Основная особенность ИМС состоит в том, что она выполняет законченную, как правило, весьма сложную функцию и может быть усилителем, триггером, счетчиком или другим устройством, тогда как для выполнения той же функции на электронных (дискретных) приборах требуется собрать соответствующую схему. ИМС содержит элементы и компоненты.
Элементом ИМС называют ее часть, которая выполняет функцию электронного элемента (диода, транзистора, конденсатора, резистора) и конструктивно неотделимую от ИМС.
Компонентом ИМС называется та ее часть, которая выполняет функцию электронного элемента, но перед монтажом является самостоятельным изделием.
Под к ристаллом в микроэлектронике понимают готовый полупроводниковый прибор и микросхему без внешних выводов и корпуса.
ИМС обладают высокой степенью надежности, что обеспечивается технологией их изготовления и малым числом внутренних соединений.
В качестве примера рассмотрим операционный усилитель К140УД608, упрощенная схема которого представлена на рис. 1. Усилитель состоит из трех каскадов.
Первый каскад является дифференциальным усилителем, один вход которого называется инвертирующим IN −, а другой – неинвертирующим IN +. Пары транзисторов VT 1, VT 3и VT 2, VT 4 эквивалентны одному p–n–p- транзистору с высоким коэффициентом усиления по току (5 000…10 000),
Второй каскад – предварительный усилитель (предусилитель) – обеспечивает дополнительное и примерно такое же, как и первый каскад, усиление сигнала, но в более широкой полосе частот (сотни килогерц). Выходной каскад, называемый также усилителем мощности, построен по схеме двухтактного эмиттерного повторителя на комплементарных транзисторах VT 9 и VT 10, дающего возможность развивать на сравнительно низкоомной нагрузке (по техническим условиям R нmin= 1 кОм) переменное напряжение с амплитудой, близкой к величине питающего напряжения.
| Предусилитель |
Рис. 1. Упрощенная принципиальная схема ОУ К140УД608
Полупроводниковая ИМС представляет собой полупроводник, в поверхностном слое и объеме которого сформированы области, эквивалентные элементам электрической схемы, изоляции и межсоединения. В качестве полупроводника обычно используют кремний, он является несущей частью конструкции и называется подложкой. Пример структуры полупроводниковой ИМС с омическими контактами 1-5 и ее эквивалентная схема показаны на рис. 3.1, а, б. Изготовляют полупроводниковые ИМС групповым методом, при котором одновременно создается большое число микросхем. Так, на одной пластине диаметром 76 мм можно разместить до 5000 электронных микросхем, каждая из которых может содержать от 10 до 20000 электронных элементов. В перспективе диаметр пластин предполагают увеличить до 100 мм и более и разместить на них до нескольких миллионов элементов.
Рис. 3.1. Структура полупроводниковой ИМС с омическими контактами
Пленочные ИМС представляют собой изолирующую подложку (основание), на поверхности которой все элементы и межсоединения сформированы в виде послойно нанесенных пленок. Пленочные ИМС содержат только пассивные элементы, так как путем комбинации различных пленок получить активные элементы (диоды и транзисторы) еще не удалось. Применение пленочных ИМС поэтому ограничено.
Гибридные ИМС – это микросхемы, представляющие собой комбинацию пленочных микросхем, навесных дискретных (активных) компонентов и полупроводниковых ИМС, которые обычно располагают на диэлектрической подложке пленочной ИМС. Пример структуры гибридной ИМС и ее эквивалентная схема показаны на рис. 3.2, а, б (1-6 – омические контакты).
Рис. 3.2. Структура гибридной ИМС и ее эквивалентная схема
Совмещенные ИМС – это микросхемы, у которых активные элементы выполнены так же, как и у полупроводниковых ИМС, а пассивные – как у пленочных ИМС. При этом пассивные элементы выполняют на предварительно изолированной части той же подложки, что и активные элементы. Все ИМС помещают в герметичный корпус.
Функциональную сложность ИМС характеризуют степенью интеграции – числом содержащихся в ней элементов и компонентов.
Примером простых ИМС могут служить логические элементы. Средние ИМС – это сумматоры, счетчики, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) емкостью 256-1024 бит. Большие ИМС (БИС) – это арифметико-логические и управляющие устройства. Со второй половины 70-х годов разрабатывают ИМС 4-5-й степени интеграции с числом элементов М=104-106 и минимальными размерами элементов 1,0-0,1 мкм (СБИС).