) впервые выдвинул идею объединения множества стандартных электронных компонентов в монолитном кристалле полупроводника . Осуществление этих предложений в те годы не могло состояться из-за недостаточного развития технологий.

В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности состоялся прорыв. Три человека, представлявшие три частные американские корпорации, решили три фундаментальные проблемы, препятствовавшие созданию интегральных схем. Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип объединения, создал первые, несовершенные, прототипы ИС и довёл их до серийного производства. Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированных на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом (англ. P–n junction isolation )). Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии Жана Эрни (англ. Jean Hoerni ). 27 сентября 1960 года группа Джея Ласта (англ. Jay Last ) создала на Fairchild Semiconductor первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни. Texas Instruments , владевшая патентом на изобретение Килби, развязала против конкурентов патентную войну, завершившуюся в 1966 году мировым соглашением о перекрёстном лицензировании технологий.

Ранние логические ИС упомянутых серий строились буквально из стандартных компонентов, размеры и конфигурации которых были заданы технологическим процессом. Схемотехники, проектировавшие логические ИС конкретного семейства, оперировали одними и теми же типовыми диодами и транзисторами. В 1961-1962 гг. парадигму проектирования сломал ведущий разработчик Sylvania Том Лонго, впервые использовав в одной ИС различные конфигурации транзисторов в зависимости от их функций в схеме. В конце 1962 г. Sylvania выпустила в продажу первое семейство разработанной Лонго транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) - исторически первый тип интегральной логики, сумевший надолго закрепиться на рынке. В аналоговой схемотехнике прорыв подобного уровня совершил в 1964-1965 годах разработчик операционных усилителей Fairchild Боб Видлар .

Первая в СССР гибридная толстоплёночная интегральная микросхема (серия 201 «Тропа») была разработана в 1963-65 годах в НИИ точной технологии («Ангстрем »), серийное производство с 1965 года. В разработке принимали участие специалисты НИЭМ (ныне НИИ «Аргон») .

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была создана на основе планарной технологии , разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ («Микрон »). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов - эквивалент схемотехнической сложности триггера , аналога американских ИС серии SN -51 фирмы Texas Instruments ). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились в НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским полупроводниковым заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты . Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год) .

Параллельно работа по разработке интегральной схемы проводилась в центральном конструкторском бюро при Воронежском заводе полупроводниковых приборов (ныне - ). В 1965 году во время визита на ВЗПП министра электронной промышленности А. И. Шокина заводу было поручено провести научно-исследовательскую работу по созданию кремниевой монолитной схемы - НИР «Титан» (приказ министерства от 16.08.1965 г. № 92), которая была досрочно выполнена уже к концу года. Тема была успешно сдана Госкомиссии, и серия 104 микросхем диодно-транзисторной логики стала первым фиксированным достижением в области твердотельной микроэлектроники, что было отражено в приказе МЭП от 30.12.1965 г. № 403.

Уровни проектирования

В настоящее время (2014 г.) большая часть интегральных схем проектируется при помощи специализированных САПР , которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить производственные процессы , например, получение топологических фотошаблонов.

Классификация

Степень интеграции

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

• малая интегральная схема (МИС) - до 100 элементов в кристалле,
• средняя интегральная схема (СИС) - до 1000 элементов в кристалле,
• большая интегральная схема (БИС) - до 10 тыс. элементов в кристалле,
• сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - более 10 тыс. элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь уже устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) - от 1-10 млн. до 1 млрд. элементов в кристалле и, иногда, гигабольшая интегральная схема (ГБИС) - более 1 млрд. элементов в кристалле. В настоящее время, в 2010-х, названия «УБИС» и «ГБИС» практически не используются, и все микросхемы с числом элементов более 10 тыс. относят к классу СБИС.

Технология изготовления

• Полупроводниковая микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния , германия , арсенида галлия , оксида гафния).

• Плёночная интегральная микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок :
  • толстоплёночная интегральная схема;
  • тонкоплёночная интегральная схема.
• Гибридная микросхема (часто называемая микросборкой ), содержит несколько бескорпусных диодов, бескорпусных транзисторов и(или) других электронных активных компонентов. Также микросборка может включать в себя бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты микросборки (резисторы , конденсаторы , катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей, обычно керамической подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.
• Смешанная микросхема - кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.

Вид обрабатываемого сигнала

Технологии изготовления

Типы 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-оксид-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.
• Микросхемы, использующие как полевые, так и биполярные транзисторы:

Используя один и тот же тип транзисторов, микросхемы могут создаваться по разным методологиям, например, статической или динамической . 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 к статическому электричеству - 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.

Технологический процесс

При изготовлении микросхем используется метод фотолитографии (проекционной, контактной и др.), при этом схему формируют на подложке (обычно из кремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины. Ввиду малости линейных размеров элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолетового излучения при засветке отказались.

Следующие процессоры изготавливали с использованием УФ-излучения (эксимерный лазер ArF, длина волны 193 нм). В среднем внедрение лидерами индустрии новых техпроцессов по плану ITRS происходило каждые 2 года, при этом обеспечивалось удвоение количества транзисторов на единицу площади: 45 нм (2007), 32 нм (2009), 22 нм (2011) , производство 14 нм начато в 2014 году , освоение 10 нм процессов ожидается около 2018 года.

В 2015 году появились оценки, что внедрение новых техпроцессов будет замедляться .

Контроль качества

Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры .

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченной, сколь угодно сложной, функциональностью - вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

• Фильтры (в том числе на пьезоэффекте).
• Аналоговые умножители .
• Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители .
• Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока .
• Микросхемы управления импульсных блоков питания.
• Преобразователи сигналов.
• Схемы синхронизации .
• Различные датчики (например, температуры).

Цифровые схемы

• Буферные преобразователи
• (Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)
• Микросхемы и модули памяти
• ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

• Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» - что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» - (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения , во втором - через него не идёт ток . В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (активном) состоянии.
• Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка состояния возможна при таком уровне помех, когда высокий уровень интерпретируется как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов , позволяющих исправлять ошибки.
• Большая разница уровней состояний сигналов высокого и низкого уровня (логических «0» и «1») и достаточно широкий диапазон их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора компонентов и настройки элементами регулировки в цифровых устройствах.

Аналого-цифровые схемы

• цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
• трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet );
• модуляторы и демодуляторы ;
  • радиомодемы
  • декодеры телетекста, УКВ-радио-текста
  • трансиверы Fast Ethernet и оптических линий
  • Dial-Up модемы
  • приёмники цифрового ТВ
  • сенсор оптической «мыши»
• микросхемы питания электронных устройств - стабилизаторы, преобразователи напряжения, силовые ключи и др.;
• цифровые аттенюаторы ;
• схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ);
• генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации;
• базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые схемы;

Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия - это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Корпуса

Специфические названия

Микропроцессор формирует ядро вычислительной машины, дополнительные функции, типа связи с периферией выполнялись с помощью специально разработанных наборов микросхем (чипсет). Для первых ЭВМ число микросхем в наборах исчислялось десятками и сотнями, в современных системах это набор из одной-двух-трёх микросхем. В последнее время наблюдаются тенденции постепенного переноса функций чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PCI Express ) в процессор.

Чтобы работала любая мало-мальски сложная электроника, обычно необходимо много деталей. Когда их много, то они могут «объединяться», скажем, в интегральные схемы. Что они собой являют? Как классифицируются? Каким образом изготавливаются, и какие сигналы передают?

Чем являются логические интегральные схемы (ИС)

По сути, это микроэлектронное устройство, которое базируется на кристалле произвольной сложности, что изготовлено на полупроводниковой плёнке или пластине. Оно помещается в неразборный корпус (хотя может обойтись и без него, но только когда он является частью микросборки). Первая интегральная схема была запатентована в 1968 году. Это стало своеобразным прорывом в промышленности, хотя предоставленное устройство и не очень сильно соответствовало современным представлениям по своим параметрам. Интегральные схемы в массе своей изготавливаются для поверхностного монтажа. Часто под ИС понимают один только кристалл или плёнку. Наибольшее распространение получила интегральная схема на пластине кремния. Так вышло, что его применение в промышленности имеет ряд преимуществ, например, эффективность передачи сигналов.

Уровни проектирования

Данные устройства являются сложными, что прекрасно отображается. Сейчас они создаются при помощи специальных САПР, которые автоматизируют и значительно ускоряют производственные процессы. Итак, при проектировании прорабатывается:

1. Логический уровень (инверторы, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и им подобные).
2. Системо- и схемотехнический (прорабатываются триггеры, шифраторы, АЛУ, компараторы и прочее);.
3. Электрический (конденсаторы, транзисторы, резисторы и им подобные устройства).
4. Топологический уровень - фотошаблоны для производства.
5. Физический - как реализовывается один транзистор (или небольшая группа) на кристалле.
6. Программный - создаются инструкции для микроконтроллеров, микропроцессоров и ПЛИС. Разрабатывается модель поведения с помощью вертикальной схемы.

Классификация

Говоря о том, как различают интегральные схемы, нельзя избрать только один параметр вида сложности техники, о которой ведётся речь. Поэтому в рамках статьи было отобрано целых три.

Степень интеграции

1. Малая интегральная схема. Содержит меньше ста элементов.
2. Средняя интегральная схема. Количество элементов колеблется в диапазоне сотня/тысяча.
3. Большая интегральная схема. Содержит от тысячи до 10 000 элементов.
4. В них есть свыше десяти тысяч элементов.

Как правило, для бытовых устройств часто используется большая интегральная схема. Ранее использовались и другие категории:

1. Ультрабольшая интегральная схема. В неё зачисляли те образцы, которые могли похвастаться количеством элементов в диапазоне от 1 млн. до 1 млрд.
2. Гигабольшая интегральная схема. Сюда относили образцы, количество элементов которых превышало 1 млрд. элементов.

Но в данный момент времени они не применяются. А все образцы, которые раньше относили к УБИС и ГБИС, сейчас проходят как СБИС. В целом, это позволило значительным образом сэкономить на количестве групп, поскольку две последних типа обычно используются специфически в больших научно-исследовательских центрах, где работают компьютерные системы, мощность которых измеряется в десятках и сотнях терабайт.

Технология изготовления

Ввиду различных возможностей производства интегральные схемы также классифицируются по тому, как они изготавливаются и из чего:

1. Полупроводниковые. В них все элементы и соединения выполняются на одном и том же полупроводниковом кристалле. Полупроводниковые интегральные схемы используют такие материалы, как кремний, германий, арсенид галлия и оксид гафния.

2. Пленочные. Все элементы и соединения сделаны как плёнки:

Толстоплёночные.

Тонкоплёночные.

3. Гибридная. Имеет бескорпусные диоды, транзисторы или иные электронные активные компоненты. Пассивные (как то резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы) размещены на общей керамической подложке. Все они помещаются в один герметизированный корпус.

4. Смешанная. Здесь есть не только полупроводниковый кристалл, но и тонкоплёночные (или толстоплёночные) пассивные элементы, которые размещаются на его поверхности.

Вид обрабатываемого сигнала

И третий, самый последний вид, основывается на том, какие сигналы обрабатывает интегральная схема. Они бывают:

1. Аналоговые. Здесь входные и выходные сигналы меняются согласно закону Они могут принимать значение в диапазоне от отрицательного до положительного напряжения питания.
2. Цифровые. Здесь любой входной или выходной сигнал может иметь два значения: логической единицы или нуля. Каждому из них соответствует свой заранее определённый уровень напряжения. Так, микросхемы типа ТТЛ диапазон 0-0,4В оценивают в ноль, а 2,4-5В в единицу. Могут быть и другие разделения, всё зависит от конкретного образца.
3. Аналогово-цифровые. Совмещают в себе преимущества и особенности предыдущих образцов. К примеру, в них могут быть усилители сигналов и аналого-цифровые преобразователи.

Правовые особенности

Что говорится про интегральные схемы в законодательстве? У нас в стране предоставлена правовая охрана топологий интегральных микросхем. Под ней подразумевают зафиксированное на определённом материальном носителе геометрически-пространственного расположения определённой совокупности конкретных элементов и связей меж ними (согласно статье 1448 Гражданского кодекса Российской Федерации). Автор топологии имеет такие интеллектуальные права на своё изобретение:

1. Авторские.
2. Исключительное право.

Кроме этого автору топологии могут принадлежать и другие преференции, в том числе - возможность получения вознаграждения за её использование. действует на протяжении десяти лет. За это время изобретатель, или человек, которому этот статус был уступлен, может зарегистрировать топологию в соответствующей службе интеллектуальной собственности и патентов.

Заключение

Вот и всё! Если у вас возникло желание собрать свою схему - можно только пожелать успеха. Но одновременно хочется обратить ваше внимание на одну особенность. Если есть желание собрать микросхему, то необходимо основательно подготовиться к этому процессу. Дело в том, что для её создания требуется исключительная чистота на уровне хирургической операционной, к тому же, из-за мелкости деталей поработать паяльником в обычном режиме не получится - все действия осуществляются машинами. Поэтому в домашних условиях можно создавать только схемы. При желании можно приобрести промышленные разработки, которые будут предлагаться на рынке, но идею с их изготовлением дома без значительных финансов лучше оставить.

ИНТЕГРАЛЬНАЯ CXEMA (ИС, интегральная микросхема, микросхема), функционально законченное микроэлектронное изделие, представляющее собой совокупность электрически связанных между собой элементов (транзисторов и др.), сформированных в полупроводниковой монокристаллической пластине. ИС являются элементной базой всех современных радиоэлектронных устройств, устройств вычислительной техники, информационных и телекоммуникационных систем.

Историческая справка. ИС изобретена в 1958 Дж. Килби (Нобелевская премия, 2000), который, не разделяя германиевую монокристаллическую пластину на отдельные сформированные в ней транзисторы, соединил их между собой тончайшими проволоками, так что полученное устройство стало законченной радиоэлектронной схемой. Спустя полгода американский физик Р. Нойс реализовал так называемую планарную кремниевую ИС, в которой при каждой области биполярных транзисторов (эмиттере, базе и коллекторе) на поверхности кремниевой пластины создавались металлизированные участки (так называемые контактные площадки), а соединения между ними осуществлялись тонкоплёночными проводниками. В 1959 году в США начался промышленный выпуск кремниевых ИС; массовое производство ИС в СССР организовано в середине 1960-х годов в г. Зеленоград под руководством К. А. Валиева.

Технология ИС. Структура полупроводниковой ИС показана на рисунке. Транзисторы и другие элементы формируются в очень тонком (до нескольких мкм) приповерхностном слое кремниевой пластины; сверху создаётся многоуровневая система межэлементных соединений. С увеличением числа элементов ИС количество уровней растёт и может достигать 10 и более. Межэлементные соединения должны обладать низким электрическим сопротивлением. Этому требованию удовлетворяет, например, медь. Между слоями проводников размещаются изолирующие (диэлектрические) слои (SiO 2 и др.). На одной ПП пластине одновременно формируется до нескольких сотен ИС, после чего пластину разделяют на отдельные кристаллы (чипы).

Технологический цикл изготовления ИС включает несколько сотен операций, важнейшей из которых является фотолитография (ФЛ). Транзистор содержит десятки деталей, контуры которых формируются в результате ФЛ, определяющей также конфигурацию межсоединений в каждом слое и положение проводящих областей (контактов) между слоями. В технологическом цикле ФЛ повторяется несколько десятков раз. За каждой операцией ФЛ следуют операции изготовления деталей транзисторов, например осаждение диэлектрической, ПП и металлической тонких плёнок, травление, легирование методом имплантации ионов в кремний и др. Фотолитография определяет минимальный размер (МР) отдельных деталей. Главным инструментом ФЛ являются оптические проекционные степперы-сканеры, с помощью которых выполняется пошаговое (от чипа к чипу) экспонирование изображения (освещение чипа, на поверхность которого нанесён фоточувствительный слой - фоторезист, через маску, называемую фотошаблоном) с уменьшением (4:1) размеров изображения по отношению к размерам маски и со сканированием светового пятна в пределах одного чипа. МР прямо пропорционален длине волны источника излучения. Первоначально в установках ФЛ использовались g- и i-линии (436 и 365 нм соответственно) спектра излучения ртутной лампы. На смену ртутной лампе пришли эксимерные лазеры на молекулах KrF (248 нм) и ArF (193 нм). Совершенствование оптической системы, применение фоторезистов с высокими контрастом и чувствительностью, а также специальной техники высокого разрешения при проектировании фотошаблонов и степперов-сканеров с источником света длиной волны 193 нм позволяют достичь МР, равных 30 нм и менее, на больших чипах (площадью 1-4 см 2) с производительностью до 100 пластин (диаметром 300 мм) в час. Продвижение в область меньших (30-10 нм) МР возможно при использовании мягкого рентгеновского излучения или экстремального ультрафиолета (ЭУФ) с длиной волны 13,5 нм. Из-за интенсивного поглощения излучения материалами на этой длине волны не может быть применена преломляющая оптика. Поэтому в ЭУФ-степперах используют отражающую оптику на рентгеновских зеркалах. Шаблоны также должны быть отражающими. ЭУФ-литография является аналогом проекционной оптической, не требует создания новой инфраструктуры и обеспечивает высокую производительность. Таким образом, технология ИС к 2000 преодолела рубеж 100 нм (МР) и стала нанотехнологией.

Структура интегральной схемы: 1- пассивирующий (защитный) слой; 2 - верхний слой проводника; 3 - слой диэлектрика; 4 - межуровневые соединения; 5 - контактная площадка; 6 - МОП-транзисторы; 7 - кремниевая пластина (подложка).

Направления развития. ИС разделяют на цифровые и аналоговые. Основную долю цифровых (логических) микросхем составляют ИС процессоров и ИС памяти, которые могут объединяться на одном кристалле (чипе), образуя «систему-на-кристалле». Сложность ИС характеризуется степенью интеграции, определяемой числом транзисторов на чипе. До 1970 степень интеграции цифровых ИС увеличивалась вдвое каждые 12 месяцев. Эта закономерность (на неё впервые обратил внимание американский учёный Г. Мур в 1965) получила название закона Мура. Позднее Мур уточнил свой закон: удвоение сложности схем памяти происходит через каждые 18 месяцев, а процессорных схем - через 24 месяца. По мере увеличения степени интеграции ИС вводились новые термины: большая ИС (БИС, с числом транзисторов до 10 тысяч), сверх-большая (СБИС - до 1 миллиона), ультрабольшая ИС (УБИС - до 1 миллиарда) и гигантская БИС (ГБИС - более 1 миллиарда).

Различают цифровые ИС на биполярных (Би) и на МОП (металл - оксид - полупроводник) транзисторах, в том числе в конфигурации КМОП (комплементарные МОП, т. е. взаимодополняющие р-МОП и w-МОП транзисторы, включённые последовательно в цепи «источник питания - точка с нулевым потенциалом»), а также БиКМОП (на биполярных транзисторах и КМОП-транзисторах в одном чипе).

Увеличение степени интеграции достигается уменьшением размеров транзисторов и увеличением размеров чипа; при этом уменьшается время переключения логического элемента. По мере уменьшения размеров уменьшались потребляемая мощность и энергия (произведение мощности на время переключения), затраченная на каждую операцию переключения. К 2005 году быстродействие ИС улучшилось на 4 порядка и достигло долей наносекунды; число транзисторов на одном чипе составило до 100 миллионов штук.

Основную долю (до 90%) в мировом производстве с 1980 составляют цифровые КМОП ИС. Преимущество таких схем заключается в том, что в любом из двух статических состояний («0» или «1») один из транзисторов закрыт, и ток в цепи определяется током транзистора в выключенном состоянии I BЫKЛ. Это означает, что, если I BЫKЛ пренебрежимо мал, ток от источника питания потребляется только в режиме переключения, а потребляемая мощность пропорциональна частоте переключения и может быть оценена соотношением Ρ Σ ≈C Σ ·Ν·f·U 2 , где C Σ - суммарная ёмкость нагрузки на выходе логического элемента, N - число логических элементов на чипе, f - частота переключения, U - напряжение питания. Практически вся потребляемая мощность выделяется в виде джоулева тепла, которое должно быть отведено от кристалла. При этом к мощности, потребляемой в режиме переключения, добавляется мощность, потребляемая в статическом режиме (определяется токами I BЫKЛ и токами утечки). С уменьшением размеров транзисторов статическая мощность может стать сравнимой с динамической и достигать по порядку величины 1 кВт на 1 см 2 кристалла. Проблема большого энерговыделения вынуждает ограничивать максимальную частоту переключений высокопроизводительных КМОП ИС диапазоном 1-10 ГГц. Поэтому для увеличения производительности «систем-на-кристалле» используют дополнительно архитектурные (так называемые многоядерные процессоры) и алгоритмические методы.

При длинах канала МОП-транзисторов порядка 10 нм на характеристики транзистора начинают влиять квантовые эффекты, такие как продольное квантование (электрон распространяется в канале как волна де Бройля) и поперечное квантование (в силу узости канала), прямое туннелирование электронов через канал. Последний эффект ограничивает возможности применения КМОП-элементов в ИС, так как вносит большой вклад в суммарный ток утечки. Это становится существенным при длине канала 5 нм. На смену КМОП ИС придут квантовые приборы, молекулярные электронные приборы и др.

Аналоговые ИС составляют широкий класс схем, выполняющих функции усилителей, генераторов, аттенюаторов, цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей, компараторов, фазовращателей и т.д., в том числе низкочастотные (НЧ), высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) ИС. СВЧ ИС - схемы относительно небольшой степени интеграции, которые могут включать не только транзисторы, но и плёночные катушки индуктивности, конденсаторы, резисторы. Для создания СВЧ ИС используется не только ставшая традиционной кремниевая технология, но и технология гетеропереходных ИС на твёрдых растворах Si - Ge, соединениях A III B V (например, арсениде и нитриде галлия, фосфиде индия) и др. Это позволяет достичь рабочих частот 10-20 ГГц для Si - Ge и 10-50 ГГц и выше для СВЧ ИС на соединениях A III B V . Аналоговые ИС часто используют вместе с сенсорными и микромеханическими устройствами, биочипами и др., которые обеспечивают взаимодействие микроэлектронных устройств с человеком и окружающей средой, и могут быть заключены с ними в один корпус. Такие конструкции называются многокристальными или «системами-в-корпусе».

В будущем развитие ИС приведёт к слиянию двух направлений и созданию микроэлектронных устройств большой сложности, содержащих мощные вычислительные устройства, системы контроля окружающей среды и средства общения с человеком.

Лит. смотри при ст. Микроэлектроника.

А. А. Орликовский.

История изобретения интегральной схемы

Первая логическая схема на кристаллах кремния была изобретена 52 года назад и содержала только один транзистор. Один из основателей компании Fairchild Semiconductor Роберт Нойс в 1959 году изобрел устройство, которое затем стало называться интегральной схемой, микросхемой или микрочипом. А почти на полгода раньше похожее устройство придумал инженер из компании Texas Instruments Джэк Килби. Можно сказать, что эти люди стали изобретателями микросхемы.

Интегральной микросхемой называется система из конструктивно связанных элементов, соединенных между собой электрическими проводниками. Также под интегральной схемой понимают кристалл с электронной схемой. Если интегральная схема заключена в корпус, то это уже микросхема.

Первая действующая интегральная микросхема была представлена Килби 12 сентября 1958. В ней использовалась разработанная им концепция, базирующаяся на принципе изоляции компонентов схемы p-n-переходами, изобретенном Куртом Леховеком.

Внешний вид новинки был немного страшноват, но Килби и не предполагал, что показанное им устройство положит начало всем информационным технологиям, иначе, по его словам, он сделал бы этот прототип покрасивее.

Но в тот момент важна была не красота, а практичность. Все элементы электронной схемы – резисторы, транзисторы, конденсаторы и остальные, - были размещены на отдельных платах. Так было до тех пор, пока не возникла мысль сделать всю схему на одном монолитном кристалле полупроводникового материала.

Самая первая интегральная микросхема Килби представляла собой маленькую германиевую полоску 11х1,5 мм с одним транзистором, несколькими резисторами и конденсатором. Несмотря на свою примитивность, эта схема выполнила свою задачу – вывела синусоиду на экран осциллографа.

Шестого февраля 1959 года Джэк Килби подал заявку на регистрацию патента на новое устройство, описанное им как объект из полупроводникового материала с полностью интегрированными компонентами электронной схемы. Его вклад в изобретение микросхемы был отмечен вручением ему в 2000 году Нобелевской премии в области физики.

Идея Роберта Нойса смогла решить несколько практических проблем, не поддавшихся интеллекту Килби. Он предложил использовать для микросхем кремний, а не германий, предложенный Джэком Килби.

Патенты были получены изобретателями в одном и том же 1959 году. Начавшееся между TI и Fairchild Semiconductor соперничество завершилось мирным договором. На взаимовыгодных условиях они создали лицензию на изготовление чипов. Но в качестве материала для микросхем выбрали все же кремний.

Производство интегральных схем было запущено на Fairchild Semiconductor в 1961 году. Они сразу заняли свою нишу в электронной промышленности. Благодаря их применению в создании калькуляторов и компьютеров в качестве отдельных транзисторов, дало возможность сделать вычислительные устройства более компактными, повысив при этом их производительность, значительно упростив ремонт компьютеров .

Можно сказать, что с этого момента началась эпоха миниатюризации, продолжающаяся по сей день. При этом абсолютно точно соблюдается закон, который сформулировал коллега Нойса Гордон Мур. Он предсказал, что число транзисторов в интегральных схемах каждые 2 года будет удваиваться.

Покинув Fairchild Semiconductor в 1968 году, Мур и Нойс создали новую компанию – Intel. Но это уже совсем другая история...

Коняев Иван Сергеевич,студент 3 курса Армавирского механикотехнологического института(филиала) ФГБОУ ВПО КубГТУ, г. Армавир[email protected]

Моногаров Сергей Иванович,кандидат технических наук, доцент кафедры внутризаводского электрооборудования и автоматики Армавирского механикотехнологического института(филиала) ФГБОУ ВПО КубГТУ, г. Армавир[email protected]

Принципыпостроения больших интегральных схем

Аннотация. Данная статья посвящена вопросампринципов построения больших интегральных схем(БИС). Ключевые слова: БИС,большая интегральная микросхема, базовые матричные кристаллы, программируемые логические устройства.

В настоящее время в микроэлектронной аппаратуре используются как специализированные, так и универсальные микросхемы различной степени интеграции. В то же время наблюдается определённая тенденция широкого применения интегральных микросхем высокой степени интеграции –больших интегральных микросхем (БИС), о которых и пойдёт речь в данной статье.Универсальные микросхемы выпускаются большими тиражами и применяются в широком диапазоне электронных устройств, в то время как специализированные микросхемы выпускаются ограниченными тиражами и имеют строго определённую область применения.Специализированные БИС, выполненные на базовых матричных кристаллах(БМК)и программируемых логических устройствах(ПЛУ)имеют особенно широкое применение. Столь широкое применение обусловлено тем, что автоматизированное проектирование таких БИС занимает относительно короткий промежуток времени: порядка нескольких недель для БИС на основе БМК, нескольких дней –для БИС на основе ПЛУ.Рассмотрим принципы построения и параметры базовых матричных кристаллов. В состав БМК входят заранее сформированная матрица базовых ячеек (располагается в центральной части), а так же группу буферных ячеек, которые располагаются по периферии кристалла (рис. 1).В свою очередь в состав ячеек входят группы нескоммутированных элементов (транзисторов, конденсаторов, резисторов) и отрезков полупроводниковых шин, предназначенных для реализации пересекающихся электрических связей.Из элементов ячеек с помощью электрических связей в виде металлических (проводниковых) и полупроводниковых шин формируются различные функциональные элементы (триггеры, счетчики, регистры и др.), буферные элементы, а так жесоединения между ними.

А) б) в)Рисунок 1 –Типовые структуры БМК: а) со сплошным массивом однородных ячеек; б) с массивом однородных ячеек или макроячеек, разделённых вертикальными и горизонтальными каналами для проводников; в) с массивом неоднородных ячеек, разделённых горизонтальными каналами; 1 –матрица базовых ячеек; 2 –матрица буферных ячеек; 3,5,8 –ячейки матриц, 4,7,10 –буферные ячейки, 6,9 –макроячейки; 11,12 –горизонтальные каналы; 13 –вертикальные каналы

В данном типе БИС, как правило, основные функциональные элементы потребляют малое количество энергии, достаточное для обеспечения необходимого быстродействия. В свою очередь, буферные элементы, которые осуществляют внешние связи матричное БИС, потребляют более высокую мощность, что обусловлено необходимостью для согласования по уровням логического напряжения определённой величины, нагрузочной способности и помехоустойчивости. В состав ячеек входит множестворазнообразных активных и пассивных элементов. При этом к параметрам пассивных элементов предъявляются требования достаточно высокой точности и стабильности. В состав БМК, предназначенных для изготовления аналогоцифровых БИС, входят обычно две матрицы ячеек, для формирования соответственно аналоговых и цифровых устройств. Базовые матричные кристаллы для цифровых и аналоговых БИС формируютсяна основе биполярных транзисторов и полевых транзисторов с изолированным затвором. В аналоговых БИС широкое применение получили биполярные транзисторы с высокой крутизной проходной вольтамперной характеристики.В свою очередь матрицы могут состоять из однородных или неоднородных ячеек. В БМК, предназначенныхдля реализации цифровых БИС с невысокой степенью интеграции (около 1000 логических элементов)используются однородные ячейки, в то время как для цифровых БИС с высокой степенью интеграции (около 10000 логических элементов) и цифроаналоговых БИС –матрицы с неоднородными ячейками. Применяются два способа организации ячеек матрицы БМК:1.На основе элементов ячейки может быть сформирован один базовый логический элемент, выполняющий элементарную функцию (НЕ, ИНЕ, ИЛИНЕ с разветвлениями по входам и выходам). Для реализации более сложных функций используют несколько ячеек. Число, разновидности и параметры элементов определяются электрической схемой базового логического элемента.2.На основе элементов ячейки может быть сформирован любой функциональный элемент библиотеки. Типы элементови их число определяются электрической схемой самого сложного функционального элемента.При первом способе построения ячеек можно получить достаточно высокие коэффициент их использования в составе матрицы, коэффициент использования площади БМК и, соответственно,повышенную степень интеграции БИС. При втором способе построения ячеек БМК упрощается система автоматизированного проектирования БИС, так как посадочные места одинаковых по форме и размерам ячеек заранее определены. Однако, если в проектируемой БИС используется достаточно много простых функциональных элементов библиотеки с низким коэффициентом использования элементов ячейки, снижается коэффициент использования площади кристалла, а значит истепень интеграции БИС.В матричных БИС электрические соединения выполняются с помощью металлических (проводниковых) и полупроводниковых (монои поликристаллических) шин. Шины цепей питания и заземления, как правило, выполняются из алюминия, который характеризуется низким удельным сопротивлением. Легированные полупроводниковые шины, имеющие повышенноеудельное сопротивление, в основном применяются для реализации коротких слаботочных сигнальных цепей.Для создания электрических связей между элементами используется однои многоуровневая металлизация. По окончании проектирования, набор параметров и характеристик БМК должен быть достаточно полным для потребителя. К типовым параметрам и характеристикам БМК относятся:1.технология изготовления;2.число ячеек в кристалле;3.структура (набор элементов) ячейки;4.наименование, типовые электрические параметры, схемы и фрагменты типовых функциональных элементов, формируемых на основе элементов ячеек;5.параметры элементов вводавывода;6.число периферийных контактных площадок;7.требования к источнику питания;8.указания по расположению и использованию контактных площадок для цепей питания и заземления и др.;БМК могут послужить основой для цифровых, аналоговых, цифроаналоговых и аналогоцифровых больших интегральных схем. В то же время, совокупность элементов БМК, предназначенных для применения в аналоговых БИС, позволяетформировать усилители, компараторы, аналоговые цифровые ключи и другие устройства.Не так давно основнымприменением БМК являлисьсредства вычислительной техники исистемы управления технологическими процессами. Некоторые БМК, например Т34ВГ1(КА1515ХМ1216), применялись в советских клонах компьютера ZX Spectrumв качестве контроллера внешних устройств. Аналог БМК -микросхема ULA в компьютерах Синклера. В настоящее время БМК в большинстве применений вытеснены ПЛИС(программируемая логическая интегральная схема–примечание автора), не требующими заводского производственного процесса для программирования и допускающими перепрограммирование. Далее рассмотрим программируемые логические матрицы.Программируемые логические устройства имеют матричную структуру и шинную организацию элементов (каждый элемент соединяется вертикальными и горизонтальными шинами). В ПЛУ используются программируемые матрицы И, ИЛИ и их комбинации:непрограммируемое И –программируемое ИЛИ;программируемое И –непрограммируемое ИЛИ;программируемое И –программируемое ИЛИ.Существует две разновидности программируемых логических устройств:

программируемые в условиях производства специализированных БИС на основе кристалловполуфабрикатов с помощью одного заказного фотошаблона по технологии, подобной технологии изготовления матричных БИС;

программируемые потребителемизготовителем аппаратуры ©загрузкойª (введением информации) внутренних регистров или физическим воздействием на отдельные элементы матриц (пережигание перемычек, пробой диодов, изменение режимов работы полупроводниковых приборов).Логические устройства, программируемые потребителем, являются универсальными микроэлектронными устройствами, которые ©настраиваютсяª на заданную функцию с помощью автоматических программаторов.В практике широко используются такие разновидности ПЛУ, как программируемые логические матрицы (ПЛМ) и программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ).Применение ПЛМ позволяет уменьшить количество логических элементов и связей в логических устройствах, что особенно важно для регулярных структур, реализуемых на кристаллах БИС.Разработаны и применяются однократно программируемые ПЛМ и многократно программируемые –репрограммируемые ПЛМ (РПЛМ). Развиваются методы проектирования и производства матричных БИС с реконструируемыми соединениями (МаБИСРС) и с программируемой архитектурой (МаБИСПА) –субсистемына пластинах.Программирование с использованием масок (фотошаблонов) металлизации или контактных окон в оксиде широко применяется в ПЛМ на основе биполярных транзисторов и диодов. На рис.2 показана схема соединений элементов в диодной ПЛМ. Входные сигналы положительной полярности подаются на входы а –е, произведения М0 –М2 снимаются с нагрузочных резисторов R. Преимуществами диодных матриц являются простота и малая занимаемая на кристалле площадь, а недостатком –значительные токи, потребляемые по входам матрицы.Использование многоэмиттерных транзисторов вместо диодов позволяет существенно уменьшить входные токи (в BN раз, BN –нормальный коэффициент передачи тока транзистора) и повысить быстродействие ПЛМ. На рис.3 представлена схема фрагмента ПЛМ на биполярных многоэмиттерных транзисторах.Матрицы на основе МОПтранзисторов обеспечивают наиболее высокую плотность компоновки элементов, имеют минимальную потребляемую мощность, однако уступают по быстродействию матрицам на биполярных транзисторах.Достоинством ПЛМ с масочным программированием являются малая площадь и высокая надежность, что обусловило их широкое применение в составе специализированных и микропроцессорных БИС. Такие ПЛМ однократно программируются изготовителем в процессе производствамикросхемы, что сужает область их применения.Большей гибкостью, особенно при использовании в периферийных устройствах, обладают электрически программируемые ПЛМ, “настройка” которых на реализацию заданных функций выполняется пользователем.

Рисунок 2 –Фрагмент диодной ПЛМ

Рисунок 3 –Фрагмент ПЛМ на БТ

На рис.4 показанынаиболее распространенные элементы матрицс электрическим программированием. Программирование осуществляется расплавлением перемычек (обычно нихромовых или поликремниевых) или пробоем диодов (pn переходов или барьеров Шотки).

Рисунок 4 –Элементы ПЛМ с электрическим программированием

Перемычки имеют сопротивление около 10 Ом и расплавляются (размыкаются) при пропускании через них импульса тока, амплитуда которого значительно больше амплитуды тока считывания. Для разрушения нихромовых или поликремниевых перемычек достаточно тока 20…50 мА; время расплавления составляет 10…200 мс.Диоды пробиваются (закорачиваются) при подаче импульса обратного напряжения от источника с небольшим внутренним сопротивлением, дающим достаточный ток (200…300 мА). Это вызывает лавинный и термический пробой pn переходов (барьера Шотки) и миграцию частиц металла внутрь полупроводника с образованием надежного низкоомного контакта (штриховые линии на рис.4). Время образования цепи 0,02…0,05 мс.Для электрического программирования и контроля ПЛМ используются специальные установки, управляемые ЭВМ. Исходной информацией для программирования и контроля являются:таблица истинности;признак пережигания (пробоя) лог. единиц или нулей (в зависимости от начальной информации незапрограммированной ПЛМ);параметры программирующих импульсов.Управляющая программа делает перебор адресов на входах от 00…0 до 11…1. На ПЛМ подаются питающие напряжения, а при наличии в исходной информации признаков программирования –импульс пережигания (пробоя). После программирования выполняется контроль и результат проверки с указанием совпадения (несовпадения) с таблицей истинности выводится на печать.ПЛМ применяются в современных периферийных и основных компьютерных устройствах платы расширения в системе Plug and Play, которые и имеют специальную микросхему -ПЛИС. Она позволяет плате сообщать свой идентификатор и список требуемых и поддерживаемых ресурсов.Для создания СБИС(сверх больших интегральных схем)и субсистем на пластинах применяют регулярные структуры (рис.5) с матрицей ячеек достаточно большой степени интеграции. Программирование элементов соединений выполняется их созданием или нарушением.

Рисунок 5 –Фрагмент БИС с реконструируемымисоединениями

Матричные БИС с реконструируемыми соединениями обычно создают на основе КМОПтранзисторов, характеризующихся минимальной потребляемой мощностью. Для таких транзисторов применимы все типы перемычек.Перспективным является использование матричных БИС с реконструируемыми соединениями для построения многопроцессорных субсистем. Контакты между соединительными проводниками различных уровней программируются лучом лазера (расплавляется диэлектрик), некоторые связи разрезаются.Лазерное реконструирование при управлении от ЭВМ длится около 1 ч. Такие микросистемы могут содержать до 100 миллионов транзисторов.Плотность компоновки для СБИС при минимальном размере элементов 0,5…2 мкм достигает 20 тысяч транзисторов на квадратный миллиметр.Внастоящее время существуютэлементыпамяти, сохраняющие информацию при отключении напряжения питания, что позволяет создавать ПЛМ со стиранием и перезаписью реализуемых функций –репрограммируемые логические матрицы (РПЛМ).Значительное распространение в РПЛМ получили МОПтранзисторы с плавающим затвором и лавинной инжекцией (рис.6). Структура такого транзистора аналогична обычному МОПтранзистору с поликремниевым затвором, который гальванически не связан с остальной схемой. В исходном состоянии транзистор не проводит ток (см. рис.6,а). Для перехода в проводящее состояние (запись) между истоком и стоком транзистора прикладывается достаточно большое напряжение (около 50 В) в течение примерно 5 мс. Это вызывает лавинный пробой истокового (стокового) pn перехода и инжекцию электронов в поликремниевый затвор. Заряд, примерно равный 107 Кл/см2,захваченный затвором (см. рис.6,б), индуцирует канал, соединяющий исток и сток, и может сохраняться длительное время (10…100 лет) после снятия напряжения, так как затвор окружен оксидным слоем, имеющим очень малую проводимость.Стирание информации осуществляется при облучении ультрафиолетовыми лучами сэнергией, достаточной для выбивания электронов из затвораи переноса их в подложку (рис.6). Стирание можно также осуществить, используя ионизирующее, например рентгеновское излучение.Считывание информации из матрицы выполняется при подаче напряжения питания 5…15 В и контроле тока, протекающего через транзистор.Для организации выборки определенных ячеек вматрицу (см. рис.6,в) последовательно с транзисторами с плавающими затворами включают обычные МОПтранзисторы.

Рис.6. ПЛМ на МОПтранзисторах с плавающим затвором:а) выключенный (стертый) запоминающий транзистор;б)включенный запоминающий транзистор;в) фрагмент матрицы (транзистор выборки Тв, запоминающий транзистор Тз);1 –исток; 2 –плавающий затвор из поликристаллического кремния; 3 –сток; 4 –инжектированный заряд; 5 –область обеднения

Наряду с БИСс реконструируемыми соединениями развивается направление, связанное с созданием БИС и СБИС с программируемой архитектурой и выполняемых в виде субсистем на пластинах. Перестройка архитектуры субсистемы осуществляется с помощью встроенных элементов коммутации с памятью. Причем элементы памяти могут выполняться как на типовых МОПили КМОПтранзисторах, так и на транзисторах с лавинной инжекцией.На рис.7представлена структурная схема матричной БИС с программируемой архитектурой. Шина управления (ШУ) служит для записи в блоки распределенной памяти (П) кодов настройки (программирования) архитектуры субсистемы на определенную задачу. Решающие блоки матрицы (М) соединяются между собой распределенными коммутаторами (К) через коммутационную шину (ШК).

Рисунок 7 –Структурная схема матричной БИС с программируемой архитектурой

Применение СБИС с программируемой архитектурой позволяет получить очень высокую плотность компоновки, автоматизировать процесс сборки.

Ссылки на источники1.Образовательный сайт www.studfiles.ruURL: http://www.studfiles.ru/dir/cat39/subj1381/file15398/view155035/page2.html2.Свободная энциклопедия Википедия URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%9C%D0%9A3.Свободная энциклопедия ВикипедияURL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%9B%D0%98%D0%A1

Konyaev Ivan Sergeyevich,3rd year student of Armavir Institute of Mechanics and Technology (branch) Kuban State University of Technology, ArmavirMonogarov Sergey Ivanovich,Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of inplant electrical equipment and automation, Armavir Institute of Mechanics and Technology (branch) Kuban State University of Technology, ArmavirPrinciples of building largescale integrated schemesAbstract:This article focuses on research of the principles of construction of largescale integrated circuits (LSIs).Keywords:BIS, a large integrated circuit, the base matrix crystals, programmable logic devices.