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.