Інтегральна схема. Інтегральна мікросхема Перша інтегральна мікросхема з'явилася в

інтегральна мікросхема

Сучасні інтегральні мікросхеми, призначені для поверхневого монтажу.

Радянські й іноземні незалежні цифрові мікросхеми.

інтегральна(Engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), ( мікро)схема (ІС, ІМС, м / сх), чіп, мікрочіп(Англ. chip- тріска, уламок, фішка) - мікроелектронний пристрій - електронна схема довільної складності, виготовлена ​​на напівпровідниковому кристалі (чи плівці) і поміщена в нерозбірний корпус. часто під інтегральної схемою(ІС) розуміють власне кристал або плівку з електронною схемою, а під мікросхемою(МС) - ІС, укладену в корпус. У той же час вираз «чіп компоненти» означає «компоненти для поверхневого монтажу» на відміну від компонентів для традиційної пайки в отвори на платі. Тому правильніше говорити «чіп мікросхема», маючи на увазі мікросхему для поверхневого монтажу. В теперішній момент(Рік) велика частина мікросхем виготовляється в корпусах для поверхневого монтажу.

Історія

Винахід мікросхем почалося з вивчення властивостей тонких оксидних плівок, що виявляються в ефекті поганий електро-провідності при невеликих електричній напрузі. Проблема полягала в тому, що в місці зіткнення двох металів не відбувалося електричного контакту або він мав полярні властивості. Глибокі вивчення цього феномена привели до відкриття діодів а пізніше транзисторів і інтегральних мікросхем.

рівні проектування

• Фізичний - методи реалізації одного транзистора (або невеликої групи) у вигляді легованих зон на кристалі.
• Електричний - принципова електрична схема (транзистори, конденсатори, резистори і т. П.).
• Логічний - логічна схема (логічні інвертори, елементи АБО-НЕ, І-НЕ і т. П.).
• Схемо- і системотехнічний рівень - схемо- і системотехническая схеми (тригери, компаратори, шифратори, дешифратори, АЛУ і т. П.).
• Топологічний - топологічні фотошаблони для виробництва.
• Програмний рівень (для мікроконтролерів і мікропроцесорів) - команди ассемблера для програміста.

В даний час велика частина інтегральних схем розробляється за допомогою САПР, які дозволяють автоматизувати і значно прискорити процес отримання топологічних фотошаблонів.

Класифікація

ступінь інтеграції

призначення

Інтегральна мікросхема може володіти закінченим, як завгодно складним, функціоналом - аж до цілого мікрокомп'ютера (однокристальний мікрокомп'ютер).

аналогові схеми

• Генератори сигналів
• аналогові помножувачі
• Аналогові атенюатори і регульовані підсилювачі
• Стабілізатори джерел живлення
• Мікросхеми управління імпульсних блоків живлення
• перетворювачі сигналів
• схеми синхронізації
• Різні датчики (температури і ін.)

цифрові схеми

• Логічні елементи
• буферні перетворювачі
• модулі пам'яті
• (Мікро) процесори (в тому числі ЦПУ в комп'ютері)
• Однокристальний мікрокомп'ютери
• ПЛІС - програмовані логічні інтегральні схеми

Цифрові інтегральні мікросхеми мають ряд переваг в порівнянні з аналоговими:

• зменшене енергоспоживанняпов'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. В обох випадках енергоспоживання близько до 0, на відміну від аналогових пристроїв, в яких більшу частину часу транзистори знаходяться в проміжному (резистивном) стані.
• висока стійкість перед перешкодамицифрових пристроїв пов'язана з відмінністю сигналів високого (наприклад 2,5 - 5 В) і низького (0 - 0,5 В) рівня. Помилка можлива при таких перешкодах, коли високий рівеньсприймається як низький і навпаки, що мало ймовірно. 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 нечутливоюдо неминучого в інтегральної технології розкиду параметрів елементів, позбавляє від необхідності підбору та настройки цифрових пристроїв.

Всього років двадцять п'ять тому радіоаматорам і фахівцям старшого покоління довелося займатися вивченням нових на той час приладів - транзисторів. Нелегко було відмовлятися від електронних ламп, до яких так звикли, і перемикатися на тісняться і все розростається «сімейство» напівпровідникових приладів.

А зараз це «сімейство» все більше і більше стало поступатися своїм місцем в радіотехніці і електроніці напівпровідникових приладів новейшею покоління - інтегральних мікросхем, часто званим скорочено ІМС.

Що таке інтегральна мікросхема

інтегральна мікросхема- це мініатюрний електронний блок, що містить в загальному корпусі транзистори, діоди, резистори та інші активні і пасивні-елементи, число яких може досягати декількох десятків тисяч.

Одна мікросхема Може замінити цілий блок радіоприймача, електронної обчислювальної машини (ЕОМ) і електронного автомата. «Механізм» наручних електронних годинників, наприклад, - це всього лише одна більшою мікросхема.

За своїм функціональним призначенням інтегральні мікросхеми діляться на дві основні групи: аналогові, або лінійно-імпульсні, і логічні, або цифрові, мікросхеми.

Аналогові мікросхеми призначаються для посилення, генерування і перетворення електричних коливань різних частот, наприклад, для приймачів, підсилювачів, а логічні - для використання в пристроях автоматики, в приладах з цифровим відліком часу, в ЕОМ.

Цей практикум присвячується знайомству з пристроєм, принципом роботи і можливим застосуванням найпростіших аналогових і логічних інтегральних мікросхем.

На аналогової мікросхемі

З величезного «сімейства» аналогових найпростішими є мікросхеми-близнюки »К118УН1А (К1УС181А) і К118УН1Б (К1УС181Б), що входять в серію К118.

Кожна з них являє собою підсилювач, що містить ... Втім, про електронну «начинку» краще поговорити лозже. А поки будемо вважати їх «чорними скриньками» з висновками для підключення до них джерел живлення, додаткових деталей, вхідних і вихідних ланцюгів.

Різниця ж між ними полягає лише в їх коефіцієнтах посилення коливань низьких частот: коефіцієнт посилення мікросхеми К118УН1А на частоті 12 кГц складає 250, а мікросхеми К118УН1Б - 400.

На високих частотах коефіцієнт посилення цих мікросхем однаковий - приблизно 50. Так що будь-яка з них може бути використана для посилення коливань як низьких, так і високих частот, а значить, і для наших дослідів. Зовнішній вигляді умовне позначення цих мікросхем-підсилювачів на принципових схемах пристроїв показані на рис. 88.

Корпус у них пластмасовий прямокутної форми. Зверху на корпусі - мітка, що служить точкою відліку номерів висновків. Мікросхеми розраховані на живлення від джерела постійного струму напругою 6,3 В, яке подають через висновки 7 (+ Uпит) і 14 (— Uпіт).

Джерелом живлення може бути блок живлення з регульованим вихідним напругою або батарея, складена з чотирьох елементів 334 і 343.

Перший досвід з мікросхемою К118УН1А (або К118УН1Б) проводь за схемою, наведеною на рис. 89. Як монтажної плати використовуй картонну пластинку розмірами приблизно 50X40 мм.

мікросхему висновками 1, 7, 8 і 14 припаяй до дротяних дужках, пропущеним через проколи в картоні. Всі вони будуть виконувати роль стійок, що утримують мікросхему на платі, а дужки висновків 7. і 14, крім того, сполучними контактами з батареєю GB1 (Або мережевим блоком живлення).

Між ними по обидва боки від мікросхеми зміцни ще по два-три контакти, які будуть проміжними для додаткових деталей. Змонтуй на платі конденсатори З 1(Типу К50-6 або К50-3) і С2(КЯС, БМ, МБМ), підключи до виходу мікросхеми головні телефони В 2.

До входу мікросхеми підключи (через конденсатор З 1)електродинамічний мікрофон В 1будь-якого типу або телефонний капсуль ДЕМ-4м, включи харчування і, притиснувши щільніше телефони до вух, постукай легенько олівцем по мікрофону. Якщо помилок в монтажі немає, в телефонах повинні бути чутні звуки, що нагадують клацання по барабану.

Попроси товариша сказати щось перед мікрофоном - в телефонах почуєш його голос. Замість мікрофона до входу мікросхеми можеш підключити радіотрансляційний (абонентський) гучномовець з його согласующим трансформатором. Ефект буде приблизно таким же.

Продовжуючи досвід з телефонним пристроєм односторонньої дії, включи між загальним (мінусовим) провідником ланцюга харчування і виведенням 12 мікросхеми електролітичний конденсатор СЗ,позначений на схемі штриховими лініями. При цьому гучність звуку в телефонах повинна зрости.

Телефони стануть звучати ще голосніше, якщо такий же конденсатор включити в ланцюг виведення 5 (На рис, 89 - конденсатор С4).Але якщо при цьому підсилювач збудиться, то між загальним проводом і виведенням 11 доведеться включити електролітичний конденсатор ємністю 5 - 10 мкФ на. номінальну напругу 10 В.

Ще один досвід: включи між висновками 10 і 3 мікросхеми керамічний або паперовий конденсатор ємністю 5 - 10 тис. пикофарад. Що вийшло? У телефонах з'явився безперервний -звук середньої тональності. Зі збільшенням ємності цього конденсатора тон звуку в телефонах повинен знижуватися, а зі зменшенням підвищуватися. Перевір це.

А тепер розкриємо цей «чорний ящик» і розглянемо його «начинку» (рис. 90). Так, це двохкаскадний підсилювач з безпосереднім зв'язком між його транзисторами. Транзистори кремнієві, структури n -р-n. Низькочастотний сигнал, який створюється мікрофоном, надходить (через конденсатор С1) на вхід мікросхеми (висновок 3).

Падіння напруги, що створюється на резисторі R6 в емітерний ланцюга транзистора V2, через резистори R4 і R5 подається на базу транзистора VI і відкриває його. резистор R1 — навантаження цього транзистора. Знімається з нього посилений сигнал надходить на базу транзистора V2 для додаткового посилення.

У дослідному підсилювачі навантаженням транзистора V2 були головні телефони, включені в його колекторний ланцюг, які перетворювали низькочастотний сигнал в звук.

Але його навантаженням міг би бути резистор R5 мікросхеми, якщо з'єднати разом висновки 10 і 9. В такому випадку телефони треба включати між загальним проводом і точкою з'єднання цих висновків через електролітичний конденсатор ємністю в кілька мікрофарад (позитивної обкладкою до мікросхеми).

При включенні конденсатора між загальним проводом і виведенням 12 мікросхеми гучність звуку збільшилася, Чому? Тому що він, шунтуючи резистор R6 мікросхеми, послабив діючу в ній негативний зворотний зв'язок по змінному струмі.

Негативний зворотний зв'язок стала ще слабше, коли ти другий конденсатор включив в базову ланцюг транзистора V1. А третій конденсатор, включений між загальним проводом і виведенням 11, утворив з резистором R7 мікросхеми розв'язують фільтр, що запобігає порушення підсилювача.

Що вийшло при включенні конденсатора між висновками 10 і 5? Він створив між виходом і входом підсилювача позитивний зворотний зв'язок, яка перетворила його в генератор коливань звукової частоти.

Отже, як бачиш, мікросхема К118УН1Б (або К118УН1А) - це підсилювач, який може бути низ-кочастотним або високочастотним, наприклад, в приймальнику. Але він може стати і генератором електричних коливань як низьких, так і високих частот.

Мікросхема в радіоприймачі

Пропонуємо випробувати цю мікросхему в високочастотному тракті приймача, зібраного, наприклад, за схемою, наведеною на рис. 91. Вхідний контур магнітної антени такого приймача утворюють котушка L1 і конденсатор змінної ємності С1. Високочастотний сигнал радіостанції, на хвилю якої контур налаштований, через котушку зв'язку L2 і розділовий конденсатор С2надходить на вхід (висновок 3) мікросхеми Л1.

З виходу мікросхеми (висновок 10, з'єднаний з висновком 9) посилений сигнал подається через конденсатор С4на детектор, діоди VI і V2 якого включені за схемою множення напруги, а виділений їм низькочастотний сигнал телефони В 1перетворять в звук. Приймач харчується від батареї GB1, складеної з чотирьох елементів 332, 316 або п'яти акумуляторів Д-01.

У багатьох транзисторних приймачах підсилювач високочастотного тракту утворюють транзистори, а в цьому - мікросхема. Тільки в цьому і полягає різниця між ними. Маючи досвід попередніх практикумів, ти, сподіваюся, зможеш самостійно змонтувати і гналагодити такий приймач і навіть, якщо забажаєш, доповнити його підсилювачем НЧгдля гучномовного радиоприема.

На логічної мікросхемі

Складовою частиною багатьох цифрових інтегральних мікросхем є логічний елемент І-НЕ, умовне позначення якого ти бачиш на рис. 92, а.Його символом є знак «&», що поміщається всередині прямокутника, зазвичай у верхньому лівому кутку, який замінює союз «І» в англійській мові. Зліва два або більше входів, праворуч - один вихід.

Невеликий гурток, яким починається лінія зв'язку вихідного сигналу, символізує логічне Заперечення «НЕ» на виході мікросхеми. Мовою цифрової техніки «НЕ» означає, що елемент І-НЕ є інвертором, тобто пристроєм, вихідні параметри якого протилежні вхідним.

Електричне стан і роботу логічного елемента характеризують рівнями сигналів на його входах і виході. Сигнал невеликого (або нульового) напруги, рівень якого не перевищує 0,3 - 0,4 В, прийнято (відповідно до двійковій системою числення) називати логічним нулем (0), а сигнал більш високої напруги (в порівнянні з логічним 0), рівень якого може бути 2,5 - 3,5 В, - логічною одиницею (1).

Наприклад, говорять: «на виході елемента логічна 1». Це означає, що в даний момент на виході елемента з'явився сигнал, напруга якого відповідає рівню логічної 1.

Щоб не заглиблюватися в технологію і пристрій елемента І-НЕ, будемо розглядати його як «чорну скриньку», у якого для електричного сигналу є два входи і один вихід.

Логіка ж елемента полягає в тому, що при подачі на один з його входів логічного О, а на другий вхід логічного 1, на виході з'являється сигнал логічної 1, який зникає при подачі на обидва входи сигналів, відповідних логічної 1.

Для дослідів, що закріплюють в пам'яті це властивість елемента, будуть потрібні найбільш поширена мікросхема К155ЛАЗ, вольтметр постійного струму, свіжа батарея 3336Л і два резистора опором 1 ... 1,2 кОм.

Мікросхема К155ЛАЗ складається з чотирьох елементів 2И-НЕ (рис. 92, б),живляться від одного загального джерела постійного струму напругою 5 В, але кожен з них працює як самостійне логічне пристрій. Цифра 2 в назві мікросхеми вказує на те, що її елементи мають по два входи.

Зовнішнім виглядом і конструктивно вона, як і всі мікросхеми серії К155, не відрізняється від вже знайомої тобі аналогової мікросхеми К118УН1, тільки полярність підключення джерела живлення інша. Тому зроблена раніше тобою картонна плата підійде і для дослідів з цієї мікросхемою. Джерело живлення підключають: +5 В - до висновку 7 » — 5 В - до висновку 14.

Але ці висновки не прийнято позначати на схематичному зображенні мікросхеми. Пояснюється це тим, що на принципових електричних схемахелементи, складові мікросхему, зображують окремо, наприклад, як на рис. 92, ст. Для дослідів можна використовувати будь-який з її чотирьох елементів.

Мікросхему висновками 1, 7, 8 і 14 припаяй до дротяних стійок на картонній платі (як на рис. 89). Один з вхідних висновків будь-якого з її елементів, наприклад, елементу з висновками 1 — 3, з'єднай через ре-.зістор опором 1 ... 1.2 кОм з висновком 14, висновок другого входу - безпосередньо із загальним ( «заземленим») провідником ланцюга харчування, а до виходу елемента підключи вольтметр постійного струму (рис. 93, а).

Включаючи харчування. Що показує вольтметр? Напруга, що дорівнює приблизно 3 В. Ця напруга відповідає сигналу логічної 1 на виході елемента. Тим же вольтметром зміряй напруга на виводі першого входу, І тут, як бачиш, теж логічна 1. Отже, коли на одному з входів елемента логічна 1, а на другому логічний 0, на виході буде логічна 1.

Тепер висновок і другого входу з'єднай через резистор опором 1 ... 1.2 кОм з висновком 14 і одночасно дротяної перемичкою - з загальним провідником, як показано на рис. 93, б.

При цьому на виході, як і в першому досвіді, буде логічна 1. Далі, стежачи за стрілкою вольтметра, видали дротяну перемичку, щоб і на другий вхід подати сигнал, відповідний логічній 1.

Що фіксує вольтметр? Сигнал на виході елемента перетворився в логічний 0. Так воно і повинно бути! А якщо будь-який з входів періодично замикати на загальний провід і тим самим імітувати подачу на нього логічного 0, то з такою ж частотою на виході елемента стануть з'являтися імпульси струму, про що свідчитимуть коливання стрілки вольтметра. Перевір це дослідним шляхом.

Властивість елемента І-НЕ змінювати свій стан під впливом вхідних сигналів широко використовується в різних пристроях цифрової обчислювальної техніки. Радіоаматори ж, особливо початківці, дуже часто використовують логічний елемент як інвертор - пристрій, сигнал на виході якого протилежний вхідному сигналу.

Підтвердити таку властивість елемента може наступний досвід. З'єднай разом висновки обох входів елемента і через резистор опором 1 ... 1,2 кОм підключи їх до висновку 14 (Рис. 93, в).

Так ти подаси на загальний вхід елемента сигнал, відповідний логічній 1, напруга якого можна виміряти вольтметром. Що при цьому виходить на виході?

Стрілка вольтметра, підключеного до нього, трохи відхилилася від нульової позначки шкали. Тут, отже, як і передбачалося, сигнал відповідає логічному 0.

Потім, не відключаючи резистор від виведення 14 мікросхеми, кілька разів поспіль замкни дротяної перемичкою вхід елемента на загальний провідник (на рис. 93, впоказано штриховою лінією зі стрілками) і одночасно стеж за стрілкою вольтметра. Так ти переконаєшся в тому, що коли на вході інвертора логічний 0, на виході в цей час логічна 1 і, навпаки, коли на вході логічна 1 - на виході логічний 0.

Так працює інвертор, особливо часто використовується радіоаматорами в конструюються ними імпульсних пристроях.

Прикладом такого пристрою може служити генератор імпульсів, зібраний по схемі, наведеній на рис. 94. У його працездатності ти можеш переконатися зараз же, витративши на це всього кілька хвилин.

Вихід елемента D1.1 з'єднай з входами елемента D1.2 тієї ж мікросхеми, його вихід - з входами елемента DJ.3, а вихід цього елемента (висновок 8) - з входом елемента D1.1 через змінний резистор R1 . До виходу елемента D1.3 (Між виведенням 8 і загальним провідником) підключи головні телефони B1, a паралельно елементам D1.1 і D1.2 електролітичний конденсатор С1.

Движок змінного резистора встанови в праве (за схемою) положення і включи харчування - в телефонах почуєш звук, тональність якого можна змінювати змінним резистором.

В цьому експерименті елементи D1.1, D1.2 іD1.3, з'єднані між собою послідовно, подібно транзисторів трехкаскадного підсилювача, утворили мультивибратор - генератор електричних імпульсів прямокутної форми.

Мікросхема стала генератором завдяки конденсатору і резистору, який створив між виходом і входом елементів частотозавісімие ланцюга зворотного зв'язку. Змінним резистором частоту імпульсів, що генеруються мультивібратором, можна плавно змінювати приблизно від 300 Гц до 10 кГц.

Яке практичне застосування може знайти таке імпульсний пристрій? Воно може стати, наприклад, квартирним дзвінком, пробником для перевірки працездатності каскадів приймача і підсилювача НЧ, генератором для тренувань з прийому на слух телеграфної азбуки.

Саморобний ігровий автомат на мікросхемі

Подібний пристрій можна перетворити в ігровий автомат «Червоний або зелений?». Схема такого імлульсного пристрою приведена на рис. 95. Тут елементи D1.1, D1.2, D1.3 тієї ж (або такий же) мікросхеми К155ЛАЗ і конденсатор З 1утворюють аналогічний мультивибратор, імпульси якого управляють транзисторами VI і V2, включеними за схемою з загальним емітером.

елемент D1.4 працює як інвертор. Завдяки йому імпульси мультивібратора надходять на бази транзисторів в протифазі і відкривають їх по черзі. Так, наприклад, коли на вході інвертора рівень логічної 1, а на виході рівень логічного 0, то в Ці моменти, часу транзистор В 1відкритий і лампочка HI в його колекторної ланцюга горить, а транзистор V2 закритий і його лампочка Н2не горить.

При наступному імпульсі інвертор змінить свій стан на протилежне. Тепер відкриється транзистор V2 і загориться лампочка Н2,а транзистор VI закриється і лампочка H1 згасне.

Але частота імпульсів, що генеруються мультивібратором, порівняно висока (не менш 15 кГц) і лампочки, природно, не можуть реагувати на кожен імпульс.

Тому вони світяться тьмяно. Але варто натиснути на кнопку S1, щоб її контактами замкнути конденсатор З 1і тим самим зірвати генерацію мультивибратора, як тут же яскраво засвітиться лампочка того з транзисторів, на базі якого в цей момент виявиться напруга, відповідне логічного 1, а інша лампочка зовсім згасне.

Заздалегідь неможливо сказати, яка з лампочок після натискання на кнопку буде продовжувати горіти - можна тільки гадати. У цьому сенс гри.

Ігровий автомат разом з батареєю живлення (3336Л або три елементи 343, з'єднані послідовно) можна розмістити в коробці невеликих розмірів, наприклад в корпусі «кишенькового» приймача.

лампочки розжарювання HI і Н2(МН2,5-0,068 або МН2,5-0,15) розмісти під отворами в лицьовій стінці корпусу і закрий їх ковпачками або пластинками органічного скла червоного і зеленого кольорів. Тут же зміцни вимикач харчування (тумблер ТБ-1) і кнопковий вимикач §1(Типу П2К або КМ-Н) зупинки мультивібратора.

Налагодження ігрового автомата полягає в ретельному підборі резистора R1. Його опір має бути таким, щоб при зупинці мультивибратора кнопкою S1 принаймні 80 - 100 разів число загорянь кожної з лампочок було приблизно однаково.

Спочатку перевір, чи працює мультивібратор. Для цього паралельно конденсатору З 1,е, мкость якого може бути 0,1 ... 0,5 мкФ, підключи електролітичний конденсатор ємністю 20 ... 30 мкФ, а до виходу мультивібратора головні телефони - в телефонах повинен з'явитися звук низької тональності.

Цей звук - ознака роботи мультивібратора. Потім видали електролітичний конденсатор, резистор R1 заміни підлаштування резистором опором 1,2 ... 1,3 кОм, а між висновками 8 і 11 елементів DI.3 і D1.4 включи вольтметр постійного струму. Зміною опору подстро-ечного резистора доможися такого положення, щоб вольтметр показував нульове напруга між виходами цих елементів мікросхеми.

Число грають може бути будь-який. Кожен по черзі натискає на кнопку зупинки мультивібратора. Виграє той, хто при однаковій кількості ходів, наприклад двадцяти натискань на кнопку, більше число раз вгадає кольору загорающихся лампочок після зупинки мультивібратора.

На жаль, частота мультивібратора описаного тут найпростішого ігрового автомата через розрядки батареї дещо змінюється, що, звичайно, позначається на равновероятности запалювання різних лампочок, тому краще живити його від джерела стабілізованої напруги 5 В.

Література: Борисов В. Г. Практикум початківця радіолюбітеля.2-е изд., Перераб. і доп. - М .: ДОСААФ, 1984. 144 с., Іл. 55К.

Здійснення цих пропозицій в ті роки не могло відбутися через недостатнє розвитку технологій.

В кінці 1958 року і в першій половині 1959 року в напівпровідникової промисловості відбувся прорив. Три людини, які представляли три приватні американські корпорації, вирішили три фундаментальні проблеми, що перешкоджали створенню інтегральних схем. Джек Кілбі з Texas Instrumentsзапатентував принцип об'єднання, створив перші, недосконалі, прототипи ІС і довів їх до серійного виробництва. Курт Леговец з Sprague Electric Companyвинайшов спосіб електричної ізоляції компонентів, сформованих на одному кристалі напівпровідника (ізоляцію p-n-переходом (англ. P-n junction isolation)). Роберт Нойс з Fairchild Semiconductorвинайшов спосіб електричного з'єднання компонентів ІС (металлизацию алюмінієм) і запропонував удосконалений варіант ізоляції компонентів на базі новітньої планарной технології Жана Ерні (англ. Jean Hoerni). 27 вересня 1960 року група Джея Ласта (англ. Jay Last) Створила на Fairchild Semiconductorпершу працездатну напівпровідниковуІС по ідеям Нойса і Ерні. Texas Instruments, Що володіла патентом на винахід Кілбі, розв'язала проти конкурентів патентну війну, що завершився в 1966 році мировою угодою про перехресному ліцензування технологій.

Ранні логічні ІС згаданих серій будувалися буквально з стандартнихкомпонентів, розміри і конфігурації яких були задані технологічним процесом. Схемотехніки, які проектували логічні ІС конкретного сімейства, оперували одними і тими ж типовими діодами і транзисторами. У 1961-1962 рр. парадигму проектування зламав провідний розробник SylvaniaТом Лонго, вперше використавши в одній ІС різні конфігурації транзисторів в залежності від їх функцій в схемі. В Наприкінці 1962 р Sylvaniaвипустила в продаж перша родина розробленої Лонго транзисторних-транзисторної логіки (ТТЛ) - історично перший тип інтегральної логіки, зумів надовго закріпитися на ринку. У аналогової схемотехніки прорив подібного рівня зробив у 1964-1965 роках розробник операційних підсилювачів FairchildБоб Відлар.

Перша вітчизняна мікросхема була створена в 1961 році в ТРТІ (Таганрозькій радіотехнічний інститут) під керівництвом Л. Н. Колесова. Ця подія привернула увагу наукової громадськості країни, і ТРТІ був затверджений головним в системі мінвуза з проблеми створення мікроелектронної апаратури високої надійності і автоматизації її виробництва. Сам же Л. Н. Колесов був призначений Головою координаційної ради з цієї проблеми.

Перша в СРСР гібридна товстоплівкова інтегральна мікросхема(Серія 201 «Стежка») була розроблена в 1963-65 роках в НДІ точної технології ( «Ангстрем»), серійне виробництвоз 1965 року. У розробці брали участь фахівці НІЕМ (нині НДІ "Аргон").

Перша в СРСР напівпровідникова інтегральна мікросхема була створена на основі планарної технології, розробленої на початку 1960 року в НДІ-35 (потім перейменований в НДІ «Пульсар») колективом, який в подальшому був переведений в НІІМЕ ( «Мікрон»). Створення першої вітчизняної кремнієвої інтегральної схемибуло сконцентровано на розробці і виробництві з військовим прийманням серії інтегральних кремнієвих схем ТС-100 (37 елементів - еквівалент схемотехнической складності тригера, аналога американських ІС серії SN-51 фірми Texas Instruments). Зразки-прототипи і виробничі зразки кремнієвих інтегральних схем для відтворення були отримані з США. Роботи проводилися в НДІ-35 (директор Трутко) і Фрязінскім напівпровідникових заводом (директор Колмогоров) за оборонним замовленням для використання в автономному висотомірі системи наведення балістичної ракети. Розробка включала шість типових інтегральних кремнієвих планарних схем серії ТС-100 і з організацією досвідченого 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).

Паралельно робота по розробці інтегральної схеми проводилася в центральному конструкторському бюро при Воронезькому заводі напівпровідникових приладів (нині -). У 1965 році під час візиту на ВЗПП міністра електронної промисловості А. І. Шокіна заводу було доручено провести науково-дослідну роботу по створенню кремнієвої монолітної схеми - НДР «Титан» (наказ МОЗ України від 16.08.1965 р № 92), яка була достроково виконана вже до кінця року. Тема була успішно здана Держкомісії, і серія 104 мікросхем діод-транзисторної логіки стала першим фіксованим досягненням в області твердотільної мікроелектроніки, що знайшло своє відображення в наказі МЕП від 30.12.1965 р № 403.

рівні проектування

В даний час (2014 г.) велика частина інтегральних схем проектується за допомогою спеціалізованих САПР, які дозволяють автоматизувати і значно прискорити виробничі процеси, наприклад, отримання топологічних фотошаблонів.

Класифікація

ступінь інтеграції

Залежно від ступеня інтеграції застосовуються такі назви інтегральних схем:

• мала інтегральна схема (МІС) - до 100 елементів в кристалі,
• середня інтегральна схема (СІС) - до 1000 елементів в кристалі,
• велика інтегральна схема (БІС) - до 10 тис. елементів в кристалі,
• надвелика інтегральна схема (НВІС) - більше 10 тис. елементів в кристалі.

Раніше використовувалися також тепер уже застарілі назви: ультрабольшая інтегральна схема (УБИС) - від 1-10 млн до 1 млрд елементів в кристалі і, іноді, гігабольшая інтегральна схема (ГВІС) - понад 1 млрд елементів в кристалі. В даний час, в 2010-х, назви «УБИС» і «ГВІС» практично не використовуються, і все мікросхеми з числом елементів понад 10 тис. Відносять до класу НВІС.

технологія виготовлення

Гібридна мікрозбірка STK403-090, витягнута з корпусу

• Напівпровідникова мікросхема - всі елементи і межелементние з'єднання виконані на одному напівпровідниковому кристалі (наприклад, кремнію, германію, арсеніду галію).

• Плівкова інтегральна мікросхема - всі елементи і межелементние з'єднання виконані у вигляді плівок:
  • товстоплівкова інтегральна схема;
  • тонкоплівкових інтегральна схема.
• Гібридна мікросхема (часто звана Мікрозборки), Містить кілька безкорпусних діодів, безкорпусних транзисторів і (або) інших електронних активних компонентів. Також мікрозбірка може включати в себе безкорпусні інтегральні мікросхеми. Пасивні компоненти мікроскладення (резистори, конденсатори, котушки індуктивності) зазвичай виготовляються методами тонкоплівкової або товстоплівкова технологій на загальній, звичайно керамічній підкладці гібридної мікросхеми. Вся підкладка з компонентами поміщається в єдиний герметизований корпус.
• Змішана мікросхема - крім напівпровідникового кристала містить тонкоплівкові (товстоплівкова) пасивні елементи, розміщені на поверхні кристала.

Вид оброблюваного сигналу

• Аналого-цифрові.

технології виготовлення

типи логіки

Основним елементом аналогових мікросхем є транзистори (біполярні чи польові). Різниця в технології виготовлення транзисторів істотно впливає на характеристики мікросхем. Тому нерідко в описі мікросхеми вказують технологію виготовлення, щоб підкреслити тим самим загальну характеристикувластивостей і можливостей мікросхеми. У сучасних технологіях поєднують технології біполярних і польових транзисторів, Щоб домогтися поліпшення характеристик мікросхем.

• Мікросхеми на уніполярних (польових) транзисторах - самі економічні (по споживанню струму):
  • МОП-логіка (метал-оксид-напівпровідник логіка) - мікросхеми формуються з польових транзисторів n-МОП або p-МОП типу;
  • КМОП-логіка (комплементарна МОП-логіка) - кожен логічний елемент мікросхеми складається з пари взаємодоповнюючих (комплементарних) польових транзисторів ( n-МОП і p-МОП).
• Мікросхеми на біполярних транзисторах:
  • РТЛ - резисторно-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);
  • ДТЛ - діод-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);
  • ТТЛ - транзисторних-транзисторна логіка - мікросхеми зроблені з біполярних транзисторів з многоеміттерного транзисторами на вході;
  • ТТЛШ - транзисторних-транзисторна логіка з діодами Шотткі - вдосконалена ТТЛ, у якій використовуються біполярні транзистори з ефектом Шотткі;
  • ЕСЛ - емітерний-пов'язана логіка - на біполярних транзисторах, режим роботи яких підібраний так, щоб вони не входили в режим насичення, - що істотно підвищує швидкодію;
  • ІІЛ - інтегрально-инжекционная логіка.
• Мікросхеми, що використовують як польові, так і біполярні транзистори:

Використовуючи один і той же тип транзисторів, мікросхеми можуть створюватися за різними методологіями, наприклад, статичної або динамічної.

КМОП і ТТЛ (ТТЛШ) технології є найбільш поширеними логіками мікросхем. Де необхідно економити споживання струму, застосовують КМОП-технологію, де важливіше швидкість і не потрібно економія споживаної потужності застосовують ТТЛ-технологію. Слабким місцем КМОП-мікросхем є вразливість до статичної електрики - досить торкнутися рукою висновку мікросхеми, і її цілісність уже не гарантується. З розвитком технологій ТТЛ і КМОП мікросхеми по параметрах зближаються і, як наслідок, наприклад, серія мікросхем 1564 зроблена за технологією КМОП, а функціональність і розміщення в корпусі як у ТТЛ технології.

Мікросхеми, виготовлені по ЕСЛ-технології, є найшвидшими, але і найбільш енергоспоживаючими, і застосовувалися при виробництві обчислювальної техніки в тих випадках, коли найважливішим параметром була швидкість обчислення. В СРСР найпродуктивніші ЕОМ типу ЕС106х виготовлялися на ЕСЛ-мікросхемах. Зараз ця технологія використовується рідко.

Технологічний процес

При виготовленні мікросхем використовується метод фотолітографії (проекційної, контактної та ін.), При цьому схему формують на підкладці (зазвичай з кремнію), отриманої шляхом різання алмазними дисками монокристалів кремнію на тонкі пластини. Зважаючи на крихту лінійних розмірів елементів мікросхем, від використання видимого світла і навіть ближнього ультрафіолетового випромінювання при засветке відмовилися.

Наступні процесори виготовляли з використанням УФ-випромінювання (ексимерний лазер ArF, довжина хвилі 193 нм). В середньому впровадження лідерами індустрії нових технологічних процесів за планом ITRS відбувалося кожні 2 роки, при цьому забезпечувалося подвоєння кількості транзисторів на одиницю площі: 45 нм (2007), 32 нм (2009), 22 нм (2011), виробництво 14 нм розпочато в 2014 році , освоєння 10 нм процесів очікується близько 2018 року.

У 2015 році з'явилися оцінки, що впровадження нових технологічних процесів буде сповільнюватися.

Контроль якості

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

призначення

Інтегральна мікросхема може володіти закінченим, як завгодно складної, функціональністю - аж до цілого мікрокомп'ютера (однокристальний мікрокомп'ютер).

аналогові схеми

аналогова інтегральна (мікро)схема (АІС, АІМС) - інтегральна схема, вхідні і вихідні сигнали якої змінюються за законом безупинної функції (тобто є аналоговими сигналами).

Лабораторний зразок аналогової ІС був створений фірмою Texas Instruments в США в 1958 році. Це був генератор зсуву фаз. У 1962 році з'явилася перша серія аналогових мікросхем - SN52. У ній були малопотужний підсилювач низької частоти, операційний підсилювач і видеоусилитель.

В СРСР великий асортимент аналогових інтегральних мікросхем було отримано до кінця 1970-х років. Їх застосування дозволило збільшити надійність пристроїв, спростити налагодження обладнання, часто навіть виключити необхідність технічного обслуговування в процесі експлуатації.

Нижче подано неповний список пристроїв, функції яких можуть виконувати аналогові ІМС. Найчастіше одна мікросхема замінює відразу декілька таких (наприклад, К174ХА42 вміщує в себе все вузли супергетеродинного ЧМ радіоприймача).

• Фільтри (в тому числі на п'єзоефекті).
• Аналогові помножувачі.
• Аналогові атенюатори і регульовані підсилювачі.
• Стабілізатори джерел живлення: стабілізатори напруги і струму.
• Мікросхеми управління імпульсних блоків живлення.
• Перетворювачі сигналів.
• Різні датчики.

Аналогові мікросхеми застосовуються в апаратурі звукопідсилення і звуковідтворення, в відеомагнітофонах, телевізорах, техніці зв'язку, вимірювальних приладах, аналогових обчислювальних машинах, і т. Д.

В аналогових комп'ютерах

• Операційні підсилювачі (LM101, μA741).

Мікросхема стабілізатора напруги КР1170ЕН8

• Лінійні стабілізатори напруги (КР1170ЕН12, LM317).
• Імпульсні стабілізатори напруги (LM2596, LM2663).

• ПЗС-матриці (ICX404AL).
• ПЗС-лінійки (MLX90255BA).

• Підсилювачі потужності звукової частоти (LA4420, К174УН5, К174УН7).
• Здвоєні УМЗЧ для стереофонічною апаратури (TDA2004, К174УН15, К174УН18).
• Різні регулятори (К174УН10 - двоканальний УМЗЧ з електронним регулюванням частотної характеристики, К174УН12 - двоканальний регулятор гучності і балансу).

• Детектори АМ сигналу (К175ДА1).
• Детектори ЧМ сигналу (К174УР7).
• Насосні станції (К174ПС1).
• Підсилювачі високої частоти (К157ХА1).
• Підсилювачі проміжної частоти (К157ХА2, К171УР1).
• Однокристальний радіоприймачі (К174ХА10).

• В радіоканалі (К174УР8 - підсилювач з АРУ, детектор ПЧ зображення і звуку, К174УР2 - підсилювач напруги ПЧ зображення, синхронний детектор, попередній підсилювачвідеосигналу, система ключовий автоматичного регулювання посилення).
• У каналі кольоровості (К174АФ5 - формувач колірних R-, G-, B-сигналів, К174ХА8 - електронний комутатор, підсилювач-обмежувач і демодулятор сигналів колірної інформації).
• У вузлах розгортки (К174ГЛ1 - генератор кадрової розгортки).
• У ланцюгах комутації, синхронізації, корекції і управління (К174АФ1 - амплітудний селектор синхросигнала, генератор імпульсів малої частоти, вузол автоматичного підстроювання частоти і фази сигналу, формувач задають імпульсів рядкової розгортки, К174УП1 - підсилювач сигналу яскравості, електронний регулятор розмаху вихідного сигналу і рівня «чорного »).

виробництво

Перехід до субмікронних розмірів інтегральних елементів ускладнює проектування АІМС. Наприклад, МОП -транзістори з малою довжиною затвора мають ряд особливостей, що обмежують їх застосування в аналогових блоках: високий рівень низькочастотного фліккерного шуму; сильний розкид порогового напруги і крутизни, що приводить до появи великої напруги зсуву диференціальних і операційних підсилювачів; мала величина вихідного малосигнальних опору і посилення каскадів з активним навантаженням; невисока пробивна напруга p-n-переходів і проміжку стік -істок, що викликає зниження напруги харчування і зменшення динамічного діапазону.

В даний час аналогові мікросхеми виробляються багатьма фірмами: Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments і ін.

цифрові схеми

Цифрова інтегральна мікросхема(Цифрова мікросхема) - це інтегральна мікросхема, призначена для перетворення і обробки сигналів, що змінюються за законом дискретної функції.

В основі цифрових інтегральних мікросхем лежать транзисторні ключі, здатні перебувати в двох стійких станах: відкритому і закритому. Використання транзисторних ключів дає можливість створювати різні логічні, тригерні і інші інтегральні мікросхеми. Цифрові інтегральні мікросхеми застосовують в пристроях обробки дискретної інформації електронно-обчислювальних машин (ЕОМ), системах автоматики і т. П.

• буферні перетворювачі
• (Мікро) процесори (в тому числі ЦП для комп'ютерів)
• Мікросхеми і модулі пам'яті
• ПЛІС (програмовані логічні інтегральні схеми)

Цифрові інтегральні мікросхеми мають ряд переваг в порівнянні з аналоговими:

• зменшене енергоспоживанняпов'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. В обох випадках енергоспоживання близько до 0, на відміну від аналогових пристроїв, в яких більшу частину часу транзистори знаходяться в проміжному (активному) стані.
• висока стійкість перед перешкодамицифрових пристроїв пов'язана з відмінністю сигналів високого (наприклад, 2,5-5 В) і низького (0-0,5 В) рівня. Помилка стану можлива при такому рівні перешкод, коли високий рівень інтерпретується як низький і навпаки, що малоймовірно. Крім того, в цифрових пристроях можливе застосування спеціальних кодів, що дозволяють виправляти помилки.
• Велика різниця рівнів станів сигналів високого і низького рівня (логічних «0» і «1») і досить широкий діапазон їх допустимих змін робить цифрову техніку нечутливою до неминучого в інтегральної технології розкиду параметрів елементів, позбавляє від необхідності підбору компонентів і настройки елементами регулювання в цифрових пристроях.

Аналого-цифрові схеми

Аналого-цифрова інтегральна схема(Аналого-цифрова мікросхема) - інтегральна схема, призначена для перетворення сигналів, що змінюються за законом дискретної функції, в сигнали, що змінюються за законом безупинної функції, і навпаки.

Найчастіше одна мікросхема виконує функції відразу декількох пристроїв (наприклад, АЦП послідовного наближення містять в собі ЦАП, тому можуть виконувати двосторонні перетворення). Список пристроїв (неповний), функції яких можуть виконувати аналого-цифрові ІМС:

• цифро-аналогові (ЦАП) і аналого-цифрові перетворювачі (АЦП);
• аналогові мультиплексори (в той час як цифрові (де) мультиплексори є виключно цифровими ІМС, аналогові мультиплексори містять елементи цифрової логіки (зазвичай дешифратор) і можуть містити аналогові схеми);
• приймач (наприклад, мережевий приймач інтерфейсу Ethernet);
• модулятори і демодулятори;
  • радіомодеми;
  • декодери телетексту, УКВ-радіо-тексту;
  • приймач Fast Ethernet і оптичних ліній;
  • Dial-Upмодеми;
  • приймачі цифрового ТБ;
  • датчик оптичної комп'ютерної миші;
• мікросхеми харчування електронних пристроїв - стабілізатори, перетворювачі напруги, силові ключі і ін .;
• цифрові атенюатори;
• схеми фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ);
• генератори і відновники частоти тактової синхронізації;
• базові матричні кристали (БМК): містить як аналогові, так і цифрові схеми.

серії мікросхем

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 однакові напруги джерел живлення, узгоджені з вхідним і вихідним опорами, рівням сигналів.

Корпуси

Корпуси інтегральних мікросхем, призначені для поверхневого монтажу

Мікрозбірка з бескорпусной мікросхемою, розвареної на друкованій платі

специфічні назви

Світовий ринок

У 2017 році світовий ринок інтегральних схем оцінювався в 700 млрд. Дол.

Інтегральна (мікро) схема (ІС, ІМС, м / сх, англ. Integrated circuit, IC, microcircuit), чіп, мікрочіп (англ. Microchip, silicon chip, chip - тонка пластинка - спочатку термін ставився до платівці кристала мікросхеми) - мікроелектронний пристрій - електронна схема довільної складності (кристал), виготовлена ​​на напівпровідниковій підкладці (пластині або плівці) і поміщена в нерозбірний корпус, або без такого, в разі входження до складу мікросхеми.

Мікроелектроніка - найбільш значне і, як вважають багато хто, найважливіше науково-технічне досягнення сучасності. Порівняти її можна з такими поворотними подіями в історії техніки, як винахід друкарства в XVI столітті, створення парової машини в XVIII столітті і розвиток електротехніки в XIX. І коли сьогодні мова заходить про науково-технічної революції, то в першу чергу мається на увазі саме мікроелектроніка. Як жодне інше технічне досягнення наших днів, вона пронизує всі сфери життя і робить реальністю те, що ще вчора було просто неможливо собі уявити. Щоб переконатися в цьому, досить згадати про кишенькових мікрокалькуляторах, мініатюрних радіоприймачах, електронних керуючих пристроях в побутових приладах, годинах, комп'ютерах і програмованих ЕОМ. І це лише невелика частина області її застосування!

Своїм виникненням і самим існуванням мікроелектроніка зобов'язана створенню нового надмініатюрний електронного елемента - інтегральної мікросхеми. Поява цих схем, власне, не було якимось принципово новим винаходом - воно прямо випливало з логіки розвитку напівпровідникових приладів. Спочатку, коли напівпровідникові елементи тільки входили в життя, кожен транзистор, резистор або діод використовувався окремо, тобто полягав в свій індивідуальний корпус і включався в схему за допомогою своїх індивідуальних контактів. Так надходили навіть в тих випадках, коли доводилося збирати безліч однотипних схем з одних і тих же елементів.

Поступово прийшло розуміння того, що подібні пристрої раціональніше не збирається з окремих елементів, а відразу виготовляти на одному загальному кристалі, тим більше що напівпровідникова електроніка створювала для цього всі передумови. Справді, все напівпровідникові елементи за своїм устроєм дуже схожі один на одного, мають однаковий принцип дії і розрізняються лише взаиморасположением p-n областей.

Ці p-n області, як ми пам'ятаємо, створюються шляхом внесення однотипних домішок в поверхневий шар напівпровідникового кристала. Причому надійна і з усіх точок зору задовільна робота переважної більшості напівпровідникових елементів забезпечується при товщині поверхневого робочого шару в тисячні частки міліметра. У самих мініатюрних транзисторах зазвичай використовується тільки верхній шар напівпровідникового кристала, що становить всього 1% його товщини. Решта 99% виконують роль носія або підкладки, так як без підкладки транзистор просто міг зруйнуватися від найменшого дотику. Отже, використовуючи технологію, яка застосовується для виготовлення окремих електронних компонентів, можна відразу створити на одному кристалі закінчену схему з декількох десятків, сотень і навіть тисяч таких компонентів.

Виграш від цього буде величезний. По-перше, відразу знизяться витрати (вартість мікросхеми зазвичай в сотні разів менше, ніж сукупна вартість всіх електронних елементів її складових). По-друге, такий пристрій буде набагато надійніше (як показує досвід, в тисячі і десятки тисяч разів), а це має колосальне значення, оскільки пошук несправності в схемі з десятків або сотень тисяч електронних компонентів перетворюється в надзвичайно складну проблему. По-третє, через те, що всі електронні елементи інтегральної мікросхеми в сотні і тисячі разів менше своїх аналогів у звичайній збірної схемою, їх енергоспоживання набагато менше, а швидкодія - набагато вище.

Ключовою подією, звести прихід інтегралізаціі в електроніку, стало пропозицію американського інженера Дж. Кілбі з фірми "Texas Instruments" отримувати еквівалентні елементи для всієї схеми, такі як регістри, конденсатори, транзистори і діоди в монолітному шматку чистого кремнію. Першу інтегральну напівпровідникову схему Кілбі створив влітку 1958 року. А вже в 1961 році фірма "Fairchild Semiconductor Corporation" випустила перші серійні мікросхеми для ЕОМ: схему збігів, полусдвігающій регістр і тригер. У тому ж році виробництво напівпровідникових інтегральних логічних схем освоїла фірма "Texas".

Наступного року з'явилися інтегральні схеми інших фірм. У стислі терміни в інтегральному виконанні були створені різні типипідсилювачів. У 1962 році фірма RCA розробила інтегральні мікросхеми матриць пам'яті для запам'ятовуючих пристроїв ЕОМ. Поступово випуск мікросхем був налагоджений у всіх країнах - ера мікроелектроніки почалася.

Вихідним матеріалом для інтегральної мікросхеми зазвичай служить необроблена пластина з чистого кремнію. Вона має порівняно великі розміри, так як на ній одночасно виготовляють відразу кілька сотень однотипних мікросхем. Перша операція полягає в тому, що під впливом кисню при температурі 1000 градусів на поверхні цієї пластини формують шар двоокису кремнію. Оксид кремнію відрізняється великою хімічною і механічною стійкістю і має властивості прекрасного діелектрика, що забезпечує надійну ізоляцію розташованому під ним кремнію.

Наступний крок - внесення домішок для створення зон p або n провідності. Для цього оксидну плівку видаляють з тих місць пластини, які відповідають окремим електронним компонентам. Виділення потрібних ділянок відбувається за допомогою процесу, який отримав назву фотолитографии. Спочатку весь шар оксиду покривають світлочутливим складом (фоторезистом), який грає роль фотографічної плівки - його можна засвічувати і проявляти. Після цього через спеціальний фотошаблон, що містить малюнок поверхні напівпровідникового кристала, пластину висвітлюють ультрафіолетовими променями.

Під впливом світла на шарі оксиду формується плоский малюнок, причому незасвічені ділянки залишаються світлими, а всі інші - затемненими. У тому місці, де фоторезистор піддався впливу світла, утворюються нерозчинні ділянки плівки, стійкі до кислоти. Потім пластину обробляють розчинником, який видаляє фоторезист з засвічених ділянок. З відкрилися місць (і тільки з них) шар оксиду кремнію витравлюють за допомогою кислоти.

В результаті в потрібних місцях оксид кремнію розчиняється і відкриваються "вікна" чистого кремнію, готові до внесення домішок (лигированию). Для цього поверхню підкладки при температурі 900-1200 градусів піддають дії потрібної домішки, наприклад, фосфору або миш'яку, для отримання провідності n-типу. Атоми домішки проникають в глиб чистого кремнію, але відштовхуються його оксидом. Обробивши пластину одним видом домішки, готують її для лігування іншим видом - поверхню пластини знову покривають шаром оксиду, проводять нову фотолитографию і травлення, в результаті чого відкриваються нові "віконця" кремнію.

Слідом за тим слід нове лігування, наприклад бором, для отримання провідності p-типу. Так на всій поверхні кристала в потрібних місцях утворюються p і n області. Ізоляція між окремими елементами може створюватися кількома способами: такий ізоляцією може служити шар оксиду кремнію, можна також створювати в потрібних місцях замикають p-n переходи.

Наступний етап обробки пов'язаний з нанесенням струмопровідних з'єднань (струмопровідних ліній) між елементами інтегральної схеми, а також між цими елементами і контактами для підключення зовнішніх ланцюгів. Для цього на підкладку напилюють тонкий шар алюмінію, який осідає у вигляді найтоншої плівки. Її піддають фотолітографії обробці і труїть, аналогічним описаним вище. В результаті від усього шару металу залишаються тільки тонкі струмопровідні лінії і контактні площадки.

На закінчення всю поверхню напівпровідникового кристала покривають захисним шаром (найчастіше, силікатним склом), який потім видаляють з контактних майданчиків. Всі виготовлені мікросхеми піддаються суворій перевірці на контрольно-випробувальному стенді. Дефектні схеми позначаються червоною крапкою. Нарешті кристал розрізається на окремі пластинки-мікросхеми, кожна з яких полягає в міцний корпус з висновками для приєднання до зовнішніх ланцюгів.

Складність інтегральної схеми характеризується показником, який отримав назву ступеня інтеграції. Інтегральні схеми, що налічують понад 100 елементів, називаються мікросхемами з малим ступенем інтеграції; схеми, що містять до 1000 елементів, - інтегральними схемами із середнім ступенем інтеграції; схеми, що містять до десятка тисяч елементів, - великими інтегральними схемами. Уже виготовляються схеми, що містять до мільйона елементів (вони називаються надвеликими). Поступове підвищення інтеграції привело до того, що схеми з кожним роком стають все більш мініатюрними і відповідно все більш складними.

Величезна кількість електронних пристроїв, що мали раніше великі габарити, вміщаються тепер на крихітній кремнієвої платівці. Надзвичайно важливою подією на цьому шляху стало створення в 1971 році американською фірмою "Інтел" єдиної інтегральної схеми для виконання арифметичних і логічних операцій - мікропроцесора. Це спричинило за собою грандіозний прорив мікроелектроніки в сферу обчислювальної техніки.

Читайте і пишітькорисні

У перших числах лютого 2014 року було відзначено пятідесятіпяті річчя з моменту появи в світовому співтоваристві такої невід'ємної частини сучасної схемотехніки, як інтегральна мікросхема.

Нагадуємо, в 1959 році Федеральне патентне відомство сполучених Штатів Америки видало патент компанії Texas Instruments на створення інтегральної мікросхеми.

Дана подія було відзначено як зародження епохи електроніки і всіх належних від її використання благ.

Дійсно, інтегральна мікросхема є основою більшості відомих нам електроприладів.

Вперше ідея створення інтегральної мікросхеми виникла на початку п'ятдесятих років минулого століття. Головним аргументом її появи була мініатюризація і скорочення вартості електроприладів. Довгий час думки про її реалізації просто витали в повітрі, незважаючи на те що в світі активно розвивалися такі відгалуження схемотехніки, як телебачення і радіо, а також комп'ютерні технології.

Створення інтегральної мікросхеми передбачало відмову від зайвих проводів, монтажних панелей, ізоляції при виробництві схемотехніки на діодах і напівпровідникових транзисторах. Однак реалізувати подібні думки довгий часнікому ніяк не вдавалося. Тільки після активних робіт такого талановитого і добре відомого сучасним ученим інженера, як Джек Кілбі (лауреат Нобелівської премії з фізики за винахід інтегральної мікросхеми у 2000 році), в 1958 році була представлена ​​перша мікросхема. Майже через півроку, винахід був запатентований компанією, на яку працював Кілбі (Texas Instruments).

Звичайно, зараз можна констатувати той факт, що перша мікросхема німецького вченого Кілбі була абсолютно непридатною до експлуатації. Однак на її основі були створені всі пізніші інтегральні мікросхеми, однією з яких стала технологія Роберта Нойса - кремнієва планарная мікросхема.

Р. Нойс займав високу посаду в компанії Fairchald Semiconductor, точніше, він був одним з її засновників. Робота Нойса була запатентована майже відразу ж після отримання патенту Кілбі. Однак на відміну від мікросхеми Кілбі, розробка Нойса отримала затребуваність серед основних виробників електротехніки. Це стало причиною виникнення спору між компаніями Texas Instruments і Fairchald Semiconductor і подальшого судового розглядуаж до 1969 року. В результаті першим винахідником мікросхем був названий Нойс. Хоча подібний збіг обставин анітрохи не засмутило власників обох компаній. Кількома роками раніше вони прийшли до єдиного рішення і визнали обох вчених засновниками інтегральної мікросхеми з однаковими правами, видавши їм найвищі нагороди наукового і інженерного спільнот США - National Medal of Science і National Medal of Technology.

Якщо добре попорпатися в минулому, то з упевненістю можна сказати, до того як Нойс і Кілбі представили світу мікросхему, над цією ідеєю попрацювало досить велика кількість вчених, які пропонували не менш просунуті конструкції. Серед них інженер Вернер Якобі (Німеччина). Його розробка була навіть запатентована в 1949 році. У патенті інженер замалював конструкцію мікросхеми з 5 транзисторів на загальній підкладці. Пізніше, в 1952 році був описаний принцип інтеграції компонентів схеми в єдиний блок англійським інженером Д. Даммера. Ще через п'ятирічний період, Джеффрі Даммер анонсував перший діючий зразок інтегральної мікросхеми-тригера, заснований на чотирьох транзисторах. На жаль, англійські фахівці військових підрозділів не оцінили гідно винаходи Даммера, хоча повинні були. В результаті всі роботи вченого були припинені. Пізніше винахід Даммера назвали прабатьком сучасних мікросхем, а самого вченого - пророком інтегральної мікросхеми.

У 1957 році в Сполучених Штатах Америки була прийнята заявка іншого інженера Бернара Олівера на отримання патенту на описану їм технологію виробництва монолітного блоку на трьох планарних транзисторах.

У числі імен пророків сучасної мікросхеми звучать і ініціали інженера Харвіка Джонсона, яких патентував відразу кілька типів створення електронних компонентів схем на одному кристалі, але так і не отримав жодного дозвільного реалізувати свої відкриття документа. Один з цих способів використовував Джек Кілбі, якому і дісталися все лаври Джонсона.