Мікросхема

Мікросхема (ППЗП) з прозорим віконцем, через яке видно кристал напівпровідника

Інтегральна схема(І мікросхема)

Мікросхема (microcircuit) — електронна схема, що реалізована у вигляді напівпровідникового кристалу та виконує певну функцію. Винайдена у 1958 році американськими винахідниками Джеком Кілбі та Робертом Нойсом.

У 1961 році фірма Fairchild Semiconductor Corporation випустила інтегральні схеми у вільний продаж, і їх відразу стали використовувати у виробництві калькуляторів і комп'ютерів замість окремих транзисторів, що дозволило значно зменшити їхній розмір, та збільшити продуктивність.

Перша радянська напівпровідникова мікросхема була створена у 1961 році, в Таганрозькому радіотехнічному інституті.

Історія

Винахід мікросхем розпочався з вивчення властивостей тонких оксидних плівок, що проявляються в ефекті поганої електропровідності при невеликій електричній напрузі. Проблема полягала в тому, що в місці зіткнення двох металів не відбувалося електричного контакту або він мав полярні властивості. Глибокі вивчення цього феномену привели до винаходу діодів, а пізніше до транзисторів і інтегральних мікросхем.

У 1958 році двоє учених, що жили в абсолютно різних місцях, винайшли практично ідентичну модель інтегральної схеми. Один з них, Джек Кілбі, працював на Texas Instruments, інший, Роберт Нойс, був одним із засновників невеликої компанії по виробництву напівпровідників Fairchild Semiconductor. Обох об'єднало питання: «Як в мінімум місця вмістити максимум компонентів?». Транзистори, резистори, конденсатори і інші деталі у той час розміщувалися на платах окремо, і вчені вирішили спробувати їх об'єднати на одному монолітному кристалі з напівпровідникового матеріалу. Тільки Кілбі скористався германієм, а Нойс віддав перевагу кремнію. У 1959 році вони окремо один від одного отримали патенти на свої винаходи — почалося протистояння двох компаній, яке закінчилося мирним договором і створенням спільної ліцензії на виробництво чіпів. Після того, як в 1961 році Fairchild Semiconductor Corporation пустила інтегральні схеми у вільний продаж, їх відразу стали використовувати у виробництві калькуляторів і комп'ютерів замість окремих транзисторів, що дозволило значно зменшити розмір і збільшити продуктивність.

Перша радянська напівпровідникова мікросхема була створена в 1961 році в Таганрозькому радіотехнічному інституті, в лабораторії Л. Н. Колесова.

Перша в СРСР напівпровідникова інтегральна мікросхема була розроблена (створена) на основі планарної технології, розробленої на початку 1960 року в НДІ-35 (потім перейменований в НДІ «Пульсар») колективом, який надалі був переведений в НИИМЭ (Мікрон). Створення першої радянської кремнієвої інтегральної схеми було сконцентроване на розробці і виробництві з метою використання у військовій техніці серії інтегральних кремнієвих схем МС-100 (37 елементів — еквівалент складності схемотехніки тригера, аналога американських ІС серії SN — 51 фірми Texas Instruments). Зразки-прототипи і виробничі зразки кремнієвих інтегральних схем для відтворення були отримані із США. Роботи проводилися НДІ-35 (директор Трутко) і Фрязинським заводом (директор Колмогоров) за оборонним замовленням для використання в автономному висотомірі системи наведення балістичної ракети. Розробка містила шість типових інтегральних кремнієвих планарных схем серії МС-100 і з організацією дослідного виробництва зайняла в НДІ-35 три роки (з 1962 по 1965 рік). Ще два роки пішло на освоєння заводського виробництва з військовим прийманням у Фрязино (1967 рік).

Рівні проектування

• Логічний — логічна схема (логічні інвертори, елементи АБО-НЕ, І-НЕ тощо).
• Схемо- і системотехнічний рівень — схемо- і системотехнічна схеми (тригери, компаратори, шифратори, дешифратори, АЛП тощо).
• Електричний — принципова електрична схема (транзистори, конденсатори, резистори тощо).
• Фізичний — методи реалізації одного транзистора (чи невеликої групи) у вигляді легованих зон на кристалі.
• Топологічний — топологічні фотошаблони для виробництва.[Прим. 1]
• Програмний рівень — дозволяє програмістові програмувати (для мікроконтроллерів і мікропроцесорів) модель, що розробляється, використовуючи віртуальну схему.

Нині велика частина інтегральних схем проектується за допомогою спеціалізованих САПР, які дозволяють автоматизувати і значно прискорити виробничі процеси, наприклад, отримання топологічних фотошаблонів.

Технології виготовлення

Типи логіки

Основним елементом аналогових мікросхем є транзистори (біполярні або польові). Різниця в технології виготовлення транзисторів істотно впливає на характеристики мікросхем. Тому нерідко в описі мікросхеми вказують технологію виготовлення, щоб підкреслити тим самим загальну характеристику властивостей і можливостей мікросхеми. У сучасних технологіях об'єднують технології біполярних і польових транзисторів, щоб добитися поліпшення характеристик мікросхем.

• Мікросхеми на уніполярних (польових) транзисторах — найекономічніші (по споживанню струму) :
• МОH-логіка (метал-оксид-напівпровідник логіка) — мікросхеми формуються з польових транзисторів n -МОH або p -МОH типу;
• КМОН-логіка (комплемент МОН-логика) — кожен логічний елемент мікросхеми складається з пари взаємодоповнюючих (комплементу) польових транзисторів (n -МОН і p -МОН).
• Мікросхеми на біполярних транзисторах:
• РТЛ — транзисторна для резистора логіка (застаріла і замінена на ТТЛ);
• ДТЛ — діодно-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);
• ТТЛ — транзисторно-транзисторна логіка — мікросхеми зроблені з біполярних транзисторів з багатоемітерними транзисторами на вході;
• ТТЛШ — транзисторно-транзисторна логіка з діодами Шотки — вдосконалена ТТЛ, в якій використовуються біполярні транзистори з ефектом Шотки;
• ЕЗЛ — емітерно-пов'язана логіка — на біполярних транзисторах, режим роботи яких підібраний так, щоб вони не входили в режим насичення, — що істотно підвищує швидкодію;
• ІІЛ — інтегрально-інжекційна логіка.

КМОН і ТТЛ (ТТЛШ) технології є найбільш поширеними логіками мікросхем. Де необхідно економити споживання струму, застосовують КМОП-технологію, де важливіше швидкість і не потрібно економію споживаної потужності застосовують ТТЛ-технологію. Слабким місцем КМОП-микросхем є уразливість від статичної електрики — досить торкнутися рукою виводів мікросхеми і її цілісність вже не гарантується. З розвитком технологій ТТЛ і КМОН мікросхеми за параметрами зближуються і, як наслідок, наприклад, серія мікросхем 1564 — зроблена за технологією КМОП, а функціональність і розміщення в корпусі як у ТТЛ технології.

Мікросхеми, виготовлені за ЕЗЛ-технологією є найшвидшими, але і найбільш енергоспоживаючими, і застосовувалися при виробництві обчислювальної техніки в тих випадках, коли найважливішим параметром була швидкість обчислення. У СРСР найпродуктивніші ЕОМ типу ЕС106х виготовлялися на ЕЗЛ-микросхемах. Зараз ця технологія використовується рідко.

Контроль якості

Для контролю якості інтегральних мікросхем широко застосовують так звані тестові структури.

Технологічний процес

При виготовленні мікросхем використовується метод фотолітографії (проекційною, контактною та ін.), при цьому схему формують на підкладці (зазвичай з кремнію), отриманій шляхом різання алмазними дисками монокристалів кремнію на тонкі пластини. Зважаючи на крихту лінійних розмірів елементів мікросхем, від використання видимого світла, і навіть ближнього ультрафіолету, при засвіченні давно відмовилися.

В якості характеристики технологічного процесу виробництва мікросхем вказують мінімальні контрольовані розміри топології фотоповторювача (контактні вікна в оксиді кремнію, ширина затворів в транзисторах і т. д.) і, як наслідок, розміри транзисторів (і інших елементів) на кристалі. Цей параметр, проте, знаходиться у взаємозалежності з рядом інших виробничих можливостей : чистотою отримуваного кремнію, характеристиками інжекторів, методами фотолітографії, методами витравлення і напилення.

В 1970-х роках мінімальний контрольований розмір складав 2-8 мкм, в 1980-х був зменшений до0,5-2 мкм. Деякі експериментальні зразки устаткування фотолітографії рентгенівського діапазону забезпечували мінімальний розмір 0,18 мкм.

В 1990-х роках, через новий виток «війни платформ», експериментальні методи стали впроваджуватися у виробництво і швидко удосконалюватися. На початку 1990-х процесори (наприклад, ранні Pentium і Pentium Pro) виготовляли за технологією 0,5-0,6 мкм (500—600 нм). Потім їх рівень піднявся до 250—350 нм. Наступні процесори (Pentium 2, K6 — 2, Athlon) вже робили за технологією 180 нм.

У кінці 1990-х фірма Texas Instruments створила нову ультрафіолетову технологію з мінімальним контрольованим розміром близько 80 нм. Але досягти її в масовому виробництві не вдавалося аж до недавнього часу. За станом на 2009 рік технології вдалося забезпечити рівень виробництва аж до 90 нм.

Нові процесори (спершу це був Core 2 Duo) роблять по новій УФ-технологии 45 нм. Є і інші мікросхеми, що давно досягли і перевищили цей рівень (вчастковості, відеопроцесори і флеш-память фірми Samsung — 40 нм). Проте подальший розвиток технології викликає все більше труднощів. Обіцянки фірми Intel по переходу на рівень 30 нм вже до 2006 року так і не збулися.

За станом на 2009 рік альянс провідних розробників і виробників мікросхем працює над тих. процесом 32 нм.

В 2010-му в роздрібному продажі вже з'явилися процесори, розроблені по 32-х нм тих. процесу.

Очікується, що, наступним, напевно, буде тих. процес 22 нм.

Серії мікросхем

Аналогових і цифрових мікросхеми випускаються серіями. Серія — це група мікросхем, що мають єдине конструктивно-технологічне виконання і призначені для спільного застосування. Мікросхеми однієї серії, як правило, мають однакову напругу джерел живлення, погоджені по вхідних і вихідних опорах, рівнях сигналів.

Корпуси мікросхем

Мікросхеми випускаються в двох конструктивних варіантах — корпусному і безкорпусному.

Безкорпусна мікросхема — це напівпровідниковий кристал, призначений для монтажу в гібридну мікросхему або мікрозборку (можливий безпосередній монтаж на друковану плату). Корпус мікросхеми — це частина конструкції мікросхеми, призначена для захисту від зовнішніх дій і для з'єднання із зовнішніми електричними ланцюгами за допомогою виводів. Корпуси стандартизовані для спрощення технологічного процесу виготовлення виробів з різних мікросхем. Число стандартних корпусів обчислюється сотнями. У сучасних імпортних корпусах для поверхневого монтажу застосовують і метричні розміри: 0,8 мм; 0,65 мм і інші.

Призначення

Інтегральна мікросхема може мати закінчений, скільки завгодно складний, функціонал — аж до цілого мікрокомп'ютера (однокристальний мікрокомп'ютер).

Аналогові схеми

• Операційні підсилювачі.
• Компаратори.
• Генератори сигналів.
• Фільтри (у тому числі на п'єзоефекті).
• Аналогові помножувачі.
• Аналогові аттенюаторы і регульовані підсилювачі
• Стабілізатори джерел живлення : стабілізатори наприяжения і струму.
• Мікросхеми управління імпульсних блоків живлення,
• Перетворювачі сигналів.
• Схеми синхронізації.
• Різні датчики (температури та ін.)

Цифрові мікросхеми

• Логічні елементи
• Тригери
• Лічильники
• Регістри
• Буферні перетворювачі
• Шифратори
• Дешифратори
• Цифровий компаратор
• Мультиплексори
• Демультиплексори
• Суматори
• півсуматори
• Ключі
• Арифметико-логічні пристрої (англ. ALU)
• Мікроконтроллери
• (Мікро) процесори (у тому числі ЦП для комп'ютерів)
• Однокристальні мікрокомп'ютери
• Мікросхеми і модулі пам'яті
• ПЛІС (програмовані логічні інтегральні схеми)

Цифрових інтегральних мікросхеми мають ряд переваг в порівнянні з аналоговими:

• Зменшене енергоспоживання пов'язане із застосуванням в цифровій електроніці імпульсних електричних сигналів. При отриманні і перетворенні таких сигналів активні елементи електронних пристроїв (транзисторів) працюють в «ключовому» режимі, тобто транзистор або «відкритий» — що відповідає сигналу високого рівня (1), або «закритий» — (0), в першому випадку на транзисторі немає падіння напруги, в другому — через нього не йде струм. У обох випадках енергоспоживання близьке до 0, на відміну від аналогових пристроїв, в яких велику частину часу транзистори знаходяться в проміжному (резистивному) стані.
• Висока завадостійка цифрових пристроїв пов'язана з великою відмінністю сигналів високого (наприклад, 2,5-5 В) і низького (0-0,5 В) рівня. Помилка можлива при такихперешкодах, коли високий рівень сприймається як низький і навпаки, що маловірогідно. Крім того, в цифрових пристроях можливе застосування спеціальних кодів, що дозволяють виправляти помилки.
• Велика відмінність сигналів високого і низького рівня і досить широкий інтервал їх допустимих змін робить цифрову техніку нечутливою до неминучого в інтегральній технології розкиду параметрів елементів, позбавляє від необхідності підбору і налаштування цифрових пристроїв.

Аналогово-цифрові схеми

• цифро-аналогові (ЦАП) і аналогово-цифрові перетворювачі (АЦП).
• Цифрові обчислювальні синтезатори (ЦВС).
• Трансивери (наприклад, перетворювач інтерфейсу Ethernet).
• Модулятори і демодулятори.

o Радіомодеми o Декодери телетексту, УКХ-радіо-тексту o Трансивери Fast Ethernet і оптичних ліній o Dial — Up модеми o Приймачі цифрового ТБ o Сенсор оптичної миші

• Перетворювачі напруги живлення і інші пристрої на перемиканих конденсаторах
• Цифрові аттенюаторы.
• Схеми фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) з послідовним інтерфейсом.
• Комутатори.
• Генератори і відновники частоти тактової синхронізації
• Базові матричні кристали (БМК) : містить як аналогові, так і цифрові первинні елементи.

Джерела

• [1]
• [2]
• [3]
• [4]
• [5]
• [6]
• [7]