані із США. Роботи проводилися в НДІ-35 (директор Трутко) та Фрязінським напівпровідниковим заводом (директор Колмогоров) на оборонне замовлення для використання в автономному висотомірі системи наведення балістичної ракети. Розробка включала шість типових інтегральних кремнієвих планарних схем серії ТС-100 та з організацією дослідного виробництва зайняла у НДІ-35 три роки (з 1962 по 1965 рік). Ще два роки пішло на освоєння заводського виробництва з військовим прийманням у Фрязіно (1967 рік).

Паралельно робота з розробки інтегральної схеми проводилася центральному конструкторському бюро при Воронезькому заводі напівпровідникових приладів (нині - ). У 1965 році під час візиту на ВЗПП міністра електронної промисловості А. І. Шокіна заводу було доручено провести науково-дослідну роботу зі створення кремнієвої монолітної схеми – НДР «Титан» (наказ міністерства від 16.08.1965 р. № 92), яка була достроково виконано вже до кінця року. Тема була успішно здана Держкомісії, і серія 104 мікросхем діодно-транзисторної логіки стала першим фіксованим досягненням у галузі твердотільної мікроелектроніки, що було відображено у наказі МЕП від 30.12.1965 р. № 403.

Рівні проектування

В даний час (2014 р.) більша частина інтегральних схем проектується за допомогою спеціалізованих САПР, які дозволяють автоматизувати та значно прискорити виробничі процеси, наприклад, отримання топологічних фотошаблонів.

Класифікація

Ступінь інтеграції

Залежно від рівня інтеграції застосовуються такі назви інтегральних схем:

• мала інтегральна схема (МІС) - до 100 елементів у кристалі,
• середня інтегральна схема (СІС) - до 1000 елементів у кристалі,
• велика інтегральна схема (ВІС) - до 10 тис. елементів у кристалі,
• надвелика інтегральна схема (НВІС) - понад 10 тис. елементів у кристалі.

Раніше використовувалися також тепер застарілі назви: ультравелика інтегральна схема (УБІС) - від 1-10 млн до 1 млрд елементів у кристалі і, іноді, гігавелика інтегральна схема (ГБІС) - понад 1 млрд елементів у кристалі. В даний час, у 2010-х, назви «УБІС» та «ДБІС» практично не використовуються, і всі мікросхеми з числом елементів понад 10 тис. відносять до класу НВІС.

Технологія виготовлення

Гібридна мікроскладання STK403-090, витягнута з корпусу

• Напівпровідникова мікросхема - всі елементи та міжелементні сполуки виконані на одному напівпровідниковому кристалі (наприклад, кремнію, германію, арсеніду галію).

• Плівкова інтегральна мікросхема - всі елементи та міжелементні з'єднання виконані у вигляді плівок:
  • товстоплівна інтегральна схема;
  • тонкопленочна інтегральна схема.
• Гібридна мікросхема (часто звана мікроскладання), містить кілька безкорпусних діодів, безкорпусних транзисторів та інших електронних активних компонентів. Також мікроскладання може включати безкорпусні інтегральні мікросхеми. Пасивні компоненти мікроскладання (резистори, конденсатори, котушки індуктивності) зазвичай виготовляються методами тонкоплівкової або товстоплівкової технологій на загальній, зазвичай, керамічній підкладці гібридної мікросхеми. Вся підкладка з компонентами міститься в єдиний герметизований корпус.
• Змішана мікросхема - крім напівпровідникового кристала містить тонкоплівкові (товстоплівкові) пасивні елементи, що розміщені на поверхні кристала.

Вигляд сигналу, що обробляється

• Аналого-цифрові.

Технології виготовлення

Типи логіки

Основним елементом аналогових мікросхем є транзистори (біполярні чи польові). Різниця у технології виготовлення транзисторів суттєво впливає на характеристики мікросхем. Тому нерідко в описі мікросхеми вказують технологію виготовлення, щоб підкреслити загальну характеристику властивостей і можливостей мікросхеми. У сучасних технологіях поєднують технології біполярних і польових транзисторів, щоб досягти поліпшення характеристик мікросхем.

• Мікросхеми на уніполярних (польових) транзисторах - найекономічніші (за споживанням струму):
  • МОП-логіка (метал-оксид-напівпровідник логіка) - мікросхеми формуються з польових транзисторів n-МОП або p-МОП типу;
  • КМОП -логіка (комплементарна МОП-логіка) - кожен логічний елемент мікросхеми складається з пари взаємодоповнюючих (комплементарних) польових транзисторів ( n-МОП та p-МОП).
• Мікросхеми на біполярних транзисторах:
  • РТЛ – резисторно-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);
  • ДТЛ – діодно-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);
  • ТТЛ - транзисторно-транзисторна логіка - мікросхеми виготовлені з біполярних транзисторів з багатоемітерними транзисторами на вході;
  • ТТЛШ - транзисторно-транзисторна логіка з діодами Шоттки - удосконалена ТТЛ, в якій використовуються біполярні транзистори з ефектом Шоттки;
  • ЕСЛ - емітерно-пов'язана логіка - на біполярних транзисторах, режим роботи яких підібраний так, щоб вони не входили в режим насичення, - що суттєво підвищує швидкодію;
  • ІІЛ – інтегрально-інжекційна логіка.
• Мікросхеми, що використовують як польові, так і біполярні транзистори:

Використовуючи той самий тип транзисторів, мікросхеми можуть створюватися з різних методологій, наприклад, статичної чи динамічної .

КМОП і ТТЛ (ТТЛШ) технології є найпоширенішими логіками мікросхем. Де необхідно економити споживання струму, застосовують КМОП-технологію, де важливіша швидкість і не потрібна економія споживаної потужності застосовують ТТЛ-технологію. Слабким місцем КМОП-мікросхем є вразливість до статичної електрики - досить торкнутися рукою виведення мікросхеми, і її цілісність не гарантується. З розвитком технологій ТТЛ та КМОП мікросхеми за параметрами зближуються і, як наслідок, наприклад, серія мікросхем 1564 зроблена за технологією КМОП, а функціональність та розміщення в корпусі як у ТТЛ технології.

Мікросхеми, виготовлені за ЕСЛ-технології, є найшвидшими, а й найбільш енергоспоживаючими, і застосовувалися під час виробництва обчислювальної техніки у випадках, коли найважливішим параметром була швидкість обчислення. У СРСР найпродуктивніші ЕОМ типу ЕС106х виготовлялися на ЕСЛ-мікросхемах. Наразі ця технологія використовується рідко.

Технологічний процес

При виготовленні мікросхем використовується метод фотолітографії (проекційної, контактної та ін.), При цьому схему формують на підкладці (зазвичай з кремнію), отриманої шляхом різання алмазними дисками монокристалів кремнію на тонкі пластини. З огляду на небагато лінійних розмірів елементів мікросхем від використання видимого світла і навіть ближнього ультрафіолетового випромінювання при засвіченні відмовилися.

Наступні процесори виготовляли з використанням ультрафіолетового випромінювання (ексимерний лазер ArF, довжина хвилі 193 нм). У середньому впровадження лідерами індустрії нових техпроцесів за планом ITRS відбувалося кожні 2 роки, при цьому забезпечувалося подвоєння кількості транзисторів на одиницю площі: 45 нм (2007), 32 нм (2009), 22 нм (2011) , 14 , освоєння 10 нм процесів очікується близько 2018 року

У 2015 році з'явилися оцінки, що впровадження нових техпроцесів уповільнюватиметься.

Контроль якості

Для контролю якості інтегральних мікросхем широко застосовують звані тестові структури.

Призначення

Інтегральна мікросхема може мати закінчену, скільки завгодно складну, функціональність - аж до цілого мікрокомп'ютера (однокристальний мікрокомп'ютер).

Аналогові схеми

Аналогова інтегральна (мікро)схема (АІС, АІМС) - інтегральна схема, вхідні та вихідні сигнали якої змінюються за законом безперервної функції (тобто є аналоговими сигналами).

Лабораторний зразок аналогової ІС був створений фірмою Texas Instruments у США у 1958 році. Це був генератор зсуву фаз. У 1962 році з'явилася перша серія аналогових мікросхем – SN52. У ній були малопотужний підсилювач низької частоти, операційний підсилювач та відеопідсилювач.

У СРСР великий асортимент аналогових інтегральних мікросхем було отримано до кінця 1970-х років. Їх застосування дозволило збільшити надійність пристроїв, спростити налагодження обладнання, часто навіть виключити необхідність технічного обслуговування в процесі експлуатації.

Нижче наведено неповний перелік пристроїв, функції яких можуть виконувати аналогові ІМС. Найчастіше одна мікросхема замінює відразу кілька таких (наприклад, К174ХА42 вміщує всі вузли супергетеродинного ЧС радіоприймача ).

• Фільтри (у тому числі на п'єзоефект).
• Аналогові помножувачі.
• Аналогові атенюатори та регульовані підсилювачі.
• Стабілізатори джерел живлення: стабілізатори напруги та струму.
• Мікросхеми керування імпульсних блоків живлення.
• Перетворювачі сигналів.
• Різні датчики.

Аналогові мікросхеми застосовуються в апаратурі звукопідсилення та звуковідтворення, у відеомагнітофонах, телевізорах, техніці зв'язку, вимірювальних приладах, аналогових обчислювальних машинах, і т.д.

В аналогових комп'ютерах

• Операційні підсилювачі (LM101, μA741).

У блоках живлення

Мікросхема стабілізатора напруги КР1170ЕН8

• Лінійні стабілізатори напруги (КР1170ЕН12, LM317).
• Імпульсні стабілізатори напруги (LM2596, LM2663).

У відеокамерах та фотоапаратах

• ПЗЗ-матриці (ICX404AL).
• ПЗЗ-лінійки (MLX90255BA).

В апаратурі звукопідсилення та звуковідтворення

• Підсилювачі потужності звукової частоти (LA4420, К174УН5, К174УН7).
• Здвоєні УМЗЧ для стереофонічної апаратури (TDA2004, К174УН15, К174УН18).
• Різні регулятори (К174УН10 - двоканальний УМЗЧ з електронним регулюванням частотної характеристики, К174УН12 - двоканальний регулятор гучності та балансу).

У вимірювальних приладах У радіопередаючих та радіоприймальних пристроях

• Детектори сигналу АМ (К175ДА1).
• Детектори ЧС сигналу (К174УР7).
• Змішувачі (К174ПС1).
• Підсилювачі високої частоти (К157ХА1).
• Підсилювачі проміжної частоти (К157ХА2, К171УР1).
• Однокристальні радіоприймачі (К174ХА10).

У телевізорах

• У радіоканалі (К174УР8 - підсилювач з АРУ, детектор ПЧ зображення та звуку, К174УР2 - підсилювач напруги ПЧ зображення, синхронний детектор, попередній підсилювач відеосигналу, система ключового автоматичного регулювання посилення).
• У каналі кольоровості (К174АФ5 – формувач колірних R-, G-, B-сигналів, К174ХА8 – електронний комутатор, підсилювач-обмежувач та демодулятор сигналів колірної інформації).
• У вузлах розгортки (К174ГЛ1 – генератор кадрової розгортки).
• У ланцюгах комутації, синхронізації, корекції та управління (К174АФ1 - амплітудний селектор синхросигналу, генератор імпульсів рядкової частоти, вузол автоматичного підстроювання частоти і фази сигналу, формувач задають імпульсів рядкової розгортки, К174УП1 - підсилювач рівня »).

Виробництво

Перехід до субмікронних розмірів інтегральних елементів ускладнює проектування АІМС. Наприклад, МОП-транзистори з малою довжиною затвора мають ряд особливостей, що обмежують їх застосування в аналогових блоках: високий рівень фліккерного низькочастотного шуму ; сильний розкид порогової напруги та крутості, що призводить до появи великої напруги усунення диференціальних та операційних підсилювачів; мала величина вихідного малосигнального опору та посилення каскадів з активним навантаженням; невисока пробивна напруга p-n-переходів і проміжок стік-витік, що викликає зниження напруги живлення та зменшення динамічного діапазону.

Нині аналогові мікросхеми виробляються багатьма фірмами: Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments та інших.

Цифрові схеми

Цифрова інтегральна мікросхема(Цифрова мікросхема) - це інтегральна мікросхема, призначена для перетворення та обробки сигналів, що змінюються за законом дискретної функції.

В основі цифрових інтегральних мікросхем лежать транзисторні ключі, здатні перебувати у двох стійких станах: відкритому та закритому. Використання транзисторних ключів дозволяє створювати різні логічні, тригерні та інші інтегральні мікросхеми. Цифрові інтегральні мікросхеми застосовують у пристроях обробки дискретної інформації електронно-обчислювальних машин (ЕОМ), системах автоматики тощо.

• Буферні перетворювачі
• (Мікро)процесори (у тому числі ЦП для комп'ютерів)
• Мікросхеми та модулі пам'яті
• ПЛІС (програмовані логічні інтегральні схеми)

Цифрові інтегральні мікросхеми мають ряд переваг у порівнянні з аналоговими:

• Зменшене енергоспоживанняпов'язане із застосуванням у цифровій електроніці імпульсних електричних сигналів. При отриманні та перетворенні таких сигналів активні елементи електронних пристроїв (транзисторів) працюють у «ключовому» режимі, тобто транзистор або «відкритий» - що відповідає сигналу високого рівня (1), або «закритий» - (0), у першому випадку на транзистор немає падіння напруги , у другому - через нього не йде струм . В обох випадках енергоспоживання близько до 0, на відміну від аналогових пристроїв, у яких більшу частину часу транзистори перебувають у проміжному (активному) стані.
• Висока завадостійкістьцифрових пристроїв пов'язана з великою відмінністю сигналів високого (наприклад, 2,5-5) і низького (0-0,5) рівня. Помилка стану можлива за такого рівня перешкод, коли високий рівень інтерпретується як низький і навпаки, що малоймовірно. Крім того, у цифрових пристроях можливе застосування спеціальних кодів, що дозволяють виправляти помилки.
• Велика різниця рівнів станів сигналів високого та низького рівня (логічних «0» і «1») і досить широкий діапазон їх допустимих змін робить цифрову техніку нечутливою до неминучого в інтегральній технології розкиду параметрів елементів, позбавляє необхідності підбору компонентів та налаштування елементами регулювання в цифрових пристроях.

Аналого-цифрові схеми

Аналого-цифрова інтегральна схема(Аналого-цифрова мікросхема) - інтегральна схема, призначена для перетворення сигналів, що змінюються за законом дискретної функції, сигнали, що змінюються за законом безперервної функції, і навпаки.

Найчастіше одна мікросхема виконує функції відразу кількох пристроїв (наприклад, АЦП послідовного наближення містять ЦАП, тому можуть виконувати двосторонні перетворення). Список пристроїв (неповний), функції яких можуть виконувати аналого-цифрові ІМС:

• цифро-аналогові (ЦАП) та аналого-цифрові перетворювачі (АЦП);
• аналогові мультиплексори (у той час як цифрові (де)мультиплексори є виключно цифровими ІМС, аналогові мультиплексори містять елементи цифрової логіки (зазвичай дешифратор) і можуть містити аналогові схеми);
• прийомопередавачі (наприклад, мережевий приймач інтерфейсу Ethernet);
• модулятори та демодулятори;
  • радіомодеми;
  • декодери телетексту, УКХ-радіо-тексту;
  • прийомопередавачі Fast Ethernet та оптичних ліній;
  • Dial-Upмодеми;
  • приймачі цифрового ТБ;
  • датчик оптичної комп'ютерної миші;
• мікросхеми живлення електронних пристроїв - стабілізатори, перетворювачі напруги, силові ключі та ін;
• цифрові атенюатори;
• схеми фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ);
• генератори та відновники частоти тактової синхронізації;
• базові матричні кристали (БМК): містить як аналогові, і цифрові схеми.

Серії мікросхем

Аналогові та цифрові мікросхеми випускаються серіями. Серія - це група мікросхем, що мають єдине конструктивно-технологічне виконання та призначені для спільного застосування. Мікросхеми однієї серії, як правило, мають однакову напругу джерел живлення, узгоджені за вхідними та вихідними опорами, рівнями сигналів.

Корпуси

Корпуси інтегральних мікросхем, призначені для поверхневого монтажу

Мікрозбирання з безкорпусною мікросхемою, розвареною на друкованій платі

Специфічні назви

Світовий ринок

У 2017 році світовий ринок інтегральних схем оцінювався у 700 млрд. дол.

напівпровідника. Здійснення цих пропозицій у роки не могло відбутися через недостатнього розвитку технологій.

Наприкінці 1958 року й у першій половині 1959 року у напівпровідникової промисловості відбувся прорив. Три особи, які представляли три приватні американські корпорації, вирішили три фундаментальні проблеми, які перешкоджали створенню інтегральних схем. Джек Кілбі з Texas Instrumentsзапатентував принцип об'єднання, створив перші, недосконалі, прототипи ІВ та довів їх до серійного виробництва. Курт Ліговець з Sprague Electric Companyвинайшов спосіб електричної ізоляції компонентів, сформованих на одному кристалі напівпровідника (ізоляцію p-n-переходом (англ. P–n junction isolation)). Роберт-Нойс з Fairchild Semiconductorвинайшов спосіб електричного з'єднання компонентів ІВ (металізацію алюмінієм) і запропонував удосконалений варіант ізоляції компонентів на базі новітньої планарної технології Жана Ерні (англ. Jean Hoerni). 27 вересня 1960 року група Джея Ласта (англ. Jay Last) створила на Fairchild Semiconductorпершу працездатну напівпровідниковуІС за ідеями Нойса та Ерні. Texas Instruments, що володіла патентом на винахід Кілбі, розв'язала проти конкурентів патентну війну, що завершилася в 1966 році світовою угодою про перехресне ліцензування технологій.

Ранні логічні ІС згаданих серій будувалися буквально з стандартнихкомпонентів, розміри та конфігурації яких були задані технологічним процесом. Схемотехніки, що проектували логічні ІВ конкретного сімейства, оперували одними і тими ж типовими діодами та транзисторами. У 1961-1962 pp. парадигму проектування зламав провідний розробник SylvaniaТом Лонго, вперше використавши в одній ІС різні Зміни транзисторів залежно від своїх функцій у схемі. Наприкінці 1962 р. Sylvaniaвипустила у продаж перше сімейство розробленої Лонго транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ) - історично перший тип інтегральної логіки, що зумів надовго закріпитися на ринку. В аналоговій схемотехніці прорив подібного рівня здійснив у 1964-1965 роках розробник операційних підсилювачів. FairchildБоб Відлар .

Перша вітчизняна мікросхема була створена в 1961 році в ТРТІ (Таганрозькому Радіотехнічному Інституті) під керівництвом Л. Н. Колесова. Ця подія привернула увагу наукової громадськості країни, і ТРТІ було затверджено головним у системі мінвузу щодо проблеми створення мікроелектронної апаратури високої надійності та автоматизації її виробництва. Сам же Л. М. Колесов був призначений Головою координаційної ради з цієї проблеми.

Перша в СРСР гібридна товстоплівна інтегральна мікросхема (серія 201 «Сцежка») була розроблена в 1963-65 роках у НДІ точної технології («Ангстрем»), серійне виробництво з 1965 року. У розробці брали участь фахівці НДЕМ (нині НДІ «Аргон»).

Перша в СРСР напівпровідникова інтегральна мікросхема була створена на основі планарної технології, розробленої на початку 1960 року в НДІ-35 (потім перейменований в НДІ «Пульсар») колективом, який надалі був переведений в НДІМЕ («Мікрон»). Створення першої вітчизняної кремнієвої інтегральної схеми було сконцентровано на розробці та виробництві з військовою прийомкою серії інтегральних кремнієвих схем ТС-100 (37 елементів - еквівалент схемотехнічної складності тригера, аналога американських ІС серії SN-51 фірми Texas Instruments). Зразки-прототипи та виробничі зразки кремнієвих інтегральних схем для відтворення були отримані із США. Роботи проводилися в НДІ-35 (директор Трутко) та Фрязінським напівпровідниковим заводом (директор Колмогоров) з оборонного замовлення для використання в автономному висотомірі системи наведення балістичної ракети. Розробка включала шість типових інтегральних кремнієвих планарних схем серії ТС-100 та з організацією дослідного виробництва зайняла у НДІ-35 три роки (з 1962 по 1965 рік). Ще два роки пішло на освоєння заводського виробництва з військовим прийманням у Фрязіно (1967 рік).

Паралельно робота з розробки інтегральної схеми проводилася центральному конструкторському бюро при Воронезькому заводі напівпровідникових приладів (нині - ). У 1965 році під час візиту на ВЗПП міністра електронної промисловості А. І. Шокіна заводу було доручено провести науково-дослідну роботу зі створення кремнієвої монолітної схеми – НДР «Титан» (наказ міністерства від 16.08.1965 р. № 92), яка була достроково виконано вже до кінця року. Тема була успішно здана Держкомісії, і серія 104 мікросхем діодно-транзисторної логіки стала першим фіксованим досягненням у галузі твердотільної мікроелектроніки, що було відображено у наказі МЕП від 30.12.1965 р. № 403.

Рівні проектування

В даний час (2014 р.) більша частина інтегральних схем проектується за допомогою спеціалізованих САПР, які дозволяють автоматизувати і значно прискорити виробничі процеси, наприклад, отримання топологічних фотошаблонів.

Класифікація

Ступінь інтеграції

Залежно від рівня інтеграції застосовуються такі назви інтегральних схем:

• мала інтегральна схема (МІС) - до 100 елементів у кристалі,
• середня інтегральна схема (СІС) - до 1000 елементів у кристалі,
• велика інтегральна схема (ВІС) - до 10 тис. елементів у кристалі,
• надвелика інтегральна схема (НВІС) - понад 10 тис. елементів у кристалі.

Раніше використовувалися також тепер застарілі назви: ультравелика інтегральна схема (УБІС) - від 1-10 млн до 1 млрд елементів у кристалі і, іноді, гігавелика інтегральна схема (ГБІС) - понад 1 млрд елементів у кристалі. В даний час, у 2010-х, назви «УБІС» та «ДБІС» практично не використовуються, і всі мікросхеми з числом елементів понад 10 тис. відносять до класу НВІС.

Технологія виготовлення

• Напівпровідникова мікросхема - всі елементи та міжелементні з'єднання виконані на одному напівпровідниковому кристалі (наприклад, кремнію, германію, арсеніду, галію, оксиду, гафнію).

• Плівкова інтегральна мікросхема - всі елементи та міжелементні з'єднання виконані у вигляді плівок:
  • товстоплівна інтегральна схема;
  • тонкопленочна інтегральна схема.
• Гібридна мікросхема (часто звана мікроскладання), містить кілька безкорпусних діодів, безкорпусних транзисторів та інших електронних активних компонентів. Також мікроскладання може включати безкорпусні інтегральні мікросхеми. Пасивні компоненти мікроскладання (резистори, конденсатори, котушки, індуктивності) зазвичай виготовляються методами тонкоплівкової або товстоплівкової технологій на загальній, зазвичай, керамічній підкладці гібридної мікросхеми. Вся підкладка з компонентами міститься в єдиний герметизований корпус.
• Змішана мікросхема - крім напівпровідникового кристала містить тонкоплівкові (товстоплівкові) пасивні елементи, що розміщені на поверхні кристала.

Вигляд сигналу, що обробляється

Технології виготовлення

Типи логіки

Основним елементом аналогових мікросхем є транзистори (біполярні чи польові). Різниця у технології виготовлення транзисторів суттєво впливає на характеристики мікросхем. Тому нерідко в описі мікросхеми вказують технологію виготовлення, щоб підкреслити загальну характеристику властивостей і можливостей мікросхеми. У сучасних технологіях поєднують технології біполярних і польових транзисторів, щоб досягти поліпшення характеристик мікросхем.

• Мікросхеми на уніполярних, польових транзисторах - найекономічніші (за споживанням струму):
  • МОП-логіка (метал-оксид-напівпровідник логіка) - мікросхеми формуються з польових транзисторів n-МОП або p-МОП типу;
  • КМОП -логіка (комплементарна МОП-логіка) - кожен логічний елемент мікросхеми складається з пари взаємодоповнюючих (комплементарних) польових транзисторів ( n-МОП та p-МОП).
• Мікросхеми на біполярних транзисторах:
  • РТЛ – резисторно-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);
  • ДТЛ – діодно-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);
  • ТТЛ - транзисторно-транзисторна логіка - мікросхеми виготовлені з біполярних транзисторів з багатоемітерними транзисторами на вході;
  • ТТЛШ - транзисторно-транзисторна логіка з діодами Шоттки - удосконалена ТТЛ, в якій використовуються біполярні транзистори з ефектом Шоттки;
  • ЕСЛ - емітерно-пов'язана логіка - на біполярних транзисторах, режим роботи яких підібраний так, щоб вони не входили в режим насичення, - що суттєво підвищує швидкодію;
  • ІІЛ – інтегрально-інжекційна логіка.
• Мікросхеми, що використовують як польові, так і біполярні транзистори:

Використовуючи той самий тип транзисторів, мікросхеми можуть створюватися з різних методологій, наприклад, статичної чи динамічної .

КМОП і ТТЛ (ТТЛШ) технології є найпоширенішими логіками мікросхем. Де необхідно економити споживання струму, застосовують КМОП-технологію, де важливіша швидкість і не потрібна економія споживаної потужності застосовують ТТЛ-технологію. Слабким місцем КМОП-мікросхем є вразливість до статичної електрики - досить торкнутися рукою виведення мікросхеми, і її цілісність вже не гарантується. З розвитком технологій ТТЛ та КМОП мікросхеми за параметрами зближуються і, як наслідок, наприклад, серія мікросхем 1564 зроблена за технологією КМОП, а функціональність та розміщення в корпусі як у ТТЛ технології.

Мікросхеми, виготовлені за ЕСЛ-технології, є найшвидшими, а й найбільш енергоспоживаючими, і застосовувалися під час виробництва обчислювальної техніки у випадках, коли найважливішим параметром була швидкість обчислення. У СРСР найпродуктивніші ЕОМ типу ЕС106х виготовлялися на ЕСЛ-мікросхемах. Наразі ця технологія використовується рідко.

Технологічний процес

При виготовленні мікросхем використовується метод фотолітографії (проекційної, контактної та ін.), При цьому схему формують на підкладці (зазвичай з кремнію), отриманої шляхом різання алмазними дисками монокристалів кремнію на тонкі пластини. Через малості лінійних розмірів елементів мікросхем, від використання видимого світла і навіть ближнього ультрафіолетового випромінювання при засвіченні відмовилися.

Наступні процесори виготовляли з використанням УФ-випромінювання (ексимерний лазер ArF, довжина хвилі 193 нм). У середньому впровадження лідерами індустрії нових техпроцесів за планом ITRS відбувалося кожні 2 роки, при цьому забезпечувалося подвоєння кількості транзисторів на одиницю площі: 45 нм (2007), 32 нм (2009), 22 нм (2014) 1 , освоєння 10 нм процесів очікується близько 2018 року

У 2015 році з'явилися оцінки, що впровадження нових техпроцесів уповільнюватиметься.

Контроль якості

Для контролю якості інтегральних мікросхем широко застосовують так звані тестові структури.

Призначення

Інтегральна мікросхема може мати закінчену, скільки завгодно складну, функціональність - аж до цілого мікрокомп'ютера (однокристальний-мікрокомп'ютер).

Аналогові схеми

• Фільтри (у тому числі на п'єзоефект).
• Аналогові помножувачі.
• Аналогові атенюатори та регульовані підсилювачі.
• Стабілізатори джерел живлення: стабілізатори напруги та струму .
• Мікросхеми керування імпульсних блоків живлення.
• Перетворювачі сигналів.
• Схеми синхронізації.
• Різні датчики (наприклад, температури).

Цифрові схеми

• Буферні перетворювачі
• (Мікро)процесори (у тому числі ЦП для комп'ютерів)
• Мікросхеми та модулі пам'яті
• ПЛІС (програмовані логічні інтегральні схеми)

Цифрові інтегральні мікросхеми мають ряд переваг у порівнянні з аналоговими:

• Зменшене енергоспоживанняпов'язане із застосуванням у цифровій електроніці імпульсних електричних сигналів. При отриманні та перетворенні таких сигналів активні елементи електронних пристроїв (транзисторів) працюють у «ключовому» режимі, тобто транзистор або «відкритий» - що відповідає сигналу високого рівня (1), або «закритий» - (0), у першому випадку на транзисторі немає падіння напруги, у другому - через нього не йде струм. В обох випадках енергоспоживання близько до 0, на відміну від аналогових пристроїв, у яких більшу частину часу транзистори перебувають у проміжному (активному) стані.
• Висока завадостійкістьцифрових пристроїв пов'язана з великою відмінністю сигналів високого (наприклад, 2,5-5) і низького (0-0,5) рівня. Помилка стану можлива за такого рівня перешкод, коли високий рівень інтерпретується як низький і навпаки, що малоймовірно. Крім того, в цифрових пристроях можливе застосування спеціальних кодів, що дозволяють виправляти помилки.
• Велика різниця рівнів станів сигналів високого та низького рівня (логічних «0» і «1») і досить широкий діапазон їх допустимих змін робить цифрову техніку нечутливою до неминучого в інтегральній технології розкиду параметрів елементів, позбавляє необхідності підбору компонентів та налаштування елементами регулювання в цифрових пристроях.

Аналого-цифрові схеми

• цифро-аналогові (ЦАП) та аналого-цифрові перетворювачі (АЦП);
• трансівери (наприклад, перетворювач інтерфейсу Ethernet);
• модулятори та демодулятори;
  • радіомодеми
  • декодери телетексту, УКХ-радіо-тексту
  • трансівери Fast Ethernet та оптичних ліній
  • Dial-Upмодеми
  • приймачі цифрового ТБ
  • сенсор оптичної «миші»
• мікросхеми живлення електронних пристроїв - стабілізатори, перетворювачі напруги, силові ключі та ін;
• цифрові атенюатори;
• схеми фазової, автопідстроювання, частоти (ФАПЧ);
• генератори та відновники частоти тактової синхронізації;
• базові матричні кристали (БМК): містить як аналогові, так і цифрові схеми;

Серії мікросхем

Аналогові та цифрові мікросхеми випускаються серіями. Серія - це група мікросхем, що мають єдине конструктивно-технологічне виконання та призначені для спільного застосування. Мікросхеми однієї серії, як правило, мають однакову напругу джерел живлення, узгоджені за вхідними та вихідними опорами, рівнями сигналів.

Корпуси

Специфічні назви

Правовий захист

Законодавство Росії надає правову охорону топологіям інтегральних мікросхем. Топологією інтегральної мікросхеми є зафіксоване на матеріальному носії просторово-геометричне розташування сукупності елементів інтегральної мікросхеми та зв'язків між ними (ст. 1448

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

Міносвіти Росії

Федеральна державна унітарна освітня установа вищої професійної освіти

"Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет "ЛЕТИ" ім. В.І. Ульянова (Леніна)"

(СПбГЕТУ "ЛЕТИ")

Кафедра філософії

Реферат

на тему:" Історія розвитку інтегральної електроніки"

Аспірант ВАТ "НВП ЅРадар ММСЅ"

Попова О.Б.

Науковий керівник:

д. т. н., проф. Балашов В.М.

Санкт-Петербург 2015

• Вступ
• Глава 1. Основні напрями розвитку мікроелектроніки
• 1.1 Електроніка та види електроніки
• 1.2 Розвиток мікроелектроніки
• Розділ 2. Еволюція інтегральної електроніки
• 2.1 Інтегральні схеми та етапи розвитку інтегральної електроніки
• 2.2 Роль тонкоплівкової технології у розвитку інтегральної електроніки
• Висновок
• Література

Вступ

Зародження та розвиток мікроелектроніки як нового науково-технічного спрямування, що забезпечує створення складної радіоелектронної апаратури (РЕА), безпосередньо пов'язані з кризовою ситуацією, що виникла на початку 60-х років, коли традиційні методи виготовлення РЕА з дискретних елементів шляхом їх послідовного складання не могли забезпечити необхідну надійність, економічність, енергоємність, час виготовлення та прийнятні габарити РЕА.

Незважаючи на малий термін свого існування, взаємозв'язок мікроелектроніки з іншими галузями науки і техніки забезпечив надзвичайно високі темпи розвитку цієї галузі та суттєво скоротив час для промислової реалізації нових ідей. Цьому сприяло також виникнення своєрідних зворотних зв'язків між розробкою інтегральних схем, що є базою автоматизації виробництва та управління, та використання цих розробок для автоматизації самого процесу проектування, виробництва та випробувань інтегральних схем.

Розвиток мікроелектроніки внесло докорінні зміни до принципів конструювання РЕА і призвело до використання комплексної інтеграції, що складається з: структурної чи схемної інтеграції (тобто інтеграції схемних функцій у межах єдиної структурної одиниці); при ступені інтеграції порядку сотень і тисяч компонентів існуючі прийоми підрозділу систем на компоненти, прилади, субсистеми та блоки, а також форми координації розробок компонентів, приладів та субсистем стають уже малоефективними; при цьому центр тяжіння переміщається в область схемотехніки, що вимагає докорінної перебудови способів реалізації електронних систем з побудовою апаратури на супермодульному рівні.

Глава 1. Основні напрями розвитку мікроелектроніки

1.1 Електроніка та види електроніки

Електроніка - це наука, що вивчає явища взаємодії електронів та інших заряджених частинок з електричними, магнітними та електромагнітними полями, що є фізичною основою роботи електронних приладів та пристроїв (вакуумних, газозарядних, напівпровідникових та інших), що використовуються для передачі, обробки та зберігання інформації.

Охоплюючи широке коло науково-технічних та виробничих проблем, електроніка спирається на досягнення у різних галузях знань. При цьому, з одного боку, електроніка ставить перед іншими науками та виробництвом нові завдання, стимулюючи їх подальший розвиток, і з іншого – забезпечує їх якісно новими технічними засобами та методами досліджень.

Основними напрямками розвитку електроніки є: вакуумна, твердотільна та квантова електроніка.

Вакуумна електроніка - це розділ електроніки, що включає дослідження взаємодії потоків вільних електронів з електричними та магнітними полями у вакуумі, а також методи створення електронних приладів та пристроїв, в яких ця взаємодія використовується. До найважливіших напрямів дослідження у галузі вакуумної електроніки відносяться: електронна емісія (зокрема, термо- та фотоелектронна емісія); формування потоку електронів та/або іонів та управління цими потоками; формування електромагнітних полів за допомогою пристроїв введення та виведення енергії; фізика та техніка високого вакууму та ін.

Основні напрями розвитку вакуумної електроніки пов'язані із створенням електровакуумних приладів наступних видів: електронних ламп (діодів, тріодів, тетродів тощо); електро-вакуумних приладів надвисокої частоти (наприклад, магнетронів, клістронів, ламп біжучої та зворотної хвилі); електроннопроменевих та фотоелектронних приладів (наприклад, кінескопів, відіконів, електронно-оптичних перетворювачів, фотоелектронних помножувачів); газорозрядних приладів (наприклад, тиратронів, газозарядних індикаторів).

Твердотільна електроніка вирішує завдання, пов'язані з вивченням властивостей твердотільних матеріалів (напівпровідникових, діелектричних, магнітних та ін), впливом на ці властивості домішок та особливостей структури матеріалу; вивченням властивостей поверхонь та меж розділу між шарами різних матеріалів; створенням в кристалі різними методами областей з різними типами провідності; створенням гетеропереходів та монокристалічних структур; створенням функціональних пристроїв мікронних та субмікронних розмірів, а також способів вимірювання їх параметрів.

Основними напрямками твердотільної електроніки є: напівпровідникова електроніка, пов'язана з розробкою різних видів напівпровідникових приладів та мікроелектроніка, пов'язана з розробкою інтегральних схем.

Квантова електроніка охоплює широке коло питань, пов'язаних із розробкою методів та засобів посилення та генерації електромагнітних коливань на основі ефекту вимушеного випромінювання атомів та молекул. Основні напрямки квантової електроніки: створення оптичних квантових генераторів (лазерів), квантових підсилювачів, молекулярних генераторів та ін.

Особливості приладів квантової електроніки такі: висока стабільність частоти коливань, низький рівень власних шумів, велика потужність в імпульсі випромінювання - які дозволяють використовувати їх для створення високоточних далекомірів, квантових стандартів частоти, квантових гіроскопів, систем оптичного багатоканального зв'язку, дальнього космічного зв'язку, лазерного звукозапису та відтворення та ін. Створено навіть мініатюрні лазерні указки для мінімального супроводу.

1.2 Розвиток мікроелектроніки

Мікроелектроніка - це комплексна галузь знань, об'єктом вивчення та розробки якої є функціонально складні ІВ, їх структура, технологія, діагностика, надійність та експлуатація. Мікроелектронні пристрої цілеспрямовано впливають на електромагнітні процеси у твердому тілі, що дозволяє з високою швидкістю обробляти та довго зберігати інформацію в досить малих обсягах твердого тіла.

Мікроелектроніка формувалася на основі комплексного наукового пошуку та досягнень інженерної практики відповідно до вимог науково-технічного прогресу. Поняття та методи МЕ, що виникли та розвиваються більше 30 років, широко використовуються в інформатиці, обчислювальній техніці, автоматиці, фізиці твердого тіла. Мікроелектроніка стрімко прогресує у своєму розвитку та практичному використанні результатів і з вузькоспеціального напряму перетворилася на загальнофізичний.

Знаходячись ніби в прикордонній області фізики твердого тіла, хімії, електродинаміки, радіофізики вона набула свого великого теоретичного фундаменту.

Як науковий напрямок із певним технічним втіленням. МЕ заснована на ідеях функціональної інтеграції мікроприладів на кристалі, планарної технології інтегрованих на шайбі кристалів, групової обробки матеріалу шайби та функціонального контролю ВІС ЗП.

Функціональний контроль заснований на синтезі ідей, що відображають взаємозв'язок фізико-хімічних та електромагнітних процесів, що відбуваються в мікроприладах, та функціональному (цілеспрямованому) перетворенні інформаційних сигналів.

Внаслідок комплексного підходу функціональний контроль поєднує низку наукових напрямів, створює технологічні засоби інженерної реалізації, діагностики ВІС та дозволяє визначити їх надійність. Для розуміння передумов появи функціонального діагностичного контролю ВІС та його відмінних рис необхідно простежити перехід від дискретної електроніки (ДЕ) до мікроелектроніки (МЕ), а також встановити відмінність об'єктів контролю та діагностики.

До середини 1950-х років. основним напрямом розвитку електронної техніки (ЕТ) була спеціалізація її елементної бази, що включає удосконалення конструкції, мініатюризацію та покращення параметрів дискретних, електронних компонентів (активних та пасивних) електронної апаратури (ЕА). До них відносяться вакуумні прилади (лампи), опори, конденсатори, котушки індуктивності, панелі, роз'єми та ін. Кожен з електронних компонентів (ЕК) виготовлявся самостійно і не був конструктивно і функціонально пов'язаний з іншим.

Звідси і назва – дискретні елементи ЕА.

Зазначений метод конструювання та виробництва ЕА має свої переваги. До них насамперед належать:

можливість індивідуального контролю кожного ЕК;

нескладна процедура вимірювання та оцінки придатності ЕК з використанням елементарної контрольно-вимірювальної апаратури (КІА);

зручне налаштування, що дозволяє досягти необхідних електричних характеристик електронних блоків та в цілому ЕА;

простота виявлення та локалізації дефектів як при налаштуванні електронних блоків, так і у разі відмови ЕА в

процесі експлуатації;

ремонтопридатність ЕА (доступність будь-якого ЕК, можливість його заміни в ЕА)

Все це сприяє зниженню браку готової продукції та технічному контролю електронних компонентів та самої апаратури.

На початку 1950-х років. виникли перші ЕОМ загального призначення. Вони також використовувалися вакуумні лампи для створення вузлів, призначених для обчислень, управління, обробки та зберігання інформації. Ці ЕОМ були громіздкі, нерухомі, виділяли велику кількість теплової енергії, що викликало необхідність примусового охолодження. Вони займали великі зали та вимагали постійного обслуговування. Надійність експлуатації ЕОМ була низька, а вартість виробництва – висока.

Для зберігання програм управління та обчислень ємність пристроїв (ЗУ) безперервно збільшувалася. Прискорений розвиток науки, аерокосмічної і військової техніки призвело до виникнення серйозних проблем у вивченні й управлінні процесами, що швидко протікають, а й у обробці інформації великих обсягів у короткі проміжки часу.

Технічні результати досліджень у галузі фізики до хімії твердого тіла, а також отримання хімічно чистих напівпровідників та феромагнетиків, синтезу тонких шарів металів II діелектриків отримали конкретне практичне застосування. Наприкінці 1950-х п. почали застосовувати твердотільні ЕК – транзистори (Тр) та діоди (Д) – дискретні навісні елементи, що дозволило помітно знизити габарити, а також енергоспоживання ЕОМ і, отже, зменшити тепловиділення та підвищити надійність.

Дискретні активні (Д, Тр), а також масивні (R, С, L) елементи продовжували вдосконалюватися: зменшувалися їх розміри та енергоспоживання, покращувався контроль, зростала безвідмовність ЕК. Це дозволило змінити і розміри функціонально завершених пристроїв - мікромодулів, що набули вигляду поверхорочної або плоскої конструкції, в якій дискретні елементи з'єднуються за допомогою паяння або зварювання. Випробувачі зосередили свою увагу на контролі сигналів та забезпеченні надійності. Так, розширення функціональної складності ЕА вимагало застосування великої кількості ЕК н, отже збільшення пайок, що знижувало надійність. Контрольно-вимірювальна апаратура була автоматизована, і полому контроль кожного ЕК для ЕА займав багато часу, що, своєю чергою, впливало вартість апаратури.

Швидко розвиваються гілкою напрями техніки зберігання та високошвидкісної обробки інформації вимагали забезпечення високої надійності та тривалої безвідмовної роботи ЕА, що експлуатується в умовах різних зовнішніх впливів. При цьому діапазон змін факторів, що впливають, дуже широкий (він може включати і умови експлуатації). Виникла необхідність створення РЕА, що відповідає вимогам технічного прогресу. До них відносяться:

підвищення функціональної складності апаратури на вирішення завдань управління процесами;

збільшення швидкодії при обчисленнях та управлінні процесами;

зниження масогабаритних характеристик апаратури;

зменшення енергоспоживання у процесі функціонування;

зростання надійності;

Зниження вартості апаратури.

Нові характеристики ЕА могли бути реалізовані тільки при суттєвій мініатюризації компонентів ЕА та виключення застосування паяння. Виробництво малогабаритної ЕА, що ґрунтується на дискретних елементах, зустріло принципові, непереборні технологічні перешкоди.

Наступний недолік пов'язаний зі складальними операціями ЕА та дискретних елементів. Цей трудомісткий процес не піддавався автоматизації і вартість ЕА залишалася високою.

До недоліків і безліч зовнішніх контактів на платі, тобто. незначна кількість функцій однією контакт.

До обмежуючих факторів такого принципу конструювання відноситься також велика протяжність схем, що комутують ланцюгів, що знижує швидкодію і перешкодозахищеність ЕА.

Таким чином, подальше вдосконалення ЕА на дискретній елементній базі обмежувалося технологічними методами виготовлення та контролю ЕК, а не причинами фізичного характеру.

Розглянуті обмеження принципу конструювання ЕА на дискретних елементах виявилися під час створення малогабаритних високонадійних бортових ЕОМ, швидкодія яких можна порівняти зі швидкістю перебігу процесів у даних приладах (що працюють у реальному масштабі часу). Це підтвердило необхідність удосконалення ЕА та підвищення її надійності як центральну проблему електронної техніки. Було визначено мету - микроминиатюризация внаслідок функціональної інтеграції компонентів електронних схем на твердотільної основі, тобто. створення інтегральних схем (ІС) шляхом інтеграції ЕК. Для технічного втілення ідеї мікромініатюризації ЕА на основі функціональної інтеграції пасивних та активних ЕК були потрібні нові матеріали та апаратура, інші технологічні принципи їх реалізації та контролю. Всі однотипні компоненти ІС слід виготовляти одночасно в єдиному технологічному циклі, використовуючи груповий метод обробки матеріалів, контролюючи автоматично, на функціональному принципі. Цей напрямок РЕ отримав назву мікроелектроніки. Таким чином, основу мікроелектроніки становлять такі принципи:

ЕА створюється на базі ІВ ​​з конструктивною та функціональною інтеграцією мікроприладів – ЕК;

фізичні процеси в мікроприладах протікають у мікрооб'ємах, тонких шаруватих структурах;

одночасне виготовлення однотипних елементів конструкції мікроприладів ІВ з використанням планарної технології та групової обробки матеріалу;

функціональний контроль ІВ та тестових схем.

Появі перших мікроелектронних пристроїв - ІС передували фундаментальні дослідження та технічні розробки в галузі фізики твердого тіла, хімії та радіоелектроніки.

Розділ 2. Еволюція інтегральної електроніки

2.1 Інтегральні схеми та етапи розвитку інтегральної електроніки

Інтегральна мікросхема (ІВ)- це мікроелектронний виріб, що виконує функції перетворення та обробки сигналів, що характеризується щільною упаковкою елементів так, щоб усі зв'язки та з'єднання між елементами представляли єдине ціле.

Складовою частиною ІС є елементи, які виконують роль електрорадіоелементів (транзисторів, резисторів та ін.) та не можуть бути виділені як самостійні вироби. У цьому активними називають елементи ІМС, виконують функції посилення чи іншого перетворення сигналів (діоди, транзистори та інших.), а пасивними - елементи, реалізують лінійну передатну функцію (резистори, конденсатори, індуктивності).

Класифікація інтегральних мікросхем:

За способом виготовлення:

За рівнем інтеграції.

Ступінь інтеграції ІВ є показником складності, що характеризується числом елементів, що містяться в ній, і компонентів. Ступінь інтеграції визначається формулою

k=lg(N),

де k - коефіцієнт, що визначає ступінь інтеграції, що округляється до найближчого більшого цілого числа, а N - число елементів і компонентів, що входять до ІС.

Для кількісної характеристики ступеня інтеграції часто використовують такі терміни: якщо k? 1, ІВ називають простий ІВ, якщо 1< k ? 2 - средней ИС (СИС), если 2 < k ? 4 - большой ИС (БИС), если k ?4 - сверхбольшой ИС (СБИС).

Крім ступеня інтеграції використовують ще такий показник, як густина упаковки елементів - кількість елементів (найчастіше транзисторів) на одиницю площі кристала. Цей показник характеризує переважно рівень технології, нині він становить понад 1000 елементів/мм 2 .

Плівкові інтегральні схеми- це інтегральні схеми, елементи яких нанесені поверхню діелектричного підстави як плівки. Їхня особливість - у чистому вигляді не існують. Служать лише виготовлення пасивних елементів - резисторів, конденсаторів, провідників, індуктивностей.

Мал. 1. Структура плівкової гібридної ІВ: 1, 2 - нижній та верхній обкладки конденсатора, З - шар діелектрика, 4 - дротяна сполучна шина, 5 - навісний транзистор, 6 - плівковий резистор, 7 - контактний висновок, 8 - діелектрична

Гібридні ІВ – це тонкоплівкові мікросхеми, що складаються з пасивних елементів (резисторів, конденсаторів, контактних майданчиків) та дискретних активних елементів (діодів, транзисторів). Гібридна ІВ, показана на рис. 1 являє собою діелектричну підкладку з нанесеними на неї плівковими конденсаторами і резисторами і приєднаним навісним транзистором, база якого з'єднана з верхньою обкладкою конденсатора шиною у вигляді дуже тонкого зволікання.

У напівпровідникових ІСвсі елементи та міжелементні з'єднання виконані в обсязі та на поверхні кристала напівпровідника. Напівпровідникові ІС являють собою плоский кристал напівпровідника (підкладка), у поверхневому шарі якого різними технологічними прийомами сформовані еквівалентні елементам електричної схеми локальні області (діоди, транзистори, конденсатори, резистори та ін.), об'єднані поверхнею плівковими металевими сполуками.

Як підкладки напівпровідникових ІС служать круглі пластини кремнію, германію або арсеніду галію, що мають діаметр 60 - 150 мм і товщину 0,2 - 0,4 мм.

Напівпровідникова підкладка є груповою заготівлею (рис. 2), де одночасно виготовляють велику кількість ІВ.

Мал. 2. Групова кремнієва пластина: 1 – базовий зріз, 2 – окремі кристали (чіпи)

Після завершення основних технологічних операцій її розрізають частини - кристали 2, звані також чіпами. Розміри сторін кристалів можуть бути від 3 до 10 мм. Базовий зріз пластини 1 служить для її орієнтації при різних технологічних процесах.

Структури елементів напівпровідникової ІВ - транзистора, діода, резистора та конденсатора, що виготовляються відповідним легуванням локальних ділянок напівпровідника методами планарної технології, показані на рис. 3, а-р. Планарна технологія характеризується тим, що всі висновки елементів ІС розташовуються в одній площині на поверхні та одночасно з'єднуються в електричну схему тонкоплівковими міжз'єднаннями. При планарній технології проводиться групова обробка, тобто протягом одного технологічного процесу на підкладках одержують велику кількість ІВ, що забезпечує високі технологічність та економічність, а також дозволяє автоматизувати виробництво.

Мал. 3. Структури елементів напівпровідникової ІВ: а - транзистора, б - діода, - резистора, г - конденсатора, 1 - тонкоплівковий контакт, 2 - шар діелектрика, З - емітер; 4 - база; 5 - колектор; 6 - катод; 7 - анод; 8 - ізолюючий шар; 9 - резистивний шар, 10 - ізолюючий шар, 11 - пластина, 12, 14 - верхній та нижній електроди конденсатора, 13 - шар діелектрика

Упоєднаних ІС(рис. 4), що є варіантом напівпровідникових, на кремнієвій підкладці створюють напівпровідникові та тонкоплівкові елементи. гідність цих схем у тому, що у твердому тілі технологічно важко виготовляти резистори заданого опору, оскільки він залежить лише від товщини легованого шару напівпровідника, а й від розподілу питомого опору по товщині. Доведення опору до номінального значення після виготовлення резистора також становить значні труднощі. Напівпровідникові резистори мають помітну температурну залежність, що ускладнює розробку ІС.

Мал. 4. Структура поєднаної ІВ: 1 - плівка діоксиду кремнію, 2 - діод, З - плівкові внутрішньосхемні з'єднання, 4 - тонкоплівковий резистор, 5, 6, 7 - верхній і нижній електроди тонкоплівкового конденсатора і діелектрик, 8 - тонкоплівкові контакти, 9 , 10 – кремнієва пластина.

Крім того, у твердому тілі також важко створювати конденсатори. Для розширення номінальних значень опорів резисторів і ємностей напівпровідникових конденсаторів ІС, а також поліпшення їх робочих характеристик розроблена заснована на технології тонких плівок комбінована технологія, звана технологією поєднаних схем. У цьому випадку активні елементи ІВ (можна і деякі некритичні по номінальному опору резистори) виготовляють у тілі кремнієвого кристала дифузійним методом, а потім вакуумним нанесенням плівок (як плівкових ІВ) формують пасивні елементи - резистори, конденсатори та міжз'єднання.

Елементна база електроніки розвивається безперервно зростаючими темпами. Кожне поколінь, з'явившись у певний час, продовжує вдосконалюватися у найбільш виправданих напрямах. Розвиток виробів електроніки від покоління до покоління йде у напрямку їх функціонального ускладнення, підвищення надійності та терміну служби, зменшення габаритних розмірів, маси, вартості та споживаної енергії, спрощення технології та покращення параметрів електронної апаратури.

Становлення мікроелектроніки як самостійної науки стало можливим завдяки використанню багатого досвіду та бази промисловості, що випускає напівпровідникові дискретні прилади. Проте з розвитком напівпровідникової електроніки з'ясувалися серйозні обмеження застосування електронних явищ і систем з їхньої основі. Тому мікроелектроніка продовжує просуватися швидкими темпами як у напрямку вдосконалення напівпровідникової інтегральної технології, так і в напрямку використання нових фізичних явищ. радіоелектронний інтегральний мікросхема

Вироби мікроелектроніки: інтегральні мікросхеми різного ступеня інтеграції, мікроскладання, мікропроцесори, міні- та мікро-ЕОМ - дозволили здійснити проектування та промислове виробництво функціонально складної радіо- та обчислювальної апаратури, що відрізняється від апаратури попередніх поколінь кращими параметрами, більш надійними споживаної енергією та вартістю. Апаратура з урахуванням виробів мікроелектроніки знаходить широке застосування переважають у всіх сферах діяльності.

Створенню систем автоматичного проектування, промислових роботів, автоматизованих та автоматичних виробничих ліній, засобів зв'язку та багато іншого сприяє мікроелектроніка.

Перший етап

До першого етапу належить винахід у 1809 році російським інженером Ладигіним лампи розжарювання.

Відкриття у 1874 році німецьким вченим Брауном випрямляючого ефекту в контакті метал-напівпровідник. Використання цього ефекту російським винахідником Поповим для детектування радіосигналу дозволило створити перший радіоприймач. Датою винаходу радіо прийнято вважати 7 травня 1895 коли Попов виступив з доповіддю і демонстрацією на засіданні фізичного відділення російського фізико-хімічного товариства в Петербурзі. У різних країнах велися розробки та дослідження різних типів простих та надійних виявників високочастотних коливань – детекторів.

Другий етап

Другий етап розвитку електроніки розпочався з 1904 р., коли англійський вчений Флемінг сконструював електровакуумний діод. За ним був винахід першої підсилювальної лампи - тріода в 1907 році.

1913 – 1919 роки – період різкого розвитку електронної техніки. У 1913 р. німецький інженер Мейснер розробив схему лампового регенеративного приймача і за допомогою тріода отримав незатухаючі гармонійні коливання.

У Росії перші радіолампи були виготовлені в 1914 в Санкт-Петербурзі консультантом російського товариства бездротового телеграфування Миколою Дмитровичем Папалексі, майбутнім академіком АН СРСР.

Третій етап

Третій період розвитку електроніки - це період створення та впровадження дискретних напівпровідникових приладів, що розпочався з винаходу точкового транзистора. У 1946 році при лабораторії "Белл Телефон" була створена група на чолі з Вільямом Шоклі, яка проводила дослідження властивостей напівпровідників на Кремнії та Німеччині. Група проводила як теоретичні, і експериментальні дослідження фізичних процесів межі розділу двох напівпровідників з різними типами електричної провідності. У результаті винайшли: трехэлектродные напівпровідникові прилади - транзистори. Залежно кількості носіїв заряду транзистори були поділені на:

Уніполярні (польові), де використовувалися однополярні носії.

Біполярні, де використовувалися різнополярні носії (електрони та дірки).

Винахід транзисторів стало знаменною віхою історія розвитку електроніки і тому його автори Джон Бардін, Уолтер Браттейн і Вільям Шоклі були удостоєні нобелівської премії з фізики за 1956 р.

Поява мікроелектроніки

З появою біполярних польових транзисторів почали втілюватися ідеї розробки малогабаритних ЕОМ. На їх основі почали створювати бортові електронні системи для авіаційної та космічної техніки. Так як ці пристрої містили тисячі окремих електрорадіоелементів і постійно потрібно все більше і більше їх збільшення, з'явилися і технічні труднощі. Зі збільшенням числа елементів електронних систем практично не вдавалося забезпечити їхню працездатність відразу ж після складання, та забезпечити, надалі, надійність функціонування систем. Проблема якості монтажно-складальних робіт стала основною проблемою виробників при забезпеченні працездатності та надійності радіоелектронних пристроїв. Вирішення проблеми міжз'єднань і стало передумовою появи мікроелектроніки. Прообразом майбутніх мікросхем послужила друкована плата, де всі поодинокі провідники об'єднані в єдине ціле і виготовляються одночасно груповим методом шляхом стравлювання мідної фольги з площиною фольгованого діелектрика. Єдиним видом інтеграції у разі є провідники. Застосування друкованих плат хоч і вирішує проблеми мініатюризації, проте вирішує проблему підвищення надійності межсоединений. Технологія виготовлення друкованих плат не дозволяє виготовити одночасно інші пасивні елементи крім провідників. Саме тому друковані плати не перетворилися на інтегральні мікросхеми у сучасному розумінні. Першими були розроблені наприкінці 40-х років товстоплівкові гібридні схеми, в основу їх виготовлення була покладена вже відпрацьована технологія виготовлення керамічних конденсаторів, яка використовує метод нанесення на керамічну підкладку через трафарети паст, що містять порошок срібла та скла.

Тонкоплівкова технологія виробництва інтегральних мікросхем включає нанесення у вакуумі на гладку поверхню діелектричних підкладок тонких плівок різних матеріалів (провідних, діелектричних, резистивних).

Четвертий етап

У 1960 році Роберт Нойс із фірми Fairchild запропонував і запатентував ідею монолітної інтегральної схеми і, застосувавши планарну технологію, виготовив перші кремнієві монолітні інтегральні схеми.

Сімейство монолітних транзисторно-транзисторних логічних елементів з чотирма і біполярнішими транзисторами на одному кристалі кремнію було випущено фірмою Fairchild вже в лютому 1960 року і отримало назву "мікрологіка". Планарна технологія Хорні і монолітна технологія Нойса заклали в 1960 фундамент розвитку інтегральних мікросхем, спочатку на біполярних транзисторах, а потім 1965-85 рр.. на польових транзисторах та комбінаціях тих та інших.

Два директивні рішення ухвалені в 1961-1962 рр.. вплинули на розвиток виробництва кремнієвих транзисторів та ІС. Рішення фірми IBM (Нью-Йорк) з розробки для перспективної ЕОМ не феромагнітних пристроїв, а електронних ЗУ (запам'ятувальних пристроїв) на базі n-канальних польових транзисторів (метал-окис-напівпровідник - МОП). Результатом успішного виконання цього плану був випуск у 1973р. універсальної ЕОМ з МОП ЗУ - IBM-370/158. Директивні рішення фірми Fairchild передбачають розширення робіт у напівпровідниковій науково-дослідній лабораторії з дослідження кремнієвих приладів та матеріалів для них.

Тим часом у липні 1968 р. Гордон Мур і Роберт Нойс йдуть з відділення напівпровідників фірми Fairchild і 28 червня 1968 організують крихітну фірму Intel з дванадцяти осіб, які орендують кімнатку в Каліфорнійському місті Маунтін Вью. Завдання, яке поставили перед собою Мур, Нойс і фахівець з хімічної технології, що приєднався до них - Ендрю Гроув, використовувати величезний потенціал інтеграції великої кількості електронних компонентів на одному напівпровідниковому кристалі для створення нових видів електронних приладів.

У 1997 році Ендрю Гроув став "людиною року", а очолювана ним компанія Intel, яка стала однією з провідних у силіконовій долині в Каліфорнії, стала виробляти мікропроцесори для 90% всіх персональних комп'ютерів планети. Поява інтегральних мікросхем зіграла вирішальну роль у розвиток електроніки започаткувавши новий етап мікроелектроніки. Мікроелектроніку четвертого періоду називають схематичною, тому що у складі основних базових елементів можна виділити елементи, еквівалентні дискретним електро-радіоелементам і кожній інтегральній мікросхемі відповідає певна принципова електрична схема, як і для електронних вузлів апаратури попередніх поколінь.

Інтегральні мікросхеми стали називатися мікроелектронні пристрої, що розглядаються як єдиний виріб, що має високу щільність розташування елементів, еквівалентних елементам звичайної схеми. Ускладнення, що виконуються мікросхемами функцій, досягається підвищенням ступеня інтеграції.

Справжняїїелектронікі

В даний час мікроелектроніка переходить на якісно новий рівень – наноелектроніку.

Наноелектроніка насамперед базується на результатах фундаментальних досліджень атомних процесів у напівпровідникових структурах зниженої розмірності. Квантові точки, або нульмерні системи, являють собою граничний випадок систем зі зниженою розмірністю, які складаються з масиву атомних кластерів або острівців нанометрових розмірів напівпровідникової матриці, що виявляють самоорганізацію в епітаксійних гетероструктурах.

Одним із можливих робіт пов'язаних з наноелеткронікою є роботи зі створення матеріалів та елементів ІЧ-техніки. Вони затребувані підприємствами галузі та є основою для створення у найближчому майбутньому систем "штучного" (технічного) зору з розширеним, порівняно з біологічним зором, спектральним діапазоном в ультрафіолетовій та інфрачервоній областях спектру. Системи технічного зору та фотонні компоненти на наноструктурах, здатні отримувати та обробляти величезні масиви інформації, стануть основою принципово нових телекомунікаційних пристроїв, систем екологічного та космічного моніторингу, теплобачення, нанодіагностики, робототехніки, високоточної зброї, засобів боротьби з тероризмом. Застосування напівпровідникових наноструктур значно зменшить габарити пристроїв спостереження та реєстрації, зменшить енергоспоживання, покращить вартісні характеристики та дозволить використовувати переваги масового виробництва у мікро- та наноелектроніці найближчого майбутнього.

2.2 Роль тонкоплівкової технології у розвитку інтегральної електроніки

Тонкоплівковий напрямок інтегральної електроніки заснований на послідовному нарощуванні плівок різних матеріалів на загальній підставі (підкладці) з одночасним формуванням з цих плівок мікро деталей (резисторів, конденсаторів, контактних майданчиків та ін.) та внутрішньосхемних з'єднань.

Порівняно нещодавно напівпровідникові (тверді) та тонкоплівкові гібридні ІС розглядалися як конкуруючі напрямки у розвитку інтегральної електроніки. В останні роки стало очевидно, що ці два напрями аж ніяк не виключають, а швидше навпаки, взаємно доповнюють і збагачують один одного. Більше того, до сьогодні не створені (та, мабуть, у цьому і немає необхідності) інтегральні схеми, які використовують будь-який вид технології. Навіть монолітні кремнієві схеми, що виготовляються в основному за напівпровідниковою технологією, одночасно застосовують такі методи, як вакуумне осадження алюмінієвих плівок та інших металів для отримання внутрішньосхемних сполук, тобто. методи, на яких заснована тонкоплівкова технологія.

Великим достоїнством тонкоплівкової технології є її гнучкість, що виражається у можливості вибору матеріалів з оптимальними параметрами та характеристиками та в отриманні по суті будь-якої необхідної конфігурації та параметрів пасивних елементів. Допуски, з якими витримуються окремі параметри елементів, можуть бути доведені до 1-2%. Ця перевага особливо ефективно проявляється у тих випадках, коли точне значення номіналів та стабільність параметрів пасивних компонентів мають вирішальне значення (наприклад, при виготовленні лінійних схем, резистивних та резистивно-ємнісних схем, деяких видів фільтрів, фазочутливих та виборчих схем, генераторів тощо) .).

У зв'язку з безперервним розвитком і вдосконаленням як напівпровідникової, так і тонкоплівкової технології, а також через все більше ускладнення ІВ, що виражається у збільшенні числа компонентів та ускладненні виконуваних ними функцій, слід очікувати, що в найближчому майбутньому відбуватиметься процес інтеграції технологічних методів та прийомів і більшість складних ІС виготовлятимуться на основі поєднаної технології. При цьому можна отримати такі параметри та таку надійність ІВ, яких не можна досягти при використанні кожного виду технології окремо. Наприклад, при виготовленні напівпровідникової ІС всі елементи (пасивні та активні) виконуються в одному технологічному процесі, тому параметри елементів взаємопов'язані. Визначальними є активні елементи, так як зазвичай як конденсатор використовується перехід база - колектор транзистора, а як резистора - дифузійна область, що виходить при створенні бази транзистора. Не можна оптимізувати параметри одного елемента, одночасно не змінивши характеристики інших. При заданих характеристиках активних елементів змінювати номінали пасивних елементів можна лише зміною розмірів.

При використанні поєднаної технології активні елементи виготовляються найчастіше методами планарної технології в пластині кремнію, а пасивні роками тонкоплівкової технології на окисленій поелементні (резистори, а іноді і конденсатори) - поверхні тієї ж кремнієвої пластини. Однак процеси виготовлення активної та пасивної частин ІС рознесені за часом. Тому характеристики пасивних елементів значною мірою незалежні та визначаються вибором матеріалу, товщиною плівок та їх геометрією. Оскільки транзистори суміщеної ІВ знаходяться всередині підкладки, розміри такої схеми можуть бути значно зменшені в порівнянні з гібридними ІВ, які використовують дискретні активні елементи, що займають багато місця на підкладці.

Схеми, виготовлені за суміщеною технологією, мають цілу низку безперечних переваг. Так, наприклад, при цьому є можливість одержання на малій площі резисторів з великою величиною і малим температурним коефіцієнтом опору, що мають дуже вузьку ширину і великий поверхневий опір. Контроль швидкості осадження в процесі одержання резисторів дозволяє виготовити їх із дуже високою точністю. Резисторам, отриманим шляхом осадження плівок, не властиві струми витоку через підкладку навіть за високих температур, а порівняно велика теплопровідність підкладки перешкоджає можливості появи в схемах ділянок з підвищеною температурою.

Висновок

Для сучасного етапу розвитку інтегральної електроніки характерні тенденції подальшого підвищення робочих частот та зменшення часу перемикання, збільшення надійності, зниження витрат на матеріали та процес виготовлення ІВ.

Зниження вартості ІС потребує розробки якісно нових принципів їх виготовлення з використанням процесів, в основі яких лежать близькі за характером фізико-хімічні явища, що, з одного боку, є передумовою для подальшої інтеграції однорідних технологічних операцій виробничого циклу та, з іншого боку, відкриває принципові можливості управління усіма операціями від ЕОМ. Необхідність якісних змін у технології та технічного переозброєння галузі диктується також переходом до наступного етапу розвитку мікроелектроніки – функціональної електроніки, в основі якої лежать оптичні, магнітні, поверхневі та плазмові явища, фазові переходи, електронно-фононні взаємодії, ефекти накопичення та перенесення заряду та ін.

Критерієм "прогресивності" технологічного процесу поряд з поліпшенням параметрів та характеристик самого виробу є висока економічна ефективність, яка визначається низкою приватних, взаємопов'язаних критеріїв, що забезпечують можливість побудови комплектів повністю автоматизованого високопродуктивного обладнання з тривалим терміном експлуатації.

Найбільш важливими приватними критеріями є:

універсальність, тобто можливість проведення всього (або переважної кількості операцій) виробничого циклу за допомогою тих самих технологічних прийомів;

безперервність, яка є передумовою для подальшої інтеграції (об'єднання) цілого ряду технологічних операцій виробничого циклу, що поєднується з можливістю використання одночасної групової обробки значної кількості виробів або напівфабрикатів;

висока швидкість проведення всіх основних операцій технологічного процесу або можливість їх інтенсифікації, наприклад, в результаті впливу електричних і магнітних полів, лазерного випромінювання та ін;

відтворюваність параметрів на кожній операції та високий відсоток виходу як напівфабрикатів, так і придатних виробів;

технологічність конструкції виробу або напівфабрикату, що відповідає вимогам автоматизованого виробництва (можливості автоматизованого завантаження, базування, монтажу, збирання та ін.), що має знайти своє відображення у простоті форми, а також обмеженості допусків на габаритні та базові розміри;

формалізація, тобто можливість складання (на основі аналітичних залежностей параметрів виробу від параметрів технологічного процесу) математичного опису (алгоритму) кожної технологічної операції та подальшого управління всім технологічним процесом за допомогою ЕОМ;

адаптивність (життєвість) процесу, тобто здатність тривалого існування в умовах безперервної появи та розвитку нових конкурентоспроможних процесів та можливість швидкого перебудови обладнання під виготовлення нових видів виробів без істотних капітальних витрат.

Більшості з перерахованих критеріїв задовольняють процеси, що використовують електронні та іонні явища, що відбуваються у вакуумі та розріджених газах, за допомогою яких можна виробляти:

іонне розпилення металів, сплавів, діелектриків та напівпровідників з метою отримання плівок різної товщини та складу, міжз'єднань, ємнісних структур, міжшарової ізоляції, міжшарового розведення;

іонне травлення металів, сплавів, напівпровідників та діелектриків з метою видалення окремих локалізованих ділянок при отриманні конфігурації ІВ;

плазмове анодування з метою одержання окисних плівок;

полімеризацію органічних плівок у місцях, опромінених електронами, з метою одержання органічних ізоляційних шарів;

очищення та полірування поверхні підкладок;

вирощування монокристалів;

випаровування матеріалів (у тому числі тугоплавких) та перекристалізацію плівок;

мікрофрезерування плівок;

мікрозварювання та мікропаяння з метою приєднання висновків ІВ, а також герметизацію корпусів;

безконтактні методи контролю параметрів ІС

Спільність фізико-хімічних явищ, на яких базуються перелічені процеси, показує принципову можливість їхньої подальшої інтеграції з метою створення нової технологічної бази високопродуктивного автоматизованого виробництва інтегральних схем та приладів функціональної електроніки.

Література

1. Росардо Л. Фізична енергетика та мікроелектроніка. - М: Вища школа, 1991.

2. Феррі Д., Ейкерс Л., Гриніч Е. Електроніка ультравеликих інтегральних схем. - М: Мир, 1991.

3. Броудай І., Мерей Дж. Фізичні засади мікротехнології. - М: Мир,1985.

4. Херман М. Напівпровідникові надграти. - М: Мир, 1989.

5. Ліхарєв К.К., Семенов В.К., Зорін А.Б. Нові можливості для надпровідникової електроніки. "Підсумки науки та техніки", сірий. "Надпровідність". - М: 1989.

6. Беккер Я.М., Гуревич А.С. Новий ізоляційний матеріал та його застосування у кабелях зв'язку. - Льон. Промисловість, 1958 №5-6, с.89.

7. Буа Д., Розеншер Е. Фізичні межі можливого в мікроелектро-троніку. "Фізика за кордоном", сірий. А. – М.: Світ, 1991.

8. 3ентуіт Еге. Фізика поверхні. - М: Мир, 1990.

9. Беккер Я.М., Берг І.В. Виготовляє мініатюрні інтегральні елементи пам'яті за допомогою випромінювання ОКГ/Сб. "Використання оптичних квантових генераторів у приладобудуванні". - ЛДНТП, 1967, с.10.

10. Семенов Ю.Г., Контроль якості. - М: Вища школа, 1990.

11. Єфімов І.Є., Кальман І.Г., Мартинов Є.І. Надійність жорстких інтегральних схем. - М: Вид-во стандартів, 1979.

12. Чиріхін С.М. Засоби автоматизації приладобудування діагностичних знань у експертних системах. - "Закордонна радіоелектроніка", 1991 №8, с.7.

13. Беккер Я.М. Молекулярна електроніка Навчальний посібник. - ЛІТМО, 1990.

14. Марголін В.І., Жарбеєв В.А., Тупик В.А. Фізичні основи мікроелектроніки з-во: Академія, 2008 – 400 с.

15. Беккер Я.М., Ткаліч В.Л. Діагностика, контроль та прогнозування надійності БІС ЗУ, СПб, СПб ГУ ІТМО, 2005 р.

16. Нанотехнології в електроніці. За редакцією Чаплідіна Ю.А. – М.: Техносфера, 2005 – 448 с.

Розміщено на Allbest.ru

...

Подібні документи

Поняття, галузі, основні розділи та напрямки розвитку електроніки. Загальна характеристика квантової, твердотільної та вакуумної електроніки, напрями їх розвитку та застосування у суспільстві. Переваги та недоліки плазмової електроніки.

реферат, доданий 08.02.2013


Каталітичні та некаталітичні реакції, метод анодування, метод електрохімічного осадження плівок для інтегральної електроніки. Сутність методу газофазного осадження для отримання покриття AlN. Фізикохімія одержання плівкових покриттів.

курсова робота , доданий 29.04.2011


Використання параметричних ферорезонансних стабілізаторів напруги. Конструктивно-технологічне виконання інтегральної мікросхеми. Розрахунок інтегрального транзистора та його характеристики. Розробка технічних вимог та топології мікросхеми.

курсова робота , доданий 15.07.2012


Дослідження зародження та етапів розвитку твердотільної електроніки. Наукові відкриття Майкла Фарадея, Фердинанда Брауна (створення бездротової телеграфії). Кристалічний детектор Пікарда - котячий вус. Розробка детектора-генератора О.В. Лосєвим.

реферат, доданий 09.12.2010


Розробка топології виготовлення безкорпусної інтегральної мікроскладання на основі тонкоплівкової технології. Схемотехнічні дані та використовувані матеріали. Розробка комутаційної схеми з'єднань. Розрахунок тонкоплівкових елементів мікроскладання.

курсова робота , доданий 07.08.2013


Розробка підсилювача слабких сигналів у вигляді інтегральної мікросхеми (ІМС) у корпусі. Вибір технології виготовлення. Розрахунок геометричних розмірів та топології елементів інтегральної мікросхеми. Вибір навісних компонентів, типорозміру плати та корпусу.

курсова робота , доданий 29.10.2013


Створення інтегральних схем та розвиток мікроелектроніки по всьому світу. Виробництво найдешевших елементів електронної апаратури. Основні групи інтегральних схем. Створення першої інтегральної схеми Кілбі. Перші напівпровідникові інтегральні схеми у СРСР.

реферат, доданий 22.01.2013


Основні засади побудови АМ-ЧМ приймачів. Аналіз схеми електричної принципової ІМС TA2003. Розробка фізичної структури кристала, технологічного маршруту виготовлення та топології інтегральної мікросхеми. Компонування елементів та блоків.

дипломна робота , доданий 01.11.2010


Електричні параметри інтегральної мікросхеми (ІМС) Розрахунок параметрів моделі польового транзистора з керуючим p-n-переходом. Моделювання схеми включення джерельного повторювача. Розробка топології та технологічного маршруту виготовлення ІМС.

дипломна робота , доданий 29.09.2010


Етапи розвитку інформаційної електроніки. Підсилювачі електричних сигналів. Розвиток напівпровідникової інформаційної техніки. Інтегральні логічні та аналогові мікросхеми. Електронні автомати із пам'яттю. Мікропроцесори та мікроконтролери.

Інтегральна мікросхема (ІВ)- це мікроелектронний виріб, що виконує функції перетворення та обробки сигналів, що характеризується щільною упаковкою елементів так, щоб усі зв'язки та з'єднання між елементами представляли єдине ціле.

Складовою частиною ІС є елементи, які виконують роль електрорадіоелементів (транзисторів, резисторів та ін.) та не можуть бути виділені як самостійні вироби. У цьому активними називають елементи ІМС, виконують функції посилення чи іншого перетворення сигналів (діоди, транзистори та інших.), а пасивними - елементи, реалізують лінійну передатну функцію (резистори, конденсатори, індуктивності).

Класифікація інтегральних мікросхем:

За способом виготовлення:

За рівнем інтеграції.

Ступінь інтеграції ІВ є показником складності, що характеризується числом елементів, що містяться в ній, і компонентів. Ступінь інтеграції визначається формулою

де k - коефіцієнт, що визначає ступінь інтеграції, що округляється до найближчого більшого цілого числа, а N - число елементів і компонентів, що входять до ІС.

Для кількісної характеристики ступеня інтеграції часто використовують такі терміни: якщо k? 1, ІВ називають простий ІВ, якщо 1< k ? 2 - средней ИС (СИС), если 2 < k ? 4 - большой ИС (БИС), если k ?4 - сверхбольшой ИС (СБИС).

Крім ступеня інтеграції використовують ще такий показник, як густина упаковки елементів - кількість елементів (найчастіше транзисторів) на одиницю площі кристала. Цей показник характеризує переважно рівень технології, нині він становить понад 1000 елементів/мм 2 .

Плівкові інтегральні схеми- це інтегральні схеми, елементи яких нанесені поверхню діелектричного підстави як плівки. Їхня особливість - у чистому вигляді не існують. Служать лише виготовлення пасивних елементів - резисторів, конденсаторів, провідників, індуктивностей.

Мал. 1. Структура плівкової гібридної ІВ: 1, 2 - нижній і верхній обкладки конденсатора, З - шар діелектрика, 4 - з'єднувальна дротяна шина, 5 - навісний транзистор, 6 - плівковий резистор, 7 - контактний висновок, 8 - діелектрична підкладка

Гібридні ІВ – це тонкоплівкові мікросхеми, що складаються з пасивних елементів (резисторів, конденсаторів, контактних майданчиків) та дискретних активних елементів (діодів, транзисторів). Гібридна ІВ, показана на рис. 1 являє собою діелектричну підкладку з нанесеними на неї плівковими конденсаторами і резисторами і приєднаним навісним транзистором, база якого з'єднана з верхньою обкладкою конденсатора шиною у вигляді дуже тонкого зволікання.

У напівпровідникових ІСвсі елементи та міжелементні з'єднання виконані в обсязі та на поверхні кристала напівпровідника. Напівпровідникові ІС являють собою плоский кристал напівпровідника (підкладка), у поверхневому шарі якого різними технологічними прийомами сформовані еквівалентні елементам електричної схеми локальні області (діоди, транзистори, конденсатори, резистори та ін.), об'єднані поверхнею плівковими металевими сполуками.

Як підкладки напівпровідникових ІС служать круглі пластини кремнію, германію або арсеніду галію, що мають діаметр 60 - 150 мм і товщину 0,2 - 0,4 мм.

Напівпровідникова підкладка є груповою заготівлею (рис. 2), де одночасно виготовляють велику кількість ІВ.

Мал. 2. Групова кремнієва пластина: 1 – базовий зріз, 2 – окремі кристали (чіпи)

Після завершення основних технологічних операцій її розрізають частини - кристали 2, звані також чіпами. Розміри сторін кристалів можуть бути від 3 до 10 мм. Базовий зріз пластини 1 служить для її орієнтації при різних технологічних процесах.

Структури елементів напівпровідникової ІВ - транзистора, діода, резистора та конденсатора, що виготовляються відповідним легуванням локальних ділянок напівпровідника методами планарної технології, показані на рис. 3, а-р. Планарна технологія характеризується тим, що всі висновки елементів ІС розташовуються в одній площині на поверхні та одночасно з'єднуються в електричну схему тонкоплівковими міжз'єднаннями. При планарній технології проводиться групова обробка, тобто протягом одного технологічного процесу на підкладках одержують велику кількість ІВ, що забезпечує високі технологічність та економічність, а також дозволяє автоматизувати виробництво.

Мал. 3. Структури елементів напівпровідникової ІВ: а - транзистора, б - діода, - резистора, г - конденсатора, 1 - тонкоплівковий контакт, 2 - шар діелектрика, З - емітер; 4 - база; 5 - колектор; 6 - катод; 7 - анод; 8 - ізолюючий шар; 9 - резистивний шар, 10 - ізолюючий шар, 11 - пластина, 12, 14 - верхній та нижній електроди конденсатора, 13 - шар діелектрика

У поєднаних ІС(рис. 4), що є варіантом напівпровідникових, на кремнієвій підкладці створюють напівпровідникові та тонкоплівкові елементи. гідність цих схем у тому, що у твердому тілі технологічно важко виготовляти резистори заданого опору, оскільки він залежить лише від товщини легованого шару напівпровідника, а й від розподілу питомого опору по товщині. Доведення опору до номінального значення після виготовлення резистора також становить значні труднощі. Напівпровідникові резистори мають помітну температурну залежність, що ускладнює розробку ІС.

Мал. 4. Структура поєднаної ІС: 1 - плівка діоксиду кремнію, 2 - діод, З - плівкові внутрішньосхемні з'єднання, 4 - тонкоплівковий резистор, 5, 6, 7 - верхній і нижній електроди тонкоплівкового конденсатора та діелектрик, 8 - тонкоплівкові контакти, 9 - транзи - Кремнієва пластина.

Крім того, у твердому тілі також важко створювати конденсатори. Для розширення номінальних значень опорів резисторів і ємностей напівпровідникових конденсаторів ІС, а також поліпшення їх робочих характеристик розроблена заснована на технології тонких плівок комбінована технологія, звана технологією поєднаних схем. У цьому випадку активні елементи ІВ (можна і деякі некритичні по номінальному опору резистори) виготовляють у тілі кремнієвого кристала дифузійним методом, а потім вакуумним нанесенням плівок (як плівкових ІВ) формують пасивні елементи - резистори, конденсатори та міжз'єднання.

Елементна база електроніки розвивається безперервно зростаючими темпами. Кожне поколінь, з'явившись у певний час, продовжує вдосконалюватися у найбільш виправданих напрямах. Розвиток виробів електроніки від покоління до покоління йде у напрямку їх функціонального ускладнення, підвищення надійності та терміну служби, зменшення габаритних розмірів, маси, вартості та споживаної енергії, спрощення технології та покращення параметрів електронної апаратури.

Становлення мікроелектроніки як самостійної науки стало можливим завдяки використанню багатого досвіду та бази промисловості, що випускає напівпровідникові дискретні прилади. Проте з розвитком напівпровідникової електроніки з'ясувалися серйозні обмеження застосування електронних явищ і систем з їхньої основі. Тому мікроелектроніка продовжує просуватися швидкими темпами як у напрямку вдосконалення напівпровідникової інтегральної технології, так і в напрямку використання нових фізичних явищ. радіоелектронний інтегральний мікросхема

Вироби мікроелектроніки: інтегральні мікросхеми різного ступеня інтеграції, мікроскладання, мікропроцесори, міні- та мікро-ЕОМ - дозволили здійснити проектування та промислове виробництво функціонально складної радіо- та обчислювальної апаратури, що відрізняється від апаратури попередніх поколінь кращими параметрами, більш надійними споживаної енергією та вартістю. Апаратура з урахуванням виробів мікроелектроніки знаходить широке застосування переважають у всіх сферах діяльності.

Створенню систем автоматичного проектування, промислових роботів, автоматизованих та автоматичних виробничих ліній, засобів зв'язку та багато іншого сприяє мікроелектроніка.

Перший етап

До першого етапу належить винахід у 1809 році російським інженером Ладигіним лампи розжарювання.

Відкриття у 1874 році німецьким вченим Брауном випрямляючого ефекту в контакті метал-напівпровідник. Використання цього ефекту російським винахідником Поповим для детектування радіосигналу дозволило створити перший радіоприймач. Датою винаходу радіо прийнято вважати 7 травня 1895 коли Попов виступив з доповіддю і демонстрацією на засіданні фізичного відділення російського фізико-хімічного товариства в Петербурзі. У різних країнах велися розробки та дослідження різних типів простих та надійних виявників високочастотних коливань – детекторів.

Другий етап

Другий етап розвитку електроніки розпочався з 1904 р., коли англійський вчений Флемінг сконструював електровакуумний діод. За ним був винахід першої підсилювальної лампи - тріода в 1907 році.

1913 – 1919 роки – період різкого розвитку електронної техніки. У 1913 р. німецький інженер Мейснер розробив схему лампового регенеративного приймача і за допомогою тріода отримав незатухаючі гармонійні коливання.

У Росії перші радіолампи були виготовлені в 1914 в Санкт-Петербурзі консультантом російського товариства бездротового телеграфування Миколою Дмитровичем Папалексі, майбутнім академіком АН СРСР.

Третій етап

Третій період розвитку електроніки - це період створення та впровадження дискретних напівпровідникових приладів, що розпочався з винаходу точкового транзистора. У 1946 році при лабораторії "Белл Телефон" була створена група на чолі з Вільямом Шоклі, яка проводила дослідження властивостей напівпровідників на Кремнії та Німеччині. Група проводила як теоретичні, і експериментальні дослідження фізичних процесів межі розділу двох напівпровідників з різними типами електричної провідності. У результаті винайшли: трехэлектродные напівпровідникові прилади - транзистори. Залежно кількості носіїв заряду транзистори були поділені на:

• - Уніполярні (польові), де використовувалися однополярні носії.
• - біполярні, де використовувалися різнополярні носії (електрони та дірки).

Винахід транзисторів стало знаменною віхою історія розвитку електроніки і тому його автори Джон Бардін, Уолтер Браттейн і Вільям Шоклі були удостоєні нобелівської премії з фізики за 1956 р.

Поява мікроелектроніки

З появою біполярних польових транзисторів почали втілюватися ідеї розробки малогабаритних ЕОМ. На їх основі почали створювати бортові електронні системи для авіаційної та космічної техніки. Так як ці пристрої містили тисячі окремих електрорадіоелементів і постійно потрібно все більше і більше їх збільшення, з'явилися і технічні труднощі. Зі збільшенням числа елементів електронних систем практично не вдавалося забезпечити їхню працездатність відразу ж після складання, та забезпечити, надалі, надійність функціонування систем. Проблема якості монтажно-складальних робіт стала основною проблемою виробників при забезпеченні працездатності та надійності радіоелектронних пристроїв. Вирішення проблеми міжз'єднань і стало передумовою появи мікроелектроніки. Прообразом майбутніх мікросхем послужила друкована плата, де всі поодинокі провідники об'єднані в єдине ціле і виготовляються одночасно груповим методом шляхом стравлювання мідної фольги з площиною фольгованого діелектрика. Єдиним видом інтеграції у разі є провідники. Застосування друкованих плат хоч і вирішує проблеми мініатюризації, проте вирішує проблему підвищення надійності межсоединений. Технологія виготовлення друкованих плат не дозволяє виготовити одночасно інші пасивні елементи крім провідників. Саме тому друковані плати не перетворилися на інтегральні мікросхеми у сучасному розумінні. Першими були розроблені наприкінці 40-х років товстоплівкові гібридні схеми, в основу їх виготовлення була покладена вже відпрацьована технологія виготовлення керамічних конденсаторів, яка використовує метод нанесення на керамічну підкладку через трафарети паст, що містять порошок срібла та скла.

Тонкоплівкова технологія виробництва інтегральних мікросхем включає нанесення у вакуумі на гладку поверхню діелектричних підкладок тонких плівок різних матеріалів (провідних, діелектричних, резистивних).

Четвертий етап

У 1960 році Роберт Нойс із фірми Fairchild запропонував і запатентував ідею монолітної інтегральної схеми і, застосувавши планарну технологію, виготовив перші кремнієві монолітні інтегральні схеми.

Сімейство монолітних транзисторно-транзисторних логічних елементів з чотирма і біполярнішими транзисторами на одному кристалі кремнію було випущено фірмою Fairchild вже в лютому 1960 року і отримало назву "мікрологіка". Планарна технологія Хорні і монолітна технологія Нойса заклали в 1960 фундамент розвитку інтегральних мікросхем, спочатку на біполярних транзисторах, а потім 1965-85 рр.. на польових транзисторах та комбінаціях тих та інших.

Два директивні рішення ухвалені в 1961-1962 рр.. вплинули на розвиток виробництва кремнієвих транзисторів та ІС. Рішення фірми IBM (Нью-Йорк) з розробки для перспективної ЕОМ не феромагнітних пристроїв, а електронних ЗУ (запам'ятувальних пристроїв) на базі n-канальних польових транзисторів (метал-окис-напівпровідник - МОП). Результатом успішного виконання цього плану був випуск у 1973р. універсальної ЕОМ з МОП ЗУ - IBM-370/158. Директивні рішення фірми Fairchild передбачають розширення робіт у напівпровідниковій науково-дослідній лабораторії з дослідження кремнієвих приладів та матеріалів для них.

Тим часом у липні 1968 р. Гордон Мур і Роберт Нойс йдуть з відділення напівпровідників фірми Fairchild і 28 червня 1968 організують крихітну фірму Intel з дванадцяти осіб, які орендують кімнатку в Каліфорнійському місті Маунтін Вью. Завдання, яке поставили перед собою Мур, Нойс і фахівець з хімічної технології, що приєднався до них - Ендрю Гроув, використовувати величезний потенціал інтеграції великої кількості електронних компонентів на одному напівпровідниковому кристалі для створення нових видів електронних приладів.

У 1997 році Ендрю Гроув став "людиною року", а очолювана ним компанія Intel, яка стала однією з провідних у силіконовій долині в Каліфорнії, стала виробляти мікропроцесори для 90% всіх персональних комп'ютерів планети. Поява інтегральних мікросхем зіграла вирішальну роль у розвиток електроніки започаткувавши новий етап мікроелектроніки. Мікроелектроніку четвертого періоду називають схематичною, тому що у складі основних базових елементів можна виділити елементи, еквівалентні дискретним електро-радіоелементам і кожній інтегральній мікросхемі відповідає певна принципова електрична схема, як і для електронних вузлів апаратури попередніх поколінь.

Інтегральні мікросхеми стали називатися мікроелектронні пристрої, що розглядаються як єдиний виріб, що має високу щільність розташування елементів, еквівалентних елементам звичайної схеми. Ускладнення, що виконуються мікросхемами функцій, досягається підвищенням ступеня інтеграції.

Справжнє електроніки

В даний час мікроелектроніка переходить на якісно новий рівень – наноелектроніку.

Наноелектроніка насамперед базується на результатах фундаментальних досліджень атомних процесів у напівпровідникових структурах зниженої розмірності. Квантові точки, або нульмерні системи, являють собою граничний випадок систем зі зниженою розмірністю, які складаються з масиву атомних кластерів або острівців нанометрових розмірів напівпровідникової матриці, що виявляють самоорганізацію в епітаксійних гетероструктурах.

Одним із можливих робіт пов'язаних з наноелеткронікою є роботи зі створення матеріалів та елементів ІЧ-техніки. Вони затребувані підприємствами галузі та є основою для створення у найближчому майбутньому систем "штучного" (технічного) зору з розширеним, порівняно з біологічним зором, спектральним діапазоном в ультрафіолетовій та інфрачервоній областях спектру. Системи технічного зору та фотонні компоненти на наноструктурах, здатні отримувати та обробляти величезні масиви інформації, стануть основою принципово нових телекомунікаційних пристроїв, систем екологічного та космічного моніторингу, теплобачення, нанодіагностики, робототехніки, високоточної зброї, засобів боротьби з тероризмом. Застосування напівпровідникових наноструктур значно зменшить габарити пристроїв спостереження та реєстрації, зменшить енергоспоживання, покращить вартісні характеристики та дозволить використовувати переваги масового виробництва у мікро- та наноелектроніці найближчого майбутнього.