Тема 10. Интегральные микросхемы

Современным этапом микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры является применение интегральных микросхем (ИМС). В свою очередь, использование унифицированных функциональных узлов на основе интегральных микросхем позволит решить ряд технико-экономических задач:

- создание аппаратуры с минимальными размерами и массой;

- повышение срока службы и надежности аппаратуры;

- автоматизация технологических процессов сборки функциональных узлов и ремонта аппаратуры;

- уменьшение потребляемой энергии;

- снижение себестоимости.

Интегральные микросхемы состоят из сотен активных и пассивных элементов, соединенных между собой и заключенных в общий корпус. Планарная технология позволяет получить плотность упаковки в интегральных микросхемах в тысячи раз больше, чем плотность упаковки в микромодульной конструкции.

Интегральные микросхемы подразделяются:

- по виду обрабатываемого сигнала

· аналоговые - входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания. Предназначены для преобразования и усиления непрерывных сигналов. К ним предъявляются довольно жесткие требования с точки зрения стабильности характеристик и точности воспроизведения сигнала.

· цифровые - входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем типа ТТЛ при напряжении питания +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4-5 В - логической единице; для микросхем ЭСЛ-логики при напряжении питания −5,2 В диапазон от -0,8 до -1,03 В - логической единице, а от -1,6 до -1,75 В - логическому нулю. Предназначены для передачи и переработки цифровой информации.

· аналого-цифровые - совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов, например, усилитель (электроника) сигнала и аналого-цифровой преобразователь.

- по технологическим признакам:полупроводниковые, пленочные и гибридные.

Наибольшее распространение получили полупроводниковые интегральные схемы, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла. Пленочные интегральные схемы выполняются на диэлектрической подложке путем напыления. Гибридные ИМС представляют комбинацию дискретных навесных активных компонентов и пленочных пассивных элементов, напылённых на диэлектрической подложке.

Маркировка.

На выпускаемые и разрабатываемые в нашей стране интегральные микросхемы установлена классификация и система обозначений. В соответствии с принятым ГОСТом 18682-73:

- первый элемент - цифра, указывающая конструктивно-технологическое исполнение микросхемы:

1; 5; 7 - полупроводниковые;

2; 4; 6; 8 - гибридные;

3 - прочие (пленочные, вакуумные и т.д.);

- второй элемент - две цифры, обозначающие порядковый номер разработки серии микросхем (от 00 до 99);

- третий элемент - две буквы, обозначающие функциональное назначение микросхем;

- четвертый элемент - порядковый номер разработки микросхем по функциональному признаку в данной серии.

- Буквы К, КН, КР обозначают условия их приемки.

УН - усилитель низкой частоты;

УЕ - усилители-повторители;

УИ - импульсные усилители;

УВ - усилители высокой частоты;

УР - усилители промежуточной частоты;

ПС - преобразователи частоты;

ДА - детекторы амплитудно-модулированных сигналов;

ДС - детекторы частотно-модулированных сигналов;

УД - операционные и дифференциальные усилители.

Первые два элемента обозначения определяют номер серии интегральных микросхем, объединяющих микросхемы, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения.

Гибридная микросборка STK403-090, извлечённая из корпуса.

· Полупроводниковая микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксид гафния).

· Плёночная интегральная микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

Ø толстоплёночная интегральная схема;

Ø тонкоплёночная интегральная схема.

· Гибридная микросхема (часто называемая микросборкой), содержит несколько бескорпусных диодов, бескорпусных транзисторов и (или) других электронных активных компонентов. Также микросборка может включать в себя бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты микросборки (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей, обычно керамической подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.

· Смешанная микросхема - кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.

Степень интеграции.

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

· малая интегральная схема (МИС) - до 100 элементов в кристалле,

· средняя интегральная схема (СИС) - до 1000 элементов в кристалле,

· большая интегральная схема (БИС) - до 10 тыс. элементов в кристалле,

· сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - более 10 тыс. элементов в кристалле.

Типы логики.

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

· Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах - самые экономичные (по потреблению тока):

Ø МОП-логика (металл-оксид-полупроводник логика) - микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;

Ø КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) - каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП). Существует также смешанная технология BiCMOS.

· Микросхемы на биполярных транзисторах:

Ø РТЛ - резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

Ø ДТЛ - диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

Ø ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика - микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;

Ø ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки - усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки;

Ø ЭСЛ - эмиттерно-связанная логика - на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, - что существенно повышает быстродействие;

Ø ИИЛ - интегрально-инжекционная логика.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость к статическому электричеству - достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 - сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но и наиболее энергопотребляющими, и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

Технологический процесс.

При изготовлении микросхем используется метод фотолитографии (проекционной, контактной и др.), при этом схему формируют на подложке (обычно из кремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины. Ввиду малости линейных размеров элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолетового излучения при засветке отказались.

В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают минимальные контролируемые размеры топологии фотоповторителя (контактные окна в оксиде кремния, ширина затворов в транзисторах и т. д.) и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости с рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами фотолитографии, методами вытравливания и напыления.

В 1970-х годах минимальный контролируемый размер составлял 2-8 мкм, в 1980-х он был уменьшен до 0,5-2 мкм. Некоторые экспериментальные образцы фотолитографического оборудования рентгеновского диапазона обеспечивали минимальный размер 0,18 мкм.

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 (активном) состоянии.

· Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка состояния возможна при таком уровне помех, когда высокий уровень интерпретируется как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.

· Большая разница уровней состояний сигналов высокого и низкого уровня (логических «0» и «1») и достаточно широкий диапазон их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора компонентов и настройки элементами регулировки в цифровых устройствах.

Контрольные вопросы

1. Классификация интегральных микросхем по виду обрабатываемого сигнала.

2. Классификация интегральных микросхем потехнологическим признакам.

3. Маркировка интегральных микросхем.

4. Степень интеграции интегральных микросхем.

5. Типы логики интегральных микросхем.

6. Технологический процесс изготовления интегральных микросхем.

Тема 11. Выпрямители