Что такое интегральная микросхема бис

Как создавалась интегральная схема

Самая престижная научная награда, Нобелевская премия по физике, обычно вручается ученым, которые внесли наибольший вклад в области фундаментальных исследований. Поэтому присуждение премии 2000 года американскому инженеру-электротехнику Джеку Килби за работы прикладного характера вызвало немалое удивление в научном сообществе. Однако удивление быстро сменилось осознанием того, что изобретение интегральной схемы представляет собой великолепный пример использования результатов фундаментальных исследований для создания новых инструментов, которые, в свою очередь, позволяют получать новые фундаментальные результаты.

В начале 50-х годов представители оборонного и космического ведомств США первыми задумались над пределами прогресса ламповых систем. И стали оказывать — сначала осторожно, а потом все более активно — финансовую поддержку проектам, направленным на построение полностью интегрированных электронных систем из твердотельных компонентов. Это стало началом заката «ламповой эры», но философия электронной интеграции не претерпела существенных изменений и по-прежнему напоминала философию построения предложения. В электронике, как в человеческой речи, есть массив стандартных элементов, различающихся по своим функциональным особенностям: фраза всегда состоит из существительных, прилагательных, глаголов, причастных оборотов, а электронная схема — из емкостей, сопротивлений, триодов и диодов. Комбинируя эти элементы, можно придавать фразе тот или иной смысл, а схеме «поручать» решение тех или иных задач.

Твердотельными компонентами должны были стать транзисторы. Самые первые были изготовлены из монокристаллического германия и лишь значительно позже — к середине 50-х годов, когда в Texas Instruments была решена проблема роста монокристаллического кремния, транзисторы стали изготавливаться из этого кремния. Это само по себе сразу же стало коммерчески выгодным предприятием, несмотря на достаточно высокую по тем временам их стоимость (около 10 долл. за штуку).

1951 год ознаменовался тем, что Bell Labs провела свою первую конференцию по транзисторам и начала продавать патентные лицензии стоимостью 25 тыс. долл. на транзисторные технологии. Заинтересовались лицензией и в компании Centralab, где Килби и сделал первые шаги в направлении «германиевой» интеграции. Однако Centralab не была той компанией, деятельность которой — производство слуховых аппаратов и пассивных телевизионных схем — могла бы заинтересовать военных в 1956 году, когда рынок военных кремниевых технологий становился перспективным. Неизмеримо большими возможностями обладала Texas Instruments, где Килби проработал без малого 45 лет и в стенах которой в рамках военного заказа были созданы первые кремниевая и германиевая интегральные схемы.

Еще в конце 40-х годов в Centralab были разработаны основные принципы миниатюризации и созданы ламповые толстопленочные гибридные схемы. Схемы выполнялись на единой подложке, а зоны контактов или сопротивления получались простым нанесением на подложку серебряной или типографской угольной краски. Когда же стала развиваться технология германиевых сплавных транзисторов, в Centralab было предложено монтировать бескорпусные приборы в пластиковую или керамическую оболочку, чем достигалась изоляция транзистора от окружающей среды. На этой основе можно было уже создавать транзисторные гибридные схемы, «печатные платы». Но, по сути дела, это был прообраз современного решения проблемы корпусирования и выводов интегральной схемы.

К середине 50-х годов Texas Instruments имела все возможности для производства дешевых полупроводниковых материалов. Но если транзисторы или диоды изготовлялись из кремния, то резисторы в TI предпочитали делать из нитрида титана, а распределенные емкости — из тефлона. Неудивительно, что многие тогда полагали, что при накопленном опыте создания гибридных схем нет проблем в сборке этих элементов, изготовленных по отдельности. А если удастся изготовить все элементы одинакового размера и формы и тем самым автоматизировать процесс сборки, то стоимость схемы будет значительно снижена. Этот подход очень напоминает предложенный Генри Фордом процесс конвейерной сборки автомашин.

Таким образом, в основе доминировавших тогда схемных решений лежали различные материалы и технологии их изготовления. Но англичанином Джеффом Даммером из Royal Radar Establishment в 1951 году было выдвинуто предположение о создании электроники в виде единого блока при помощи полупроводниковых слоев одного и того же материала, работающих как усилитель, резистор, емкость и соединенных вырезанными в каждом слое контактными площадками. Как это сделать практически, Даммер не указал.

Собственно, отдельные резисторы и емкости можно было делать из того же кремния, однако это было бы довольно дорогое производство. Кроме того, кремниевые резисторы и емкости были бы менее надежны, чем компоненты, изготовленные по стандартным технологиям и из привычных материалов, тех же нитрида титана или тефлона. Но так как все же имелась принципиальная возможность изготовить все компоненты из одного материала, то следовало бы подумать об их соответствующем электрическом соединении в одном образце.

24 июля 1958 года Килби сформулировал в лабораторном журнале концепцию, получившую название «Идеи монолита» (Monolithic Idea), в которой было указано, что «. элементы схемы, такие как резисторы, конденсаторы, распределенные конденсаторы и транзисторы, могут быть интегрированы в одну микросхему — при условии, что они будут выполнены из одного материала. В конструкции триггерной схемы все элементы должны изготавливаться из кремния, причем резисторы будут использовать объемное сопротивление кремния, а конденсаторы — емкости p-n-переходов».

Заслуга Килби — в практической реализации идеи Даммера.

Что такое интегральная микросхема

Интегральная схема – это изделие из микроэлементов с высокой миниатюризацией. Эти элементы преобразуют и обрабатывают сигналы. Сама схема имеет высокую плотность самих элементов. Такие элементы называются компонентами и выполняют ту или иную задачу. Эти схемы могут быть разной сложности и типов – от самых простых до сложнейших.

Используются ИС в создании компьютеров, различной вычислительной техники и другом оборудовании, в том числе промышленном и бытовом. Более подробно о строении, использовании, а также развитии интегральных схем будет рассказано в данной статье. В качестве информационного дополнения, в материале содержатся два подробных видеоролика и один скачиваемые файл о строении ИС.

Корпуса микросхем

Для защиты внутреннего содержимого и для упрощения монтажа микросхемы помещают в корпус. Изначально большая часть микросхем выпускалась в металлической оболочке (круглой или прямоугольной) с гибкими выводами, расположенными по периметру.

Такая конструкция не позволяла использовать все преимущества миниатюризации, так как габариты устройства были очень большими по сравнению с размерами кристалла. К тому же степень интеграции была невелика, что лишь усугубляло проблему. В середине 60-х годов был разработан корпус DIP (dual in-line package) — прямоугольная конструкция с жесткими выводами с двух сторон. Проблема громоздких размеров не была решена, но все же такое решение позволяло достичь большей плотности монтажа, а также упростить автоматизированную сборку электронных схем. Число выводов микросхем в DIP-упаковке составляет от 4 до 64, хотя корпуса с количеством «ног» более 40 все же редкость.

Важно! Шаг выводов у DIP-микросхем отечественного производства составляет 2,5 мм, у импортного – 2,54 мм (1 линия=0,1 дюйма). Из-за этого возникают проблемы при взаимной замене полных, казалось бы, аналогов российского и импортного производства. Небольшое расхождение затрудняет установку в платы и в панели одинаковых по функционалу и расположению выводов устройств.

С развитием электронных технологий стали очевидны недостатки корпусов DIP. Для микропроцессоров стало не хватать количества выводов, а их дальнейшее увеличение требовало увеличения габаритов корпуса. такие микросхемы стали занимать на платах слишком много неиспользуемого места. Вторая проблема, приблизившая завершение эпохи доминирования DIP – широкое распространение поверхностного монтажа. Элементы стали устанавливаться не в отверстия на плате, а припаиваться непосредственно к контактным площадкам. Этот способ монтажа оказался очень рациональным, поэтому потребовались микросхемы в корпусах, приспособленных к пайке на поверхность. И начался процесс вытеснения устройств для «дырочного» монтажа (true hole) элементами, названными как SMD (surface mounted detail).

Читайте также: Определение номинального значения сопротивления резистора по маркировке цветовыми полосами: онлайн калькулятор

Первым шагом к переходу на поверхностный монтаж стали корпуса SOIC и их модификации (SOP, HSOP и другие варианты). У них, как и у DIP, ножки расположены в два ряда по длинным сторонам, но они параллельны нижней плоскости корпуса.

Дальнейшим развитием стал корпус QFP. У этого корпуса квадратной формы выводы расположены по каждой стороне. На него похож корпус PLLC, но он все же ближе к DIP, хотя ноги расположены также по всему периметру.

Некоторое время микросхемы DIP держали свои позиции в секторе программируемых устройств (ПЗУ, контроллеров, PLM), но распространение внутрисхемного программирования вытеснило двухрядные корпуса для true hole и из этой области. Сейчас SMD-исполнение получили даже те детали, монтаж которых в отверстия казался безальтернативным – например, интегральные стабилизаторы напряжения и т.п.

Развитие корпусов для микропроцессоров пошло по иному пути. Так как количество выводов не умещается по периметру ни одного из разумных размеров квадрата, ножки большой микросхемы располагают в виде матрицы (PGA, LGA и т.п.).

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 микросхем

Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескорпусном.
Бескорпускная микросхема — это полупроводниковый кристал, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку.
Корпус — это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями!
В российских корпусах расстояние между выводами измеряется в милиметрах и наиболее часто это 2,5 мм или 1,25 мм. У импортных микросхем расстояние измеряют в дюймах, используя величину 1/10 или 1/20 дюйма, что соответствует 2,54 и 1,28 мм. В корпусах до 16 выводов эта разница не значительна, а при больших размерах идеинтичные корпуса уже несовместимы.
В современных импортных корпусах для поверхностного монтажа применяют и метрические размеры: 0,8 мм; 0,65 мм и другие.

Специфические названия микросхем

Микропроцессор выполняет в основном функции АЛУ ( арифметико-логическое устройство ), а дополнительные функции связи с периферией выполнялись с помощью специально для этого изготовленных наборов микросхем. Для первых микропроцессоров число микросхем в наборах исчислялось десятками, а сейчас это набор из двух-трех микросхем, который получил термин См. также

af:Geïntegreerde stroombaan hu:Integrált áramkör lt:Integrinis grandynas nl:Geïntegreerde schakeling sl:Integrirano vezje

Вид обрабатываемого сигнала

. .
• Аналого-цифровые.

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — 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 от 2,4 до 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.

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.

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:

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.

На аналоговой микросхеме

Из огромного «семейства» аналоговых самыми простыми являются микросхемы-близнецы» К118УН1А (К1УС181А) и К118УН1Б (К1УС181Б), входящие в серию К118.

Каждая из них представляет собой усилитель, содержащий. Впрочем, об электронной «начинке» лучше поговорить позже. А пока будем считать их «черными ящичками» с выводами для подключения к ним источников питания, дополнительных деталей, входных и выходных цепей.

Разница же между ними заключается только в их коэффициентах усиления колебаний низких частот: коэффициент усиления микросхемы К118УН1А на частоте 12 кГц составляет 250, а микросхемы К118УН1Б — 400.

Рис. 1. Микросхема и схема на основе нее.

На высоких частотах коэффициент усиления этих микросхем одинаков — примерно 50. Так что любая из них может быть использована для усиления колебаний как низких, так и высоких частот, а значит, и для наших опытов. Внешний вид и условное обозначение этих микросхем-усилителей на принципиальных схемах устройств показаны на рис. 1.

Корпус у них пластмассовый прямоугольной формы. Сверху на корпусе — метка, служащая точкой отсчета номеров выводов. Микросхемы рассчитаны на питание от источника постоянного тока напряжением 6,3 В, которое подают через выводы 7 (+Uпит) и 14 ( — Uпит).

Источником питания может быть сетевой блок питания с регулируемым выходным напряжением или батарея, составленная из четырех элементов 334 и 343.

Первый опыт с микросхемой К118УН1А (или К118УН1Б) проводи по схеме, приведенной на рис. 89. В качестве монтажной платы используй картонную пластинку размерами примерно 50X40 мм.

Микросхему выводами 1, 7, 8 и 14 припаяй к проволочным скобкам, пропущенным через проколы в картоне. Все они будут выполнять роль стоек, удерживающих микросхему на плате, а скобки выводов 7. и 14, кроме того, соединительными контактами с батареей GB1 (или сетевым блоком питания).

Между ними с обеих сторон от микросхемы укрепи еще по два-три контакта, которые будут промежуточными для дополнительных деталей. Смонтируй на плате конденсаторы С1 (типа К50-6 или К50-3) и С2 (КЯС, БМ, МБМ), подключи к выходу микросхемы головные телефоны В2.

Ко входу микросхемы подключи (через конденсатор С1) электродинамический микрофон В1 любого типа или телефонный капсюль ДЭМ-4м, включи питание и, прижав поплотнее телефоны к ушам, постучи легонько карандашом по микрофону. Если ошибок в монтаже нет, в телефонах должны быть слышны звуки, напоминающие щелчки по барабану.

Попроси товарища сказать что-то перед микрофоном — в телефонах услышишь его голос. Вместо микрофона ко входу микросхемы можешь подключить радиотрансляционный (абонентский) громкоговоритель с его согласующим трансформатором. Эффект будет примерно таким же.

Продолжая опыт с телефонным устройством одностороннего действия, включи между общим (минусовым) проводником цепи питания и выводом 12 микросхемы электролитический конденсатор C3, обозначенный на схеме штриховыми линиями. При этом громкость звука в телефонах должна возрасти.

Телефоны станут звучать еще громче, если такой же конденсатор включить в цепь вывода 5 (на рис, 1 — конденсатор С4). Но если при этом усилитель возбудится, то между общим проводом и выводом 11 придется включить электролитический конденсатор емкостью 5 — 10 мкФ на. номинальное напряжение 10 В.

Еще один опыт: включи между выводами 10 и 3 микросхемы керамический или бумажный конденсатор емкостью 5 — 10 тыс. пикофарад. Что получилось? В телефонах появился непрекращающийся -звук средней тональности. С увеличением емкости этого конденсатора тон звука в телефонах должен понижаться, а с уменьшением повышаться. Проверь это.

Рис. 2. Внутренняя схема микросхемы.

А теперь раскроем этот «черный ящичек» и рассмотрим его «начинку» (рис. 2). Да, это двухкаскадный усилитель с непосредственной связью между его транзисторами. Транзисторы кремниевые, структуры n-р-n. Низкочастотный сигнал, создаваемый микрофоном, поступает (через конденсатор С1) на вход микросхемы (вывод 3).

Падение напряжения, создающееся на резисторе R6 в эмиттерной цепи транзистора V2, через резисторы R4 и R5 подается на базу транзистора VI и открывает его. Резистор R1 — нагрузка этого транзистора. Снимаемый с него усиленный сигнал поступает на базу транзистора V2 для дополнительного усиления.

В опытном усилителе нагрузкой транзистора V2 были головные телефоны, включенные в его коллекторную цепь, которые преобразовывали низкочастотный сигнал в звук.

Но его нагрузкой мог бы быть резистор R5 микросхемы, если соединить вместе выводы 10 и 9. В таком случае телефоны надо включать между общим проводом и точкой соединения этих выводов через электролитический конденсатор емкостью в несколько микрофарад (положительной обкладкой к микросхеме).

При включении конденсатора между общим проводом и выводом 12 микросхемы громкость звука увеличилась, Почему? Потому что он, шунтируя резистор R6 микросхемы, ослабил действующую в ней отрицательную обратную связь по переменному току.

Отрицательная обратная связь стала еще слабее, когда ты второй конденсатор включил в базовую цепь транзистора V1. А третий конденсатор, включенный между общим проводом и выводом 11, образовал с резистором R7 микросхемы развязывающий фильтр, предотвращающий возбуждение усилителя.

Что получилось при включении конденсатора между выводами 10 и 5? Он создал между выходом и входом усилителя положительную обратную связь, которая превратила его в генератор колебаний звуковой частоты.

Итак, как видишь, микросхема К118УН1Б (или К118УН1А) — это усилитель, который может быть низ-кочастотным или высокочастотным, например, в приемнике. Но он может стать и генератором электрических колебаний как низких, так и высоких частот.

История микросхем

Микросхема является миниатюрным электронным блоком, в корпус которого «входят» пассивные и активные радиоэлектронные компоненты (транзистор, резистор, диод и прочие). Количество РЭК в микросхеме может варьироваться от десяти до нескольких сотен и тысяч. Даже одна современная микросхема порой заменяет большой электронный блок в любом оборудовании: в компьютере, электронно-вычислительных машинах, часах, телефонах.

Всего лишь с четверть века тому назад радиолюбители, производители всех стран, специалисты в радиоэлектронной области не могли и представить себе, что электронная лампа в скором времени уступить свое важное место в радио и электроаппаратуре полупроводниковым деталям, транзисторам, а затем и транзисторы постепенно начнут сдавать свои позиции, уступив свое место полупроводникам новейшего поколения – микросхемам. На сегодняшний день наибольшее применение имеет интегральная микросхема (ИМС)

Применение микросхем

Современные модели микросхем имеют широкое использование практически во всех сферах промышленности. Можно сказать, что где существует какое-либо оборудование, аппаратура, там присутствуют и микросхемы:

• Радиоэлектронная промышленность;
• Медицина;
• Военная отрасль;
• Авиация и космическая сфера;
• Кораблестроение;
• Точное приборостроение и многие другие отрасли.

Микросхемы производят в пластмассовом, металлическом, керамическом корпусе, чаще всего от материала корпуса зависит и цена на устройство. На стоимость влияет и функциональное назначение микросхемы, наносимое на компонент специальной маркировкой.