Интегральные микросхемы — это

История

Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.

В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробовать их объединить на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.

Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова.

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов — эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).

Идея устройства интегральной схемы

Идея устройства микросхемы состояла в том, чтобы взять полную схему со всеми многочисленными электронными компонентами и связями, с последующим воссозданием в микроскопической форме на поверхности куска кремния. Благодаря этой идее появились всевозможные виды «микроэлектронных» гаджетов, которые сейчас воспринимаются как должное:

• цифровые часы,
• карманные калькуляторы,
• космические ракеты,
• спутниковая навигация и многое другое.

Интегральные схемы произвели настоящую революцию в электронике и вычислительной технике в период 1960 — 1970-х годов. Постепенно интегральные схемы модернизировались, что сопровождалось увеличением масштабов интеграции электронных компонентов при сохранении (и даже уменьшении) малых габаритных размеров:

• Маломасштабная интеграция (SSI)
• Среднемасштабная интеграция (MSI)
• Крупномасштабная интеграция (LSI)
• Очень крупномасштабная интеграция (VLSI)
• Ультра крупномасштабная интеграция (ULSI)

Чем являются логические интегральные схемы (ИС)

По сути, это микроэлектронное устройство, которое базируется на кристалле произвольной сложности, что изготовлено на полупроводниковой плёнке или пластине. Оно помещается в неразборный корпус (хотя может обойтись и без него, но только когда он является частью микросборки). Первая интегральная схема была запатентована в 1968 году. Это стало своеобразным прорывом в промышленности, хотя предоставленное устройство и не очень сильно соответствовало современным представлениям по своим параметрам. Интегральные схемы в массе своей изготавливаются для поверхностного монтажа. Часто под ИС понимают один только кристалл или плёнку. Наибольшее распространение получила интегральная схема на пластине кремния. Так вышло, что его применение в промышленности имеет ряд преимуществ, например, эффективность передачи сигналов.

Что такое интегральная микросхема

Интегральная микросхема — это миниатюрный электронный блок, содержащий в общем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные-элементы, число которых может достигать нескольких десятков тысяч.

Одна микросхема может заменить целый блок радиоприемника, электронной вычислительной машины (ЭВМ) и электронного автомата. «Механизм» наручных электронных часов, например, — это всего лишь одна большей микросхема.

По своему функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на две основные группы: аналоговые, или линейно-импульсные, и логические, или цифровые, микросхемы.

Аналоговые микросхемы предназначаются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот, например, для приемников, усилителей, а логические — для использования в устройствах автоматики, в приборах с цифровым отсчетом времени, в ЭВМ.

Этот практикум посвящается знакомству с устройством, принципом работы и возможным применением самых простых аналоговых и логических интегральных микросхем.

Уровни проектирования

• Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.
• Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.).
• Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).
• Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехническая схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.).
• Топологический — топологические фотошаблоны для производства.
• Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) — команды ассемблера для программиста.

В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

Как создаются интегральные схемы?

Как изготовить чип памяти или процессор компьютера? Процесс производства начинается с химического элемента — кремния, который химически обрабатывается (легируется) для придания различных электрических свойств.

ЧИП ПАМЯТИ

Современное исполнение интегральной схемы (одна из многочисленных форм), установленной на электронной плате устройства. Это далеко не самый продвинутый вариант, а лишь один из многих

Традиционно для нужд электроники используются материалы двух категорий:

1. Проводники.
2. Изоляторы.

Но технически всё сложнее, особенно когда дело касается определенных элементов середины таблицы Менделеева (группы 14 и 15), в частности, кремния и германия. Что примечательно — материалы изоляторы способны переходить в разряд проводников, если к этим материалам добавить некоторое количество примесей. Процесс, известный как легирование.

Производство.

Изготовление интегральной схемы может занимать до двух месяцев, поскольку некоторые области полупроводника нужно легировать с высокой точностью. В ходе процесса, называемого выращиванием, или вытягиванием, кристалла, сначала получают цилиндрическую заготовку кремния высокой чистоты. Из этого цилиндра нарезают пластины толщиной, например, 0,5 мм. Пластину в конечном счете режут на сотни маленьких кусочков, называемых чипами, каждый из которых в результате проведения описываемого ниже технологического процесса превращается в интегральную схему.

Процесс обработки чипов начинается с изготовления масок каждого слоя ИС. Выполняется крупномасштабный трафарет, имеющий форму квадрата площадью ок. 0,1 м2. На комплекте таких масок содержатся все составляющие части ИС: уровни диффузии, уровни межсоединений и т.п. Вся полученная структура фотографически уменьшается до размера кристаллика и воспроизводится послойно на стеклянной пластине. На поверхности кремниевой пластины выращивается тонкий слой двуокиси кремния. Каждая пластина покрывается светочувствительным материалом (фоторезистом) и экспонируется светом, пропускаемым через маски. Неэкспонированные участки светочувствительного покрытия удаляют растворителем, а с помощью другого химического реагента, растворяющего двуокись кремния, последний вытравливается с тех участков, где он теперь не защищен светочувствительным покрытием. Варианты этого базового технологического процесса используются в изготовлении двух основных типов транзисторных структур: биполярных и полевых (МОП).

Основные виды современных микросхем

Важно понимать, что прогресс не стоит на месте: с каждым годом список основных видов микросхем терпит значительные изменения, кроме того, расширяется их ассортимент.

Типы микросхем различны, в зависимости от основных критериев оценки.

По назначению:

1. Цифровые. Необходимы для обработки специального сигнала, выраженного в цифровом коде. Имеют значительное количество преимуществ перед другими видами: меньшие затраты на употребление электроэнергии, кроме того, имеют большую устойчивость к возникновениям помех.

Цифровые микросхемы нередко используются в различных вычислительных машинах, таких как: система автоматики, электронно-вычислительная техника и многих других.

2. Аналоговые. Предназначены для обработки и преобразования сигнала, поступающего непрерывно. Аналоговые микросхемы имеют высокие показатели производительности. Часто используются в таких популярных устройствах как:

 Видеомагнитофоны.

 Телевизоры.

 Преобразователи звуковых частот.

 В различных стабилизаторах напряжения.

 В датчиках.

 Операционные усилители.

3. Аналого-цифровые. Являются настоящим гибридом двух, представленных выше, микросхем. Они пользуются большой популярностью из-за повышенных показателей производительности, кроме того, они совмещают положительные характеристики сразу двух видов микросхем. Именно они используются при создании большинства современной техники, такой как:

 Модуляторы и демодуляторы.

 Коммутаторы.

 Генераторы и восстановители частот.

По типу конструкции:

1. Пленочные. Это микросхемы, для изготовления которых используют специальную методику. Кроме того, все соединительные элементы представляют собой специальный пленочный слой. Существуют определенные подразделения на два вида: тонкопленочные и толстопленочные, отличающиеся по толщине пленочного слоя.

2. Полупроводниковые микросхемы используются не так часто, для их изготовления используют пластмассу (чаще всего эпоксидной смолой) со специальными проволочными или ленточными выводами, обеспечивающими производительность устройства.

3. Гибридные. Более сложные по исполнению устройства, для изготовления которых используются не только популярные пленки и подложки, но и менее распространенные навесные материалы (например, различные кристаллы).

По типу корпуса:

1. Корпусные. При таком типе исполнения микросхема помещается в специальный корпус (материал, из которого он изготовлен, может быть выбран производителем). Такой вид не пользуется особой популярностью в повседневной жизни. Чаще всего микросхему помещают в корпус для того, чтобы избежать поломки или деформации отдельных частей при транспортировке.

Корпусные микросхемы используются для транспортировки больших партий товара. В любом другом случае изготовителю дешевле изготовить бескорпусные микросхемы.

2. Бескорпусные микросхемы. Чаще всего используются именно бескорпусные модели. Микросхема не помещается в корпус, в таком случае для защиты все части заливают специальной краской или компаундом. Именно это позволяет защитить кристалл от повреждений или любых других негативных влияний окружающей среды.

Такие конструкции выпускаются специально для установки в гибридную схему или предварительную микросборку.

При выборе микросхемы, следует учитывать все преимущества и недостатки основных видов. Отельные технические приспособления нуждаются в определенных микросхемах, для того, чтобы подобрать необходимую модель, необходимо получить профессиональную консультацию специалистов данной сферы. В таком случае, выбираемое вами устройство прослужит долгое время.

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

• Операционные усилители
• Генераторы сигналов
• Фильтры (в том числе на пьезоэффекте)
• Аналоговые умножители
• Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители
• Стабилизаторы источников питания
• Микросхемы управления импульсных блоков питания
• Преобразователи сигналов
• Схемы синхронизации
• Различные датчики (температуры и др.)

Цифровые схемы

• Логические элементы
• Триггеры
• Счётчики
• Регистры
• Буферные преобразователи
• Модули памяти
• Шифраторы
• Дешифраторы
• Микроконтроллеры
• (Микро)процессоры (в том числе ЦПУ в компьютере)
• Однокристальные микрокомпьютеры
• ПЛИС — программируемые логические интегральные схемы

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

• Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором — через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.
• Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например 2,5 — 5 В) и низкого (0 — 0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что мало вероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.
• Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

Аналогово-цифровые схемы

• ЦАП и АЦП
• ЦВС
• Трансиверы (например, преобразователь интерфейса RS422)
• Модуляторы и демодуляторы
  • Радиомодемы
  • Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста
  • Трансиверы Fast
  • Dial-Up модемы
  • Приёмники цифрового ТВ
  • Сенсор оптической мыши
• Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах
• Цифровые аттенюаторы
• Схемы ФАПЧ с последовательным интерфейсом
• Коммутаторы
• Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации
• БМК — базовый матричный кристалл, содержащий как аналоговые, так и цифровые первичные элементы

Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия — это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Корпуса

Корпуса интегральных микросхем, предназначенные для поверхностного монтажа

 
Микросборка с бескорпусной микросхемой, разваренной на печатной плате

Корпус микросхемы — это конструкция, предназначенная для защиты кристалла микросхемы от внешних воздействий, а также для удобства монтажа микросхемы в электронную схему. Содержит собственно корпус из диэлектрического материала (пластмасса, реже керамика), набор проводников для электрического соединения кристалла с внешними цепями посредством выводов, маркировку.

Существует множество вариантов корпусов микросхем, различающихся по количеству выводов микросхемы, методу монтажа, условиям эксплуатации. Для упрощения технологии монтажа производители микросхем стараются унифицировать корпуса, разрабатывая международные стандарты.

Иногда микросхемы выпускают в бескорпусном исполнении — то есть кристалл без защиты. Бескорпусные микросхемы обычно предназначены для монтажа в гибридную микросборку. Для массовых дешевых изделий возможен непосредственный монтаж на печатную плату.

Мировой рынок

В 2017 году мировой рынок интегральных схем оценивался в 700 млрд долл.

Основные производители и экспортёры находятся в Азии: Сингапур (115 млрд долл.), Южная Корея (104 млрд долл.), Китай (80,1 млрд долл.) и Малайзия (55,7 млрд долл.). Крупнейший европейский экспортер — Германия (1,4 млрд долл.), американский — США (28,9 млрд долл.). Крупнейшие импортёры: Китай (207 млрд долл.), Гонконг (168 млрд долл.), Сингапур (57,8 млрд долл.), Южная Корея (38,6 млрд долл.) и Малайзия (37,3 млрд долл.).

Правовые особенности

Что говорится про интегральные схемы в законодательстве? У нас в стране предоставлена правовая охрана топологий интегральных микросхем. Под ней подразумевают зафиксированное на определённом материальном носителе геометрически-пространственного расположения определённой совокупности конкретных элементов и связей меж ними (согласно статье 1448 Гражданского кодекса Российской Федерации). Автор топологии имеет такие интеллектуальные права на своё изобретение:

1. Авторские.
2. Исключительное право.

Кроме этого автору топологии могут принадлежать и другие преференции, в том числе – возможность получения вознаграждения за её использование. Исключительное право действует на протяжении десяти лет. За это время изобретатель, или человек, которому этот статус был уступлен, может зарегистрировать топологию в соответствующей службе интеллектуальной собственности и патентов.

Заключение

Вот и всё! Если у вас возникло желание собрать свою схему – можно только пожелать успеха. Но одновременно хочется обратить ваше внимание на одну особенность. Если есть желание собрать микросхему, то необходимо основательно подготовиться к этому процессу. Дело в том, что для её создания требуется исключительная чистота на уровне хирургической операционной, к тому же, из-за мелкости деталей поработать паяльником в обычном режиме не получится – все действия осуществляются машинами. Поэтому в домашних условиях можно создавать только схемы. При желании можно приобрести промышленные разработки, которые будут предлагаться на рынке, но идею с их изготовлением дома без значительных финансов лучше оставить.