Электроника / Лекция 06
.doc1. Интегральные микросхемы
Современная электронная аппаратура включает множество активных (диодов, транзисторов) и пассивных (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивностей) элементов, число которых в ряде случаев превышает 107 – 108. Использование дискретных элементов предполагает обилие паечных соединений и низкую плотность монтажа, приводящую к увеличению габаритов. Все это отражается на надежность аппаратуры, а также на ее массо-габаритные и стоимостные показатели. Решать проблемы повышения надежности, уменьшения массы, габаритов и стоимости аппаратуры позволяет микроэлектроника. Ее основным принципом является интеграция, т.е. объединение в одном миниатюрном устройстве множество активных и пассивных элементов. Такие устройства, представляющие собой единое целое, получили наименование интегральных микросхем.
Интегральная микросхема (ИМС) – это изделие электронной техники, выполняющее определенные функции преобразования и обработки сигнала и содержащее необходимое для этой цели число активных и пассивных элементов. По конструктивно-технологическим признакам ИМС различаются на полупроводниковые и гибридные. В полупроводниковой ИМС все элементы и междуэлементные соединения выполняются в объеме и на поверхности полупроводника, в основном, кремния. В гибридной ИМС резисторы, конденсаторы, а также соединительные проводники выполняют посредством нанесения различных пленок на поверхность диэлектрической подложки. Дроссели и бескорпусные полупроводниковые приборы применяют в качестве навесных элементов.
В полупроводниковых ИМС все элементы выполняются в процессе общих технологических операций. В них используются либо биполярные транзисторы типа n-p-n, имеющие большое быстродействие и дающие возможность получения большего значения коэффициента передачи α по сравнению с транзисторами типа p-n-p, либо МДП-транзисторы с индуцированным каналом, технология изготовления которых существенно проще технологии изготовления биполярных транзисторов. Диоды создаются на основе транзисторных структур при использовании их p-n переходов. В качестве конденсаторов используются барьерные емкости p-n переходов в закрытом состоянии. Индуктивные элементы в полупроводниковых ИМС не применяются из-за невозможности их технологического обеспечения.
При современной технологии достигается высокая плотность размещения компонент в одном кристалле полупроводникового материала, составляющая до 105 элементов на квадратный сантиметр. Линейные размеры отдельных элементов и расстояния между ними достигают 1 мкм. В результате масса и габариты полупроводниковых микросхем получаются весьма малыми. Кроме того, технология обеспечивает получение в таких микросхемах высокую идентичность параметров одинаковых компонент. Однако технология изготовления полупроводниковых микросхем очень сложна. Затраты на создание новых типов таких микросхем и на внедрение их в производство велики. Следовательно, экономически оправдано производство полупроводниковых микросхем только очень большими партиями на специализированных предприятиях. Они выпускаются в виде типовых элементов и предназначены для широкого применения. При этом выпускаются программируемые микросхемы, функции которых могут быть запрограммированы потребителем с учетом использования в конкретной аппаратуре.
Технология гибридных ИМС значительно проще технологии полупроводниковых. При изготовлении гибридных ИМС возможен подбор номиналов отдельных элементов, что обеспечивает оперативность при проектировании и хорошей приспособленности к выполнению частных задач. Подготовка к выпуску новых типов требует меньших затрат, чем в случае полупроводниковых ИМС. Это определяет экономичность мелкосерийного производства гибридных ИМС. Однако их массо-габаритные показатели хуже, чем у полупроводниковых ИМС.
Важным показателем полупроводниковых микросхем является степень интеграции, определяемая числом компонент, входящих в состав микросхемы. В связи с этим микросхема считается простой, если число компонент в ней N < 10, средней 10 < N < 100. В большой интегральной схеме (БИС) 100 < 1000, в сверхбольшой (СБИС) число компонент более 1000. В гибридных ИМС число элементов обычно не превышает нескольких десятков.
С увеличением плотности размещения компонент в микросхеме существенно усложняется решение задачи теплоотвода, свойственной полупроводниковым приборам, а также снижается электрическая прочность. Все это ограничивает область применения полупроводниковых микросхем, которые являются элементами информационной электроники. Их целесообразно применять там, где мощность и напряжение не велики и используются маломощные источники питания.
В зависимости от назначения ИМС выполняют определенные операции. По назначению они разделяются на аналоговые (линейно-импульсные) и цифровые (логические). Аналоговые ИМС могут обеспечивать монотонную зависимость между величинами входного и выходного сигналов. Из их числа наибольшее распространение получил операционный усилитель. В цифровых ИМС, как правило, имеется несколько входных и несколько выходных клемм. Сигналы на этих клеммах могут принимать лишь определенные уровни. При этом наличие или отсутствие выходных сигналов зависит от наличия или отсутствия сигналов на входе. Номенклатура цифровых ИМС весьма велика.