Общие сведения и классификация интегральных схем

Постоянно возрастающие требования к радио­электронной аппаратуре (РЭА) удовлетворяются благо­даря микроминиатюризации устройств.

Интегральной микросхемой (ИМС) называется мик­роэлектронное изделие, состоящее из комплекса элек­трически связанных активных и пассивных элементов, объединенных в кристалле или на общей подложке в ви­де функционально завершенного узла. Технология изго­товления, при которой совмещаются процессы изготов­ления электрорадиодеталей и соединений между ними, называется интегральной. Микросхемы разделяют по технологическим методам их изготовления на полупро­водниковые, пленочные, совмещенные и гибридные.

На основе достижений физики, химии, металлургии и других отраслей стало возможным создавать интег­ральные микросхемы со степенью интеграции до несколь­ких тысяч элементов на 1 мм².

В полупроводниковом кристалле или на диэлектри­ческой подложке размещают активные и пассивные эле­менты, соединяют их между собой проводниками и изо­лирующими прослойками. К активным элементам отно­сятся транзисторы и диоды; пассивными являются рези­сторы, конденсаторы и элементы индуктивности. Про­водниками часто являются пленочные полоски из алю­миния, а также благородных металлов и их сплавов. Широко распространены как мик­росхемы с элементами, размещенными в объеме или на поверхности, так и микросхемы, часть элементов которых являются навесными; навесные элементы называются компонентами.

Интегральные микросхемы классифицируют по ряду признаков.

- ПО ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА РАЗЛИЧАЮТ:

Полупроводниковые ИМС выполняются в объеме моно- или поликристаллического полупроводника с ис­пользованием его поверхности. Активные и пассивные элементы занимают локальные (местные) области, раз­деленные изолирующими прослойками, через которые проведены электрические соединения. Полупроводнико­вые ИМС имеют наиболее высокую степень интегра­ции: плотность элементов достигает нескольких тысяч в 1 см³; они обладают максимальной надежностью, так как количество соединений в них сведено к минимуму. Предпочтительным материалом для полупроводниковых ИМС является кремний, так как он обладает хорошими технологическими и рабочими характеристиками и удов­летворительной стабильностью параметров; его окисная пленка SiO₂ отличается защитными (изолирующими) свойствами.

Технология производства полупроводниковых (кремниевых) ИМС принципиально не отличается от традиционной технологии из­готовления дискретных компонентов — транзисторов, диодов и дру­гих полупроводниковых приборов. Отличие состоит в том, что все активные и пассивные элементы ИМС, локализованные в едином кристалле, взаимно электрически изолированы и, кроме того, соеди­нены между собой в зависимости от функционального назначения.

Пленочные ИС подразделяются на тонко- и толсто­пленочные. Основой тонкопленочной ИС является под­ложка из сапфира, керамики, стекла или другого ди­электрического материала, на которой формируются ак­тивные и пассивные элементы, изоляционные прослойки и соединительные проводники в виде тонких металличе­ских, полупроводниковых или диэлектрических пленок толщиной до 1 мкм. Пленки наносятся на подложку на­пылением через трафарет-маску.

Толстопленочные ИМС изготовляются на основе тер­мостойкой и высокотеплопроводной керамической под­ложки, например из алунда (96% А1₂0₃). На подложки наносятся проводящие и резистивные пасты — смеси по­рошков благородных металлов, окислов металлов и стек­ла, взвешенных в связующей органической жидкости. Нанесение паст производится через сетчатый трафарет; маску. После отжига на подложке образуются пассив­ные элементы, соединительные проводники и контактные площадки. Толщина пленок — до 20 мкм. Основной не­достаток толстопленочных элементов — значительный разброс параметров. Самостоятельное применение как тонкопленочных, так и толстопленочных ИМС оказалось ограниченным, поскольку эта технология пока еще не обеспечивает стабильных характеристик транзисто­ров.

Совмещенные (гибридные) ИМС совмещают свойст­ва полупроводниковых и пленочных ИМС. В объеме по­лупроводника создаются все активные элементы, а за­тем на поверхности такой подложки формируются пле­ночные пассивные элементы и токопроводящие дорожки.. Основой другого варианта совмещенной ИМС является пленочная ИМС с диэлектрической подложкой, на кото­рой устанавливаются (навешиваются) активные микро-компонситы, изготовленные дискретно. Такие ИМС называются гибридными.

- ПО ТЕПЕНИ ИНТЕГРАЦИИ были предложены следующие названия микросхем, разныя для цифровых и аналоговых микросхем (указано количество элементов для цифровых схем):

-малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,

-средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,

-большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле,

-сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 1 миллиона элементов в кристалле,

-ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле,

-гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле.

В настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

- ПО ВИДУ ОБРАБАТЫВАЕМОГО СИГНАЛА

ИМС классифицируют на:

-аналоговые;

-цифровые;

-аналого-цифровые.

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем типа ТТЛ при напряжении питания +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В — логической единице; а для микросхем ЭСЛ-логики при наприяжении питания −5,2 В диапазон −0,8…−1,03 В — логической единице, а −1,6…−1,75 В — логическому нулю.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов.

- ПО ТИПУ ЛОГИКИ

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы.

В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока):

-МОП-логика (металл-окисел-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;

-КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).

Микросхемы на биполярных транзисторах:

-РТЛ — резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

-ДТЛ — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

-ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;

-ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки;

-ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие;

-ИИЛ — интегрально-инжекционная логика.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества — достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 — сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но и наиболее энергопотребляющими, и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.