Мікросхема

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Мікросхема (ППЗП) з прозорим віконцем, через яке видно кристал напівпровідника
Інтегральна схема (І мікросхема)

Мікросхе́ма, інтегральна мікросхема (англ. integrated circuit) — електронна схема, що реалізована у вигляді напівпровідникового кристалу (чипу) та виконує певну функцію. Винайдена у 1958 році американськими винахідниками Джеком Кілбі та Робертом Нойсом.

Чіп — напівпровідникова структура, на поверхні якої сформовані контактні площинки.[1] Часто під інтегральною схемою (ІС) розуміють власне кристал або плівку з електронною схемою, а під мікросхемою (МС) — ІС в корпусі.

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, в лабораторії Л. Н. Колесова.

Історія[2][ред.ред. код]

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 та 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 чипів. 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 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 SN51 фірми Texas Instruments). Зразки-прототипи і виробничі зразки кремнієвих інтегральних схем для відтворення були отримані із США. Роботи проводилися НДІ-35 (директор Трутко) і Фрязінським заводом (директор Колмогоров) за оборонним замовленням для використання в автономному висотомірі системи наведення балістичної ракети. Розробка містила шість типових інтегральних кремнієвих планарних 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 Фрязіно (1967 рік).

Рівні проектування[ред.ред. код]

  • 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.
  • Програмний рівень — дозволяє програмістові програмувати (для мікроконтролерів 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[ред.ред. код]

Елементна база[ред.ред. код]

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.

За технологією виготовлення транзисторів мікросхеми поділяються:

  • мікросхеми на уніполярних (польових) транзисторах — найекономічніші (по споживанню струму);
  • мікросхеми на біполярних транзисторах.

Технологічний процес[ред.ред. код]

При виготовленні мікросхем використовується метод фотолітографії (проекційної, контактної 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 становив 2-8 мкм, в 1980-х був зменшений до 0,5-2 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-технології 45 нм. Є і інші мікросхеми, що давно досягли і перевищили цей рівень (зокрема, відеопроцесори і флеш-пам'ять 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 технологічним процесом 32 нм.

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

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

Ступінь інтеграції[ред.ред. код]

Залежно від ступеня інтеграції застосовують наступні назви інтегральних схем:

  • мала інтегральна схема (МІС) — до 100 елементів у кристалі,
  • середня інтегральна схема (СІС) — до 1000 елементів у кристалі,
  • велика інтегральна схема (ВІС) — до 10 тис. елементів у кристалі,
  • надвелика інтегральна схема (НВІС) — понад 10 тис. елементів у кристалі.

Контроль якості[ред.ред. код]

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

Серії мікросхем[ред.ред. код]

Аналогові і цифрові 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. Наприклад, серія 74HC — серія цифрових CMOS мікросхем загального призначення з ТТЛ-сумісними входами та виходами, а серія 54HC — її варіант з розширеним температурним діапазоном військового призначення (також називають підсерією).

Корпуси мікросхем[ред.ред. код]

Докладніше: Корпус мікросхеми

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 колами 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[ред.ред. код]

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

Аналогові схеми[ред.ред. код]

Цифрові мікросхеми[ред.ред. код]

Цифрові інтегральні 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 завадостійкість цифрових пристроїв пов'язана з великою відмінністю сигналів високого (наприклад, 2,5-5 В) і низького (0-0,5 В) рівня. Помилка можлива при таких перешкодах, 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[ред.ред. код]

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. [1] КОНТАКТНА ПЛОЩИНКА ІНТЕГРОВАНОЇ МІКРОСХЕМИ  — металізована ділянка на підшарку, кристалі або корпусі інтегрованої мікросхеми, яка служить для приєднання виводів компонентів та кристалів, перемичок, а також для контролю електричних параметрів та режимів мікросхеми.
  2. Історія Київського НДІ «Мікроприладів» в книзі Стратегия выбора. — К.: «Корнійчук», 2012. — 528 с. ISBN 978-966-7599-76-8

Джерела[ред.ред. код]