Малая интегральная схема относится: разновидности, буквы и цифры расшифровки

Содержание

малая интегральная схема — это… Что такое малая интегральная схема?

  • Интегральная схема — Запрос «БИС» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа Интегральная (микро)схема ( …   Википедия

  • Большая интегральная схема — Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа. Советские и зарубежные цифровые микросхемы. Интегральная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх) …   Википедия

  • Аналоговая интегральная схема — Аналоговая интегральная (микро)схема (АИС, АИМС) ИМС, входные и выходные сигналы которой изменяются по закону непрерывной функции (т.е. являются аналоговыми сигналами)[1]. Содержание 1 История 2 Назначение …   Википедия

  • Интегральная микросхема — Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа. Советские и зарубежные цифровые микросхемы. Интегральная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх) …   Википедия

  • ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА — (integrated circuit) Электронная схема, расположенная на пластинке полупроводникового материала, обычно кремния. Типичные интегральные схемы имеют площадь 1,5 кв. мм при толщине 0,2 мм. Все компоненты схемы – транзисторы, диоды, резисторы и… …   Словарь бизнес-терминов

  • Микросхема — Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа. Советские и зарубежные цифровые микросхемы. Интегральная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх) …   Википедия

  • Видеочип — Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа. Советские и зарубежные цифровые микросхемы. Интегральная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх) …   Википедия

  • Интегральные микросхемы — Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа. Советские и зарубежные цифровые микросхемы. Интегральная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх) …   Википедия

  • Классификация микросхем по степени интеграции (СССР)

    — Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа. Советские и зарубежные цифровые микросхемы. Интегральная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх) …   Википедия

  • Классификация микросхем по степени интеграции в СССР — Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа. Советские и зарубежные цифровые микросхемы. Интегральная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх) …   Википедия

  • Логические микросхемы — Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа. Советские и зарубежные цифровые микросхемы. Интегральная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх) …   Википедия

  • 11.4.5. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ И АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ. История электротехники

    11.4.5. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ И АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ

    Интеграция в электронике проявилась как результат объединения нескольких элементов схем в один функционально и конструктивно завершенный узел. На этом этапе развития полупроводниковой схемотехники произошло удачное объединение микроэлектроники с развитым аппаратом логического проектирования. В 50–60-х годах было освоено массовое производство интегральных схем малой степени интеграции (до нескольких десятков логических элементов в одном корпусе). На их основе стало возможным проектирование устройств, выполняющих любые требуемые функции.

    Переход от логических модулей на дискретных компонентах к интегральным логическим схемам ознаменовал начало победного шествия интегральной электроники и схемотехники.

    Методы интегральной технологии позволили получить на одном кристалле — микроскопическом кусочке полупроводника — целое микроэлектронное устройство, содержащее диоды, транзисторы, резисторы. Выполнение функциональных узлов на таких микросхемах стало значительно менее трудоемким, надежность возросла благодаря меньшему числу внешних соединений. Дальнейшее развитие микросхемотехники шло по пути поиска компромисса между повышением степени интеграции и универсальностью микросхем. Методами интегральной технологии можно изготовить весьма сложную схему, однако она будет находить ограниченное применение в силу своей специфичности, а следовательно, ее производство станет нерентабельным, такая микросхема окажется дороже узла, выполненного на элементах малой степени интеграции. Наряду со схемами малой степени интеграции (до 10 логических вентилей на одном кристалле) получили распространение средние (до 100 вентилей) и большие интегральные схемы (до 1000 вентилей). Здесь логическим вентилем назовем минимальную структуру, имеющую один вход и один выход (внутренний или внешний). В 1980 г. интеграция достигла 3 млн. вентилей на одном кристалле (чипе) — так называемые сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).

    Наряду с логическими интегральными схемами начался массовый выпуск аналоговых микросхем, в первую очередь операционных усилителей. Первые операционные усилители с навесным монтажем и на дискретных компонентах были сложны, громоздки и годились для использования в дорогостоящем оборудовании. Освоение балансных симметричных интегральных операционных усилителей произвело радикальные перемены в усилительной технике и возможностях ее применения. Прежде всего усилитель перестал быть устройством в конструктивном отношении, он стал элементом, модулем со скромным набором выводов. Массовый спрос породил массовое производство; усилитель стал дешевым, доступным элементом. Области их применения резко расширились. Благодаря развитию современной теории электрических цепей появилась возможность синтеза схем с заданными частотными и переходными свойствами, втом числе активных фильтров, корректирующих звеньев и других средств, задающих амплитудно- и фазочастотные характеристики. Один из главных аргументов скептиков — низкое входное сопротивление интегральных схем — отпал с появлением каскадов на полевых транзисторах. Успехи в области аналоговых интегральных схем привели к тому, что интегральные полупроводниковые микросхемы превзошли своих ламповых предшественников по всем важнейшим параметрам: коэффициенту усиления, входному сопротивлению, шумовым свойствам, предельной частоте. Пожалуй, они уступают только в максимальном уровне выходного напряжения. Неслучайно по массовости выпуска почти у всех фирм-производителей операционные усилители занимали первую строку.

    В годы расцвета интегральной электроники первого поколения (50-е годы) быстро возникали новые функциональные решения на основе аналоговых узлов с использованием их нелинейных свойств. Помимо традиционных сумматоров, интеграторов, инвертирующих и неинвертирующих каскадов были разработаны компараторы, дифференциальные каскады, ограничители амплитуды, схемы защит от перегрузок, восстановители постоянной составляющей, фиксаторы уровня, мультивибраторы, одновибраторы, триггеры Шмитта. Специалисты, накопившие большой опыт работы со старой, классической аналоговой схемотехникой, получили в свое распоряжение мощный арсенал технических средств интегральной электроники.

    Наличие цифровых и логических средств, с одной стороны, аналоговых — с другой породило необходимость создания цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей. На смену классическим преобразователям, выполняемым на навесных компонентах и реализующим принципы кодоимпульсного и времяимпульсного преобразования, пришли интегральные схемы. Современные преобразователи в составе интегральных схем имеют развитую управляющую часть. Работа такой интегральной схемы представляет собой достаточно сложную последовательность действий. Пример алгоритма аналогово-цифрового преобразования:

    выборка аналоговой величины, т.е. запоминание и хранение отсчета, сделанного по команде таймера или по условию;

    формирование компенсирующего сигнала, который набирается из серии нормализованных значений, обычно двоичных; число разрядов может быть различным, распространенное число 10, что обеспечивает предельную разрешающую способность 0,1%;

    запись в выходной регистр результата и подтверждение готовности к выполнению следующего цикла.

    В современных ЦАП и АЦП использованы как уже известные принципы, например поразрядного взвешивания, так и те способы, которые не могли быть успешно реализованы из-за схемотехнической сложности. К последним относится способ считывания, который не имеет себе равных по быстродействию, но требует большого числа быстродействующих компараторов. Число компараторов, определяемое разрешающей способностью аналогового канала, может достигать нескольких тысяч. Естественно, аппаратная реализация такого аналогово-цифрового преобразования возможна только на основе больших интегральных микросхем [11.53, 11.54].

    Данный текст является ознакомительным фрагментом.

    Продолжение на ЛитРес

    Монолитные интегральные схемы СВЧ: взгляд изнутри — Компоненты и технологии

    В последнее время монолитные интегральные схемы (далее по тексту МИС СВЧ, в англоязычной литературе MMIC — Monolithic Microwave Integrated Circuit) получили широкое распространение не только в военной, но и в гражданской технике, особенно в сотовой телефонии. Основными причинами являются бурное развитие высокоскоростных широкополосных систем передачи данных при постоянной потребности снижения массо-габаритных параметров изделий.

    Созданию МИС СВЧ способствовало множество достижений в интегральной технологии XX века, однако с определенной долей достоверности можно сказать, что прототипом современной МИС СВЧ была идея, озвученная и запатентованная (патент США № 2981877) в 1961 году Робертом Нойсом, работавшим в то время в компании Fairchild. Он создал микросхему с планарной структурой, в качестве подложки используя кремний. Планарные диффузионные биполярные кремниевые транзисторы и резисторы Нойс соединял между собой тонкими алюминиевыми полосками, лежащими на пассивирующем оксиде кремния. Для изготовления этих полосок был использован традиционный процесс, включающий напыление металлического слоя и фотолитографию с последующим химическим травлением металла. Позже сверхвысокочастотные МИС стали изготавливать на основе полупроводниковых кристаллов из арсенида галлия, который и по сей день занимает лидирующие позиции как материал для производства МИС СВЧ (более 80% монолитных микросхем выполняются на подложках из арсенида галлия и тройных полупроводников на его основе: AlGaAs и InGaAs). Достоинствами арсенида галлия являются высокая подвижность электронов, широкая запрещенная зона, весьма широкий диапазон рабочих температур, достаточно удобная возможность получения полуизолирующего GaAs¹, хорошие оптические характеристики, низкая потребляемая мощность. Благодаря высокой подвижности электронов МИС СВЧ на арсениде галлия могут быть использованы в диапазоне от 1 ГГц до 100 ГГц. Исторически первыми применениями таких МИС были военные и гражданские РЛС, спутниковые системы связи и навигации, средства связи и т. п. Пожалуй, с некоторой долей уверенности можно утверждать, что если на этапе становления монолитных интегральных схем двигателем их дальнейшего развития была необходимость повышения надежности устройств (военная техника), то сейчас, в основном, этой движущей силой являются постоянно растущие требования рынка по снижению габаритов изделий (в частности, сотовых телефонов, средств навигации и т. п.), однако и надежность тоже не на последнем месте.

    ¹ Конечно, не настолько удобная, как получение изолирующего оксида кремния простым окислением.

    Монолитные ИС чаще всего используются в СВЧ-диапазоне в приложениях, где необходимы небольшие размеры и высокая надежность. Примерами систем на базе МИС могут служить приемники и передатчики систем связи, фазированные антенные решетки (ФАР), датчики, работающие на сверхвысоких частотах и т. п. В последнее время МИС широко используются в сотовой и спутниковой телефонии, устройствах глобального позиционирования GPS. Успехи в технологии МИС стали широко использоваться и в производстве дискретных компонентов, что более всего относится к биполярным гетеротранзисторам, выполняемым по технологии МИС. Эти транзисторы уже давно пользуются большим спросом у производителей профессиональных средств связи.

    Характерным признаком монолитных ИС является их низкая степень интеграции в сравнении с цифровыми микросхемами. Монолитная ИС обычно представляет собой функционально законченное устройство, не требующее использования каких-либо внешних задающих и подстроечных элементов. Примеры конструкций монолитных микросхем СВЧ приведены на рис. 1.

    Рис. 1. Примеры МИС СВЧ

    Наиболее типичными МИС являются малошумящие усилители, смесители, усилители мощности, модуляторы и т. д. Из вышесказанного отчетливо видно, что на основе перечисленных МИС легко построить устройство более высокого уровня, например, приемник. При этом, поскольку приемник будет содержать порядка единиц составных элементов (МИС не требуют внешних компонентов), и в связи с тем, что МИС имеет довольно высокую наработку на отказ, надежность такого приемника будет весьма высокой, недостижимой при его реализации с аналогичными техническими характеристиками, но на дискретных компонентах. Существуют также и устройства, целиком реализованные в виде одной МИС. Ярким примером может служить МИС-приемник, выполненный на едином кристалле. Очевидно, что область применения микросхем такого типа сильно ограничена, особенно если принять во внимание то, что МИС представляет собой законченное устройство, не требующее каких-либо внешних подстроечных компонентов, и что такой приемник невозможно будет адаптировать к использованию, например, в другом частотном диапазоне. С другой стороны, если предусмотреть внешние элементы подстройки, то теряются преимущества от использования МИС. Конечно, о массовости таких микросхем не может идти и речи, и единственными областями применения таких МИС являются космическая и военная техника, где на первом плане стоит надежность прибора, а не его цена. В связи с единичным типом производства микросхем такого типа здесь не представляется возможным воспользоваться хорошо отработанной методикой статистического прогнозирования средней наработки на отказ и встает другая проблема, связанная с прогнозированием индивидуальной надежности микросхемы.

    В период с 1999 по 2004 год объем продаж монолитных ИС увеличился практически вдвое. Кроме того, заметна тенденция увеличения доли продаж МИС в коммерческой, а не военной области. Пожалуй, основной причиной этого служит интенсивно развивающийся рынок беспроводных систем связи и передачи данных. В связи с этим большинство производителей полупроводниковых пластин (Vitesse, Kopin, TriQuent, Conexant, M/A-COM, RF Micro Devices, ATMI, Motorola) существенно расширили объемы производства пластин из арсенида галлия диаметром 150 мм.

    Материалы МИС СВЧ

    В процессе эволюции технологии производства МИС прогрессировала и их конструкция. Примерно в то время, когда появился биполярный транзистор с гетеропереходом, выполненный по технологии МИС, возник интерес к использованию и других материалов для производства монолитных микросхем. Этот интерес в первую очередь был вызван необходимостью реализации микросхем, работающих на более высоких частотах. В качестве таких материалов было предложено использовать полупроводниковые соединения вида А3В5. Для базы и коллектора было использовано тройное соединение InGaAs, а эмиттер и коллектор выполняли на фосфиде индия InP. Использование фосфида индия InP позволило улучшить частотные характеристики и увеличить пробивное напряжение коллектора. Поскольку ширина запрещенной зоны InP больше, чем у In 0,53Ga 0,47As (1,35 эВ и 0,75 эВ соответственно), то напряжение пробоя коллекторного гетероперехода составляет не менее 6 B. На данный момент существует большое разнообразие комбинаций материалов эмиттера, базы и коллектора, и тема выбора материала МИС с точки зрения поиска оптимума в конструкции и в технологии изготовления заслуживает рассмотрения в отдельной статье, поэтому отметим лишь, что наибольшее распространение получили n-p-n транзисторные гетероструктуры типа InAlAs–InGaAs–InP и InP–InGaAs–InP. Использование таких материалов вкупе со снижением толщины базы, которое стало возможным благодаря интенсивному развитию технологии молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяет добиться работы транзистора на граничной частоте до 250 ГГц!

    Другим популярным материалом для изготовления МИС СВЧ служит нитрид галлия. СВЧ-приборы на основе нитрида галлия позволяют добиться больших значений удельной плотности выходной мощности. Например, компанией Cree был разработан GaN полевой транзистор с барьером Шоттки с затвором длиной 0,55 мкм и шириной 0,25 мкм, выходная мощность которого в непрерывном режиме на частоте 4 ГГц составляла 8 Вт. Соответственно, удельная выходная мощность такого транзистора равна 33 Вт/мм. При том, что рабочее напряжение «исток–сток» составляло 120 В, максимальная плотность тока в канале достигала 1,2 А/мм.

    Активные элементы МИС и их надежность

    Основным активным элементом МИС с момента их появления и до настоящего времени является полевой транзистор с барьером Шоттки (MESFET). Однако все возрастающие требования приводят к невозможности их использования в некоторых приложениях. Это связано со сложностью повышения быстродействия MESFET посредством уменьшения длины затвора. Поэтому в последнее время получили распространение транзисторы с повышенной подвижностью электронов и псевдоморфные (HEMT/PHEMT), а также биполярные гетеротранзисторы (HBT). Диаграмма, показывающая частоты, при которых могут использоваться соответствующие приборы, показана на рис. 2.

    Рис. 2. Диаграмма использования компонентов МИС по рабочим частотам

    Рассмотрим подробнее перечисленные активные элементы МИС СВЧ.

    Полевые транзисторы с барьером Шоттки (MESFET)

    Первый арсенидгаллиевый полевой транзистор с барьером Шоттки появился в 1963 году. Это стало возможным благодаря разработанному фирмой GEC Marconi Material Technology процессу контролируемого выращивания высокочистых тонких пленок на полупроводниковом арсениде галлия.

    Конструкция MESFET

    Базовая структура MESFET приведена на рис. 3.

    Рис. 3. Базовая структура полевого транзистора с барьером Шоттки

    Базовым материалом является подложка из арсенида галлия. Буферный слой эпитаксиально выращивается на полуизолирующей подложке и служит для изоляции дефектов в подложке от рабочей части транзистора. Канал является тонким, слегка легированным проводящим слоем полупроводникового материала, эпитаксиально выращенным на буферном слое. Высоколегированные области, показанные на схеме, необходимы для обеспечения низкого омического сопротивления контактов транзистора.

    Эквивалентная схема и типовая вольт-амперная характеристика полевого транзистора с барьером Шоттки приведена на рис. 4.

    Рис. 4. Эквивалентная схема и типовая ВАХ MESFET

    Напряжение отсечки такого транзистора можно определить по следующей формуле:

    где q — заряд электрона; Nd — концентрация донорной примеси; ε0, εr — элекрическая проницаемость; a — глубина канала.

    Ток стока подчиняется следующей зависимости:

    где ν(x)— скорость электронов; Z — ширина канала; b(x) — эффективная глубина канала; q — заряд электрона; n(x) — концентрация электронов.

    Как было сказано выше, под затвором формируется обедненная область. Тем самым снижается эффективная глубина канала b(x) и, соответственно, увеличивается сопротивление проходящему под затвором току. Глубина обедненной области зависит от падения напряжения на барьере Шоттки. Поскольку ток через канал равен току через распределенный резистор, между стоком и истоком возникает повышенное падение напряжения, что приводит к увеличению обедненной области в канале на стороне стока. Неоднородность этой глубины имеет два последствия для работы устройства.

    Во-первых, происходит накопление электронов на стороне истока и обеднение электронами области со стороны стока. Этот заряженный диполь создает емкостную обратную связь между стоком и каналом (в англоязычной литературе эта емкость обычно обозначается как CDC). Во-вторых, возникает электрическое поле, приводящее к снижению напряжения насыщения транзистора. Глубина обедненной области и, соответственно, сопротивление току между истоком и стоком, а также ток насыщения могут изменяться приложением смещения к затвору. Если это отрицательное смещение достаточно велико, глубина обеденной области будет равна глубине канала. Таким образом, транзистор может работать как управляемый напряжением резистор или переключатель. Последнее часто используется в высокоскоростных цифровых блоках микросхем. В МИС же в основном используется свойство MESFET усиливать мощность.

    Оценим максимальную рабочую частоту такого транзистора. Она определяется временем пролета электронов через канал и может быть вычислена следующим образом:

    где Vsat — напряжение насыщения; τ — время пролета электронов через канал; L — длина канала.

    Типовое значение Vsat ≈ 6×1010 мкм/с для арсенида галлия с типовым уровнем легирования, обычно используемым в канале. Отсюда легко получить, что для обеспечения частоты более 10 ГГц длина затвора должна быть меньше 1 мкм. Максимальная рабочая частота может быть аппроксимирована следующим образом:

    где RDS — сопротивление между стоком и стоком; RG — сопротивление затвора.

    Очевидно, что для обеспечения высокого быстродействия транзистора необходимо стремиться к минимизации длины затвора, что, однако, ограничивается технологическими возможностями производства. Кроме сказанного, необходимо помнить, что для эффективного управления током канала длина канала L должна быть больше его глубины a, то есть L/a > 1. Поэтому в большинстве MESFET глубина канала составляет 0,05–0,3 мкм. Сказанное означает, что для обеспечения достаточно большого тока концентрация носителей в канале должна быть весьма велика.

    Малые размеры транзисторов приводят к снижению их надежности. Это связано с малым поперечным сечением области затвора, что приводит к увеличению плотности тока. Это является обычным для мощных транзисторов, в которых основным механизмом отказа является миграция электронов. Для уменьшения сопротивления затвора обычно используется золото. Поскольку золото создает «ловушки» в арсениде галлия, которые эффективно снижают концентрацию носителя и, соответственно, ток через транзистор, должен быть использован барьерный металл, например, платина. В связи с тем, что глубина канала очень мала, любая диффузия металла затвора в арсенид галлия приводит к значительным изменениям тока, протекающего через канал, и уменьшает напряжение отсечки транзистора. Малые расстояния между затвором и стоком создают сильные электрические поля, которые могут привести к лавинной генерации электронов. Эти «горячие» электроны могут затем становиться «ловушкой» на поверхности GaAs или в пассивирующем материале, который обычно размещен на поверхности транзистора. Факторы ненадежности полевых транзисторов в большей степени принадлежат к классу технологических. В устройствах малого сигнала деградация омических контактов или взаимная диффузия металла затвора и арсенида галлия приводят к сдвигу ID, gm и Vp.

    Хотя мощные MESFET тоже страдают от параметрической деградации, все же наиболее распространенными являются катастрофические (внезапные) отказы. Однако, успехи в технологии производства GaAs-приборов и обеспечение работы в пределах безопасных режимов уменьшают число отказов. Для усилителей мощности полевые транзисторы должны быть разработаны для максимальной пиковой выходной мощности. Это означает большое напряжение «сток–исток» и значительный тока стока. К сожалению, одновременно оба этих параметра не могут быть максимизированы. Поэтому на данный момент для МИС СВЧ-усилителей мощности используются биполярные гетеротранзисторы. Для увеличения тока стока требуется высокая концентрация носителей или большая ширина затвора.

    Однако, не стоит забывать, что глубина канала не может быть увеличена, поскольку это приводит к уменьшению частотного диапазона работы устройства. Концентрация носителей не может быть увеличена без снижения напряжения пробоя «затвор–сток», которое необходимо максимизировать для увеличения допустимого напряжения «сток–исток». Следовательно, альтернатива одна: увеличивать ширину затвора. Однако в конструкции СВЧ-устройств линейные элементы большой длины не являются элементами с однородным потенциалом на протяжении всей длины. Основное правило заключается в том, что линия должна быть меньше десятой части длины волны, тогда ее можно рассматривать как однородный элемент. Для арсенида галлия это соотношение выглядит следующим образом:

    где ƒ — частота, ГГц.

    Отсюда видно, что в Х-диапазоне (8–12 ГГц) максимальная длина затвора, которая может быть использована, не превышает 1 мм. Если требуется более высокий ток, может быть использовано параллельное включение нескольких затворов. Однако плотное расположение параллельно включенных затворов приводит к увеличению локальной температуры соответствующей области МИС. В связи с тем, что арсенид галлия — плохой проводник температуры, это снижает надежность MESFET.

    Технология изготовления MESFET

    Типовой техпроцесс изготовления MESFET методом ионной имплантации приведен на рис. 5.

    Рис. 5. Типовой техпроцесс изготовления MESFET

    Первым шагом традиционно является изготовление тонкопленочных резисторов. Металл резистора (AuGeNi) испаряется, затем наносится TaN. AuGeNi обычно используется для изготовления низкоомных резисторов, в то время как TaN— для высокоомных.

    Базовые этапы технологии приведены на рис. 6.

    Рис. 6. Схемы базовых этапов изготовления MESFET

    Вторым этапом является изолирование и формирование затвора. За счет ионной имплантации, например, бора, осуществляется деактивация проводящего слоя GaAs и формируются необходимые изолирующие области. После этого этапа осуществляют нанесение металла и формирование воздушных «мостиков». В заключение формируют переходные отверстия и осуществляют обработку обратной стороны подложки.

    Транзисторы с высокой подвижностью электронов и псевдоморфные транзисторы (HEMT/PHEMT)

    Как говорилось выше, в последнее время в ответственных приложениях, там, где требуются малый коэффициент шума и высокое усиление, транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) и псевдоморфные (PHEMT) транзисторы получают все большее распространение.

    Оба этих транзистора относятся к классу полевых транзисторов, поэтому базовые принципы функционирования весьма схожи. Основным отличием между транзисторами с высокой подвижностью электронов и полевыми транзисторами является эпитаксиальная структура слоя.

    Конструкция HEMT/PHEMT

    Эпитаксиальная структура базового транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT) приведена на рис. 7а, псевдоморфного транзистора — на рис. 7б.

    Рис. 7. Базовая структура транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT) (а) и псевдоморфного транзистора (б)

    Аналогично с полевыми транзисторами с барьером Шоттки (MESFET), структура выращена на полуизолирующей подложке из GaAs при помощи молекулярно-лучевой эпитаксии (в англоязычной литературе Molecular Beam Epitaxy — MBE) или более распространенного металлоорганического испарения.

    Буферный слой, обычно тоже арсенидгаллиевый, эпитаксиально выращивается на подложке, служит для изоляции дефектов и призван создать гладкую поверхность, на которой происходит выращивание активных слоев транзистора.

    Канал, соответствующий стандартной структуре транзистора, показан ниже. В идеальной системе все электроны проводимости размещаются в этом канале. Наиболее важным в слое канала является двумерный электронный газ (2DEG на рис. 8), являющийся следствием различной ширины интервалов.

    Рис. 8. Энергетические диаграммы HEMT

    На надежность транзисторов HEMT и PHEMT влияют параметры эпитаксиальной структуры, процесс производства и геометрия устройства. Основными механизмами отказа являются:

    • «Погружение» затвора вследствие взаимной диффузии металла затвора в полупроводник и снижение усиления;
    • Деградация омических контактов «стока–истока» вследствие деградации сплавной области, а также увеличение сопротивления «сток–исток» RDS;
    • Повреждение поверхности под действием «горячих» электронов;
    • Чувствительность к кислороду воздуха приводит к возникновению поверхностных реакций, в результате возникают так называемые «ловушки»;
    • Водородное отравление приводит к снижению усиления и напряжению отсечки;
    • Высокая влажность может быть причиной короткого замыкания затвора и стока.

    Наглядное представление влияния эффекта «погружения» затвора на вольт-амперные характеристики MESFET и HEMT транзисторов приведено на рис. 9. Стрелками показано направление смещения характеристики. Как видно из рисунка, такое сильное смещение ВАХ может привести не только к выходу характеристик устройства за пределы допуска, но и в некоторых случаях к отказу активного элемента (MESFET, HEMT и др.).

    Рис. 9. Влияние эффекта «погружения» затвора на ВАХ MESFET и HEMT транзисторов

    Технология изготовления HEMT/PHEMT

    Первым этапом процесса является тщательный отбор подложек с требуемыми характеристиками. Между технологиями изготовления HEMT и PHEMT имеются, несомненно, незначительные различия, однако в данном случае мы их рассматривать не будем, коснувшись лишь базового процесса, который для обоих приборов является одинаковым.

    Типичная последовательность изготовления приведена на рис. 10.

    Рис. 10. Типовая последовательность изготовления HEMT

    Первым этапом является формирование активного канала и имплантация изолятора, после чего формируются омические переходы, затем осуществляется формирование углублений затвора, затем — области «затвор–металл».

    После этого производят травление истока и контактов, формируют воздушные мостики, переходные отверстия и осуществляют обработку обратной стороны подложки.

    Биполярные гетеротранзисторы (HBT)

    Биполярные гетеротранзисторы широко используются как в цифровых, так и в аналоговых МИС на рабочих частотах выше диапазона Ku. За счет своей структуры они обеспечивают более быстрое переключение, в основном за счет уменьшенного сопротивления базы и чрезвычайно малой емкости между коллектором и подложкой. Цена таких транзисторов относительно невысока, что связано с меньшей требовательностью технологического процесса в сравнении, например, с полевыми транзисторами. Кроме высокого быстродействия, биполярные гетеротранзисторы обеспечивают более высокое по сравнению с FET предельно допустимое напряжение. Эти транзисторы обладают хорошей линейностью, низкими фазовыми шумами, они легко согласуются.

    Конструкция HBT

    Как видно из рис. 11, структура биполярного гетеротранзистора — вертикальная.

    Рис. 11. Базовая структура биполярного гетеротранзистора

    Подложкой в данном случае служит полупроводниковая пластина арсенида галлия. Эпитаксиальные слои могут быть выращены различными способами, например, молекулярнолучевой эпитаксией (Molecular Beam Epitaxy).

    Типовые вольт-амперные характеристики биполярного гетеротранзистора приведены на рис. 12.

    Рис. 12. Типовая ВАХ биполярного гетеротранзистора

    Принцип работы биполярного гетеротранзистора

    В отличие от рассмотренных выше активных приборов МИС СВЧ, биполярные гетеротранзисторы имеют вертикальную структуру. Благодаря своей конструкции они не только более высокочастотны, чем, например, MESFET, но и удобны для использования в усилителях мощности. Рассмотрим принцип функционирования HBT и попробуем понять, почему это стало возможным (рис. 13).

    Рис. 13. Энергетические диаграммы HBT

    Как видно из рисунка, потенциальный барьер инжектированных дырок (ΔVp) и электронов (ΔVn) в контакте «эмиттер–база» отличается шириной зазора между AlGaAs эмиттером и GaAs базой, поэтому можно написать:

    Это небольшое различие влияет на коэффициент In/Ip, где In — ток инжектированных электронов из эмиттера в базу, а Ip — нежелательный ток инжектированных дырок из базы в эмиттер. Эти токи могут быть выражены, применяя аппроксимацию Больцмана:

    где q — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; А — площадь контакта «эмиттер — база»; Dn — коэффициент диффузии электронов в базу; Dp — коэффициент диффузии дырок в эмиттер; W — ширина базы; NE — концентрация легирования эмиттера; Lp — длина диффузии дырок в эмиттер.

    Из полученных формул получаем следующую зависимость для отношения рассматриваемых токов:

    Для арсенида галлия ΔEg ≈ 14,6kT, соответственно, exp(ΔEg / kT) ≈ 2×106, поэтому можно осуществлять высокое легирование базы и низкое легирование эмиттера без существенного снижения усиления по току. Практически же обычно осуществляют легирование базы таким образом, чтобы усиление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, составляло порядка 100 раз. Низкое легирование эмиттера приводит к снижению емкости контакта «эмиттер–база», что позволяет работать транзистору на более высоких частотах.

    В результате протекания физических процессов старения надежность биполярных гетеротранзисторов может ухудшаться вследствие возникновения следующих факторов:

    • Снижение усиления по току и увеличение напряжения «база–эмиттер» при высоких токах эмиттера;
    • Увеличение сопротивления контактов, вызванное деградацией связи между омическими контактами эмиттера (металлизацией) и полупроводниковой областью эмиттера. Для решения этой проблемы может быть использован контактный слой из материала InGaAs.
    • Разрастание кристаллических дефектов в контакте «эмиттер–база»;
    • Дрейф усиления по току (снижение) и увеличение напряжения «база–эмиттер» для конкретного тока коллектора, вызванное окислением мезаструктуры эмиттера в области контакта «эмиттер–база».

    Технология изготовления HBT

    Типовая технология изготовления биполярных гетеротранзисторов состоит из нескольких этапов травления для открытия нужных областей и формирования электрических контактов на каждом слое. В заключение устройство изолируется и на нем формируются требуемые межсоединения.

    Базовые шаги техпроцесса показаны на рис. 14.

    Рис. 14. Последовательность изготовления биполярного гетеротранзистора

    Типы GaAs МИС и их надежность

    Как говорилось выше, монолитные микроволновые интегральные схемы используются в спутниковых системах, поэтому к ним предъявляются требования как можно меньшей массы и размеров, высокой надежности, небольшой цены. Эти микросхемы используются в том случае, когда паразитные реактивности в гибридных интегральных микросхемах снижают качество устройства ниже предельно допустимого уровня, поэтому основной областью применения монолитных микросхем являются устройства, работающие в диапазонах СВЧ. Примерами систем, реализуемых на монолитных ИС, могут являться приемники и передатчики для систем коммуникаций, фазированные антенные решетки, в которых требуется обеспечить небольшие размеры и однородные характеристики схем, а также датчики и радары, работающие на высоких частотах. Наибольшую долю рынка занимают среди МИС микроволновые приемники и передатчики, упрощенные схемы которых указаны на рис. 15–16.

    Рис. 15. Типовая структурная схема СВЧ-приемника

    Рис. 16. Типовая структурная схема СВЧ-передатчика

    В приведенных обеих схемах фазовращатель может быть размещен в локальном генераторе (ЛГ), на входе или выходе системы. Он необходим для того, чтобы система могла выполнять функцию таким образом, как если бы каждая схема была связана с излучающим элементом фазированной антенной решетки (ФАР). Для других применений схема не изменяется за исключением удаления фазовращателя. Пример одного из монолитных приемников диапазона 30 ГГц показан на рис. 17.

    Рис. 17. Топология и конструкция приемника диапазона 30 ГГц

    Хотя высокий уровень интеграции приемника, показанного на рисунке, снижает затраты на корпусирование и межсоединения, такой уровень интеграции не является необходимым во многих случаях. Наоборот, каждый функциональный блок системы обычно производится на индивидуальном кристалле, что позволяет вести оптимизацию материала и параметров устройства для конкретного применения. Независимо от уровня взаимосвязи схем надежность целой системы зависит от надежности составных элементов, что видно при рассмотрении схемы приемника, показанной на рис. 15. Входной радиочастотный сигнал имеет очень низкий уровень мощности и может быть в некоторых случаях полностью закрыт шумами. Малошумящий усилитель (МШУ) усиливает принимаемый сигнал, внося в то же время небольшой собственный шум. Если усиление МШУ достаточно велико, его шумовой вклад в шум системы весьма мал, поэтому шум, создаваемый последующими цепями, делится на коэффициент усиления МШУ. Это означает, что усиление и коэффициент шума малошумящего усилителя определяют шумовые характеристики приемника в целом. Если приемник обладает плохими шумовыми параметрами, он не сможет принять слабый сигнал. Принятый сигнал пропускается через узкополосный фильтр и через смеситель. ЛГ генерирует сигнал определенной частоты, который также поступает в смеситель. Смеситель объединяет два сигнала с помощью нелинейного устройства, такого как MESFET или диод, и генерирует сигнал на промежуточной частоте (ПЧ): (ƒРЧ–ƒЛГ) или (ƒЛГ–ƒРЧ), а также гармоники промежуточной частоты, входной радиочастоты (РЧ) и частоты локального генератора. Для выделения требуемых компонентов промежуточной частоты они должны быть отфильтрованы. Эффективность преобразования смесителя обычно зависит от мощности генератора. Кроме того, изменение частоты ЛГ приводит к сдвигу ПЧ, что может вызвать повышенное затухание сигнала в узкополосных фильтрах, являющихся частью смесителя. Если система управляет фазированной антенной решеткой, то направление и форма основного сигнала, излучаемого или принимаемого антенной, зависит от сдвига фазы и уровня мощности каждого передатчика или приемника. Относительная фаза каждого излучаемого элемента устанавливается с помощью фазовращателя. Таким образом, если сдвиг фазы сигнала, проходящего через цепи, отличается от предполагаемого, качество всей антенны ухудшается. Это означает, что изменение параметров одного из компонентов могут привести к отказу всей системы.

    Фазовращатель, локальный генератор и смеситель являются типичными составными частями приемников и передатчиков. Реальные различия между этими двумя системамив усилителях. Если МШУ используется как приемник, то он должен быть способен усилить слабый сигнал до уровня, достаточного для работы смесителя, и для повышения помехозащищенности системы вносить как можно меньший собственный шум. В передатчике основным требованием является передаваемая мощность и КПД схемы. Поэтому усилитель мощности должен обеспечить усиление сигнала до требуемого уровня.

    Малошумящие усилители мощности используются для усиления мощности радиочастотного сигнала. Почти во всех системах это выполняется при помощи транспроводимости MESFET и HEMT или усиления тока в HBT. Наиболее точная работа усилителя — при низких уровнях мощности. К сожалению, при повышении уровня мощности усилитель становится нелинейным. При работе в нелинейной области выходная мощность меньше, чем сумма входной мощности и коэффициента усиления усилителя в линейной области. На рис. 18 показана типичная характеристика усилителя. Точка, в которой выходная мощность падает на 1 дБ относительно линейного экстраполированного значения, называется «точка 1-дБ компрессии». Это значение различается для малосигнальных или линейных усилителей от этого же значения усилителя мощности. Необходимо учитывать, что это является также критерием различия маломощных и мощных транзисторов, поскольку транзистор может рассматриваться как простой несогласованный усилитель. Это различие важно при изучении механизмов отказов, необходимых для обеспечения надежности устройства.

    Рис. 18. Типовая передаточная характеристика усилителя

    Выбор точки смещения является очень важным для обеспечения требуемых параметров усилителя. В зависимости от режимов работы транзистора, формы выходного сигнала и, соответственно, КПД усилителя различаются усилители классов A, B и С. Усилители класса А являются линейными, однако их КПД слишком низок, в то время как усилители класса С нелинейны, но обладают самым высоким КПД.

    Можно выделить следующие типы МИС:

    • Усилители мощности.
    • Усилители мощности должны оперировать высокими входной и выходной мощностями. Максимальное напряжение входного сигнала ограничивается напряжением пробоя транзистора. Ток через каждый транзистор ограничивается сопротивлением затвора эмиттера. Омические потери преобразуются в тепло, что приводит к нагреванию и снижению надежности устройства. Для увеличения максимально допустимого тока устройства в мощных транзисторах соединяют множество затворов или эмиттеров параллельно. Такое параллельное включение увеличивает общую ширину затвора или площадь эмиттера и снижает сопротивление, однако в то же время увеличивает сложность согласования входного импеданса транзистора выходным импедансом предшествующего каскада. В дополнение к этому, для обеспечения рассеивания тепла создаются элементы свободного пространства вокруг транзистора, что увеличивает размеры устройства. Для обеспечения отвода тепла от транзисторов мощных усилителей подложку помещают на металлическую или алмазную несущую. КПД усилителей мощности является их критическим параметром. Для анализа работы усилителей обычно производят измерение S-параметров. Транзисторы обладают линейностью лишь при небольших уровнях мощности, а при ее возрастании их нелинейность сильно возрастает. Нелинейность мощных транзисторов создает интермодуляционные искажения, кратные частоте входного сигнала: 2ƒРЧ, 3ƒРЧ и т. д. Появление этих частот в согласованных цепях может привести к искажениям, паразитной генерации, снижению КПД и т. д. Интермодуляционные искажения определяются как коэффициент отношения мощности сигнала на частоте искажений к мощности полезного сигнала и обычно приводится в дБ. Кроме проблем, связанных с перегревом, усилители мощности имеют такие механизмы отказа, как ловушки горячих электронов, электромиграция и диффузия металла.

    • Малошумящие усилители (МШУ).
    • Так как малошумящие усилители используются для усиления принятых сигналов в приемниках, они разрабатываются для очень малых уровней мощностей. Поэтому температурные проблемы, а также проблемы высоких токов и напряжений, влияющих на надежность усилителя, не присущи МШУ. Наиболее важным показателем качества МШУ является коэффициент шума. Поскольку HEMT и PHEMT обладают наименьшими коэффициентами шума, именно они используются практически во всех МШУ. Для снижения коэффициента шума требуется небольшая длина затвора и низкое паразитное сопротивление между затвором и истоком. Типичными значениями длины затвора являются 0,1–0,25 мкм. Факторами ненадежности в таких транзисторах являются погружение металла затвора и диффузия омических контактов, которые возникают вследствие слишком малой длины затвора и соответственно малой толщины канала. Для снижения коэффициента шума системы в целом важно снизить потери в цепях, особенно перед первым каскадом МШУ. Это включает линию передачи от антенны к устройству. Кроме снижения потерь в цепях, шум может быть уменьшен при работе усилителя на низких температурах, токах и напряжениях. Наконец, коэффициент шума МШУ зависит от степени согласования цепей, которые проектируются с учетом минимизации коэффициента шума и максимизации усиления. Оптимальным с этой точки зрения является HEMT.

    • Смесители.
    • Смесители преобразуют входной сигнал на одной частоте в сигнал на другой частоте, что необходимо для фильтрации сдвига фазы и других операций обработки данных. Например, система может принимать данные в W-диапазоне (74–110 ГГц), но фильтры для W-диапазона имеют низкую добротность и высокие потери, которые приводят к деградации шумовых характеристик приемника. Поэтому выгодно сдвинуть частоту принимаемого сигнала, где возможно применение высокодобротных фильтров с низкими вносимыми потерями. В идеале эта операция выполняется без снижения амплитуды входного сигнала или внесения дополнительных шумов. Смесители могут быть выполнены либо на диодах, либо на одном из транзисторов. Рассмотрим смеситель на диоде, представленный на рис. 19.

      Рис. 19. Смеситель на СВЧ-диоде

      Через зажимы диода проходят два сигнала: от локального генератора и от сигнала РЧ.

      Обычно желаемая выходная частота (ƒРЧ–ƒЛГ) — промежуточная частота. Основным показателем качества для смесителей является отношение мощности ПЧ к мощности РЧ, которое называется потерями преобразования и указывается в дБ. Несколько причин могут вносить вклад в увеличение потерь преобразования. Во-первых, это может быть плохое согласование импедансов на РЧ и ПЧ-портах. Во-вторых, это ВАХ диода. В зависимости от требуемых параметров смесители могут быть выполнены как на одном диоде или полевом транзисторе, так и нескольких, вплоть до 8 диодов. Более сложные устройства используют симметричные цепи для нейтрализации нежелательных частотных компонентов и облегчения устранения шумов, созданных изменением амплитуды в локальном генераторе. Недостатком смесителей с несколькими диодами или полевыми транзисторами является необходимость увеличения выходной мощности локального генератора, что сложно получить на высоких частотах. Проблема надежности смесителя ассоциируется с генерацией нежелательных гармоник, которые могут привести к паразитной генерации других цепей микросхемы, искажениям сигнала, появлению 1/ƒ шума.

    • Генераторы.
    • Генераторы вырабатывают высокочастотные периодические сигналы и используются в модуляторах, супергетеродинных приемниках, цепях фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В основном генератор может быть получен из любого усилителя посредством введения положительной обратной связи. Генераторы обычно строятся на базе МШУ с петлей обратной связи, вносящей задержку, кратную 2π. Кроме того, весьма распространенной является такая разновидность генератора, как ГУН (генератор, управляемый напряжением). Генератор разрабатывается таким образом, чтобы обеспечить требуемую емкостную и токовую нагрузку. Критическими параметрами генераторов являются долговременная нестабильность частоты, уровень шумов, выходной импеданс. Фазовый шум генератора — это кратковременная нестабильность генерируемого радиочастотного сигнала. При использовании генераторов в РЛС, а также в цифровых системах телекоммуникаций, необходимо обеспечивать определенный уровень фазового шума, в противном случае фазовый шум может привести к ошибке системы, а в случае передачи данных — к их искажению.

      Шум может генерироваться различными механизмами. Во-первых, причиной может являться кинетическая энергия электронов, которая пропорциональна температуре материала. Этот вид шума обычно называют тепловым шумом. Тепловой шум занимает очень широкую полосу, поэтому его часто называют белым шумом. Вторым типом шума, пропорционального 1/ƒ, является фликкер-шум. Он возникает в активных твердотельных устройствах вследствие генерации и рекомбинации основных носителей на поверхности полупроводника. Примерный спектр шума показан на рис. 20.

      Рис. 20. Типовой спектр шума генератора

      Для минимизации фазового шума требуется использовать высокочастотные резонаторы. Кроме того, необходимо использовать транзисторы с низким фликкер-шумом. Использование высокодобротных резонаторов в МИС весьма затруднено, поскольку тонкопленочные элементы на арсенидгаллиевых подложках имеют высокие потери проводимости. Из всех рассмотренных транзисторов самым меньшим фликкер-шумом обладают биполярные гетеротранзисторы (HBT). Поэтому именно они чаще всего используются в генераторах. Воздействие температуры может приводить к дрейфу параметров транзисторов, что приводит к сдвигу частоты или срыву генерации. Температурная компенсация может быть построена с помощью варакторов или других управляемых элементов.

    Вместо заключения

    Постоянно растущие требования к объемам передаваемой информации с одновременным снижением массо-габаритных параметров устройств обеспечивают непрерывное динамичное развитие как конструкции МИС СВЧ, так и технологии их производства. Что же будет дальше? В каком направлении будет развиваться интегральная технология РЧ и СВЧ устройств? Очевидным глобальным направлением развития будут широкополосные и сверхширокополосные СВЧ-приборы. Что касается конструкции, то это, в первую очередь, совершенствование конструктивно-технологических особенностей МИС СВЧ, отработка технологии изготовления микросхем на подложках из карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN), создание серийной технологии изготовления микросхем на сапфировых подложках. Другим важным направлением развития микросхем этого класса является создание устройств с крайне высокой плотностью мощности: более 1 Вт на 1 мм длины затвора. Постоянное совершенствование конструкции и технологии МИС СВЧ, появление новых активных элементов микросхем, приводит к необходимости модификации моделей надежности, построению новых, включающих новые механизмы отказов, связанных с использованием новых материалов и технологий. Кроме того, несмотря на наличие хорошо отработанных методов статистического прогнозирования надежности, годных для применения к серийным микросхемам, методы оценки индивидуальной надежности, необходимые для сепарации единичных образцов МИС СВЧ, используемых в военной и космической технике, пока отработаны недостаточно хорошо. Среди таких методов можно выделить различные методы спектроскопии, с подсветкой вспомогательным источником и без нее. Однако многие из методов прогнозирования индивидуальной надежности МИС СВЧ являются разрушающими, что недопустимо при высокой стоимости микросхемы, другие же не обеспечивают требуемую достоверность. В такой ситуации встает задача: оценить надежность конкретного экземпляра устройства по результатам неразрушающих измерений каких-либо его электрофизических параметров. Если в отношении проблемы выбора таких информативных параметров можно сказать, что она решена, то относительно наличия достоверных математических моделей на их основе этого сказать нельзя. Поэтому эта задача на данный момент является весьма актуальной и, вероятно, в скором времени будет решена.

    Литература

    1. John R. Scarpulla. Reliability and Qualification Challenges for RF Devices. The Aerospace Corporation, Los Angeles, 2004.
    2. GaAs MMIC Reliability Assurance Guideline for Space Applications. Sammy Kayali, George Ponchak, Roland Shaw. NASA Lewis Research Center, 1996.
    3. Гуртов В. А. Твердотельная электроника. Москва, 2005.

    Применение логических элементов

    Логические элементы могут использоваться как самостоятельные части схемы, так и входить в состав более сложной цифровой комбинационной схемы или схемы с памятью. Как самостоятельные части схемы, логические элементы могут применяться в качестве управляющей логики какого-либо устройства, а также в качестве генератора прямоугольных импульсов с подключённой ёмкостью или кварцевым резонатором. В качестве комбинационных схем логические элементы используются в составе микросхем БИС и СБИС, а также в дешифраторах и шифраторах, выполненных в виде отдельных микросхем. Также, логические элементы могут входить в состав схем с памятью (триггеры, регистры, счётчики и т.д.), выполненных в виде отдельной микросхемы или в составе других микросхем.

    Рис. 16.6. Вентили и их обозначения: а- «НЕ», б – «НЕ-И», в – «НЕ-ИЛИ».

     

    Рассмотрим логику работы схемы, изображенной на рис. 16.6-б. Она состоит из двух соединенных последовательно транзисторов. У этой схемы два входа, обозначенных на рисунке буквами р и q, и один выход. Если на входы поступают единичные значения (р=1 и q=1), то оба транзистора открыты, участок цепи с ними имеет очень маленькое сопротивление и, следовательно, как и в вентиле «НЕ», на выходе формируется значение 0. Во всех остальных случаях хотя бы один из транзисторов оказывается запертым и участок цепи с транзисторами обладает высоким сопротивлением, что приводит к формированию на выходе значения 1. Анализируя таблицу истинности работы этой схемы (табл. 16.1, четвертый столбец), приходим к выводу, что она описывается выражением . Поэтому такая схема называется вентилем «НЕ-И» («штрих Шеффера»).

    Табл. 16.1. Таблица истинности базовых вентилей.

    Рис. 16.6. Вентили и их обозначения: а- «НЕ», б – «НЕ-И», в – «НЕ-ИЛИ».

     

    В схеме, изображенной на рис. 16.6-в, транзисторы соединены параллельно. Следовательно, участок цепи с транзисторами обладает высоким сопротивлением только в том случае, когда оба транзистора закрыты одновременно. Поэтому если на оба входа поступают нулевые значения (р = 0 и q = 0), на выходе формируется значение 1. Во всех остальных случаях хотя бы один из транзисторов открыт и, следовательно, весь содержащий их параллельное соединение участок цепи обладает маленьким сопротивлением. Это значит, что на выходе схемы формируется значение 0.Анализируя таблицу истинности работы этой схемы (табл. 16.1, седьмой столбец), приходим к выводу, что она описывается выражением . Поэтому такая схема называется вентилем «НЕ-ИЛИ» («стрелка Пирса»).

    Вентили «НЕ», «НЕ И» и «НЕ ИЛИ», используемые для построения других вентилей и произвольных схем, считаются базовыми, а схемы, которые получаются с помощью всевозможных комбинаций базовых вентилей, принято называть цифровыми логическими схемами. Важным частным случаем цифровых схем являются комбинационные схемы, в которых значения, получаемые на выходах схемы, зависят только от значений, поступающих на ее входы. Такие схемы классифицируются также как схемы без памяти.

    Вентили «И» и «ИЛИ»

    Теоретически для задания любой логической функции можно обойтись только одной операцией — стрелкой Пирса или штрихом Шеффера. Таким образом, вентили «НЕ-И» и «НЕ-ИЛИ» могут рассматриваться как универсальные, из которых можно составить схему, соответствующую любому логическому выражению. Но получаемые при этом логические выражения и соответствующие им цифровые схемы оказываются чрезвычайно громоздкими и малопонятными. В то же время известно, что логические функции удобно задавать, используя три основные логические операции: отрицание, дизъюнкцию и конъюнкцию. В связи с этим целесообразно использовать в комбинационных схемах вентили, соответствующие этим операциям.

    Рис. 16.7. Вентили и их условные обозначения: а – «И»; б – «ИЛИ».

     

    Способ построения вентилей для операций конъюнкции и дизъюнкции вытекает из очевидных соотношений: и . Следовательно, соединив выходы вентилей «НЕ-И» и «НЕ-ИЛИ» со входом вентиля «НЕ», получим удобные для построения любых цифровых схем вентили «И» и «ИЛИ» операций конъюнкции и дизъюнкции соответственно. Схемы этих вентилей и их обозначения приведены на рис. 16.7. Вентили «И» и «ИЛИ» также относятся к базовым.

    Отметим, что для реализации вентиля «НЕ» достаточно одного транзистора, для вентилей «НЕ-И» и «НЕ-ИЛИ» требуется по два транзистора, а для вентилей «И» и «ИЛИ» необходимо уже по три транзистора на каждую схему.

    Вентиль «Исключающее ИЛИ»

    Операция «Исключающее ИЛИ» оказывается полезной во многих случаях построения комбинационных схем. Опираясь на полученную ДНФ этой операции и используя базовые вентили «НЕ», «И» и «ИЛИ», довольно легко построить соответствующую схему.Для реализации выражения в первой паре скобок выход вентиля «НЕ» следует соединить с одним из входов вентиля «И». Значения p и q подаются на оставшийся свободным вход вентиля «И» и на вход вентиля «НЕ» соответственно. Таким образом, на выходе вентиля «И» получится значение выражения . Подключив вентиль «НЕ» к другому входу еще одного вентиля «И» при том же порядке подсоединения р и q, на его выходе получим выражение, находящееся во второй паре скобок, . Теперь осталось выходы вентилей «И» соединить со входами вентиля «ИЛИ». Полученная схема вентиля «Исключающее ИЛИ» и его условное обозначение приведены на рис. 16.8. Для реализации этого вентиля требуется 11 транзисторов.

     

    Рис. 16.8. Вентиль «Исключающее ИЛИ».

    Микросхемы можно разделить на несколько классов, с точки зрения количества вентилей, которые они содержат. Эта классификация очень грубая:

    – МИС (малая интегральная схема) – от 1 до 10 вентилей;

    – СИС (средняя интегральная схема) – от 1 до 100 вентилей;

    – БИС (большая интегральная схема) – от 100 до 100 000 вентилей;

    – СБИС (сверхбольшая интегральная схема) – более 100 000 вентилей.

    МИС обычно содержит от двух до шести независимых вентилей, каждый из которых может использоваться отдельно. На рис. 16.6.1 изображена обычная МИС, содержащая четыре вентиля НЕ-И.

    Рис. 16.6.1. МИС из четырёх вентилей.

     

    Каждый из этих вентилей имеет два входа и один выход, что требует 12 выводов. Кроме того, микросхеме требуется питание (Vcc) и земля. Они общие для всех вентилей. На корпусе рядом с выводом 1 обычно имеется паз, чтобы можно было определить, что это вывод 1.

    В настоящее время стало возможным помещать до 10 млн транзисторов на одну микросхему. Так как любая схема может быть сконструирована из вентилей И-НЕ, может создаться впечатление, что производитель способен изготовить микросхему, содержащую 5 млн вентилей И-НЕ. К несчастью, для создания такой микросхемы потребуется 15 000 002 выводов. Поскольку стандартный вывод занимает 0,1 дюйма, микросхема будет иметь в длину более 18 км, что, вероятно, отрицательно скажется на ее рыночных свойствах. Поэтому чтобы использовать преимущество данной технологии, нужно разработать такие схемы, в которых количество вентилей значительно превышает количество выводов. То есть нужно создавать такие МИС, в которых для вычисления той или иной функции несколько вентилей соединяются определенным образом между собой, что позволяет уменьшить число внешних выводов.

     

     

    Что такое интегральная схема (ИС)? Жизненно важный компонент современной электроники

    Что такое интегральные схемы?

    Интегральная схема (ИС), иногда называемая микросхемой, микрочипом или микроэлектронной схемой, представляет собой полупроводниковую пластину, на которой изготовлены тысячи или миллионы крошечных резисторов, конденсаторов, диодов и транзисторов. ИС может функционировать как усилитель, генератор, таймер, счетчик, логический вентиль, память компьютера, микроконтроллер или микропроцессор.

    ИС — это фундаментальный строительный блок всех современных электронных устройств.Как следует из названия, это интегрированная система из множества миниатюрных и взаимосвязанных компонентов, встроенных в тонкую подложку из полупроводникового материала (обычно кристалла кремния).

    Микроконтроллеры — это интегральные схемы, которые управляют определенными операциями во встроенных системах, состоящих из процессора, памяти и периферийных устройств ввода / вывода на микросхеме. На этом изображении показан микроконтроллер Microchip Technology ATtiny817.

    Одна ИС может содержать тысячи или миллионы:

    • транзисторы
    • резисторы
    • конденсаторы
    • диоды

    На нем также могут находиться дополнительные компоненты, все связанные между собой сложной сеткой полупроводниковых пластин, кремния, меди и других материалов.По размеру каждый компонент небольшой, обычно микроскопический. Получающаяся в результате схема, монолитная микросхема, также крошечная — часто достаточно, чтобы занимать несколько квадратных миллиметров или сантиметров пространства.

    Одним из распространенных примеров современной ИС является компьютерный процессор, который обычно содержит миллионы или миллиарды транзисторов, конденсаторов, логических вентилей и т. Д., Соединенных вместе, чтобы сформировать сложную цифровую схему. Хотя процессор является ИС, не все ИС являются процессорами.

    История и эволюция интегральных схем

    Изобретение транзистора — комбинации слов transfer и resistor — в 1947 году заложило основу для современной компьютерной эпохи.

    Раньше каждый транзистор поставлялся в отдельном пластиковом корпусе, а каждая схема состояла из дискретных транзисторов, конденсаторов и резисторов. Из-за большого размера этих компонентов ранние ИС были способны удерживать на печатной плате только некоторые из них — соединенные вместе.

    Со временем развитие твердотельной электроники упростило уменьшение размеров компонентов.

    В конце 1950-х годов изобретатели Джек Килби из Texas Instruments, Inc.и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor Corporation нашли способы прокладывать тонкие металлические дорожки на устройствах и заставлять их работать как провода. Их решение проблемы проводки между небольшими электрическими устройствами стало началом развития современной ИС.

    Интегральные схемы претерпели несколько поколений усовершенствований в зависимости от их конструкции, размера и количества компонентов на кристалле.

    Современные микросхемы: проектирование и изготовление

    За последние полвека ИС значительно продвинулись вперед благодаря более высоким скоростям, большей емкости и меньшим размерам.

    По сравнению с ранними временами сегодняшние ИС невероятно сложны и способны удерживать миллиарды транзисторов и других компонентов на одном небольшом куске материала. Современная ИС представляет собой единое целое, с отдельными компонентами, встроенными непосредственно в кристалл кремния, а не просто закрепленными на нем.

    IC полагается на несколько уровней абстракции. Полупроводниковая пластина, из которой состоит ИС, хрупкая и содержит множество сложных соединений между своими многочисленными слоями.Комбинация этих пластин известна как кристалл.

    При наличии миллионов или миллиардов компонентов на одном кристалле невозможно разместить и подключить каждый компонент по отдельности. Матрицы слишком малы для пайки и подсоединения. Вместо этого разработчики используют язык программирования специального назначения для создания небольших схемных элементов и комбинирования их для постепенного увеличения размера и плотности компонентов на кристалле в соответствии с требованиями приложения.

    ИС «упакованы», чтобы превратить тонкий и крошечный кристалл в черный чип, который теперь составляет основу сотен устройств, в том числе:

    Новый масштабируемый процессор Intel Xeon 3-го поколения под кодовым названием Ice Lake.

    Типы интегральных схем ИС

    могут быть линейными (аналоговыми), цифровыми или их комбинацией, в зависимости от их предполагаемого применения.

    Аналоговые или линейные ИС имеют плавно регулируемый выход в зависимости от уровня входного сигнала. Теоретически такие ИС могут находиться в бесконечном количестве состояний. В этом типе ИС уровень выходного сигнала является линейной функцией уровня входного сигнала. В идеале, когда мгновенный выходной сигнал сопоставлен с мгновенным входным сигналом, график выглядит как прямая линия.

    Аналоговые ИС

    обычно используют всего несколько компонентов и довольно просты.

    Линейные ИС используются в качестве усилителей звуковой частоты (AF) и радиочастоты (RF). Операционный усилитель (ОУ) — обычное устройство в этих приложениях. Еще одно распространенное применение аналоговой ИС — датчик температуры. Линейные ИС можно запрограммировать на включение и выключение различных устройств, когда сигнал достигает определенного значения. К ним относятся:

    • кондиционеры
    • обогреватели
    • духовки

    В отличие от аналоговых ИС, цифровые ИС не работают в непрерывном диапазоне амплитуд сигнала.Скорее, они работают только на нескольких определенных (дискретных) уровнях или состояниях. Основными строительными блоками цифровых ИС являются логические элементы, которые работают с двоичными данными, то есть сигналами, которые имеют только два разных состояния, называемых низким (логический 0) и высоким (логическая 1).

    цифровых ИС в настоящее время используются во все большем количестве приложений, в том числе:

    • компьютеров
    • корпоративные сети
    • модемы
    • частотомеры

    A смешанная ИС объединяет в себе принципы аналогового и цифрового проектирования.Он может функционировать как:

    Микропроцессоры и ИС

    Микропроцессор — наиболее сложный тип ИС, способный выполнять миллиарды операций в секунду. В вычислительном устройстве микропроцессор содержит центральный процессор (ЦП), который запускает компьютер, или графический процессор (ГП), который специализируется на рендеринге изображений и видео. Один микропроцессор содержит миллиарды взаимосвязанных транзисторов, каждый из которых выполняет определенную логическую функцию на основе инструкций часов.

    Когда часы меняют состояние, транзисторы выполняют логические функции (например, вычисления), на выполнение которых они запрограммированы. Тактовая частота определяет скорость этих функций.

    Современные процессоры и графические процессоры являются многоядерными, что означает, что их интегральные схемы имеют два или более процессора для одновременной обработки нескольких задач, повышения производительности и снижения энергопотребления. Первый может иметь несколько ядер, второй — тысячи. Микропроцессоры

    также содержат различные типы заранее определенных ячеек памяти или регистров, в которых хранится информация:

    • Постоянный регистр: хранит запрограммированные инструкции для различных операций.
    • Временный регистр: хранит числа, над которыми нужно работать, и результаты операции.
    • Счетчик: содержит адрес памяти следующей инструкции.
    • Указатель стека: содержит адрес последней инструкции, помещенной в память стека.
    • Регистр адреса памяти: содержит расположение (адрес) данных, над которыми нужно работать.

    Микросхема сделала нашу жизнь намного лучше.Современный портативный компьютер в тысячи раз мощнее и примерно в 100 раз меньше, чем первый компьютер, разработанный в 1940-х годах. ENIAC был размером с три-четыре двухэтажных автобуса и работал на 18 000 электронных ламп.

    Сказать, что мы прошли долгий путь, — значит ничего не сказать о ENIAC. ИК был ключом к этому прогрессу.

    Интегральная схема | Encyclopedia.com

    Предпосылки

    Интегральная схема, обычно называемая ИС, представляет собой микроскопический массив электронных схем и компонентов, который был рассеян или имплантирован на поверхность монокристалла или чипа из полупроводникового материала, такого как кремний.Она называется интегральной схемой, потому что все компоненты, схемы и основной материал сделаны вместе или интегрированы из единого куска кремния, в отличие от дискретной схемы, в которой компоненты изготавливаются отдельно из разных материалов и собираются позже. . ИС различаются по сложности от простых логических модулей и усилителей до законченных микрокомпьютеров, содержащих миллионы элементов.

    Интегральные схемы оказали огромное влияние на нашу жизнь. ИС стали основными компонентами почти всех электронных устройств.Эти миниатюрные схемы продемонстрировали низкую стоимость, высокую надежность, низкое энергопотребление и высокую скорость обработки по сравнению с предшествующими им электронными лампами и транзисторами. Микрокомпьютеры на интегральных схемах теперь используются в качестве контроллеров в оборудовании, таком как станки, операционные системы транспортных средств и других приложениях, где ранее использовались гидравлические, пневматические или механические средства управления. Поскольку микрокомпьютеры IC меньше и более универсальны, чем предыдущие механизмы управления, они позволяют оборудованию реагировать на более широкий диапазон входных сигналов и производить более широкий диапазон выходных данных.Их также можно перепрограммировать без изменения схемы управления. Микрокомпьютеры на интегральных схемах настолько недороги, что их можно найти даже в детских электронных игрушках.

    Первые интегральные схемы были созданы в конце 1950-х годов в ответ на потребность военных в миниатюрной электронике для использования в системах управления ракетами. В то время транзисторы и печатные платы были самой современной электронной технологией. Хотя транзисторы сделали возможным множество новых электронных приложений, инженеры все еще не могли создать достаточно маленький корпус для большого количества компонентов и схем, необходимых в сложных устройствах, таких как сложные системы управления и портативные программируемые калькуляторы.Несколько компаний конкурировали за прорыв в области миниатюрной электроники, и их усилия по разработке были настолько близки, что возникает некоторый вопрос, какая компания на самом деле произвела первую ИС. Фактически, когда интегральная схема была наконец запатентована в 1959 году, патент был выдан совместно двум людям, работающим отдельно в двух разных компаниях.

    После изобретения ИС в 1959 году количество компонентов и схем, которые можно было объединить в одну микросхему, удваивалось каждый год в течение нескольких лет.Первые интегральные схемы содержали всего до дюжины компонентов. Процесс, в результате которого были созданы эти первые ИС, был известен как маломасштабная интеграция или SSI. К середине 1960-х годов компания MSI, занимающаяся средней степенью интеграции, произвела микросхемы с сотнями компонентов. За этим последовали методы крупномасштабной интеграции, или LSI, которые позволили создать ИС с тысячами компонентов и сделали возможными первые микрокомпьютеры.

    Первый микрокомпьютерный чип, часто называемый микропроцессором, был разработан корпорацией Intel в 1969 году.Он был запущен в коммерческое производство в 1971 году как Intel 4004. Intel представила свой чип 8088 в 1979 году, за ним последовали Intel 80286, 80386 и 80486. В конце 1980-х — начале 1990-х годов обозначения 286, 386 и 486 были хорошо известны пользователям компьютеров как отражающие возрастающие уровни вычислительной мощности и скорости. . Чип Intel Pentium является последним в этой серии и отражает еще более высокий уровень.

    Как формируются компоненты интегральной схемы


    В интегральной схеме электронные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы, формируются непосредственно на поверхности кристалла кремния.Процесс изготовления интегральной схемы будет иметь больше смысла, если сначала понять некоторые основы того, как формируются эти компоненты.

    Еще до того, как была разработана первая ИС, было известно, что обычные электронные компоненты могут быть сделаны из кремния. Вопрос был в том, как сделать их и соединительные цепи из одного куска кремния? Решение состояло в том, чтобы изменить химический состав крошечных участков на поверхности кристалла кремния, добавив другие химические вещества, называемые легирующими добавками.Некоторые примеси связываются с кремнием, образуя области, в которых атомы примеси имеют один электрон, от которого они могут отказаться. Их называют N регионами. Другие примеси связываются с кремнием, образуя области, в которых атомам примеси есть место для одного электрона. Они называются P-регионами. Когда P-область соприкасается с N-областью, граница между ними называется PN-переходом. Ширина этой границы составляет всего 0,000004 дюйма (0,0001 см), но она имеет решающее значение для работы компонентов интегральной схемы.

    Внутри PN-перехода атомы двух областей связываются таким образом, чтобы создать третью область, называемую обедненной областью, в которой атомы примеси P захватывают все дополнительные электроны примеси N, тем самым истощая их.Одно из явлений, которое возникает в результате, заключается в том, что положительное напряжение, приложенное к области P, может вызвать электрический ток, протекающий через переход в область N, но аналогичное положительное напряжение, приложенное к области N, приведет к небольшому протеканию тока или его отсутствию. соединение обратно в P-область. Эта способность PN-перехода либо проводить, либо изолировать в зависимости от того, с какой стороны приложено напряжение, может использоваться для формирования компонентов интегральной схемы, которые направляют и управляют током, таким же образом, как диоды и транзисторы.Например, диод — это просто одиночный PN переход. Путем изменения количества и типов легирующих добавок и изменения формы и относительного расположения областей P и N можно также сформировать компоненты интегральной схемы, которые имитируют функции резисторов и конденсаторов.

    Конструкция

    Некоторые интегральные схемы можно считать стандартными готовыми изделиями. После того, как спроектирован, дальнейшие конструкторские работы не требуются. Примеры стандартных ИС могут включать регуляторы напряжения, усилители, аналоговые переключатели и аналого-цифровые или цифро-аналоговые преобразователи.Эти микросхемы обычно продаются другим компаниям, которые встраивают их в печатные платы для различных электронных продуктов.

    Другие интегральные схемы уникальны и требуют обширных проектных работ. Примером может служить новый микропроцессор для компьютеров. Эта проектная работа может потребовать исследования и разработки новых материалов и новых технологий производства для достижения окончательного дизайна.

    Сырье

    Чистый кремний является основой большинства интегральных схем. Он обеспечивает основу или подложку для всего чипа и химически легирован для обеспечения областей N и P, составляющих компоненты интегральной схемы.Кремний должен быть настолько чистым, чтобы только один из каждых десяти миллиардов атомов мог быть примесью. Это было бы эквивалентом одной крупинки сахара на десять ведер песка. Диоксид кремния используется в качестве изолятора и диэлектрического материала в конденсаторах IC.

    Типичные легирующие примеси N-типа включают фосфор и мышьяк. Бор и галлий — типичные легирующие примеси P-типа. Алюминий обычно используется в качестве соединителя между различными компонентами ИС. Тонкие провода, идущие от микросхемы интегральной схемы к ее монтажному корпусу, могут быть алюминиевыми или золотыми.Сам монтажный пакет может быть изготовлен из керамических или пластмассовых материалов.

    Производство


    Процесс

    Сотни интегральных схем создаются одновременно на одном тонком слое кремния, а затем разрезаются на отдельные микросхемы IC. Производственный процесс проходит в строго контролируемой среде, известной как чистая комната, где воздух фильтруется для удаления посторонних частиц. Несколько операторов оборудования в комнате носят одежду без ворса, перчатки и покрывала для головы и ног.Поскольку некоторые компоненты ИС чувствительны к определенным частотам света, даже источники света фильтруются. Хотя производственные процессы могут отличаться в зависимости от изготавливаемой интегральной схемы, следующий процесс является типичным.

    Подготовка кремниевой пластины

    • 1 Цилиндрический слиток кремния диаметром примерно от 1,5 до 4,0 дюймов (от 3,8 до 10,2 см) удерживается вертикально внутри вакуумной камеры с окружающей его высокотемпературной нагревательной спиралью. Начиная с верхней части цилиндра, кремний нагревается до температуры плавления около 2550 ° F (1400 ° C).Чтобы избежать загрязнения, нагретая область сдерживается только поверхностным натяжением расплавленного кремния. По мере плавления области любые примеси в кремнии становятся подвижными. Нагревательный змеевик медленно перемещается по длине цилиндра, и загрязнения уносятся вместе с расплавленной областью. Когда змеевик достигает дна, почти все загрязнения уносятся и концентрируются там. Затем дно отрезают, оставляя цилиндрический слиток очищенного кремния.
    • 2 Тонкая круглая кремниевая пластина отрезается от слитка с помощью точного отрезного станка, называемого резаком для пластин.Каждый ломтик имеет толщину от 0,01 до 0,025 дюйма (от 0,004 до 0,01 см). Поверхность, на которой должны быть сформированы интегральные схемы, полируется.
    • 3 Поверхности пластины покрыты слоем диоксида кремния, чтобы сформировать изолирующую основу и предотвратить любое окисление кремния, которое может вызвать загрязнения. Диоксид кремния образуется при воздействии на пластину перегретого пара при температуре около 1830 ° F (1000 ° C) под давлением в несколько атмосфер, чтобы позволить кислороду водяного пара вступить в реакцию с кремнием.Контроль температуры и продолжительности воздействия контролирует толщину слоя диоксида кремния.

    Маскировка

    • 4 Сложная и взаимосвязанная конструкция схем и компонентов подготавливается в процессе, аналогичном тому, который используется для изготовления печатных плат. Для ИС, однако, размеры намного меньше, и есть много слоев, наложенных друг на друга. Дизайн каждого слоя готовится на компьютерной чертежной машине, а изображение превращается в маску, которая будет оптически уменьшена и перенесена на поверхность пластины.Маска непрозрачна на одних участках и прозрачна на других. В нем есть изображения всех нескольких сотен интегральных схем, которые должны быть сформированы на пластине.
    • 5 Капля материала фоторезиста помещается в центр кремниевой пластины, и пластина быстро вращается, чтобы распределить фоторезист по всей поверхности. Затем фоторезист запекают для удаления растворителя.
    • 6 Затем пластина с покрытием помещается под маску первого слоя и облучается светом. Поскольку промежутки между схемами и компонентами настолько малы, ультрафиолетовый свет с очень короткой длиной волны используется для проталкивания крошечных чистых областей на маске.Пучки электронов или рентгеновского излучения также иногда используются для облучения фоторезиста.
    • 7 Маска снимается, и части фоторезиста растворяются. Если использовался позитивный фоторезист, то облучаемые участки растворятся. Если использовался отрицательный фоторезист, то облучаемые участки останутся. Непокрытые области затем либо химически травятся, чтобы открыть слой, либо подвергаются химическому легированию для создания слоя из областей P или N.

    Легирование — атомная диффузия

    • 8 Одним из методов добавления легирующих добавок для создания слоя из областей P или N является диффузия атомов.В этом методе партию вафель помещают в печь, сделанную из кварцевой трубки, окруженной нагревательным элементом. Пластины нагреваются до рабочей температуры около 1500-2200 ° F (816-1205 ° C), а легирующий химикат переносится инертным газом. Когда легирующая добавка и газ проходят по пластинам, она откладывается на горячих поверхностях, оставшихся открытыми в процессе маскирования. Этот метод хорош для легирования относительно больших площадей, но не точен для меньших площадей. Есть также некоторые проблемы с повторным использованием высоких температур при добавлении последовательных слоев.

    Допинг — ионная имплантация

    • 9 Второй метод добавления легирующих веществ — ионная имплантация. В этом методе легирующий газ, такой как фосфин или трихлорид бора, ионизируется, чтобы обеспечить пучок высокоэнергетических ионов легирующей примеси, которые направляются в определенные области пластины. Ионы проникают в пластину и остаются имплантированными. Глубину проникновения можно контролировать, изменяя энергию луча, а количество легирующей примеси можно контролировать, изменяя ток луча и время воздействия.Схематично весь процесс напоминает запуск луча в изогнутой электронно-лучевой трубке . Этот метод настолько точен, что не требует маскировки — он просто указывает и стреляет легирующей примесью там, где это необходимо. Однако это намного медленнее, чем процесс атомной диффузии.

    Создание последовательных слоев

    • 10 Процесс маскирования и травления или легирования повторяется для каждого последующего слоя в зависимости от используемого процесса легирования, пока не будут готовы все микросхемы интегральной схемы.Иногда наносят слой диоксида кремния, чтобы обеспечить изоляцию между слоями или компонентами. Это делается с помощью процесса, известного как химическое осаждение из паровой фазы, при котором поверхность пластины нагревается примерно до 752 ° F (400 ° C), а реакция между газами силаном и кислородом осаждает слой диоксида кремния. Последний слой диоксида кремния герметизирует поверхность, окончательное травление открывает точки контакта, а на контактные площадки наносится слой алюминия. На этом этапе отдельные ИС проверяются на электрическое функционирование.

    Изготовление отдельных ИС

    • 11 Тонкая пластина похожа на кусок стекла. Сотни отдельных чипов разделяются путем нанесения штрихов штриховкой линий тонким алмазным резцом и последующего воздействия на пластину напряжения, заставляющего каждый чип разделиться. Те ИС, которые не прошли электрический тест, выбрасываются. Осмотр под микроскопом выявляет другие микросхемы, которые были повреждены в процессе разделения, и они также выбрасываются.
    • 12 Хорошие ИС по отдельности присоединяются к монтажному корпусу, а тонкие проволочные выводы соединяются посредством ультразвуковой сварки или термокомпрессии.На монтажном пакете указаны идентификационные номера деталей и другая информация.
    • 13 Готовые интегральные схемы запечатаны в антистатические пластиковые пакеты для хранения или отправки конечному пользователю.

    Контроль качества

    Несмотря на контролируемую среду и использование прецизионных инструментов, большое количество микросхем интегральных схем отбраковывается. Хотя процент отбракованных чипов с годами неуклонно снижается, задача создания переплетенной решетки микроскопических схем и компонентов по-прежнему остается сложной, и определенное количество брака неизбежно.

    Опасные материалы и


    Переработка

    Присадки галлий и мышьяк, среди прочего, являются токсичными веществами, и их хранение, использование и утилизация должны строго контролироваться.

    Поскольку интегральные микросхемы очень универсальны, возникла значительная отрасль переработки. Многие микросхемы и другие электронные компоненты снимаются с устаревшего оборудования, тестируются и перепродаются для использования в других устройствах.

    Будущее

    Трудно сказать с какой-либо уверенностью, что ждет интегральную схему в будущем.Изменения в технологии с момента изобретения устройства были быстрыми, но эволюционными. Многие изменения были внесены в архитектуру или компоновку схемы на кристалле, но интегральная схема по-прежнему остается кремниевой.

    Следующий крупный скачок в развитии электронных устройств, если такой скачок случится, может быть связан с совершенно новой схемотехникой. Всегда было известно, что возможно создание более совершенных устройств, чем самый лучший микропроцессор. Человеческий мозг, например, обрабатывает информацию намного эффективнее, чем любой компьютер, и некоторые футуристы предполагают, что следующее поколение схем процессора будет биологическим, а не минеральным.На данный момент подобные вещи стали предметом вымысла. Нет никаких непосредственных признаков того, что интегральная схема находится под угрозой исчезновения.

    Где узнать больше

    Книги

    Брейтуэйт, Николас и Грэм Уивер, ред. Электронные материалы. Butterworths, 1990.

    Gibilisco, Stan. Международная энциклопедия интегральных схем, 2-е изд. Tab Books, подразделение McGraw-Hill, 1992.

    Спинкс, Брайан. Введение в компоновку интегральных схем. Prentice-Hall, 1985.

    Periodicals

    Faggin, Federico. «Рождение микропроцессора». Byte, март 1992 г., стр. 145-50.

    Рош, Винн Л. «Эволюция микропроцессоров ПК». PC Magazine, , 31 января 1989 г., стр. 96-97. #

    Смит, Джина. «Полевое руководство по процессорам». PC / Computing, март 1993 г., стр. 123-30.

    Джоэл Саймон /

    Крис Каветт

    интегральная схема | Infoplease

    интегральная схема (IC), электронная схема, построенная на полупроводниковой подложке, обычно из монокристаллического кремния.Схема, часто называемая микросхемой, упакована в герметичный корпус или негерметичную пластиковую капсулу с выводами, выходящими из нее для ввода, вывода и соединений источника питания, а также для других соединений, которые могут потребоваться при установке устройства. использовать. Интегральные схемы можно разделить на две группы в зависимости от типа содержащихся в них транзисторов. Биполярные интегральные схемы содержат в качестве основных элементов биполярные переходные транзисторы. Интегрированный металл-оксид-полупроводник (МОП) содержит МОП-транзисторы в качестве своих основных элементов.Некоторые интегральные схемы содержат оба типа транзисторов. Интегральные схемы также классифицируются по количеству транзисторов или других активных схемных устройств, которые они содержат. Считается, что ИС использует маломасштабную интеграцию (SSI), если она содержит менее 10 транзисторов. Считается, что ИС, содержащая от 10 до 100 транзисторов, использует интеграцию среднего размера. ИС крупномасштабной интеграции (БИС) содержит от 100 до 1000 транзисторов, а микросхема, использующая очень крупномасштабную интеграцию (СБИС), содержит более 1000 транзисторов.Все ИС теперь используют СБИС, и эти различия имеют только историческое значение. Некоторые интегральные схемы являются аналоговыми устройствами; операционный усилитель является примером. Другие ИС, такие как микропроцессоры, используемые в компьютерах, являются цифровыми устройствами. Некоторые гибридные интегральные схемы содержат как аналоговые, так и цифровые схемы; двусторонний переключатель, который переключает аналоговые сигналы с помощью цифрового управляющего сигнала, является примером гибридной ИС. Функции интегральной схемы практически безграничны. Улучшения в производстве ИС привели к созданию более плотных и функциональных интегральных схем.Например, некоторые микропроцессоры содержат более одного миллиарда транзисторов на своих микросхемах. Более мелкие и плотные чипы также могут обеспечить преимущества в скорости, потому что в высокоскоростных устройствах время, необходимое сигналу для прохождения заданного расстояния, может стать важным фактором. Основные этапы изготовления интегральных схем включают формирование пленки, легирование примесей, фотолитографию, травление и упаковку. См. Микроэлектроника.

    См. M. S. Malone, The Microprocessor: A Biography (1995).

    Колумбийская электронная энциклопедия, 6-е изд. Авторское право © 2012, Columbia University Press. Все права защищены.

    Дополнительные статьи в энциклопедии: Компьютеры и вычислительная техника

    Интегральная схема

    Интегральная схема или монолитная интегральная схема (также называемая ИС, микросхемой или микрочипом) — это набор электронных схем на одной небольшой пластине («микросхеме») из полупроводникового материала, обычно кремния.Ее можно сделать намного меньше, чем дискретная схема, состоящая из независимых электронных компонентов. ИС можно сделать очень компактными, имея до нескольких миллиардов транзисторов и других электронных компонентов на площади размером с ноготь. Ширина каждой проводящей линии в цепи может быть все меньше и меньше по мере развития технологии; в 2008 году он упал ниже 100 нанометров, а сейчас снизился до десятков нанометров.

    Создание

    ИС стало возможным благодаря экспериментальным открытиям, показывающим, что полупроводниковые устройства могут выполнять функции электронных ламп, и технологическим достижениям середины 20-го века в производстве полупроводниковых устройств.Интеграция большого количества крошечных транзисторов в небольшую микросхему была огромным улучшением по сравнению с ручной сборкой схем с использованием дискретных электронных компонентов. Возможности массового производства интегральных схем, надежность и подход к проектированию схем, основанный на использовании строительных блоков, обеспечили быстрое внедрение стандартизированных интегральных схем вместо конструкций с использованием дискретных транзисторов.

    ИС

    имеют два основных преимущества перед дискретными схемами: стоимость и производительность. Стоимость низкая, потому что микросхемы со всеми их компонентами печатаются как единое целое с помощью фотолитографии, а не создаются по одному транзистору за раз.Кроме того, в корпусных ИС используется гораздо меньше материала, чем в дискретных схемах. Производительность высока, потому что компоненты ИС быстро переключаются и потребляют мало энергии (по сравнению с их дискретными аналогами) в результате небольшого размера и непосредственной близости компонентов. По состоянию на 2012 год типичные площади микросхем варьируются от нескольких квадратных миллиметров до примерно 450 мм2, при этом на 1 мм2 приходится до 9 миллионов транзисторов.

    Интегральные схемы используются сегодня практически во всем электронном оборудовании и произвели революцию в мире электроники.Компьютеры, мобильные телефоны и другая цифровая бытовая техника теперь являются неотъемлемой частью структуры современного общества, что стало возможным благодаря низкой стоимости интегральных схем.

    Стираемые интегральные схемы программируемой постоянной памяти. Эти пакеты имеют прозрачное окно, через которое видна матрица внутри. Окно позволяет стирать память, подвергая чип воздействию ультрафиолетового света.

    Интегральная схема из микрочипа памяти СППЗУ, показывающая блоки памяти, поддерживающую схему и тонкие серебряные провода, которые соединяют кристалл интегральной схемы с ножками корпуса.

    Синтетическая деталь интегральной схемы через четыре слоя планаризованной меди межсоединения, вплоть до поликремния (розовый), лунок (сероватый) и подложки (зеленый).

    Содержание

    1 Терминология

    2 Изобретение

    3 поколения

    3.1 SSI, MSI и LSI

    3,2 СБИС

    3.3 ULSI, WSI, SOC и 3D-IC

    4 Достижения в области интегральных схем

    5 Компьютерное проектирование

    6 Классификация

    7 Производство

    7.1 Производство

    7.2 Упаковка

    7.3 Маркировка чипа и дата изготовления

    8 Интеллектуальная собственность

    9 Прочие разработки

    10 Силиконовая маркировка и граффити

    11 ИС и семейств ИС

    Терминология

    Интегральная схема определяется как:

    Схема, в которой все или некоторые элементы схемы неразрывно связаны и электрически взаимосвязаны, так что она считается неделимой для целей строительства и торговли.

    Схемы, отвечающие этому определению, могут быть построены с использованием множества различных технологий, включая тонкопленочные транзисторы, толстопленочные технологии или гибридные интегральные схемы. Однако в общем случае интегральная схема стала обозначать цельную конструкцию схемы, первоначально известную как монолитная интегральная схема.

    Изобретение

    Первые разработки интегральной схемы восходят к 1949 году, когда немецкий инженер Вернер Якоби (Siemens AG) подал патент на полупроводниковое усилительное устройство, подобное интегральной схеме, с пятью транзисторами на общей подложке в трехкаскадном усилителе.Якоби описал маленькие и дешевые слуховые аппараты как типичные промышленные применения своего патента. О немедленном коммерческом использовании его патента не сообщается.

    Идея интегральной схемы была придумана Джеффри В.А. Даммером (1909–2002), ученым-радаром, работавшим в Королевском радиолокационном учреждении Министерства обороны Великобритании. Даммер представил эту идею публике на Симпозиуме по прогрессу в создании качественных электронных компонентов в Вашингтоне, округ Колумбия, 7 мая 1952 года. Он проводил много симпозиумов публично для распространения своих идей и безуспешно пытался построить такую ​​схему в 1956 году.

    Идея-предшественница ИС заключалась в создании небольших керамических квадратов (пластин), каждый из которых содержал один миниатюрный компонент. Затем компоненты могут быть интегрированы и соединены в двумерную или трехмерную компактную сетку. Эта идея, которая казалась очень многообещающей в 1957 году, была предложена американской армии Джеком Килби и привела к недолговечной программе микромодулей (похожей на проект Tinkertoy 1951 года). Однако по мере того, как проект набирал обороты, Килби придумал новый революционный дизайн: IC.

    Оригинальная интегральная схема Джека Килби

    Вновь принятый на работу в Texas Instruments, Килби записал свои первоначальные идеи относительно интегральной схемы в июле 1958 года, успешно продемонстрировав первый работающий интегральный образец 12 сентября 1958 года. В своей патентной заявке от 6 февраля 1959 года Килби описал свое новое устройство как «тело». из полупроводникового материала… в котором все компоненты электронной схемы полностью интегрированы ». Первым заказчиком нового изобретения стали ВВС США.

    Килби получил Нобелевскую премию по физике 2000 года за участие в изобретении интегральной схемы. Его работа была названа вехой IEEE в 2009 году.

    Спустя полгода после Килби Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor разработал свою собственную идею интегральной схемы, которая решила бы многие практические проблемы, которые не решал Килби. Конструкция Нойса была сделана из кремния, а микросхема Килби — из германия. Нойс назвал Курта Леховца из Sprague Electric принципом изоляции p – n-перехода, вызванным действием смещенного p − n-перехода (диода), ключевой концепцией, лежащей в основе ИС.

    Fairchild Semiconductor также являлась домом для первых микросхем с кремниевым затвором и самовыравнивающимися затворами, которые составляют основу всех современных компьютерных микросхем КМОП. Технология была разработана итальянским физиком Федерико Фаггин в 1968 году, который позже присоединился к Intel для разработки самого первого однокристального центрального процессора (ЦП) (Intel 4004), за что он получил Национальную медаль технологий и инноваций в 2010 году.

    Поколения

    На заре простых интегральных схем крупномасштабность технологии ограничивала каждый чип всего несколькими транзисторами, а низкая степень интеграции означала, что процесс проектирования был относительно простым.Урожайность в обрабатывающей промышленности также была довольно низкой по сегодняшним меркам. По мере развития технологии миллионы, а затем и миллиарды транзисторов могли быть размещены на одном кристалле, а хорошие конструкции требовали тщательного планирования, что порождало новые методы проектирования.

    Имя

    Значение

    Год

    Количество транзисторов

    Логические ворота номер

    SSI

    малая интеграция

    1964

    от 1 до 10

    от 1 до 12

    MSI

    средняя интеграция

    1968

    от 10 до 500

    от 13 до 99

    LSI

    крупномасштабная интеграция

    1971

    от 500 до 20 000

    от 100 до 9999

    СБИС

    очень крупномасштабная интеграция

    1980

    от 20 000 до 1 000 000

    от 10 000 до 99 999

    ULSI

    сверхбольшая интеграция

    1984

    1,000,000 и более

    100000 и более

    SSI, MSI и LSI

    Первые интегральные схемы содержали всего несколько транзисторов.Ранние цифровые схемы, содержащие десятки транзисторов, обеспечивали несколько логических вентилей, а ранние линейные ИС, такие как Plessey SL201 или Philips TAA320, имели всего два транзистора. С тех пор количество транзисторов в интегральной схеме резко увеличилось. Термин «крупномасштабная интеграция» (LSI) был впервые использован ученым IBM Рольфом Ландауэром при описании теоретической концепции; [необходима цитата] этот термин дал начало терминам «мелкомасштабная интеграция» (SSI), «средне-масштабная интеграция» (MSI), «очень крупномасштабная интеграция» (VLSI) и «сверхбольшая интеграция» (ULSI).Ранние интегральные схемы были SSI.

    Цепи

    SSI имели решающее значение для первых аэрокосмических проектов, а аэрокосмические проекты помогли вдохновить развитие технологии. И ракета Minuteman, и программа Apollo нуждались в легких цифровых компьютерах для их инерциальных систем наведения; Компьютер наведения Apollo привел и послужил стимулом для создания технологии интегральных схем, в то время как ракета Minuteman вызвала массовое производство. Ракетная программа Minuteman и различные другие программы ВМФ составили в 1962 году общий объем рынка интегральных схем в размере 4 миллионов долларов, а к 1968 году U.S. Государственные расходы на космос и оборону по-прежнему составляли 37% от общего объема производства в 312 миллионов долларов. Спрос со стороны правительства США поддерживал зарождающийся рынок интегральных схем до тех пор, пока затраты не упали настолько, чтобы позволить фирмам проникнуть на промышленные и, в конечном итоге, на потребительские рынки. Средняя цена за интегральную схему упала с 50 долларов в 1962 году до 2,33 долларов в 1968 году. К концу десятилетия интегральные схемы начали появляться в потребительских товарах, типичным применением которых была обработка звука между несущими FM в телевизионных приемниках.

    Первые микросхемы МОП были небольшими интегрированными микросхемами для спутников НАСА.

    Следующим шагом в разработке интегральных схем, предпринятым в конце 1960-х годов, были представлены устройства, содержащие сотни транзисторов на каждом кристалле, что называется «интеграция среднего размера» (MSI).

    В 1964 году Фрэнк Ванласс продемонстрировал спроектированный им однокристальный 16-разрядный регистр сдвига с невероятными (для того времени) 120 транзисторами на одном кристалле.

    Устройства MSI

    были привлекательны с экономической точки зрения, потому что, хотя их производство было немного дороже, чем устройства SSI, они позволяли производить более сложные системы с использованием меньших печатных плат, меньшего количества сборочных работ (из-за меньшего количества отдельных компонентов) и ряда других преимуществ.

    Дальнейшее развитие, обусловленное теми же экономическими факторами, привело к «крупномасштабной интеграции» (LSI) в середине 1970-х годов с десятками тысяч транзисторов на чип.

    Устройства

    SSI и MSI часто изготавливались с помощью масок, созданных путем ручной резки рубилита; инженер будет проверять и проверять комплектность каждой маски. Устройства LSI содержат так много транзисторов, соединительных проводов и других функций, что считается невозможным для человека проверить маски или даже создать оригинальный дизайн полностью вручную; инженер зависит от компьютерных программ и других аппаратных средств для выполнения большей части этой работы.

    Интегральные схемы, такие как 1К-битные ОЗУ, микросхемы калькуляторов и первые микропроцессоры, которые начали производиться в умеренных количествах в начале 1970-х годов, имели менее 4000 транзисторов. Истинные схемы LSI, насчитывающие около 10 000 транзисторов, начали производиться примерно в 1974 году для основной памяти компьютеров и микропроцессоров второго поколения.

    СБИС

    Верхние слои межсоединений на кристалле микропроцессора Intel 80486DX2

    Последним этапом процесса разработки, начавшегося в 1980-х годах и продолжающегося до настоящего времени, была «очень крупномасштабная интеграция» (СБИС).Разработка началась с сотен тысяч транзисторов в начале 1980-х годов и продолжается до нескольких миллиардов транзисторов по состоянию на 2009 год.

    Для достижения этой повышенной плотности потребовались многочисленные разработки. Производители перешли на более мелкие правила проектирования и более чистые производственные мощности, чтобы они могли производить микросхемы с большим количеством транзисторов и поддерживать соответствующий выход. Путь усовершенствования процессов был кратко изложен в Международной дорожной карте технологий для полупроводников (ITRS).Инструменты проектирования достаточно усовершенствованы, чтобы сделать эти проекты практичными в разумные сроки. Более энергоэффективная CMOS заменила NMOS и PMOS, что позволило избежать чрезмерного увеличения энергопотребления.

    В 1986 году были представлены первые одномегабитные микросхемы ОЗУ, содержащие более миллиона транзисторов. Микропроцессорные микросхемы преодолели отметку в миллион транзисторов в 1989 году и миллиард транзисторов в 2005 году. Эта тенденция практически не ослабевает, и в 2007 году были выпущены микросхемы, содержащие десятки миллиардов транзисторов памяти.

    ULSI, WSI, SOC и 3D-IC

    Чтобы отразить дальнейший рост сложности, термин ULSI, который означает «сверхбольшая интеграция», был предложен для микросхем с более чем 1 миллионом транзисторов.

    Интеграция в масштабе пластины (WSI) — это средство построения очень больших интегральных схем, в которых используется вся кремниевая пластина для производства одного «суперкристального». Благодаря сочетанию большого размера и уменьшенной комплектации WSI может привести к значительному снижению затрат для некоторых систем, особенно для суперкомпьютеров с массовым параллелизмом.Название взято из термина «очень крупномасштабная интеграция», текущего состояния на момент разработки WSI.

    Система на кристалле (SoC или SOC) — это интегральная схема, в которой все компоненты, необходимые для компьютера или другой системы, размещены на одном кристалле. Конструкция такого устройства может быть сложной и дорогостоящей, а сборка разрозненных компонентов на одном куске кремния может снизить эффективность некоторых элементов. Однако эти недостатки компенсируются более низкими затратами на изготовление и сборку, а также значительным сокращением бюджета мощности: поскольку сигналы между компонентами хранятся на кристалле, требуется гораздо меньше энергии.

    Трехмерная интегральная схема (3D-IC) состоит из двух или более слоев активных электронных компонентов, которые интегрированы как по вертикали, так и по горизонтали в единую схему. Для связи между уровнями используется передача сигналов на кристалле, поэтому потребляемая мощность намного ниже, чем в эквивалентных отдельных схемах. Разумное использование коротких вертикальных проводов может существенно уменьшить общую длину провода и ускорить работу.

    Достижения в области интегральных схем

    ИС

    на протяжении многих лет последовательно переходили на более мелкие функции, позволяя разместить больше схем на каждой микросхеме.Эту увеличенную емкость на единицу площади можно использовать для снижения стоимости или увеличения функциональности — см. Закон Мура, который в его современной интерпретации гласит, что количество транзисторов в интегральной схеме удваивается каждые два года. В общем, с уменьшением размера элемента улучшается почти все — стоимость единицы и потребляемая мощность переключения снижаются, а скорость увеличивается. Однако ИС с устройствами нанометрового размера не лишены проблем, основной из которых является ток утечки, хотя инновации в диэлектриках с высоким κ направлены на решение этих проблем.Поскольку такое увеличение скорости и энергопотребления очевидно для конечного пользователя, между производителями идет жесткая конкуренция за использование более тонких геометрических фигур. Этот процесс и ожидаемый прогресс в ближайшие несколько лет описан в Международной дорожной карте технологий для полупроводников (ITRS).

    Кристалл от Intel 8742, 8-битного микроконтроллера, который включает в себя ЦП, работающий на частоте 12 МГц, 128 байт ОЗУ, 2048 байт СППЗУ и ввод / вывод в том же чипе

    Среди наиболее совершенных интегральных схем — микропроцессоры или «ядра», которые контролируют все, от компьютеров и сотовых телефонов до цифровых микроволновых печей.Микросхемы цифровой памяти и специализированные интегральные схемы (ASIC) являются примерами других семейств интегральных схем, которые важны для современного информационного общества. Хотя стоимость проектирования и разработки сложной интегральной схемы довольно высока, при распределении, как правило, на миллионы производственных единиц, стоимость отдельной ИС минимизируется. Производительность микросхем высока, потому что небольшой размер позволяет использовать короткие трассы, что, в свою очередь, позволяет использовать логику с низким энергопотреблением (например, CMOS) при высоких скоростях переключения.

    В текущих исследовательских проектах интегральные схемы также разрабатываются для сенсорных приложений в медицинских имплантатах или других биоэлектронных устройствах. В таких биогенных средах необходимо применять специальные методы герметизации, чтобы избежать коррозии или биоразложения открытых полупроводниковых материалов. Как один из немногих материалов, хорошо зарекомендовавших себя в КМОП-технологии, нитрид титана (TiN) оказался исключительно стабильным и хорошо подходящим для электродов в медицинских имплантатах.

    Компьютерное проектирование

    Классификация

    A CMOS 4511 IC в DIP

    Интегральные схемы

    можно разделить на аналоговые, цифровые и смешанные сигналы (как аналоговые, так и цифровые на одном кристалле).

    Цифровые интегральные схемы

    могут содержать от одного до миллионов логических вентилей, триггеров, мультиплексоров и других схем в несколько квадратных миллиметров.Небольшой размер этих схем обеспечивает высокую скорость, низкое рассеивание мощности и снижение стоимости производства по сравнению с интеграцией на уровне платы. Эти цифровые ИС, обычно микропроцессоры, DSP и микроконтроллеры, работают с использованием двоичной математики для обработки сигналов «единица» и «ноль».

    Аналоговые ИС

    , такие как датчики, схемы управления питанием и операционные усилители, работают путем обработки непрерывных сигналов. Они выполняют такие функции, как усиление, активная фильтрация, демодуляция и микширование.Аналоговые ИС облегчают задачу проектировщиков схем, поскольку имеют в наличии аналоговые схемы, разработанные экспертами, вместо того, чтобы разрабатывать сложные аналоговые схемы с нуля.

    Микросхемы

    могут также объединять аналоговые и цифровые схемы на одной микросхеме для создания таких функций, как аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи. Такие схемы со смешанными сигналами имеют меньший размер и меньшую стоимость, но должны тщательно учитывать помехи сигнала.

    Современные дистрибьюторы электронных компонентов часто делят на подкатегории огромное разнообразие интегральных схем, доступных в настоящее время:

    Цифровые ИС

    далее подразделяются на логические ИС, микросхемы памяти, интерфейсные ИС (переключатели уровня, сериализатор / десериализатор и т. Д.), ИС управления питанием и программируемые устройства.

    Аналоговые ИС далее подразделяются на линейные ИС и РЧ ИС.

    Интегральные схемы

    со смешанными сигналами далее подразделяются на ИС сбора данных (включая аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи, цифровые потенциометры) и ИС синхронизации / синхронизации.

    Производство

    Производство

    Рендеринг небольшой стандартной ячейки с тремя металлическими слоями (диэлектрик удален).Конструкции песочного цвета представляют собой металлические межсоединения, при этом вертикальные стойки представляют собой контакты, как правило, из вольфрама. Красноватые структуры — это вентили из поликремния, а твердое вещество внизу — это объем кристаллического кремния.

    Схематическая структура КМОП-микросхемы, созданной в начале 2000-х годов. На графике показаны LDD-MISFET на подложке SOI с пятью слоями металлизации и паяным выступом для соединения с перевернутым кристаллом. Он также показывает раздел для FEOL (внешний интерфейс линии), BEOL (внутренний конец строки) и первые части внутреннего процесса.

    Полупроводники периодической таблицы химических элементов были определены как наиболее вероятные материалы для твердотельной вакуумной лампы. Начиная с оксида меди, заканчивая германием, а затем кремнием, материалы систематически изучались в 1940-х и 1950-х годах. Сегодня монокристаллический кремний является основной подложкой, используемой для ИС, хотя некоторые соединения III-V периодической таблицы, такие как арсенид галлия, используются для специализированных приложений, таких как светодиоды, лазеры, солнечные элементы и высокоскоростные интегральные схемы.Потребовались десятилетия, чтобы усовершенствовать методы создания кристаллов без дефектов кристаллической структуры полупроводникового материала.

    Полупроводниковые ИС изготавливаются по принципу послойного изготовления, который включает три основных этапа процесса — формирование изображения, осаждение и травление. Основные этапы процесса дополняются легированием и очисткой.

    В качестве подложки используются пластины монокристаллического кремния (или для специальных применений кремний на сапфировых пластинах или пластинах арсенида галлия). Фотолитография используется для маркировки различных участков подложки, подлежащих легированию, или для нанесения на них поликремния, изоляторов или металлических (обычно алюминиевых) дорожек.

    • Интегральные схемы состоят из множества перекрывающихся слоев, каждый из которых определяется фотолитографией и обычно отображается разными цветами. Некоторые слои отмечают, где различные легирующие примеси диффундируют в подложку (называемые диффузионными слоями), некоторые определяют места имплантации дополнительных ионов (слои имплантата), некоторые определяют проводники (слои поликремния или металла), а некоторые определяют связи между проводящими слоями ( сквозные или контактные слои). Все компоненты состоят из определенной комбинации этих слоев.
    • В процессе самовыравнивания CMOS транзистор формируется везде, где слой затвора (поликремний или металл) пересекает диффузионный слой.
    • Емкостные структуры, по форме очень похожие на параллельные проводящие пластины традиционного электрического конденсатора, сформированы в соответствии с площадью «пластин» с изоляционным материалом между пластинами. На ИС распространены конденсаторы самых разных размеров.
    • Изогнутые полосы различной длины иногда используются для формирования резисторов на кристалле, хотя для большинства логических схем резисторы не требуются.Отношение длины резистивной структуры к ее ширине в сочетании с удельным сопротивлением листа определяет сопротивление.
    • Реже индуктивные структуры могут быть построены в виде крошечных катушек на кристалле или смоделированы гираторами.

    Поскольку устройство CMOS потребляет ток только при переходе между логическими состояниями, устройства CMOS потребляют гораздо меньше тока, чем биполярные устройства.

    Оперативная память — наиболее обычный тип интегральной схемы; устройства самой высокой плотности, таким образом, являются воспоминаниями; но даже микропроцессор будет иметь память на кристалле.Несмотря на то, что структуры сложны — с шириной, которая сокращается в течение десятилетий, — слои остаются намного тоньше, чем ширина устройства. Слои материала изготавливаются так же, как фотографический процесс, хотя световые волны в видимом спектре не могут использоваться для «обнажения» слоя материала, так как они будут слишком большими для деталей. Таким образом, фотоны более высоких частот (обычно ультрафиолетовые) используются для создания рисунков для каждого слоя. Поскольку каждая деталь настолько мала, электронные микроскопы являются незаменимыми инструментами для инженера-технолога, который может отлаживать производственный процесс.

    Каждое устройство перед упаковкой тестируется с использованием автоматизированного испытательного оборудования (ATE) в процессе, известном как тестирование пластины или зондирование пластины. Затем пластина разрезается на прямоугольные блоки, каждый из которых называется матрицей. Затем каждый исправный кристалл соединяется в корпус с помощью алюминиевых (или золотых) соединительных проводов, которые термосонически прикрепляются к контактным площадкам, обычно расположенным по краю кристалла. . Термозвуковая связь была впервые представлена ​​А. Кукуласом, которая предоставила надежные средства для создания этих жизненно важных электрических соединений с внешним миром.После упаковки устройства проходят финальное тестирование на том же или аналогичном ATE, используемом во время зондирования пластины. Также можно использовать промышленное компьютерное сканирование. Стоимость испытаний может составлять более 25% стоимости изготовления более дешевых продуктов, но может быть незначительной для низкопроизводительных, больших или более дорогих устройств.

    По состоянию на 2005 год строительство завода (обычно известного как фабрика по производству полупроводников) обходилось более чем в 1 миллиард долларов США. Стоимость производственного объекта со временем растет (закон Рока), потому что большая часть операций автоматизирована.Сегодня в самых передовых процессах используются следующие методы:

    • Вафли диаметром до 300 мм (шире обычной обеденной тарелки).
    • Использование процесса производства микросхем размером 32 нанометра или меньше. Intel, IBM, NEC и AMD используют ~ 32 нанометра для своих процессоров. IBM и AMD представили иммерсионную литографию для своих 45 нм процессов
    • Медные межкомпонентные соединения, в которых медная проводка заменяет алюминий в межсоединениях.
    • Изоляторы диэлектрические Low-K.
    • Кремний на изоляторе (КНИ)
    • Напряженный кремний в процессе, используемом IBM, известном как напряженный кремний непосредственно на изоляторе (SSDOI)
    • Многозатворные устройства, такие как транзисторы с тройным затвором, которые Intel производит с 2011 года по 22-нм техпроцессу.

    Упаковка

    Советская микросхема nMOS от MSI, изготовленная в 1977 году, часть четырехчипового калькулятора, разработанного в 1970 году

    Самые ранние интегральные схемы были упакованы в керамические плоские блоки, которые продолжали использоваться военными из-за их надежности и малых размеров в течение многих лет.Коммерческая упаковка схем быстро перешла на двухрядную установку (DIP), сначала из керамики, а затем из пластика. В 1980-х годах количество выводов в схемах СБИС превысило практический предел для корпусов DIP, что привело к корпусам с матрицами выводов (PGA) и безвыводными держателями микросхем (LCC). Корпуса для поверхностного монтажа появились в начале 1980-х и стали популярными в конце 1980-х, с использованием более мелкого шага выводов с выводами в форме крыла чайки или J-образных выводов, примером чего является интегральная схема с малым контуром — носитель, занимающий площадь около 30 см. –50% меньше, чем у эквивалентного DIP, с типичной толщиной на 70% меньше.Эта упаковка имеет выводы типа «крыло чайки», выступающие с двух длинных сторон, и расстояние между выводами 0,050 дюйма.

    В конце 90-х годов прошлого века корпуса из пластикового квадрокоптера (PQFP) и тонкого корпуса с малыми габаритами (TSOP) стали наиболее распространенными для устройств с большим количеством выводов, хотя корпуса PGA по-прежнему часто используются для высокопроизводительных микропроцессоров. Intel и AMD в настоящее время переходят от пакетов PGA на высокопроизводительных микропроцессорах к пакетам наземных сетей (LGA).

    Корпуса с шариковой решеткой (BGA) существуют с 1970-х годов.Пакеты Flip-chip Ball Grid Array, которые позволяют использовать гораздо большее количество выводов, чем корпуса других типов, были разработаны в 1990-х годах. В корпусе FCBGA кристалл устанавливается в перевернутом положении (переворачивается) и подключается к шарикам корпуса через подложку корпуса, которая похожа на печатную плату, а не с помощью проводов. Пакеты FCBGA позволяют распределить массив сигналов ввода-вывода (называемый Area-I / O) по всему кристаллу, а не ограничиваться его периферией.

    Следы, выходящие из кристалла, через корпус и в печатную плату, имеют очень разные электрические свойства по сравнению с сигналами на кристалле.Они требуют специальных методов проектирования и требуют гораздо больше электроэнергии, чем сигналы, поступающие в сам чип.

    Когда несколько матриц помещаются в один пакет, это называется SiP, что означает «система в пакете». Когда несколько матриц объединяются на небольшой подложке, часто керамической, это называется MCM или Multi-Chip Module. Иногда различие между большим MCM и маленькой печатной платой нечеткое.

    Маркировка чипа и дата изготовления

    Большинство интегральных схем, достаточно больших, чтобы содержать идентифицирующую информацию, включают четыре общих раздела: название или логотип производителя, номер детали, номер партии и серийный номер детали, а также четырехзначный код, указывающий, когда был изготовлен чип.Очень маленькие технологические детали для поверхностного монтажа часто имеют только номер, который используется в справочной таблице производителя для определения характеристик микросхемы.

    Дата изготовления обычно представлена ​​двузначным годом, за которым следует двузначный код недели, так что деталь с кодом 8341 была изготовлена ​​на 41 неделе 1983 года, или приблизительно в октябре 1983 года.

    Интеллектуальная собственность

    Возможность копирования путем фотографирования каждого слоя интегральной схемы и подготовки фотошаблонов для их производства на основе полученных фотографий является основной причиной введения законодательства о защите макетов.Закон о защите полупроводниковых чипов (SCPA) 1984 года установил новый тип защиты интеллектуальной собственности для масок, закрепленных в полупроводниковых чипах. Это было сделано путем внесения поправок в заголовок 17 главы 9 Соединенных Штатов.

    В 1989 г. в Вашингтоне, округ Колумбия, состоялась дипломатическая конференция, на которой был принят Договор об интеллектуальной собственности в отношении интегральных схем (Договор IPIC).

    Договор об интеллектуальной собственности в отношении интегральных схем, также называемый Вашингтонским договором или договором IPIC (подписанный в Вашингтоне 26 мая 1989 г.), в настоящее время не вступил в силу, но был частично интегрирован в соглашение ТРИПС.

    В ряде стран приняты национальные законы, защищающие топологии ИС.

    Прочие разработки

    В 1980-х годах были разработаны устройства с программируемой логикой. Эти устройства содержат схемы, логические функции и возможности подключения которых могут быть запрограммированы пользователем, а не фиксироваться производителем интегральных схем. Это позволяет программировать одну микросхему для реализации различных функций типа LSI, таких как логические вентили, сумматоры и регистры.Современные устройства, называемые программируемыми вентильными матрицами, могут реализовывать десятки тысяч параллельных схем LSI и работать на частоте до 1,5 ГГц.

    Методы, усовершенствованные индустрией интегральных схем за последние три десятилетия, использовались для создания очень маленьких механических устройств, приводимых в действие электричеством, с использованием технологии, известной как микроэлектромеханические системы. Эти устройства используются в различных коммерческих и военных приложениях. Примеры коммерческих приложений включают DLP-проекторы, струйные принтеры, акселерометры и гироскопы MEMS, используемые для установки автомобильных подушек безопасности.

    По состоянию на 2014 год подавляющее большинство всех транзисторов изготавливается в виде одного слоя на одной стороне кремниевого кристалла в плоском 2-мерном плоском процессе. Исследователи создали прототипы нескольких многообещающих альтернатив, таких как:

    • Изготовление транзисторов на всей поверхности небольшой кремниевой сферы.
    • различные подходы к набору нескольких слоев транзисторов для создания трехмерной интегральной схемы, такие как сквозные кремниевые переходники, «монолитное трехмерное изображение», многослойное соединение проводов и т. Д.
    • транзисторы, изготовленные из других материалов: графеновые транзисторы, молибденитовые транзисторы, полевые транзисторы из углеродных нанотрубок, транзисторы из нитрида галлия, транзисторные электронные устройства с нанопроволокой, органические полевые транзисторы и т. Д.
    • модификаций подложки, как правило, для создания «гибких транзисторов» для гибкого дисплея или другой гибкой электроники, что может привести к откатывающемуся компьютеру.

    Раньше радиоприемники нельзя было изготавливать с помощью тех же недорогих технологий, что и микропроцессоры.Но с 1998 года большое количество радиочипов было разработано с использованием процессов CMOS. Примеры включают беспроводной телефон Intel DECT или карту 802.11 Atheros.

    Будущие разработки, похоже, будут следовать парадигме многоядерных многоядерных процессоров, уже используемой в двухъядерных процессорах Intel и AMD. Rapport Inc. и IBM начали поставки KC256 в 2006 году, 256-ядерный микропроцессор. Не далее как в феврале – августе 2011 года Intel представила прототип микросхемы «не для коммерческой продажи» с 80 ядрами.Каждое ядро ​​способно выполнять свою задачу независимо от других. Это является ответом на ограничение тепловыделения по отношению к скорости, которое должно быть достигнуто с использованием существующей транзисторной технологии. Такая конструкция представляет собой новую проблему для программирования микросхем. Языки параллельного программирования, такие как язык программирования X10 с открытым исходным кодом, призваны помочь в решении этой задачи.

    С начала 2000-х годов интеграция оптических функций (оптических вычислений) в кремниевые чипы активно проводилась как в академических исследованиях, так и в промышленности, что привело к успешной коммерциализации кремниевых интегрированных оптических трансиверов, объединяющих оптические устройства (модуляторы, детекторы, маршрутизация). с электроникой на основе КМОП.

    Силиконовая маркировка и граффити

    Для идентификации во время производства у большинства кремниевых чипов в одном углу будет серийный номер. Также распространено добавление логотипа производителя. С тех пор, как были созданы ИС, некоторые разработчики микросхем использовали поверхность кремния для скрытых, нефункциональных изображений или слов. Иногда это называют чип-артом, силиконовым искусством, силиконовым граффити или силиконовым рисунком.

    ИС и семейства ИС

    • Таймер 555 IC
    • Операционный усилитель 741
    • Блоки логики TTL серии 7400
    • серия 4000, аналог КМОП серии 7400
    • Intel 4004, первый в мире микропроцессор, который привел к знаменитому процессору 8080, а затем к IBM PC 8088, 80286, 486 и т. Д.
    • Микропроцессоры MOS Technology 6502 и Zilog Z80, использовавшиеся во многих домашних компьютерах в начале 1980-х годов.
    • Серия компьютерных микросхем Motorola 6800, ведущая к сериям 68000 и 88000 (использовалась в некоторых компьютерах Apple и в серии Commodore Amiga 1980-х годов).
    • Аналоговые интегральные схемы серии LM.

    Источник статьи: www.wikipedia.com

    Что означает интегральная схема?

    Интегральная схема

    Интегральная схема или монолитная интегральная схема (также называемая ИС, микросхемой или микрочипом) представляет собой набор электронных схем на одной маленькой плоской детали (или «микросхеме») из полупроводникового материала, обычно кремний.Интеграция большого количества крошечных транзисторов в небольшую микросхему приводит к созданию схем, которые на порядки меньше, дешевле и быстрее, чем схемы, построенные из дискретных электронных компонентов. Возможности массового производства, надежность и блочный подход к проектированию микросхем обеспечили быстрое внедрение стандартизированных ИС вместо конструкций с использованием дискретных транзисторов. ИС теперь используются практически во всем электронном оборудовании и произвели революцию в мире электроники.Компьютеры, мобильные телефоны и другая цифровая бытовая техника теперь являются неотъемлемой частью структуры современного общества, что стало возможным благодаря небольшому размеру и низкой стоимости ИС. Интегральные схемы стали практичными благодаря технологическим достижениям середины 20-го века в производстве полупроводниковых устройств. С момента своего появления в 1960-х годах размеры, скорость и емкость микросхем значительно выросли благодаря техническим достижениям, которые позволяют устанавливать все больше и больше транзисторов на микросхемы того же размера — современные микросхемы могут иметь много миллиардов транзисторов в области размером с человеческий ноготь.Благодаря этим достижениям, примерно следуя закону Мура, современные компьютерные чипы обладают в миллионы раз большей емкостью и в тысячи раз большей скоростью, чем компьютерные чипы начала 1970-х годов. ИС имеют два основных преимущества перед дискретными схемами: стоимость и производительность. Стоимость низкая, потому что микросхемы со всеми их компонентами печатаются как единое целое с помощью фотолитографии, а не создаются по одному транзистору за раз. Кроме того, в корпусных ИС используется гораздо меньше материала, чем в дискретных схемах. Производительность высока, потому что компоненты ИС быстро переключаются и потребляют сравнительно мало энергии из-за своего небольшого размера и непосредственной близости.Главный недостаток ИС — высокая стоимость их проектирования и изготовления необходимых фотошаблонов. Такая высокая начальная стоимость означает, что интегральные схемы применимы только тогда, когда ожидаются большие объемы производства.

    Что такое IC?

    Обновлено: 30.06.2019 компанией Computer Hope

    IC может относиться к любому из следующего:

    1. Альтернативно обозначается как «голая микросхема » , монолитная интегральная схема или микрочип , IC сокращенно для интегральной схемы или интегральной микросхемы .ИС представляет собой пакет, содержащий кремний с множеством схем, логических вентилей, цепей, транзисторов и других компонентов, работающих вместе для выполнения определенной функции или ряда функций. Интегральные схемы — это строительные блоки компьютерного оборудования.

    На рисунке показан пример нескольких интегральных схем. Поскольку ИС хрупкая, ее часто заключают в пластиковый корпус с металлическими штырями, выходящими из него для подключения к печатной плате. ИС может быть упакована как SIP (одинарная линейная упаковка), DIP (двойная линейная упаковка), PLCC (пластиковая несущая пластина для микросхем) или другого типа.

    Когда была впервые создана ИС?

    Интегральная схема была впервые представлена ​​как концепция британским радиолокационным инженером Джеффри Даммером 7 мая 1952 года. Технология IC была позже разработана Джеком Килби и Робертом Нойсом и успешно продемонстрирована 12 сентября 1958 года.

    Поколения интегральных схем

    С момента их создания появилось много различных поколений интегральных схем с увеличением количества транзисторов и логических вентилей на микросхему.Ниже приведен список каждого поколения и примерная емкость каждого чипа.

    • SSI ( малой интеграции ) — от 1 до 10 транзисторов и от 1 до 12 логических вентилей.
    • MSI ( средней интеграции ) — от 10 до 500 транзисторов и от 13 до 99 логических вентилей.
    • LSI ( крупномасштабная интеграция ) — от 500 до 20 000 транзисторов и от 100 до 9 999 логических вентилей.
    • VLSI ( очень крупномасштабная интеграция ) — от 20 000 до 1 000 000 транзисторов и от 10 000 до 99 999 логических вентилей.
    • ULSI ( сверхбольшая интеграция ) — более 1000000 транзисторов и 100000 логических вентилей.

    2. В ролевых играх IC является сокращением от в иероглифе . IC используется для описания игрока, разыгрывающего роль своего персонажа в игре, а не для разговора о вещах, не связанных с игрой.

    3. В чатах IC является сокращением для , я вижу . Он также может быть сокращен как OIC , что является сокращением от Oh I See .Ниже приведен пример того, как это можно использовать в чате.

    Пользователь1: Что означает ЦП?
    Пользователь2: центральный процессор
    Пользователь1: OIC

    Условия чата, Схема, Условия использования электроники, Fab, Условия игры, Условия оборудования, Интегрированный, MOSFET, OOC, PCB, RTC, ULSI

    Интегральная схема

    — Embedded Artistry

    «Кремниевый чип» перенаправляется сюда. Для журнала электроники см Silicon Chip. Интегральная схема из микрочипа памяти EPROM, показывающая блоки памяти, поддерживающие схемы и тонкие серебряные провода, которые соединяют кристалл интегральной схемы с ножками корпуса Виртуальная деталь интегральной схемы через четыре слоя планаризованного медного межсоединения, вплоть до поликремния (розовый), лунок (сероватый) и подложки (зеленый)

    Интегральная схема или монолитная интегральная схема (также называемая IC , микросхема или микросхема ) представляет собой набор электронных схем на одной маленькой плоской детали (или «микросхеме») из полупроводникового материала, который обычно является кремнием.Интеграция большого количества крошечных МОП-транзисторов в небольшую микросхему приводит к созданию схем, которые на порядки меньше, быстрее и дешевле, чем схемы, построенные из дискретных электронных компонентов. Возможности массового производства, надежность и структурный подход к проектированию микросхем обеспечили быстрое внедрение стандартизированных ИС вместо конструкций с использованием дискретных транзисторов. ИС теперь используются практически во всем электронном оборудовании и произвели революцию в мире электроники.Компьютеры, мобильные телефоны и другая цифровая бытовая техника теперь являются неотъемлемой частью структуры современного общества, что стало возможным благодаря небольшому размеру и низкой стоимости ИС.

    Интегральные схемы стали практическими благодаря технологическим достижениям в производстве полупроводниковых устройств металл – оксид – кремний (МОП). С момента своего появления в 1960-х годах размер, скорость и емкость микросхем значительно выросли благодаря техническим достижениям, которые позволяют устанавливать все больше и больше МОП-транзисторов на микросхемы того же размера — современный чип может иметь много миллиардов МОП-транзисторов в одном корпусе.

    Оставить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *