Надо Знать

добавить знаний



Микросхема



План:


Введение

Микросхема (ППЗУ) с прозрачным окошком, через которое видно кристалл полупроводника
Интегральная схема (И микросхема)

Микросхема (microcircuit) - электронная схема, реализованная в виде полупроводникового кристалла и выполняет определенную функцию. Изобретена в 1958 году американскими изобретателями Джеком Килби и Роберт Нойс.

В 1961 году фирма Fairchild Semiconductor Corporation выпустила интегральные схемы в свободную продажу, и их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить их размер и увеличить производительность.

Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 году, в Таганрогском радиотехническом институте.


1. История

Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных пленок, которые проявляются в эффекте плохой электропроводности при небольшом электрическом напряжении. Проблема заключалась в том, что в месте столкновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к изобретению диодов, а позже к транзисторов и интегральных микросхем.

В 1958 году двое ученых, живших 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. Оба объединило вопрос: "Как в минимум места вместить максимум компонентов?". Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и ученые решили попробовать их объединить на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочел кремния. 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 году 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 переведен в НИИМЭ (Микрон). Создание первой советской кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с целью использования в военной технике серии интегральных кремниевых схем МС-100 (37 элементов - эквивалент сложности схемотехники триггера, аналога американских ИС серии SN - 51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизведения были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинським заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для автономной высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка содержала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии МС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Еще два года ушло на освоение заводского производства с военной приемкой в ​​Фрязино (1967 год).


2. Уровне проектирования

  • Логический - логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т.п.).
  • Схемо-и системотехнический уровень - схемо-и системотехнического схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т.п.).
  • Электрический - принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т.п.).
  • Физический - методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.
  • Топологический - топологические фотошаблоны для производства. [Прим. 1]
  • Программный уровень - позволяет программисту программировать (для микроконтроллеров и микропроцессоров) модель, разрабатываемой используя виртуальную схему.

Сейчас большая часть интегральных схем проецируется с помощью специализированных САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить производственные процессы, например, получение топологических фотошаблонов.


3. Технологии изготовления

3.1. 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):
  • МОH-логика (металл-оксид-полупроводник логика) - микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОH или p-МОH типа;
  • КМОП -логика (комплемент МОП-логика) - каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплемента) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).
  • Микросхемы на биполярных транзисторах:
  • РТЛ - транзисторная для резистора логика (устаревшая и заменена на ТТЛ);
  • ДТЛ - диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);
  • ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика - микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с багатоемитернимы транзисторами на входе;
  • ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки - усовершенствованная ТТЛ, в которой используются транзисторы с эффектом Шотки;
  • ЭСЛ - ЭП-связанная логика - на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, - что существенно повышает быстродействие;
  • ИИЛ - интегрально-инжекционная логика.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространенными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не нужно экономию потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества - достаточно коснуться рукой выводов микросхемы и ее 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 в 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 ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемы. Сейчас эта технология используется редко.


3.2. Контроль качества

Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры.

3.3. Технологический процесс

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

В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают минимальные контролируемые размеры топологии фотоповторювача (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 травления и напыления.

В 1970-х годах минимальный контролируемый размер составлял 2-8 мкм, в 1980-х был уменьшен К0 ,5-2 мкм. Некоторые экспериментальные образцы оборудования фотолитографии рентгеновского диапазона обеспечивали минимальный размер 0,18 мкм.

В 1990-х годах, через новый виток "войны платформ", экспериментальные методы стали внедряться в производство и быстро совершенствоваться. В начале 1990-х процессоры (например, ранние Pentium и Pentium Pro) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм (500-600 нм). Затем их уровень поднялся до 250-350 нм. Следующие процессоры (Pentium 2, K6 - 2, Athlon) уже делали по технологии 180 нм.

В конце 1990-х фирма Texas Instruments создала новую ультрафиолетовую технологию с минимальным контролируемым размером около 80 нм. Но достичь ее в массовом производстве не удавалось вплоть до недавнего времени. По состоянию на 2009 год технологии удалось обеспечить уровень производства до 90 нм.

Новые процессоры (сначала это был Core 2 Duo) делают по новой УФ-технологии 45 нм. Есть и другие микросхемы, давно достигли и превысили этот уровень (вчастковости, видеопроцессоры и флэш-память фирмы Samsung - 40 нм). Однако дальнейшее развитие технологии вызывает все больше трудностей. Обещания фирмы Intel по переходу на уровень 30 нм уже к 2006 году так и не сбылись.

По состоянию на 2009 год альянс ведущих разработчиков и производителей микросхем работает над тех. процессом 32 нм.

В 2010-м в розничной продаже уже появились процессоры, разработанные по 32-х нм тех. процесса.

Ожидается, что следующим, наверное, будет тих. процесс 22 нм.


4. Серии микросхем

Аналоговых и цифровых микросхемы выпускаются сериями. Серия - это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковое напряжение источников питания, согласованы по входным и выходным опорах, уровнях сигналов.

5. Корпуса микросхем

Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах - корпусном и бескорпусные.

Бескорпусная микросхема - это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку (возможен непосредственный монтаж на печатную плату). Корпус микросхемы - это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями с помощью выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из различных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями. В современных импортных корпусах для поверхностного монтажа применяют и метрические размеры: 0,8 мм 0,65 мм и другие.


6. Назначение

Интегральная микросхема может иметь законченный, сколько угодно сложный, функционал - до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

6.1. Аналоговые схемы

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

6.2. Цифровые микросхемы

  • Логические элементы
  • Триггеры
  • Счетчики
  • Регистры
  • Буферные преобразователи
  • Шифраторы
  • Дешифраторы
  • Цифровой компаратор
  • Мультиплексоры
  • Демультиплексоры
  • Сумматоры
  • пивсуматоры
  • Ключи
  • Арифметико-логические устройства (англ. ALU)
  • Микроконтроллеры
  • (Микро) процессоры (в том числе ЦБ для компьютеров)
  • Однокристальные микрокомпьютеры
  • Микросхемы и модули памяти
  • ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Цифровых интегральных 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 или "открытый" - что соответствует сигнала высокого уровня (1), или "закрытый" - (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором - через него не идет ток. В обоих случаях энергопотребления близкий к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.
  • Высокая помехоустойчивого цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка возможна при такихперешкодах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, маловероятно. 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 разброса параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

6.3. Аналогово-цифровые схемы

  • цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые преобразователи (АЦП).
  • Цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС).
  • Трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet).
  • Модуляторы и демодуляторы.

o Радиомодемы o Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста o Трансиверы Fast Ethernet и оптических линий o Dial - Up модемы o Приемники цифрового ТВ o Сенсор оптической мыши

  • Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах
  • Цифровые аттенюаторы.
  • Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с последовательным интерфейсом.
  • Коммутаторы.
  • Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации
  • Базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые первичные элементы.

Источники


Технологии Это незавершенная статья по технологии.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.


Электроника Это незавершенная статья о электронику.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.
п ? в ? р Электронные компоненты
Пассивные твердотельные
Резистор ? Переменный резистор ? Пидлаштовний резистор ? Варистор ? Конденсатор ? Переменный конденсатор ? Пидлаштовний конденсатор ? Катушка индуктивности ? Кварцевый резонатор ? Предохранитель ? Самовидновлюваний предохранитель ? Трансформатор
Активные твердотельные
Диод ? Светодиод ? Фотодиод ? Полупроводниковый лазер ? Диод Шоттки ? Стабилитрон ? Стабисторы ? Варикапы ? Вариконд ? Диодный мост ? Лавинно-пролетный диод ? Туннельный диод ? Диод Ганна
Транзистор ? Биполярный транзистор ? Полевой транзистор ? КМОП-транзистор ? Однопереходного транзистора ? Фототранзистор ? Составной транзистор
Интегральная схема ? Цифровая интегральная схема ? Аналоговая интегральная схема
Тиристор ? Симистор ? Динисторы ? Мемристор
Пассивные вакуумные
Активные вакуумные и газоразрядные
Электронная лампа ? Электровакуумный диод ? Триод ? Тетрод ? Пентод ? Гексод ? Гептод ? Пентагрид ? Октод ? Нонод ? Механотрон ? Клистрон ? Магнетрон ? Амплитрон ? Платинотрон ? Электронно-лучевая трубка ? Лампа бегучей волны
Устройства отображения
Электронно-лучевая трубка ? ЖК-дисплей ? Светодиод ? Газоразрядный индикатор ? Вакуумно-люминесцентный индикатор ? Флажковый индикатор ? Семисегментный индикатор
Акустические приборы и датчики
Микрофон ? Громкоговоритель ? Тензорезистор ? Пьезокерамический излучатель
Термоэлектрические устройства
Терморезистор ? Термопара ? Элемент Пельтье

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам