Что представляет собой интегральная схема. Интегральные схемы: Основы, типы и применение

Что представляют собой интегральные схемы. Как работают ИС. Какие бывают типы интегральных схем. Как производятся ИС. Где применяются интегральные схемы. Каковы преимущества и недостатки ИС.

Что такое интегральная схема

Интегральная схема (ИС) — это миниатюрное электронное устройство, состоящее из большого количества транзисторов, диодов, резисторов и других компонентов, сформированных на поверхности полупроводниковой подложки. Основные характеристики ИС:

• Компоненты и соединения формируются в тонком слое на поверхности кремниевой подложки
• Высокая плотность элементов — миллионы транзисторов на одном чипе
• Малые размеры — от нескольких мм² до 1-2 см²
• Низкое энергопотребление
• Высокая надежность
• Возможность массового производства

ИС стали основой современной электроники, позволив создавать сложные электронные устройства малых размеров. Они используются практически во всех электронных приборах — от смартфонов до промышленных контроллеров.

Как работает интегральная схема

Принцип работы ИС основан на взаимодействии множества транзисторов и других компонентов, сформированных на кремниевой подложке. Основные особенности работы ИС:

• Транзисторы выполняют роль электронных ключей и усилителей
• Резисторы и конденсаторы обеспечивают необходимые электрические параметры
• Металлические дорожки соединяют компоненты в единую схему
• Многослойная структура позволяет реализовать сложные схемы
• Миниатюрные размеры обеспечивают высокое быстродействие

За счет интеграции множества компонентов на одном кристалле достигается высокая функциональность при малых размерах. Это позволяет реализовывать сложные электронные устройства в компактном исполнении.

Основные типы интегральных схем

Существует несколько основных типов интегральных схем:

Аналоговые ИС

Обрабатывают аналоговые сигналы, меняющиеся непрерывно. Примеры: операционные усилители, компараторы, стабилизаторы напряжения.

Цифровые ИС

Работают с дискретными цифровыми сигналами. Примеры: микропроцессоры, микроконтроллеры, логические элементы, память.

Аналогово-цифровые ИС

Сочетают аналоговые и цифровые функции. Примеры: АЦП, ЦАП, системы на кристалле.

СВЧ ИС

Работают на сверхвысоких частотах. Применяются в радиотехнике и телекоммуникациях.

Силовые ИС

Предназначены для управления мощными нагрузками. Используются в источниках питания, управлении двигателями.

Выбор типа ИС зависит от конкретного применения и требуемых функций.

Технология производства интегральных схем

Производство ИС — сложный многоэтапный процесс. Основные этапы:

1. Проектирование топологии ИС
2. Изготовление фотошаблонов
3. Подготовка кремниевой пластины
4. Формирование слоев методами фотолитографии
5. Легирование областей пластины
6. Нанесение металлизации
7. Пассивация поверхности
8. Разделение пластины на отдельные чипы
9. Корпусирование и тестирование

Ключевые технологии: фотолитография, ионная имплантация, осаждение тонких пленок, плазменное травление. Производство требует «чистых комнат» и прецизионного оборудования.

Основные области применения интегральных схем

Интегральные схемы нашли широкое применение во многих областях:

• Компьютеры и мобильные устройства
• Бытовая электроника
• Промышленная автоматика
• Телекоммуникационное оборудование
• Автомобильная электроника
• Медицинское оборудование
• Военная и аэрокосмическая техника
• Системы безопасности

Практически все современные электронные устройства содержат интегральные схемы. ИС стали незаменимым элементом в создании компактных и функциональных электронных систем.

Преимущества интегральных схем

Интегральные схемы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с дискретными компонентами:

• Миниатюрные размеры
• Низкое энергопотребление
• Высокая надежность
• Высокое быстродействие
• Низкая стоимость при массовом производстве
• Возможность реализации сложных функций
• Хорошая воспроизводимость параметров
• Простота применения в аппаратуре

Эти преимущества обеспечили широкое распространение ИС и вытеснение дискретных компонентов во многих областях электроники. ИС позволили создать множество новых классов компактных электронных устройств.

Ограничения и недостатки интегральных схем

Несмотря на множество достоинств, ИС имеют и некоторые недостатки:

• Сложность и высокая стоимость разработки
• Необходимость специализированного производства
• Ограниченные возможности по изменению схемы
• Сложность ремонта
• Чувствительность к статическому электричеству
• Ограничения по мощности и рабочим частотам
• Сложность отвода тепла при высокой плотности элементов

Эти недостатки ограничивают применение ИС в некоторых областях, где по-прежнему используются дискретные компоненты. Однако в большинстве случаев преимущества ИС перевешивают их недостатки.

Перспективы развития интегральных схем

Технология интегральных схем продолжает активно развиваться. Основные тенденции:

• Уменьшение проектных норм до единиц нанометров
• Увеличение плотности элементов до триллионов транзисторов на чип
• Повышение рабочих частот до сотен ГГц
• Снижение энергопотребления
• Развитие 3D-компоновки кристаллов
• Применение новых материалов (графен, углеродные нанотрубки)
• Развитие нейроморфных и квантовых вычислений

Эти тенденции позволят создавать еще более мощные и энергоэффективные электронные устройства. Интегральные схемы останутся ключевым элементом электроники на обозримую перспективу.

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА • Большая российская энциклопедия

ИНТЕГРА́ЛЬНАЯ СХЕ́МА (ИС, ин­те­граль­ная мик­ро­схе­ма, мик­ро­схе­ма), функ­цио­наль­но за­кон­чен­ное мик­ро­элек­трон­ное из­де­лие, пред­став­ляю­щее со­бой со­во­куп­ность элек­три­че­ски свя­зан­ных ме­ж­ду со­бой эле­мен­тов (тран­зи­сто­ров и др.), сфор­ми­ро­ван­ных в по­лу­про­вод­ни­ко­вой мо­но­кри­стал­лич. пла­сти­не. ИС яв­ля­ют­ся эле­мент­ной ба­зой всех совр. ра­дио­элек­трон­ных уст­ройств, уст­ройств вы­числит. тех­ни­ки, ин­фор­ма­ци­он­ных и те­ле­ком­му­ни­ка­ци­он­ных сис­тем.

Историческая справка

ИС изо­бре­те­на в 1958 Дж. Кил­би (Но­бе­лев­ская пр., 2000), ко­то­рый, не раз­де­ляя гер­ма­ние­вую мо­но­кри­стал­лич. пла­сти­ну на отд. сфор­ми­ро­ван­ные в ней тран­зи­сто­ры, со­еди­нил их ме­ж­ду со­бой тон­чай­ши­ми про­во­ло­ка­ми, так что по­лу­чен­ное уст­рой­ст­во ста­ло за­кон­чен­ной ра­дио­элек­трон­ной схе­мой. Спус­тя пол­го­да амер. фи­зик Р. Нойс реа­ли­зо­вал т. н. пла­нар­ную крем­ние­вую ИС, в ко­то­рой при ка­ж­дой об­лас­ти би­по­ляр­ных тран­зи­сто­ров (эмит­те­ре, ба­зе и кол­лек­то­ре) на по­верх­но­сти крем­ние­вой пла­сти­ны соз­да­ва­лись ме­тал­ли­зи­ров. уча­ст­ки (т. н. кон­такт­ные пло­щад­ки), а со­еди­не­ния ме­ж­ду ни­ми осу­ще­ст­в­ля­лись тон­ко­п­лё­ноч­ны­ми про­вод­ни­ка­ми. В 1959 в США на­чал­ся пром. вы­пуск крем­ние­вых ИС; мас­со­вое про­из-во ИС в СССР ор­га­ни­зо­ва­но в сер. 1960-х гг. в г. Зе­ле­но­град под рук. К. А. Ва­лие­ва.

Технология ИС

Структура интегральной схемы: 1 – пассивирующий (защитный) слой; 2 – верхний слой проводника; 3 – слой диэлектрика; 4 – межуровневые соединения; 5 – контактная площадка; …

Струк­ту­ра по­лу­про­вод­ни­ко­вой ИС по­ка­за­на на ри­сун­ке. Тран­зи­сто­ры и др. эле­мен­ты фор­ми­ру­ют­ся в очень тон­ком (до нескольких мкм) при­по­верх­но­ст­ном слое крем­ние­вой пла­сти­ны; свер­ху соз­да­ёт­ся мно­го­уров­не­вая сис­те­ма ме­жэ­ле­мент­ных со­еди­не­ний. С уве­ли­че­ни­ем чис­ла эле­мен­тов ИС ко­ли­че­ст­во уров­ней рас­тёт и мо­жет дос­ти­гать 10 и бо­лее. Ме­жэ­ле­мент­ные со­еди­не­ния долж­ны об­ла­дать низ­ким элек­трич. со­про­тив­ле­ни­ем. Это­му тре­бо­ва­нию удов­ле­тво­ря­ет, напр. , медь. Ме­ж­ду слоя­ми про­вод­ни­ков раз­ме­ща­ют­ся изо­ли­рую­щие (ди­элек­трич.) слои ($\ce{SiO_2}$ и др.). На од­ной ПП пла­сти­не од­но­вре­мен­но фор­ми­ру­ет­ся до не­сколь­ких со­тен ИС, по­сле че­го пла­сти­ну раз­де­ля­ют на отд. кри­стал­лы (чи­пы).

Тех­но­ло­гич. цикл из­го­тов­ле­ния ИС вклю­ча­ет неск. со­тен опе­ра­ций, важ­ней­шей из ко­то­рых яв­ля­ет­ся фо­то­ли­то­гра­фия (ФЛ). Тран­зи­стор со­дер­жит де­сят­ки де­та­лей, кон­ту­ры ко­то­рых фор­ми­ру­ют­ся в ре­зуль­та­те ФЛ, оп­ре­де­ляю­щей так­же кон­фи­гу­ра­цию меж­со­еди­не­ний в ка­ж­дом слое и по­ло­же­ние про­во­дя­щих об­лас­тей (кон­так­тов) ме­ж­ду слоя­ми. В тех­но­ло­гич. цик­ле ФЛ по­вто­ря­ет­ся неск. де­сят­ков раз. За ка­ж­дой опе­ра­ци­ей ФЛ сле­ду­ют опе­ра­ции из­го­тов­ле­ния де­та­лей тран­зи­сто­ров, напр. оса­ж­де­ние ди­элек­трич., ПП и ме­тал­лич. тон­ких плё­нок, трав­ле­ние, ле­ги­ро­ва­ние ме­то­дом им­план­та­ции ио­нов в крем­ний и др. Фо­то­ли­то­гра­фия оп­ре­де­ля­ет ми­ни­маль­ный раз­мер (МР) отд. де­та­лей. Гл. ин­ст­ру­мен­том ФЛ яв­ля­ют­ся оп­тич. про­ек­ци­он­ные степ­пе­ры-ска­не­ры, с по­мо­щью ко­то­рых вы­пол­ня­ет­ся по­ша­го­вое (от чи­па к чи­пу) экс­по­ни­ро­ва­ние изо­бра­же­ния (ос­ве­ще­ние чи­па, на по­верх­ность ко­то­ро­го на­не­сён фо­то­чув­ст­вит. слой – фо­то­ре­зист, че­рез мас­ку, на­зы­вае­мую фо­то­шаб­ло­ном) с умень­ше­ни­ем (4:1) раз­ме­ров изо­бра­же­ния по от­но­ше­нию к раз­ме­рам мас­ки и со ска­ни­ро­ва­ни­ем све­то­во­го пят­на в пре­де­лах од­но­го чи­па. МР пря­мо про­пор­цио­на­лен дли­не вол­ны ис­точ­ни­ка из­лу­че­ния. Пер­во­на­чаль­но в ус­та­нов­ках ФЛ ис­поль­зо­ва­лись $g$- и $i$-ли­нии (436 и 365 нм со­от­вет­ст­вен­но) спек­тра из­лу­че­ния ртут­ной лам­пы. На сме­ну ртут­ной лам­пе при­шли эк­си­мер­ные ла­зе­ры на мо­ле­ку­лах $\ce{KrF}$ (248 нм) и $\ce{ArF}$ (193 нм). Со­вер­шен­ст­во­ва­ние оп­тич. сис­те­мы, при­ме­не­ние фо­то­ре­зи­стов с вы­со­ки­ми кон­тра­стом и чув­ст­ви­тель­но­стью, а так­же спец. тех­ни­ки вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния при про­ек­ти­ро­ва­нии фо­то­шаб­ло­нов и степ­пе­ров-ска­не­ров с ис­точ­ни­ком све­та дли­ной вол­ны 193 нм по­зво­ля­ют дос­тичь МР, рав­ных 30 нм и ме­нее, на боль­ших чи­пах (пло­ща­дью 1–4 см²) с про­из­во­ди­тель­но­стью до 100 пла­стин (диа­мет­ром 300 мм) в час. Про­дви­же­ние в об­ласть мень­ших (30–10 нм) МР воз­мож­но при ис­поль­зо­ва­нии мяг­ко­го рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния или экс­тре­маль­но­го ульт­ра­фио­ле­та (ЭУФ) с дли­ной вол­ны 13,5 нм. Из-за ин­тен­сив­но­го по­гло­ще­ния из­лу­чения ма­те­риа­ла­ми на этой дли­не вол­ны не мо­жет быть при­ме­не­на пре­лом­ляю­щая оп­ти­ка. По­это­му в ЭУФ-степ­пе­рах ис­поль­зу­ют от­ра­жаю­щую оп­ти­ку на рент­ге­нов­ских зер­ка­лах. Шаб­ло­ны так­же долж­ны быть от­ра­жаю­щи­ми. ЭУФ-ли­то­гра­фия яв­ля­ет­ся ана­ло­гом про­ек­ци­он­ной оп­ти­че­ской, не тре­бу­ет соз­да­ния но­вой ин­фра­струк­ту­ры и обес­пе­чи­ва­ет вы­со­кую про­из­во­ди­тель­ность. Т. о., тех­но­ло­гия ИС к 2000 пре­одо­ле­ла ру­беж 100 нм (МР) и ста­ла на­но­тех­но­ло­ги­ей.

Направления развития

ИС раз­де­ля­ют на циф­ро­вые и ана­ло­го­вые. Осн. до­лю циф­ро­вых (ло­ги­че­ских) мик­ро­схем со­став­ля­ют ИС про­цес­со­ров и ИС па­мя­ти, ко­то­рые мо­гут объ­е­ди­нять­ся на од­ном кри­стал­ле (чи­пе), об­ра­зуя «сис­те­му-на-кри­стал­ле». Слож­ность ИС ха­рак­те­ри­зу­ет­ся сте­пе­нью ин­те­гра­ции, оп­ре­де­ляе­мой чис­лом тран­зи­сто­ров на чи­пе. До 1970 сте­пень ин­те­гра­ции циф­ро­вых ИС уве­ли­чи­ва­лась вдвое ка­ж­дые 12 мес. Эта за­ко­но­мер­ность (на неё впер­вые об­ра­тил вни­ма­ние амер. учё­ный Г. Мур в 1965) по­лу­чи­ла на­зва­ние за­ко­на Му­ра. Позд­нее Мур уточ­нил свой за­кон: уд­вое­ние слож­но­сти схем па­мя­ти про­ис­хо­дит че­рез ка­ж­дые 18 мес, а про­цес­сор­ных схем – че­рез 24 мес. По ме­ре уве­ли­че­ния сте­пе­ни ин­те­гра­ции ИС вво­ди­лись но­вые тер­ми­ны: боль­шая ИС (БИС, с чис­лом тран­зи­сто­ров до 10 тыс.), сверх­боль­шая (СБИС – до 1 млн.), ульт­ра­боль­шая ИС (УБИС – до 1 млрд.) и ги­гант­ская БИС (ГБИС – бо­лее 1 млрд.).

Раз­ли­ча­ют циф­ро­вые ИС на би­по­ляр­ных (Би) и на МОП (ме­талл – ок­сид – по­лу­про­вод­ник) тран­зи­сто­рах, в т. ч. в кон­фи­гу­ра­ции КМОП (ком­пле­мен­тар­ные МОП, т. е. взаи­мо­до­пол­няю­щие $p$-МОП и $n$-МОП тран­зи­сто­ры, вклю­чён­ные по­сле­до­ва­тель­но в це­пи «ис­точ­ник пи­та­ния – точ­ка с ну­ле­вым по­тен­циа­лом»), а так­же БиК­МОП (на би­по­ляр­ных тран­зи­сто­рах и КМОП-тран­зи­сто­рах в од­ном чи­пе).

Уве­ли­че­ние сте­пе­ни ин­те­гра­ции дос­ти­га­ет­ся умень­ше­ни­ем раз­ме­ров тран­зи­сто­ров и уве­ли­че­ни­ем раз­ме­ров чи­па; при этом умень­ша­ет­ся вре­мя пе­ре­клю­че­ния ло­гич. эле­мен­та. По ме­ре умень­ше­ния раз­ме­ров умень­ша­лись по­треб­ляе­мая мощ­ность и энер­гия (про­из­ве­де­ние мощ­но­сти на вре­мя пе­ре­клю­че­ния), за­тра­чен­ная на ка­ж­дую опе­ра­цию пе­ре­клю­че­ния. К 2005 бы­ст­ро­дей­ст­вие ИС улуч­ши­лось на 4 по­ряд­ка и дос­тиг­ло до­лей на­но­се­кун­ды; чис­ло тран­зи­сто­ров на од­ном чи­пе со­ста­ви­ло до 100 млн. штук.

Осн. до­лю (до 90%) в ми­ро­вом произ-ве с 1980 со­став­ля­ют циф­ро­вые КМОП ИС. Пре­иму­ще­ст­во та­ких схем за­клю­ча­ет­ся в том, что в лю­бом из двух ста­тич. со­стоя­ний («0» или «1») один из тран­зи­сто­ров за­крыт и ток в це­пи оп­ре­де­ля­ет­ся то­ком тран­зи­сто­ра в вы­клю­чен­ном со­стоя­нии $I_\text{выкл}$. Это оз­на­ча­ет, что, ес­ли $I_\text{выкл}$ пре­неб­ре­жи­мо мал, ток от ис­точ­ни­ка пи­та­ния по­треб­ля­ет­ся толь­ко в ре­жи­ме пе­ре­клю­че­ния, а по­треб­ляе­мая мощ­ность про­пор­цио­наль­на час­то­те пе­ре­клю­че­ния и мо­жет быть оце­нена со­от­но­ше­ни­ем $P_Σ≈C_Σ·N·f·U^2$, где $C_Σ$ – сум­мар­ная ём­кость на­груз­ки на вы­хо­де ло­гич. эле­мен­та, $N$ – чис­ло ло­гич. эле­мен­тов на чи­пе, $f$ – час­то­та пе­ре­клю­че­ния, $U$ – на­пря­же­ние пи­та­ния. Прак­ти­че­ски вся по­треб­ляе­мая мощ­ность вы­де­ля­ет­ся в ви­де джо­уле­ва те­п­ла, ко­то­рое долж­но быть от­ве­де­но от кри­стал­ла. При этом к мощ­но­сти, по­треб­ляе­мой в ре­жи­ме пе­ре­клю­че­ния, до­бав­ля­ет­ся мощ­ность, по­треб­ляе­мая в ста­тич. ре­жи­ме (оп­ре­де­ля­ет­ся то­ка­ми $I_\text{выкл}$ и то­ка­ми утеч­ки). С умень­ше­ни­ем раз­ме­ров тран­зи­сто­ров ста­тич. мощ­ность мо­жет стать срав­ни­мой с ди­на­ми­че­ской и дос­ти­гать по по­ряд­ку ве­ли­чи­ны 1 кВт на 1 см² крис­тал­ла. Про­бле­ма боль­шо­го энер­го­вы­де­ле­ния вы­ну­ж­да­ет ог­ра­ни­чи­вать макс. час­то­ту пе­ре­клю­че­ний вы­со­ко­про­из­во­дит. КМОП ИС диа­па­зо­ном 1–10 ГГц. По­это­му для уве­ли­че­ния про­из­во­ди­тель­но­сти «сис­тем-на-кри­стал­ле» ис­поль­зу­ют до­пол­ни­тель­но ар­хи­тек­тур­ные (т. н. мно­го­ядер­ные про­цес­со­ры) и ал­го­рит­мич. ме­то­ды.

При дли­нах ка­на­ла МОП-тран­зи­сто­ров по­ряд­ка 10 нм на ха­рак­те­ри­сти­ки тран­зи­сто­ра на­чи­на­ют вли­ять кван­то­вые эф­фек­ты, та­кие как про­доль­ное кван­то­ва­ние (элек­трон рас­про­стра­ня­ет­ся в ка­на­ле как вол­на де Брой­ля) и по­пе­реч­ное кван­то­ва­ние (в си­лу узо­сти ка­на­ла), пря­мое тун­не­ли­ро­ва­ние элек­тро­нов че­рез ка­нал. По­след­ний эф­фект ог­ра­ни­чи­ва­ет воз­мож­но­сти при­ме­не­ния КМОП-эле­мен­тов в ИС, т. к. вно­сит боль­шой вклад в сум­мар­ный ток утеч­ки. Это ста­но­вит­ся су­ще­ст­вен­ным при дли­не ка­на­ла 5 нм. На сме­ну КМОП ИС при­дут кван­то­вые при­бо­ры, мо­ле­ку­ляр­ные элек­трон­ные при­бо­ры и др.

Ана­ло­го­вые ИС со­став­ля­ют ши­ро­кий класс схем, вы­пол­няю­щих функ­ции уси­ли­те­лей, ге­не­ра­то­ров, ат­те­нюа­то­ров, циф­роа­на­ло­го­вых и ана­ло­го-циф­ро­вых пре­об­ра­зо­ва­те­лей, ком­па­ра­то­ров, фа­зо­вра­ща­те­лей и т. д., в т. ч. низ­ко­час­тот­ные (НЧ), вы­со­ко­час­тот­ные (ВЧ) и сверх­вы­со­ко­час­тот­ные (СВЧ) ИС. СВЧ ИС – схе­мы от­но­си­тель­но не­боль­шой сте­пе­ни ин­те­гра­ции, ко­то­рые мо­гут вклю­чать не толь­ко тран­зи­сто­ры, но и плё­ноч­ные ка­туш­ки ин­дук­тив­но­сти, кон­ден­са­то­ры, ре­зи­сто­ры. Для соз­да­ния СВЧ ИС ис­поль­зу­ет­ся не толь­ко став­шая тра­ди­ци­он­ной крем­ние­вая тех­но­ло­гия, но и тех­но­ло­гия ге­те­ро­пе­ре­ход­ных ИС на твёр­дых рас­тво­рах $\ce{Si – Ge}$, со­еди­не­ни­ях $\ce{A^{III}B^{V}}$ (напр. {V}}$. Ана­ло­го­вые ИС час­то ис­поль­зу­ют вме­сте с сен­сор­ны­ми и мик­ро­ме­ха­ническими уст­рой­ст­ва­ми, био­чи­па­ми и др., ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют взаи­мо­дей­ст­вие мик­ро­элек­трон­ных уст­ройств с че­ло­ве­ком и ок­ру­жаю­щей сре­дой, и мо­гут быть за­клю­че­ны с ни­ми в один кор­пус. Та­кие кон­ст­рук­ции на­зы­ва­ют­ся мно­го­кри­сталь­ны­ми или «сис­те­ма­ми-в-кор­пу­се».

В бу­ду­щем раз­ви­тие ИС при­ве­дёт к слия­нию двух на­прав­ле­ний и соз­да­нию мик­ро­элек­трон­ных уст­ройств боль­шой слож­но­сти, со­дер­жа­щих мощ­ные вы­чис­лит. уст­рой­ст­ва, сис­те­мы кон­тро­ля ок­ру­жаю­щей сре­ды и сред­ст­ва об­ще­ния с че­ло­ве­ком.

Промышленная электроника

Промышленная электроника

Горбачев Г. Н., Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника: Учебник для вузов/Под ред. В. А. Лабунцова. — М.: Энергоатом-издат, 1988, — 320 с. Рассмотрены принцип действия, характеристики и параметры полупроводниковых приборов, транзисторных усилителей, импульсных, логических и цифровых устройств, основанных на применении интегральных микросхем. Рассмотрены принцип действия, расчет, характеристики и параметры зависимых вентильных преобразователей, их влияние на питающую сеть, способы построения систем управления. Дан обзор автономных вентильных преобразователей. Для студентов энергетических и электромеханических специальностей вузов. Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ ВВЕДЕНИЕ Глава первая. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ 1.1. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 1.2. ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОМ ПЕРЕХОДЕ 1.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ 1.4. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 1.5. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ 1.6. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 1. 7. ТИРИСТОРЫ 1.8. ПАРАМЕТРЫ И РАЗНОВИДНОСТИ ТИРИСТОРОВ 1.9. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ 1.10. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ Глава вторая. ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ 2.1. ПЕРЕДАТОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА 2.2. РЕЖИМ ПОКОЯ В КАСКАДЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ 2.3. ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ. СТАБИЛИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПОКОЯ 2.4. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАСКАДА С ОЭ 2.5. ВИДЫ СВЯЗЕЙ И ДРЕЙФ НУЛЯ В УСИЛИТЕЛЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА 2.6. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ КАСКАД 2.7. КАСКАД С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ 2.8. КАСКАД С ОБЩИМ ИСТОКОМ 2.9. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2.10. НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ 2.11. ИНВЕРТИРУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ 2.12. ОПЕРАЦИОННЫЕ СХЕМЫ 2.13. КОМПЕНСАЦИЯ ВХОДНЫХ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ 2.14. ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА И САМОВОЗБУЖДЕНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ 2.15. ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ 2.16. УСИЛИТЕЛИ С ЕМКОСТНОЙ СВЯЗЬЮ 2. 17. КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ МОЩНОСТИ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ Глава третья. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА 3.1. ПРЕИМУЩЕСТВА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В ВИДЕ ИМПУЛЬСОВ 3.2. КЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМ ТРАНЗИСТОРА 3.3. НЕЛИНЕЙНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ. КОМПАРАТОРЫ 3.4. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ RС-ЦЕПЕЙ 3.3. МУЛЬТИВИБРАТОР НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ 3.6. ОДНОВИБРАТОР НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ 3.7. ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ НАПРЯЖЕНИЙ 3.8. МАГНИТНО-ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ Глава четвертая. ЛОГИЧЕСКИЕ И ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА 4.1. ОСНОВНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ 4.2. ТИПЫ ЛОГИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМ 4.3. АЛГЕБРА ЛОГИКИ 4.4. КОМБИНАЦИОННЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА 4.5. МИНИМИЗАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ 4.6. КОМБИНАЦИОННЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ 4.7. АСИНХРОННЫЙ RS-ТРИГГЕР 4.8. СИНХРОННЫЕ ТРИГГЕРЫ 4.9. СЧЕТЧИКИ И РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ 4.10. РЕГИСТРЫ 4.11. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 4. 12. МИКРОПРОЦЕССОРЫ 4.13. СИСТЕМА КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРА 4.14. ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ И УЗЛЫ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ Глава пятая. МАЛОМОЩНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ ОДНОФАЗНОГО ТОКА 5.1. СТРУКТУРА ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ 5.2. ОДНОФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ С АКТИВНОЙ НАГРУЗКОЙ 5.3. ОДНОФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ С АКТИВНО-ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКОЙ 5.4. ФИЛЬТРЫ МАЛОМОЩНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ 5.5. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ И РАСЧЕТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ С ЕМКОСТНЫМ ФИЛЬТРОМ 5.6. ВНЕШНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАЛОМОЩНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ 5.7. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ 5.8. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ С МНОГОКРАТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ Глава шестая. ВЕДОМЫЕ СЕТЬЮ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СРЕДНЕЙ И БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ 6.1. ПРИМЕНЕНИЕ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ 6.2. ОДНОФАЗНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ 6.3. ОДНОФАЗНЫЙ ВЕДОМЫЙ СЕТЬЮ ИНВЕРТОР 6.4. ТРЕХФАЗНЫЙ НУЛЕВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ 6.5. ТРЁХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ 6.6. СОСТАВНЫЕ МНОГОФАЗНЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ 6. 7. РЕВЕРСИВНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ И НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ 6.8. РЕГУЛИРУЕМЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ Глава седьмая. ВЛИЯНИЕ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ПИТАЮЩУЮ СЕТЬ 7.1. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 7.2. ВЕНТИЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ МОЩНОСТИ 7.3. ИСТОЧНИКИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ Глава восьмая. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ 8.1. ФУНКЦИИ И СТРУКТУРА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЙ 8.2. ФАЗОСМЕЩАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА (ФСУ) 8.3. МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 8.4. ОДНОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ Глава девятая. АВТОНОМНЫЕ ВЕНТИЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 9.1. СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 9.2. УЗЛЫ КОММУТАЦИИ ОДНООПЕРАЦИОННЫХ ТИРИСТОРОВ 9.3. ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ 9.4. ИНВЕРТОРЫ ТОКА 9.5. РЕЗОНАНСНЫЕ ИНВЕРТОРЫ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Что такое интегральные схемы? Определение, типы и многое другое

• Новостная рассылка
• Белая бумага
• Вебинары

Откройте для себя PCIM Europe

• Продукты и приложения
• Новости отрасли
• Исследования и разработки
• Инструменты и программное обеспечение
• Эксперты
• Услуги

09. 08.2022 От Найджела Чарига

Связанные поставщики

РОМ Полупроводник ГмбХ Файнпауэр ГмбХ Нексперия Б.В.

Наш мир сегодня населен все более мощными электронными устройствами, которые зависят от интегральных схем как их основных строительных блоков. В этой статье объясняется, что это за всемогущее устройство, как оно работает, как оно сделано и какие типы доступны. В нем также рассматриваются преимущества и недостатки ИС, а в заключение приводится обзор потенциала рынка ИС.

Эта статья предлагает базовый обзор интегральных схем (ИС) и их роли в разработке электроники.

(Источник: Edelweiss — stock.adobe.com)

11 апреля 1984 года компания Amstrad выпустила свой первый персональный компьютер — Amstrad CPC464. Он стал самым продаваемым продуктом: в Европе было продано более двух миллионов единиц. Он сделал вычисления доступными для всех и обязан своим успехом привлекательной начальной цене, простоте настройки и начала использования, а также впечатляющим характеристикам. Основатель Amstrad лорд Шугар вспоминает, как во время презентации он показал публике «две гигантские печатные платы (PCB), покрытые более чем 100 микросхемами». Он продолжает: «Затем я объяснил, как компания собирается добиться прорыва в цене, объединив содержимое этих двух печатных плат в одну крошечную микросхему».

Интегральная схема на самом деле представляла собой матрицу вентилей, которая была изготовлена ​​на заказ в соответствии с требованиями Amstrad. Но реальная цель этой небольшой истории — прежде чем вдаваться в подробности — заключается в том, чтобы представить концепцию загрузки еще большего количества электронных функций во все более миниатюрные строительные блоки, известные как интегральные схемы или просто как ИС, чип или ИС-микросхема. Это также подчеркивает влияние этого; не только на инженеров-конструкторов, но и на общество в целом.

Итак, учитывая их фундаментальное значение, эта статья предлагает базовый обзор интегральных схем (ИС) и их роли в разработке электроники. В частности, он выглядит следующим образом:

• 1. Что такое интегральная схема (ИС)?

• 2. Как работает интегральная схема?

• 3. Типы интегральных схем

• 4. Как изготавливаются интегральные схемы?

• 5. Применение интегральных схем

• 6. Преимущества интегральных схем

• 7. Недостатки интегральных схем

• 8. Рынок интегральных схем

Что такое интегральная схема?

Технология полупроводниковой электроники, которая управляет всеми устройствами на наших фабриках, в автомобилях, домах и карманах, восходит к началу пятидесятых годов, когда были запущены в производство первые биполярные транзисторы. Транзисторы были основными строительными блоками для логических схем и компьютеров, потому что их можно было использовать как бинарные устройства, которые можно было включать и выключать. Они были одинаково полезны в аналоговых схемах, таких как звуковое оборудование или системы сбора данных, из-за их возможностей усиления.

Определение интегральной схемы

Физически монолитная интегральная схема (ИС) состоит из тонкопленочного слоя компонентов — транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов, но не катушек индуктивности — и соединительных проводов, сформированных на поверхности кремниевой подложки.
Функционально ИС могут быть спроектированы либо как цифровые устройства, такие как логические элементы или микропроцессоры, либо как аналоговые устройства, такие как аудио или инструментальные усилители. Также существуют устройства со смешанными сигналами, сочетающие аналоговые и цифровые функции.

Первые электронные конструкции состояли из транзисторов и других дискретных компонентов, включая диоды, конденсаторы, резисторы и катушки индуктивности, собранных на печатной плате, которая могла обеспечивать электрические соединения между компонентами, а также выступать в качестве монтажной базы. Простые схемы могут быть соединены между собой для выполнения более крупных и сложных функций, но по мере увеличения сложности росли стоимость, размер, температура, проблемы с надежностью и проблемы с производством. Эта проблема, иногда известная как «тирания чисел», стала технологическим барьером, препятствующим использованию всего потенциала полупроводниковых технологий в более мощных и функциональных, но меньших по размеру устройствах. Чтобы двигаться вперед, должен был быть лучший способ создания и соединения транзисторов в больших количествах.

В середине пятидесятых годов, когда мир — и в особенности военные — осознал удивительный потенциал электронно-вычислительных машин, многие ученые и инженеры искали решения, которые не только работали бы технически, но и могли бы производиться с прибылью в коммерческих масштабах. На этом фоне интегральная схема была решением, ожидавшим своего изобретения.

Хотя нет единого мнения о том, кто сделал интегральную схему практической реальностью, Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor широко известны как два основных разработчика необходимых технологий.
Килби работал в Texas Instruments, когда он разработал идею, которую он назвал монолитным принципом: попытка построить все различные части электронной схемы на кремниевой микросхеме. 12 сентября 1958 года он вручную построил первую в мире грубую интегральную схему с использованием микросхемы из германия (полупроводниковый элемент, похожий на кремний), и в следующем году Texas Instruments подала заявку на патент на эту идею.

Тем временем в другой компании под названием Fairchild Semiconductor (созданной небольшой группой сотрудников, первоначально работавших на пионера транзисторов Уильяма Шокли) не менее блестящий Роберт Нойс экспериментировал с собственными миниатюрными схемами. В 1959, он использовал ряд фотографических и химических методов, известных как планарный процесс (который только что был разработан его коллегой Джин Хорни), чтобы создать первую практичную интегральную схему, метод, который Фэирчайлд затем пытался запатентовать. Между работой двух мужчин было значительное совпадение, и Texas Instruments и Fairchild на протяжении большей части 1960-х годов боролись в судах за то, кто на самом деле разработал интегральную схему. Наконец, в 1969 году компании договорились поделиться идеей.

Как работает интегральная схема?

Появившаяся концепция монолитных интегральных схем включает в себя полную схему или группу схем, включая все активные и пассивные компоненты и их взаимосвязи, изготовленные из единого куска кремния. Слово «монолитный» происходит от двух греческих слов «монос» и «литос», что означает «одиночный» и «камень» соответственно. Слово «монолитный» подразумевает, что схема изготовлена ​​в одном кристалле. Этот тип микросхемы ИС иногда называют плоской ИС, поскольку она имеет форму плоской поверхности.

Подпишитесь на рассылку новостей сейчас

Не пропустите наш лучший контент

Деловая электронная почта

Нажимая «Подписаться на рассылку новостей», я даю согласие на обработку и использование моих данных в соответствии с формой согласия ( пожалуйста, разверните для подробностей) и примите Условия использования. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Развернуть для получения подробной информации о вашем согласии

Концепция планарного процесса способствует реализации интегральных схем за счет использования чертежа интегральной схемы, который представляет схему в ее двумерной проекции – плоскости. Это позволяет использовать методы обработки фотографий, такие как негативы пленки, для маскировки проекции света на открытые химические вещества. Они облегчают серию воздействий на подложку (кремний) для создания оксида кремния (изоляторы) или легированных областей (проводников). Вместе с использованием металлизации и концепций изоляции p-n-перехода и пассивации поверхности можно создавать схемы на одном срезе кристалла кремния (пластине) из монокристаллической кремниевой були.

Процесс включает в себя основные процедуры окисления диоксида кремния (SiO2), травления SiO2 и диффузии тепла. Заключительные этапы включают оксидирование всей пластины слоем SiO2, травление переходных отверстий к транзисторам и нанесение покрывающего металлического слоя поверх оксида для соединения транзисторов без ручного соединения их вместе.

Типы интегральных схем

Концепция проектирования монолитных интегральных схем Килби пятидесятых годов до сих пор лежит в основе большинства микросхем, производимых сегодня. Однако эта технология не идеальна для каждого применения, поэтому существуют и другие методы изготовления.
Тем временем число транзисторов, встроенных в чип, выросло в геометрической прогрессии — с нескольких компонентов в исходных устройствах до почти 60 миллиардов в IPU Graphcore Mk2, доступном в 2020 году. Это массивно-параллельный процессор, предназначенный для ускорения машинного интеллекта. Такой рост на протяжении десятилетий подчинялся закону Мура, который гласит, что количество компонентов на чипе примерно удваивается каждые один-два года. Это явление было замечено и описано Гордоном Муром в 1965 году, и с тех пор остается верным. Помимо Закона, Гордон Мур известен как соучредитель компании Intel Electronics вместе с вышеупомянутым Робертом Нойсом.

Таким образом, сегодня различные типы интегральных схем можно классифицировать по типу сигнала и по методу изготовления. Типы сигналов включают линейный, цифровой и смешанный сигнал. Методы изготовления включают монолитный и гибридный, которые далее подразделяются на толстопленочные и тонкопленочные.

Типы сигналов

A Linear IC работает с непрерывными аналоговыми сигналами и обеспечивает аналоговые выходы. Приложения включают усиление, генерацию, микширование, модуляцию и другие. Первые линейные ИС были операционными усилителями; современные примеры включают дифференциальные усилители, регуляторы напряжения, контуры фазовой автоподстройки частоты, аналоговые умножители и другие.

Цифровые ИС работают с двоичными (1 или 0) входами для выполнения логических функций. Большинство цифровых ИС изготавливаются по монолитной технологии. Однако для некоторых конкретных применений используются толстопленочные и тонкопленочные технологии. Цифровые ИС и функции имеют основополагающее значение для проектирования компьютеров и любых других машин с возможностями принятия решений или интеллекта. Функции включают триггеры, счетчики и сдвиговые регистры.

ИС смешанных сигналов содержат как аналоговые, так и цифровые схемы. Приложения включают FM-тюнеры в медиаплеерах, преобразователи цифро-аналоговых/аналогово-цифровых сигналов и схемы Ethernet.

Типы изготовления

Монолитные интегральные схемы изготавливаются или изготавливаются на одном кристалле кремния. Все активные и пассивные компоненты схемы формируются одновременно с использованием этапов диффузии. Монолитные ИС в основном используются в приложениях, где требуются воспроизводимые характеристики компонентов, поэтому они дешевы и очень надежны. Операционный усилитель IC741 является классическим примером монолитной ИС. Это 8-выводная микросхема, сначала разработанная Fairchild Semiconductors, а затем такими компаниями, как Motorola, National Semiconductors и другими.

Преимущества монолитных ИС

• Меньший размер и вес

• Низкая стоимость и короткое время изготовления

• Высокая надежность благодаря отсутствию паяных соединений и меньшему количеству межсоединений.

• Можно легко изготовить сложные схемы для достижения улучшенных функциональных характеристик

• Поскольку компоненты изготавливаются очень близко друг к другу, паразитные сигналы устраняются. Это позволяет работать с малым сигналом.

• Корпус микросхемы не выступает, так как все компоненты изготовлены внутри.

Недостатки монолитных ИС: Непосредственная близость внутренних компонентов также приводит к плохой изоляции между ними. Небольшой размер микросхем означает, что их можно использовать только для маломощных приложений, а катушки индуктивности невозможно изготовить.

Гибридные интегральные схемы , изготовленные с использованием толстопленочной или тонкопленочной технологии, могут использоваться, когда требуется более высокая мощность. Эти устройства больше, чем монолитные ИС, но меньше, чем дискретные схемы. Пассивные компоненты, такие как резисторы и конденсаторы, интегрированы, а транзисторы и диоды соединены как отдельные компоненты, чтобы сформировать законченную схему. Таким образом, имеющиеся в продаже тонкопленочные и толстопленочные схемы представляют собой комбинацию интегральных и дискретных компонентов.

Существенное различие между тонкопленочными и толстопленочными ИС заключается не в их относительной толщине, а в способе нанесения пленки. Они имеют схожий внешний вид, свойства и общие характеристики.

Тонкопленочные микросхемы ИС изготавливаются путем нанесения пленок из проводящего материала на поверхность стеклянной или керамической основы. Контролируя ширину и толщину пленок и используя различные материалы, выбранные по их удельному сопротивлению, изготавливают резисторы и проводники. Конденсаторы изготавливаются путем помещения пленки из изолирующего оксида между двумя проводящими пленками. Индукторы изготавливаются путем напыления пленки по спирали.

Толстопленочные интегральные схемы иногда называют печатными тонкопленочными схемами. В их производственном процессе используются методы шелкографии для создания желаемого рисунка цепей на керамической подложке.

ИС, изготовленные с использованием тонкопленочных или толстопленочных технологий, имеют то преимущество, что формируют пассивные компоненты с более широким диапазоном и лучшими допусками, лучшей изоляцией между их компонентами, большей гибкостью конструкции схемы и обеспечивают лучшие высокочастотные характеристики, чем монолитные ИС.
Однако такие ИС имеют недостатки, заключающиеся в больших физических размерах, сравнительно более высокой стоимости и невозможности изготовления активных компонентов.

Как изготавливаются интегральные схемы?

Производство интегральных схем начинается с «нарезки салями» тонких дисков, называемых пластинами, из длинной сплошной кремниевой трубы. Пластины размечены на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых будет составлять один кремниевый чип (иногда называемый микрочипом). Затем на каждом кристалле ИС создаются тысячи, миллионы или миллиарды компонентов путем легирования различных участков поверхности, чтобы превратить их в кремний n-типа или p-типа. Легирование осуществляется с помощью множества различных процессов.

В одном из них, известном как распыление, ионы легирующего материала выстреливают в кремниевую пластину, как пули из пистолета. Другой процесс, называемый осаждением из паровой фазы, включает в себя введение легирующего материала в виде газа и его конденсацию, чтобы атомы примеси создали тонкую пленку на поверхности кремниевой пластины. Молекулярно-лучевая эпитаксия является гораздо более точной формой осаждения.

Упрощенную картину процесса изготовления микросхемы можно описать шестью этапами, некоторые из которых повторяются.

• 1. Изготовление пластин: они вырезаются из силиконовых трубок, как описано выше.

• 2. Маскирование: пластины нагревают, чтобы покрыть их диоксидом кремния, а ультрафиолетовый свет используется для добавления твердого защитного слоя, называемого фоторезистом.

• 3. Травление: Химическое вещество используется для удаления части фоторезиста, создавая шаблон шаблона, показывающий требуемые области кремния n-типа и p-типа.

• 4. Легирование: протравленные пластины нагревают газами, содержащими примеси, чтобы получить участки из кремния n-типа и p-типа. Может последовать дополнительная маскировка и травление.

• 5. Тестирование: Длинные металлические соединительные провода прокладываются от управляемой компьютером испытательной машины к клеммам на каждом чипе. Любые микросхемы, не прошедшие тестирование, помечаются и отбраковываются.

• 6. Упаковка: все микросхемы, которые прошли тест, вырезаются из пластины и упаковываются в защитные пластиковые корпуса, готовые для использования в компьютерах и другом электронном оборудовании.

#sponsored

Приложения для интегральных схем

Килби и Нойс заложили основы индустрии интегральных схем, стремясь решить проблему «тирании чисел» — проблему, которая обычно возникает, когда инженеры пытаются обрабатывать все более крупные двоичные числа. Соответственно, наиболее очевидным применением интегральных схем являются компьютеры, но это не просто явные примеры, такие как настольные или портативные ПК или серверы центров обработки данных. Огромное количество устройств из самых разных отраслей имеют встроенные микропроцессоры или микроконтроллеры для обеспечения их функциональности и интеллекта. Например, в одном автомобиле может быть до 3000 микрочипов.

Повсеместное распространение интегральных микросхем обусловлено их существованием как в аналоговых, так и в цифровых устройствах. Это значительно увеличивает их способность взаимодействовать с реальным миром и количество функций, которые они могут выполнять.

Примеры применения интегральных схем включают:

• Устройства Интернета вещей

• Промышленные машины и роботы

• Системы связи

90

Бытовые приборы
• Медицинская инструментария
• Системы безопасности
• Системы климат -контроля
• Сотовые телефоны, интеллектуальные часы и калькуляторы
• Радар и навигационные системы

.

Телевизионные и развлекательные системы

• Усилители для звуковых, микроволновых и других приложений

• Железнодорожная сигнализация

Преимущества интегральных схем

• Благодаря небольшому размеру и возможности изготовления всех компонентов и взаимосвязей на одном кристалле интегральные схемы исключают размер, вес, время проектирования и сборки, а также проблемы надежности, связанные с реализациями дискретных компонентов.

• Затраты на производство ИС низкие, и они надежны благодаря отсутствию паяных соединений.

• Интегральные схемы потребляют мало энергии и при необходимости могут быть заменены, могут работать при высоких температурах.

• Обеспечивают хорошую скорость работы благодаря отсутствию паразитной емкости.

• Микросхемы работают при низком напряжении и имеют ограниченную номинальную мощность. Массовое серийное производство позволяет точно подобрать компоненты и температурные коэффициенты.

• ИС подходят для работы со слабыми сигналами, поскольку близкое расположение их компонентов, изготовленных на кремниевой пластине, исключает возможность паразитных электрических наводок.

• Внешних выступов нет, так как все компоненты находятся внутри чипа.

• Для таких продуктов, как сотовые телефоны, требующих больших производственных циклов, могут быть разработаны специализированные ИС (ASIC), которые точно соответствуют требованиям продукта, заменяя при этом большое количество более мелких компонентов. Благодаря амортизации это может снизить затраты, время сборки и размер продукта, повысив при этом надежность. ASIC со смешанными сигналами могут включать в себя как аналоговые, так и цифровые функции, включая сенсорные интерфейсы, управляющие выходы, процессор, связующую логику и все типы памяти.

Недостатки интегральных схем

• Микросхемы могут быть дорогими, а также могут выйти из строя при грубом обращении. Имеют ограниченную мощность; большинство микросхем имеют мощность 10 Вт или меньше.

• Трансформаторы и катушки индуктивности не могут быть интегрированы в интегральные схемы; они должны быть подключены как внешние компоненты. Также невозможно изготовить конденсаторы емкостью более 30 пФ. Конденсаторы большей емкости должны быть подключены снаружи. Сопротивление насыщения изготовленных транзисторов также велико.

• Высококачественная сборка ПНП невозможна, а достижение низкотемпературного коэффициента весьма затруднительно.

Рынок интегральных схем

Исследование рынка интегральных схем под названием «Отчет о мировом рынке интегральных схем», опубликованное The Business Research Company, показывает, что ожидается, что мировой рынок интегральных схем вырастет с 330 миллиардов долларов США в 2021 году до 350 миллиардов долларов США в 2022 году. – среднегодовой темп роста 5,9 %. Рост в основном связан с тем, что компании перестраивают свою деятельность и восстанавливаются после COVID-19. воздействие, которое ранее привело к ограничительным мерам сдерживания, включая социальное дистанцирование, удаленную работу и закрытие коммерческой деятельности, что привело к операционным проблемам.

Ожидается, что рынок достигнет 417,27 млрд долларов США в 2026 году при среднегодовом темпе роста 4,5 %. Ожидается, что растущее внедрение Интернета вещей (IoT) внесет значительный вклад из-за различных преимуществ использования аналоговых интегральных схем в широком спектре подключенных устройств и приложений в реальном времени. Аналоговые интегральные микросхемы обладают функциями эффективного энергопотребления и возможностями обработки сигналов, необходимыми для настройки экосистемы автоматизированных устройств.

Сложность конструкции автомобильных интегральных схем представляет собой серьезную проблему на рынке интегральных схем. Цепочка структур автомобильных интегральных схем сложна по сравнению с мобильными телефонами и электронными бытовыми приборами, такими как телевизоры и пульты дистанционного управления. Это затрудняет разработку высоконадежных автомобильных ИС.

Более широкое использование мобильных сетей следующего поколения, таких как 4G и 5G, требует новых инфраструктур. Наборы микросхем, такие как радиочастотные интегральные схемы, системы на кристаллах (SoC), специализированные интегральные схемы, сотовые интегральные схемы и интегральные схемы миллиметрового диапазона, в основном используются при разработке инфраструктуры 5G, что создает высокий спрос на интегральные схемы. Развертывание 5G в качестве драйвера спроса, которому потребуются полупроводники для инфраструктуры, увеличило выручку полупроводников с 422,8 млрд долларов США в 2019 году.до 448 млрд долларов США в 2020 году.

Азиатско-Тихоокеанский регион был крупнейшим регионом на рынке интегральных схем в 2021 году, а Северная Америка была вторым по величине регионом. Регионы, охваченные в отчете о рынке интегральных схем, включают Азиатско-Тихоокеанский регион, Западную Европу, Восточную Европу, Северную Америку, Южную Америку, Ближний Восток и Африку.

(ID:48521866)

Определение интегральной схемы | ПКМаг

Официальное название микросхемы. Интегральная схема (ИС) объединяет несколько транзисторов, резисторов и конденсаторов на одной подложке. До появления интегральных схем эти электронные компоненты представляли собой дискретные устройства, соединенные друг с другом на печатной плате.

В 1958 году изобретатель компании Texas Instruments Джек Килби продемонстрировал эту концепцию. Хотя интегральные схемы не были коммерциализированы до тех пор, пока Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor пару месяцев спустя не разработал свое устройство на основе кремния, схема Килби доказала, что несколько электронных устройств могут быть сконструированы как единое целое. См. чип, микроконтроллер и транзистор.

Первая интегральная схема Продемонстрированная TI в сентябре 1958 года, эта архаичная на вид совокупность транзисторов, конденсаторов и двух резисторов шириной полдюйма, установленных на германиевой пластине, была первой ИС. (Изображение предоставлено Texas Instruments, Inc.) Семь лет спустя — три транзистора Эта схема усилителя от Siemens была запущена в серийное производство в 1965 году. Она содержала три транзистора и пять резисторов на микросхеме площадью 1,5 квадратных миллиметра, что по сравнению с изобретением Килби представляло собой мир изощренности. (Изображение предоставлено Siemens AG, www.siemens.com) Полвека спустя — 35 миллиардов транзисторов Микросхема Xilinx Versal включает в себя несколько ЦП, ОЗУ и секцию FPGA, содержащую настраиваемые схемы (см. FPGA и Versal).

Реклама

Истории PCMag, которые вам понравятся

{X-html заменен}

Выбор редакции

ЭТО ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДНАЗНАЧЕНО ТОЛЬКО ДЛЯ ЛИЧНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ. Любое другое воспроизведение требует разрешения.
Copyright © 1981-2023. The Computer Language(Opens in a new window) Co Inc. Все права защищены.

Информационные бюллетени PCMag

Информационные бюллетени PCMag

Наши лучшие истории в вашем почтовом ящике

Подпишитесь на PCMag

• Фейсбук (Открывается в новом окне)
• Твиттер (Откроется в новом окне)
• Флипборд (Открывается в новом окне)
• Гугл (откроется в новом окне)
• Инстаграм (откроется в новом окне)
• Pinterest (Открывается в новом окне)

PCMag. com является ведущим авторитетом в области технологий, предоставляющим независимые лабораторные обзоры новейших продуктов и услуг. Наш экспертный отраслевой анализ и практические решения помогут вам принимать более обоснованные решения о покупке и получать больше от технологий.

Как мы тестируем Редакционные принципы

• (Открывается в новом окне) Логотип Зиффмедиа
• (Открывается в новом окне) Логотип Аскмен
• (Открывается в новом окне) Логотип Экстримтек
• (Открывается в новом окне) Логотип ИНГ
• (Открывается в новом окне) Логотип Mashable
• (Открывается в новом окне) Предлагает логотип
• (Открывается в новом окне) Логотип RetailMeNot
• (Открывается в новом окне) Логотип Speedtest
• (Открывается в новом окне) Логотип Спайсворкс

(Открывается в новом окне)

PCMag поддерживает Group Black и ее миссию по увеличению разнообразия голосов в СМИ и прав собственности на СМИ.