1.5. Интегральные микросхемы
Переход от этапа транзисторной техники к этапу микроэлектроники.
Интегральная схема — это микроминиатюрное электронное устройство с высокой плотностью упаковки электрически связанных элементов и компонентов, выполняющих определенную функцию обработки и преобразования электрических сигналов, рассматриваемое с точки зрения конструктивно технологических и эксплуатационных требований как единое целое.
Под элементом интегральной схемы (ИС) понимают нераздельную ее часть, а компонент ИС до монтажа является самостоятельным изделием (бес корпусные транзисторы, пленочные ИС и т.д.).
Термин интегральная схема отражает объединение (интеграцию) деталей в единую конструкцию. В основу производства ИС положены групповой метод и планарная технология, освоенные при изготовлении транзисторов. На пластине кремния диаметром 25...40 мм и более одновременно изготовляется множество транзисторов, расположенных на поверхности. Затем пластина разрезается на сотни отдельных кристаллов, содержащих по одному транзистору. После этого кристаллы помещаются в корпус с отдельными выводами. Разработчик, получив дискретные элементы, решает обратную задачу: он их соединяет определенным образом, чтобы получить тот или иной функциональный узел.
Идея интеграции состоит в том, что на исходной пластине вместо отдельных транзисторов одновременно изготавливают множество компонентов, каждый из которых содержит все элементы, необходимые для построения функционального узла. Эти элементы соединяются друг с другом не при помощи пайки, а короткими тонкими металлическими полосками. Таким образом, каждый комплект представляет собой готовую ИС. Пластину разрезают и ИС помещают в отдельные корпуса (рисунок 1.5.1).
Рисунок 1.5.1 Конструкция ИС:
1– подложка, 2– кристалл ИС, 3– внутренние выводы, 4– корпус, 5– соединение корпуса с крышкой, 6,7– внешние выводы
Высокая надежность и качество в сочетании с малыми габаритами, массой, низкой потребляемой мощностью и низкой стоимостью обеспечили широкое применение ИС.
В последнее время широкое распространение получило создание сложных микросхем, а также программно-управляющих устройств, называемых микропроцессорами, которые осуществляют процесс обработки цифровой информации и управление им.
Все ИС разрабатываются и выпускаются в виде серий, содержащих большое число микросхем, которые в свою очередь подразделяются на тип номиналы, имеющие свое условное обозначение и определенное функциональное и схемотехническое решение.
Классификация ИМС представлена на рисунке 1.5.2
Полупроводниковой является ИС, все элементы и соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла.
Для изготовления полупроводниковой ИС используют пластины кремния образующие подложку, на которой изготавливается до нескольких тысяч ИС. Практически все элементы полупроводниковых ИС изготавливаются на основе транзистора. Выполненные на биполярных транзисторах, обладают значительно большим быстродействием.
Рисунок 1.5.2 Классификация ИМС
Пленочной называется ИС, элементы которой и их соединения выполнены в виде тонких или толстых пленок проводящих или диэлектрических материалов, нанесенных на диэлектрическое основание.
По пленочной технологии с достаточно стабильными параметрами можно получать лишь пассивные элементы: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Поэтому пленочные ИС — это чаще всего наборы резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности или резистивно-емкостные цепи (RC).
Гибридной называется ИС, в которой пассивные элементы выполнены по пленочной технологии, а активные (диоды, транзисторы) являются навесными, т. е. обычными дискретными элементами, но без корпусов (бескорпусные).
Аналоговые ИС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Это усилители (К174УНЗ, К140УД1), стабилизаторы (К142ЕН8), специализированные ИС для радио- и телевизионных приемников (К174УД1, К174ХА17) и др. Особенности аналоговых ИС:
- большое по сравнению с цифровыми ИС число параметров, требуемое для правильного применения ИС;
- сложность внутренней структуры;
- необходимость нескольких источников питания.
Цифровые ИС представляют собой электронные устройства, позволяющие строить практически все узлы и блоки ЭВМ, в которых обрабатываемая информация представлена в виде двоичных чисел. Базовыми элементами цифровых ИС являются логические схемы, которые представляют собой ключи, имеющие один или больше входов и один или больше выходов. Это логические элементы (KM133J1A1), счетчики (К555ИЕ13), дешифраторы (К555ИД7) и другие.
Основными параметрами цифровых микросхем являются входное и выходное напряжения и быстродействие.