Microcircuite. Istoria bazei interne de componente electronice (ECB)

CXEMA INTEGRAT (IC, circuit integrat, microcircuit), un produs microelectronic complet funcțional, care este un set de elemente interconectate electric (tranzistoare etc.) formate într-o placă monocristalină semiconductoare. IC-urile sunt baza elementară a tuturor dispozitivelor radio-electronice moderne, dispozitivelor informatice, sistemelor informatice și de telecomunicații.

Referință istorică. IC-ul a fost inventat în 1958 de J. Kilby (Premiul Nobel, 2000), care, fără a împărți napolitana monocristalină cu germaniu în tranzistoarele individuale formate în ea, le-a conectat împreună cu firele cele mai subțiri, astfel încât dispozitivul rezultat a devenit un radio complet. -circuit electronic. Șase luni mai târziu, fizicianul american R. Noyce a implementat așa-numitul CI de siliciu plan, în care pe suprafața plachetei de siliciu au fost create zone metalizate (așa-numitele tampoane de contact) pentru fiecare zonă a tranzistoarelor bipolare (emițător). , bază și colector), iar conexiunile între ele au fost realizate cu conductori cu peliculă subțire. În 1959, producția industrială de circuite integrate cu siliciu a început în Statele Unite; producția de masă de IP în URSS a fost organizată la mijlocul anilor 1960 la Zelenograd sub conducerea lui K. A. Valiev.

Tehnologia IS. Structura unui circuit integrat semiconductor este prezentată în figură. Tranzistoarele și alte elemente sunt formate într-un strat de suprafață foarte subțire (până la câțiva microni) al unei plăci de siliciu; de sus este creat un sistem pe mai multe niveluri de conexiuni între elemente. Pe măsură ce numărul de elemente IS crește, numărul de niveluri crește și poate ajunge la 10 sau mai mult. Conexiunile între elemente trebuie să aibă rezistență electrică scăzută. Această cerință este satisfăcută, de exemplu, de cupru. Straturile izolatoare (dielectrice) (SiO 2 etc.) sunt plasate între straturile de conductori. Până la câteva sute de circuite integrate sunt formate simultan pe o napolitană PP, după care napolitana este împărțită în cristale individuale (cipuri).

Ciclul tehnologic de fabricație IC include câteva sute de operații, dintre care cea mai importantă este fotolitografia (PL). Tranzistorul conține zeci de părți ale căror contururi sunt formate ca urmare a PL, care determină și configurația interconexiunilor din fiecare strat și poziția zonelor conductoare (contactelor) dintre straturi. În ciclul tehnologic, PL se repetă de câteva zeci de ori. Fiecare operație PL este urmată de operații de fabricare a pieselor de tranzistor, de exemplu, depunerea de dielectric, PP și pelicule subțiri metalice, gravare, dopaj prin implantare ionică în siliciu etc. Fotolitografia determină dimensiunea minimă (MS) a pieselor individuale. Instrumentul principal PL este scanerele-pas cu proiecție optică, care sunt utilizate pentru a efectua pas cu pas (de la cip la cip) expunerea imaginii (iluminarea cipului, pe suprafața căruia este aplicat un strat fotosensibil - fotorezist, printr-un mască numită fotomască) cu o reducere (4: 1) a imaginilor de dimensiune în raport cu dimensiunile măștii și cu scanarea punctului de lumină într-un cip. MR este direct proporțională cu lungimea de undă a sursei de radiație. Inițial, instalațiile PL foloseau liniile g și i (436 și respectiv 365 nm) ale spectrului de emisie al unei lămpi cu mercur. Lampa cu mercur a fost înlocuită cu lasere cu excimeri folosind molecule KrF (248 nm) și ArF (193 nm). Îmbunătățirea sistemului optic, utilizarea fotorezistenților cu contrast și sensibilitate ridicate, precum și tehnologie specială de înaltă rezoluție la proiectarea măștilor foto și a scanerelor pas cu o sursă de lumină cu o lungime de undă de 193 nm fac posibilă obținerea MR egală cu 30 nm sau mai puțin pe așchii mari (cu o suprafață de 1-4 cm 2) cu o capacitate de până la 100 de plăci (diametru 300 mm) pe oră. Avansarea în regiunea MR mai mici (30-10 nm) este posibilă folosind raze X moi sau ultraviolete extreme (EUV) cu o lungime de undă de 13,5 nm. Datorită absorbției intense a radiațiilor de către materiale la această lungime de undă, optica refractivă nu poate fi utilizată. Prin urmare, stepper-urile EUV folosesc optica reflectorizanta pe oglinzile cu raze X. Modelele ar trebui să fie, de asemenea, reflectorizante. Litografia EUV este un analog al litografiei cu proiecție optică, nu necesită crearea de noi infrastructuri și oferă o productivitate ridicată. Astfel, până în 2000, tehnologia IC a trecut bariera de 100 nm (MR) și a devenit nanotehnologie.

Structura circuitului integrat: 1-strat de pasivizare (protector); 2 - strat superior de conductor; 3 - strat dielectric; 4 - conexiuni inter-nivel; 5 - tampon de contact; 6 - tranzistoare MOS; 7 - plachetă de siliciu (substrat).

Direcții de dezvoltare. Circuitele integrate sunt împărțite în digitale și analogice. Cota principală a microcircuitelor digitale (logice) constă din circuite integrate de procesor și circuite integrate de memorie, care pot fi combinate pe un singur cristal (cip), formând un „sistem pe cip”. Complexitatea unui circuit integrat este caracterizată de gradul de integrare determinat de numărul de tranzistori de pe cip. Înainte de 1970, gradul de integrare digitală IC s-a dublat la fiecare 12 luni. Acest model (a fost observat pentru prima dată de omul de știință american G. Moore în 1965) a fost numit legea lui Moore. Moore și-a rafinat ulterior legea: complexitatea circuitelor de memorie se dublează la fiecare 18 luni, iar cea a circuitelor procesoarelor se dublează la fiecare 24 de luni. Pe măsură ce gradul de integrare IC a crescut, au fost introduși noi termeni: IC mare (LSI, cu numărul de tranzistori de până la 10 mii), IC ultra-mari (VLSI - până la 1 milion), IC ultra-mari (ULSI - până la 1 milion). la 1 miliard) și LSI gigant (GBIS - mai mult de 1 miliard).

Există circuite integrate digitale bazate pe tranzistoare bipolare (Bi) și MOS (metal-oxid-semiconductor), inclusiv în configurația CMOS (complementary MOS, adică tranzistori complementari r-MOS și w-MOS conectați în serie în circuitul „sursă”) sursă de alimentare - un punct cu potențial zero"), precum și BiCMOS (pe tranzistoare bipolare și tranzistoare CMOS într-un singur cip).

O creștere a gradului de integrare se realizează prin reducerea dimensiunii tranzistorilor și creșterea dimensiunii cipului; aceasta reduce timpul de comutare al elementului logic. Pe măsură ce dimensiunea a scăzut, consumul de energie și energia (produsul puterii înmulțite cu timpul de comutare) cheltuite pentru fiecare operație de comutare au scăzut. Până în 2005, performanța IC s-a îmbunătățit cu 4 ordine de mărime și a atins fracțiuni de nanosecundă; numărul de tranzistori pe un cip a fost de până la 100 de milioane.

Ponderea principală (până la 90%) în producția globală din 1980 a fost alcătuită din circuite integrate CMOS digitale. Avantajul unor astfel de circuite este că în oricare dintre cele două stări statice („0” sau „1”) unul dintre tranzistori este închis, iar curentul din circuit este determinat de curentul tranzistorului în starea oprit I OFF . Aceasta înseamnă că dacă I OFF este neglijabil, curentul de la sursa de alimentare este consumat numai în modul de comutare, iar consumul de energie este proporțional cu frecvența de comutare și poate fi estimat prin relația Ρ Σ ≈C Σ ·Ν·f·U 2, unde C Σ este capacitatea de sarcină totală la ieșirea elementului logic, N este numărul de elemente logice de pe cip, f este frecvența de comutare, U este tensiunea de alimentare. Aproape tot consumul de energie este eliberat sub formă de căldură Joule, care trebuie îndepărtată din cristal. În acest caz, puterea consumată în modul de comutare se adaugă la puterea consumată în modul static (determinată de curenții I OFF și curenții de scurgere). Odată cu scăderea dimensiunii tranzistorilor, puterea statică poate deveni comparabilă cu puterea dinamică și poate ajunge la un ordin de mărime de 1 kW la 1 cm 2 de cristal. Problema disipării puterii mari obligă ca frecvența maximă de comutare a circuitelor integrate CMOS de înaltă performanță să fie limitată la intervalul 1-10 GHz. Prin urmare, pentru a crește performanța sistemelor pe cip, sunt utilizate metode arhitecturale suplimentare (așa-numitele procesoare multi-core) și algoritmice.

La lungimi de canal ale tranzistoarelor MOS de ordinul a 10 nm, caracteristicile tranzistorului încep să fie afectate de efecte cuantice, cum ar fi cuantizarea longitudinală (un electron se propagă în canal ca o undă de Broglie) și cuantizarea transversală (datorită îngustimea canalului), tunelarea directă a electronilor prin canal. Ultimul efect limitează posibilitățile de utilizare a elementelor CMOS în circuite integrate, deoarece are o contribuție mare la curentul total de scurgere. Acest lucru devine semnificativ la o lungime a canalului de 5 nm. Circuitele integrate CMOS vor fi înlocuite cu dispozitive cuantice, dispozitive electronice moleculare etc.

Circuitele integrate analogice cuprind o clasă largă de circuite care îndeplinesc funcțiile de amplificatoare, oscilatoare, atenuatoare, convertoare digital-analogic și analog-digital, comparatoare, schimbătoare de fază etc., inclusiv frecvență joasă (LF), frecvență înaltă ( HF) și circuite integrate pentru microunde. Circuitele integrate cu microunde sunt circuite cu un grad relativ mic de integrare, care pot include nu numai tranzistori, ci și inductori de film, condensatori și rezistențe. Pentru a crea circuite integrate cu microunde, se folosește nu numai tehnologia tradițională de siliciu, ci și tehnologia circuitelor integrate de heterojuncție bazate pe soluții solide Si - Ge, compuși A III B V (de exemplu, arseniură și nitrură de galiu, fosfură de indiu), etc. este posibil să se realizeze frecvențe de operare de 10-20 GHz pentru Si-Ge și 10-50 GHz și mai mari pentru circuitele integrate cu microunde pe conexiuni A III B V. Circuitele integrate analogice sunt adesea folosite împreună cu senzori și dispozitive micromecanice, biocipuri etc., care asigură interacțiunea dispozitivelor microelectronice cu oamenii și mediul și pot fi închise cu acestea în aceeași carcasă. Astfel de modele se numesc multi-cip sau system-in-a-package.

În viitor, dezvoltarea IP va duce la îmbinarea a două direcții și la crearea unor dispozitive microelectronice de mare complexitate, care conțin dispozitive de calcul puternice, sisteme de control al mediului și mijloace de comunicare cu oamenii.

Lit. uita-te la art. Microelectronica.

A. A. Orlikovski.

CIRCUIT INTEGRAT
(IC), un circuit microelectronic format pe o placă minusculă (cristal sau „cip”) de material semiconductor, de obicei siliciu, care este utilizat pentru a controla și amplifica curentul electric. Un circuit integrat tipic constă din multe componente microelectronice interconectate, cum ar fi tranzistori, rezistențe, condensatoare și diode, fabricate la stratul de suprafață al cipului. Dimensiunile cristalelor de siliciu variază de la aproximativ 1,3-1,3 mm până la 13-13 mm. Progresele în circuitele integrate au condus la dezvoltarea tehnologiilor de circuite integrate la scară mare și la scară foarte mare (LSI și VLSI). Aceste tehnologii fac posibilă obținerea de circuite integrate, fiecare dintre ele conține multe mii de circuite: un singur cip poate conține mai mult de 1 milion de componente.
Vezi si DISPOZITIVE ELECTRONICE SEMICONDUCTORE. Circuitele integrate au o serie de avantaje față de predecesorii lor - circuite care au fost asamblate din componente individuale montate pe un șasiu. Circuitele integrate sunt mai mici, mai rapide și mai fiabile; De asemenea, sunt mai ieftine și mai puțin susceptibile la defecțiuni cauzate de vibrații, umiditate și îmbătrânire. Miniaturizarea circuitelor electronice a fost posibilă datorită proprietăților speciale ale semiconductorilor. Un semiconductor este un material care are o conductivitate electrică (conductivitate) mult mai mare decât un dielectric, cum ar fi sticla, dar semnificativ mai mică decât conductoarele precum cuprul. Rețeaua cristalină a unui material semiconductor, cum ar fi siliciul, are prea puțini electroni liberi la temperatura camerei pentru a oferi o conductivitate semnificativă. Prin urmare, semiconductorii puri au o conductivitate scăzută. Cu toate acestea, introducerea unei impurități adecvate în siliciu crește conductivitatea electrică a acestuia.
Vezi si TRANZISTOR. Dopanții sunt introduși în siliciu folosind două metode. Pentru dopajul intens sau în cazurile în care nu este necesar un control precis al cantității de impurități introduse, se folosește de obicei metoda difuziei. Difuzia fosforului sau a borului se realizează de obicei într-o atmosferă de dopant la temperaturi cuprinse între 1000 și 1150 ° C, timp de o jumătate de oră până la câteva ore. La implantarea ionică, siliciul este bombardat cu ioni dopanți de mare viteză. Cantitatea de impuritate implantată poate fi ajustată cu o precizie de câteva procente; precizia este importantă în unele cazuri, deoarece câștigul tranzistorului depinde de numărul de atomi de impurități implantați pe 1 cm2 de bază (vezi mai jos).

Productie. Fabricarea unui circuit integrat poate dura până la două luni, deoarece anumite zone ale semiconductorului trebuie dopate cu precizie. Într-un proces numit creșterea cristalului sau tragerea cristalului, este produsă mai întâi o placă cilindrică de siliciu de înaltă puritate. Din acest cilindru sunt tăiate plăci cu o grosime de, de exemplu, 0,5 mm. Napolitana este în cele din urmă tăiată în sute de bucăți mici numite așchii, fiecare dintre acestea fiind transformată într-un circuit integrat prin procesul descris mai jos. Procesul de prelucrare a cipurilor începe cu producția de măști pentru fiecare strat al CI. Se realizează un șablon la scară largă, în formă de pătrat cu o suprafață de cca. 0,1 m2. Un set de astfel de măști conține toate componentele IC: niveluri de difuzie, niveluri de interconectare etc. Întreaga structură rezultată este redusă fotografic la dimensiunea unui cristal și reprodusă strat cu strat pe o placă de sticlă. Un strat subțire de dioxid de siliciu este crescut pe suprafața plachetei de siliciu. Fiecare placă este acoperită cu un material sensibil la lumină (fotorezist) și expusă la lumina transmisă prin măști. Zonele neexpuse ale stratului fotosensibil sunt îndepărtate cu un solvent, iar cu ajutorul unui alt reactiv chimic care dizolvă dioxidul de siliciu, acesta din urmă este gravat din acele zone în care nu mai este protejat de învelișul fotosensibil. Variațiile acestei tehnologii de proces de bază sunt utilizate în fabricarea a două tipuri principale de structuri de tranzistori: bipolar și cu efect de câmp (MOS).
Tranzistor bipolar. Un astfel de tranzistor are o structură de tip n-p-n sau, mult mai puțin frecvent, de tip p-n-p. De obicei, procesul începe cu o placă (substrat) de material de tip p puternic dopat. Un strat subțire de siliciu de tip n ușor dopat este crescut epitaxial pe suprafața acestei plachete; astfel, stratul crescut are aceeași structură cristalină ca și substratul. Acest strat trebuie să conțină partea activă a tranzistorului - în el se vor forma colectori individuali. Placa este mai întâi plasată într-un cuptor cu vapori de bor. Difuzia borului în placheta de siliciu are loc numai acolo unde suprafața sa a fost gravată. Ca rezultat, se formează regiuni și ferestre din material de tip n. Un al doilea proces la temperatură ridicată, care utilizează vapori de fosfor și o altă mască, servește la formarea contactului cu stratul colector. Prin realizarea difuziilor succesive de bor și fosfor se formează baza și respectiv emițătorul. Grosimea bazei este de obicei de câțiva microni. Aceste insule minuscule de conductivitate de tip n și p sunt conectate într-un circuit comun prin interconexiuni realizate din vapori de aluminiu depuși sau pulverizați în vid. Uneori, metale nobile precum platina și aurul sunt folosite în aceste scopuri. Tranzistoarele și alte elemente de circuit, cum ar fi rezistențele, condensatorii și inductoarele, împreună cu interconexiunile asociate, pot fi formate în wafer prin tehnici de difuzie printr-o serie de operații, creând în cele din urmă un circuit electronic complet. Vezi și TRANZISTOR.
tranzistor MOSFET. Cel mai utilizat este MOS (metal-oxide-semiconductor) - o structură formată din două regiuni apropiate de siliciu de tip n implementate pe un substrat de tip p. Pe suprafața siliciului se formează un strat de dioxid de siliciu, iar deasupra acestui strat (între regiunile de tip n și captându-le ușor) se formează un strat de metal localizat, care acționează ca o poartă. Cele două regiuni de tip n menționate mai sus, numite sursă și scurgere, servesc ca elemente de legătură pentru intrare și respectiv ieșire. Prin ferestrele prevăzute în dioxid de siliciu se realizează conexiuni metalice la sursă și scurgere. Un canal de suprafață îngust de material de tip n conectează sursa și scurgerea; în alte cazuri, canalul poate fi indus - creat de tensiunea aplicată porții. Când o tensiune pozitivă este aplicată la poarta unui tranzistor cu canal indus, stratul de tip p de sub poartă este convertit într-un strat de tip n, iar un curent controlat și modulat de semnalul care intră în poartă curge de la sursă la scurgere. MOSFET-ul consumă foarte puțină energie; Are impedanță mare de intrare, curent de scurgere scăzut și zgomot foarte scăzut. Deoarece poarta, oxidul și siliciul formează un condensator, un astfel de dispozitiv este utilizat pe scară largă în sistemele de memorie ale computerelor (vezi mai jos). În circuitele complementare sau CMOS, structurile MOS sunt folosite ca sarcini și nu consumă energie atunci când tranzistorul MOS principal este în starea inactivă.

După finalizarea procesării, plăcile sunt tăiate în bucăți. Operația de tăiere se realizează cu un ferăstrău circular cu margini de diamant. Fiecare cristal (cip sau IC) este apoi închis într-unul din mai multe tipuri de carcasă. Sârma de aur de 25 microni este utilizată pentru a conecta componentele IC la cadrul de plumb al pachetului. Pinii de cadru mai groși permit conectarea IC-ului la dispozitivul electronic în care va funcționa.
Fiabilitate. Fiabilitatea unui circuit integrat este aproximativ aceeași cu cea a unui tranzistor individual de siliciu, echivalent ca formă și dimensiune. Teoretic, tranzistorii pot dura mii de ani fără defecțiuni - un factor critic pentru aplicații precum rachetele și tehnologia spațială, unde o singură defecțiune poate însemna eșecul complet al proiectului.
Microprocesoare și minicalculatoare. Introduse pentru prima dată public în 1971, microprocesoarele îndeplineau majoritatea funcțiilor de bază ale unui computer pe un singur circuit integrat de siliciu, implementat pe un cip de 5-5 mm. Datorită circuitelor integrate, a devenit posibilă crearea minicalculatoarelor - calculatoare mici în care toate funcțiile sunt efectuate pe unul sau mai multe circuite integrate mari. Această miniaturizare impresionantă a dus la o reducere dramatică a costurilor de calcul. Minicalculatoarele produse în prezent, cu un preț mai mic de 1.000 de dolari, sunt la fel de puternice ca primele computere foarte mari, care costau până la 20 de milioane de dolari la începutul anilor 1960. Microprocesoarele sunt folosite în echipamente de comunicații, calculatoare de buzunar și ceasuri de mână. , jocuri electronice, echipamente automate de bucătărie și bancare, control automat al combustibilului și posttratare a gazelor de eșapament în autoturisme, precum și multe alte dispozitive. O mare parte din industria electronică globală de 15 miliarde de dolari se bazează într-un fel sau altul pe circuite integrate. În întreaga lume, circuitele integrate sunt utilizate în echipamente cu o valoare totală de multe zeci de miliarde de dolari.
Dispozitive de stocare pe computer.În electronică, termenul „memorie” se referă de obicei la orice dispozitiv conceput pentru a stoca informații în formă digitală. Printre numeroasele tipuri de dispozitive de stocare (MSD), luăm în considerare memoria cu acces aleatoriu (RAM), dispozitivul cuplat cu încărcare (CCD) și memoria doar pentru citire (ROM). Pentru RAM, timpul de acces la orice celulă de memorie situată pe cip este același. Astfel de dispozitive pot stoca 65.536 de biți (unități binare, de obicei 0 și 1), un bit per celulă și sunt un tip de memorie electronică utilizat pe scară largă; pe fiecare cip au cca. 150 de mii de componente. RAM-urile sunt disponibile cu o capacitate de 256 Kbit (K = 210 = 1024; 256 K = 262.144). În dispozitivele de memorie cu acces secvenţial, circulaţia biţilor stocaţi are loc ca de-a lungul unui transportor închis (CCD-urile folosesc exact acest tip de eşantionare). Un CCD, un IC configurat special, poate plasa pachete de sarcini electrice sub bucăți mici de metal distanțate, care sunt izolate electric de cip. Încărcarea (sau lipsa acesteia) se poate deplasa astfel în întregul dispozitiv semiconductor de la o celulă la alta. Ca rezultat, devine posibil să stocați informații ca o secvență de unu și zero (cod binar) și să le accesați atunci când este necesar. Deși CCD-urile nu pot concura cu memoria RAM în ceea ce privește viteza, ele pot procesa cantități mari de informații la un cost mai mic și sunt utilizate acolo unde memoria cu acces aleatoriu nu este necesară. Memoria RAM, realizată pe un astfel de IC, este volatilă, iar informațiile înregistrate în ea se pierd atunci când alimentarea este oprită. Informațiile sunt introduse în ROM în timpul procesului de producție și sunt stocate permanent. Dezvoltarea și lansarea de noi tipuri de IP nu se oprește. ROM-urile programabile șterse (EPROM) au două porți, una peste cealaltă. Când se aplică tensiune la poarta superioară, cea inferioară poate dobândi o sarcină, care corespunde cu 1 din codul binar, iar la comutarea (inversarea) tensiunii, poarta își poate pierde sarcina, care corespunde cu 0 din codul binar. .
Vezi si
ECHIPAMENTE DE BIROU SI ECHIPAMENTE DE BIROU;
CALCULATOR ;
COMUNICAȚII ELECTRONICE;
ACUMULARE ȘI CĂUTARE DE INFORMAȚII.
LITERATURĂ
Meizda F. Circuite integrate: tehnologie și aplicații. M., 1981 Zi S. Fizica dispozitivelor semiconductoare. M., 1984 Tehnologia VLSI. M., 1986 Maller R., Keimin S. Elements of integrated circuits. M., 1989 Shur M.S. Fizica dispozitivelor semiconductoare. M., 1992

Enciclopedia lui Collier. - Societate deschisă. 2000 .

Vedeți ce este „CIRCUIT INTEGRAT” în alte dicționare:

Un dispozitiv solid care conține un grup de dispozitive și conexiunile (conexiunile) acestora, realizate pe o singură placă (substrat). În I. s. Sunt integrate elemente pasive (capacitate, rezistențe) și elemente active, a căror acțiune se bazează pe diverse. fizic...... Enciclopedie fizică

- (IC, circuit integrat, microcircuit), dispozitiv microminiatural cu o densitate mare de împachetare a elementelor (diode, tranzistoare, rezistențe, condensatoare etc.), indisolubil legate (unite) între ele structural, tehnologic... ... Enciclopedie modernă

- (circuit integrat IC, microcircuit), un dispozitiv electronic microminiatural, ale cărui elemente sunt indisolubil legate (unite) structural, tehnologic și electric. IS sunt împărțite: după metoda de combinare (integrare) a elementelor în... Dicţionar enciclopedic mare

circuit integrat- (ITU T Q.1741). Subiecte: telecomunicații, concepte de bază EN circuit integratIC... Ghidul tehnic al traducătorului

Solicitarea „BIS” este redirecționată aici; vezi și alte sensuri. Circuite integrate moderne concepute pentru montaj la suprafață. (micro)circuit integrat (... Wikipedia

- (ESTE). circuit integrat (IC), microcircuit, dispozitiv electronic microminiatural cu o densitate mare de ambalare a elementelor interconectate (de obicei electric) (diode, tranzistoare, rezistențe, condensatoare etc.),... ... Big Enciclopedic Polytechnic Dictionary

- (IC, circuit integrat, microcircuit), un dispozitiv electronic microminiatural, ale cărui elemente sunt fabricate într-un singur ciclu tehnologic și sunt indisolubil legate (unite) structural și electric. Circuitele integrate sunt împărțite în:... Dicţionar enciclopedic

Circuit integrat mare

Circuite integrate moderne concepute pentru montare la suprafață.

Microcircuite digitale sovietice și străine.

Integral(engl. Circuit integrat, IC, microcircuit, microcip, cip de siliciu sau cip), ( micro)sistem (IS, IMS, m/skh), cip, microcip(Engleză) cip- sliver, chip, chip) - dispozitiv microelectronic - un circuit electronic de complexitate arbitrară, realizat pe un cristal semiconductor (sau film) și plasat într-o carcasă neseparabilă. Adesea sub circuit integrat(IC) se referă la cristalul sau filmul real cu un circuit electronic și prin microcircuit(MS) - IC închis într-o carcasă. În același timp, expresia „componente de cip” înseamnă „componente de montare la suprafață” spre deosebire de componentele tradiționale lipite prin orificiu traversant. Prin urmare, este mai corect să spunem „microcircuit cu cip”, adică un microcircuit montat pe suprafață. În prezent (an), majoritatea microcircuitelor sunt fabricate în pachete de montare la suprafață.

Poveste

Invenția microcircuitelor a început cu studiul proprietăților peliculelor subțiri de oxid, care se manifestă prin efectul conductibilității electrice slabe la tensiuni electrice scăzute. Problema era că acolo unde cele două metale se atingeau, nu exista contact electric sau era polar. Studiile profunde ale acestui fenomen au condus la descoperirea diodelor și mai târziu a tranzistorilor și a circuitelor integrate.

Niveluri de proiectare

Fizic - metode de implementare a unui tranzistor (sau a unui grup mic) sub formă de zone dopate pe un cristal.
Electrice - schema de circuit (tranzistoare, condensatoare, rezistențe etc.).
Logic - circuit logic (invertoare logice, elemente OR-NOT, AND-NOT etc.).
Nivel de circuit și sistem - proiectarea circuitului și a sistemului (flip-flops, comparatoare, codificatoare, decodore, ALU-uri etc.).
Topologice - fotomasti topologice pentru productie.
Nivel de program (pentru microcontrolere și microprocesoare) - instrucțiuni de asamblare pentru programator.

În prezent, majoritatea circuitelor integrate sunt dezvoltate folosind CAD, ceea ce vă permite să automatizați și să accelerați semnificativ procesul de obținere a măștilor foto topologice.

Clasificare

Gradul de integrare

Scop

Un circuit integrat poate avea o funcționalitate completă, oricât de complexă ar fi - până la un întreg microcomputer (microcomputer cu un singur cip).

Circuite analogice

Generatoare de semnal
Multiplicatori analogici
Atenuatoare analogice și amplificatoare variabile
Stabilizatoare de alimentare
Schimbarea cipurilor de control al sursei de alimentare
Convertoare de semnal
Circuite de sincronizare
Diversi senzori (temperatura, etc.)

Circuite digitale

Elemente logice
Convertoare tampon
Module de memorie
(Micro)procesoare (inclusiv procesorul dintr-un computer)
Microcalculatoare cu un singur cip
FPGA - circuite integrate logice programabile

Circuitele integrate digitale au o serie de avantaje față de cele analogice:

Consum redus de energie asociat cu utilizarea semnalelor electrice pulsate în electronica digitală. La recepționarea și conversia unor astfel de semnale, elementele active ale dispozitivelor electronice (tranzistoare) funcționează în modul „cheie”, adică tranzistorul este fie „deschis” - ceea ce corespunde unui semnal de nivel înalt (1), fie „închis”. ” - (0), în primul caz la Nu există o cădere de tensiune în tranzistor; în al doilea, nu trece curent prin el. În ambele cazuri, consumul de energie este aproape de 0, spre deosebire de dispozitivele analogice, în care de cele mai multe ori tranzistoarele sunt într-o stare intermediară (rezistivă).
Imunitate ridicată la zgomot dispozitivele digitale este asociată cu o diferență mare între semnalele de nivel înalt (de exemplu 2,5 - 5 V) și scăzut (0 - 0,5 V). O eroare este posibilă cu o astfel de interferență atunci când un nivel ridicat este perceput ca scăzut și invers, ceea ce este puțin probabil. În plus, în dispozitivele digitale este posibil să se utilizeze coduri speciale care permit corectarea erorilor.
Diferența mare dintre semnalele de nivel înalt și cel scăzut și o gamă destul de largă de modificări permise ale acestora face tehnologia digitală insensibil la dispersarea inevitabilă a parametrilor elementului în tehnologia integrată, eliminând necesitatea de a selecta și configura dispozitive digitale.

1 Circuite integrate (CI)

Baza principală a mecanicii discrete moderne este microelectronica integrată. Trecerea la IC-uri a schimbat semnificativ modul în care sunt construite echipamentele electronice, deoarece produsele de microcircuite sunt unități funcționale complete, fie ele elemente logice pentru efectuarea de operațiuni simple sau procesoare de computer formate din multe mii de elemente.

1.Terminologie

În conformitate cu GOST 17021-88 „Microcircuite integrate. Termeni și definiții".

Circuit integrat (IC) ) – un produs microelectronic care îndeplinește o funcție specifică de conversie și procesare a semnalului și are o densitate mare de ambalare a elementelor (sau elementelor și componentelor) conectate electric și (sau) cristalelor, care, din punct de vedere al cerințelor de testare, acceptare, livrarea și funcționarea, este considerată ca un întreg.

Circuit integrat semiconductor – un circuit integrat, ale cărui toate elementele și conexiunile între elemente sunt realizate în volumul și pe suprafața semiconductorului.

Circuit integrat de film – un circuit integrat, ale cărui toate elementele și conexiunile între elemente sunt realizate sub formă de pelicule (un caz special de circuite integrate cu film sunt circuitele integrate cu peliculă groasă și cu peliculă subțire).

Circuit integrat hibrid – un circuit integrat care conține, pe lângă elemente, componente și (sau) cristale (un caz special al unui circuit integrat hibrid este un circuit integrat multicip).

Tehnologia filmului subțire – materiale de bază:

Substrat - pentru aplicarea și crearea unui model (ceramică);

Film conductiv – cupru, aluminiu, aur;

Material rezistiv – metale și aliajele lor, oxid de staniu, dielectrici, amestecuri.

Film gros - în principal ca plăci de comutare.

În prezent, există circuite integrate cu 6 grade de integrare (Tabelul 1).

Circuit integrat mic (MIC) - IC care conține până la 100 de elemente și (sau) componente inclusiv (1..2 grade).

Circuit integrat mediu (MIC) ) - CI care conține peste 100 până la 1000 de elemente și (sau) componente pentru circuitele integrate digitale și peste 100 până la 500 pentru cele analogice (2..3 grade).

Circuit integrat mare (LSI) - CI care conține peste 1000 de elemente și (sau) componente pentru circuite integrate digitale și peste 500 pentru circuite integrate analogice (3..4 grade).

Circuit integrat la scară foarte mare (VLSI) - CI care conține peste 100.000 de elemente și (sau) componente pentru circuitele integrate digitale cu o structură de construcție obișnuită, peste 50.000 pentru circuitele integrate digitale cu o structură de construcție neregulată și peste 10.000 pentru circuitele integrate analogice (5..7 grade).

Notă: Circuitele integrate digitale cu o structură obișnuită includ circuite de memorie și circuite bazate pe semnale matriceale de bază, cu o structură neregulată a circuitelor de calcul.

Circuit integrat ultra-viteză (USIC) ) – CI digital, a cărui viteză funcțională este de cel puțin 1*10 13 Hz/cm 3 per element logic.

Prin viteză funcțională înțelegem produsul dintre frecvența de funcționare a unui element logic, egal cu valoarea cvadrupla inversă a timpului de întârziere maxim mediu de propagare a semnalului cu numărul de elemente logice pe 1 centimetru pătrat de suprafață de cristal.

3 Clasificarea circuitelor integrate după niveluri de integrare.

Tabelul 1 - Clasificarea SI pe niveluri de integrare

Ste-Level Numărul de elemente și componente într-un singur cip

stump integ- Chipsuri digitale Analogic

integrare pe microcircuite bipolare MOS-on

tranzistoare walkie-talkie tranzistoare

1..2 MIS<= 100 <= 100 <= 100

2..3 SIS > 100<= 1000 > 100 <= 500 > 100 <= 500

3..4 BIS > 1000<= 10000 > 500 <= 2000 > 500

4..5 VLSI > 100000 > 50000 > 10000

Circuit integrat analogic - un circuit integrat conceput pentru a converti și procesa semnale conform legii unei funcții continue (un caz special al unui circuit integrat analogic este un microcircuit cu o caracteristică liniară - un circuit integrat liniar).

IC digital - circuit integrat, conceput pentru conversia și procesarea semnalelor care se modifică conform legii unei funcții discrete (un caz special al unui circuit integrat digital este un cip logic)

Gradul de integrare a circuitului integrat – un indicator al gradului de complexitate al unui microcircuit, caracterizat prin numărul de elemente și componente pe care le conține.

Determinat prin formula: k=logN,

unde k este un coeficient care determină gradul de integrare, rotunjit la cel mai apropiat număr întreg mai mare.

N este numărul de elemente și componente incluse în circuitul integrat.

Seria de circuite integrate - un set de tipuri de circuite integrate care pot îndeplini diverse funcții, au un singur design și proiectare tehnologică și sunt destinate utilizării în comun.

La nivelul cel mai de jos, zero al ierarhiei constructive a EVA de orice tip și scop, există CI care îndeplinesc funcții logice, auxiliare, speciale, precum și funcții de memorie. În prezent, industria produce un număr mare de circuite integrate, care pot fi clasificate după o serie de caracteristici.

2 Clasificarea microcircuitelor și simbolurilor

Depinzând de tehnologii de fabricatie Circuitele integrate sunt împărțite în 4 tipuri: semiconductor; film; hibrid; combinate

Elementele circuitelor electrice ale circuitelor integrate semiconductoare sunt formate în vrac sau pe suprafața materialului semiconductor (substrat). Formarea elementelor active și pasive prin introducerea unei anumite concentrații de impurități cu numere diferite ale unei singure plăci cristaline.

Figura 1 – Clasificarea circuitelor integrate

În circuitele integrate hibride, partea pasivă este realizată sub formă de filme aplicate pe suprafața materialului dielectric (substrat), iar elementele active, care au un design independent, sunt atașate la suprafața substratului.

În funcție de metodele de conectare a elementelor solide active, circuitele integrate active vin cu cabluri flexibile și rigide.

Un tip de circuit integrat semiconductor este un circuit integrat combinat.

În circuitele integrate combinate, elementele active sunt realizate în interiorul substratului semiconductor, iar partea pasivă este sub formă de pelicule metalice pe suprafața sa.

După scopul funcțional IS poate fi împărțit în:

1) digital; 2) analogic.

Circuitele integrate digitale sunt utilizate în calculatoare digitale, dispozitive de automatizare discrete etc. Acestea includ circuite cu microprocesor, circuite de memorie și circuite integrate care îndeplinesc funcții logice.

Circuitele integrate cu impulsuri liniare și liniare sunt utilizate în calculatoarele analogice și în dispozitivele de conversie a informațiilor.

Acestea includ diverse amplificatoare operaționale, comparatoare și alte circuite.

Baza clasificării digital microcircuitele au trei caracteristici:

1) tipul de componente ale circuitului logic asupra cărora se efectuează operații logice asupra variabilelor de intrare;

2) o metodă de conectare a dispozitivelor semiconductoare într-un circuit logic;

3) tip de conexiune între circuite logice.

Pe baza acestor caracteristici, circuitele integrate logice pot fi clasificate după cum urmează:

1) circuite cu conexiuni directe pe structuri MOS - NSTLM (MOS - metal - oxid - semiconductor sau MOS metal-izolant - semiconductor).

2) circuite cu conexiuni rezistor-capacitive - RTL; RETL – circuite a căror logică de intrare este realizată folosind circuite cu rezistență. RETL și RTL sunt depășite din punct de vedere moral și nu sunt utilizate în noile dezvoltări;

3) circuite a căror logică de intrare se realizează folosind diode - DTL;

4 circuite, a căror logică de intrare este realizată de un tranzistor multi-emițător - TTL;

5) circuite cu emițători cuplati - ESL, sau PTTL - logica pe comutatoare de curent;

6) logica integrată prin injecție IIL sau I 2 L - pe baza acesteia se creează microcircuite cu un grad ridicat de integrare, performanță ridicată și consum redus de energie;

7) circuite bazate pe conexiunea în comun a unei perechi de tranzistoare cu canale de diferite tipuri de conductivitate, așa-numitele structuri complementare. (structuri CMOS).

În simbolul IC, designul și designul tehnologic sunt indicate printr-un număr:

1,5,6,7 – semiconductor; 2,4,8 – hibrid;

3 altele – (film, vid etc.).

În funcție de natura funcțiilor îndeplinite în REA, circuitele integrate sunt împărțite în subgrupe (de exemplu, generatoare, amplificatoare etc.) și tipuri (de exemplu, convertoare de frecvență, fază, tensiune); subgrupul este desemnat prin literele corespunzătoare ( de exemplu, generator HS (G) de semnale armonice (C), diode ND-set (N) (D))

4 carcase pentru cipuri

GOST 17467-88 conține termeni legați de proiectarea IC.

Corpul corpului – parte a carcasei fără cabluri.

Poziția de ieșire – una dintre mai multe locații egal distanțate ale terminalelor la ieșirea din corpul carcasei, situate în jurul unui cerc sau pe rând, care poate fi sau nu ocupată de un terminal. Fiecare poziţie de ieşire este desemnată printr-un număr de serie.

Planul de instalare – planul pe care este instalat IC-ul.

La primele calculatoare electrice, componentele circuitelor care efectuau operațiunile erau tuburile vidate. Aceste tuburi, care semănau cu becuri, consumau multă energie electrică și generau multă căldură. Totul s-a schimbat în 1947 odată cu inventarea tranzistorului. Acest mic dispozitiv folosea un material semiconductor, numit pentru capacitatea sa de a conduce și de a reține curentul electric, în funcție de existența curentului electric în semiconductorul însuși. Această nouă tehnologie a făcut posibilă construirea a tot felul de întrerupătoare electrice pe cipuri de siliciu. Circuitele cu tranzistori au ocupat mai puțin spațiu și au consumat mai puțină energie. Pentru calculatoare mai puternice, au fost create circuite integrate sau circuite integrate.

În zilele noastre, tranzistoarele au devenit microscopic mici, iar întregul circuit IC se potrivește pe o bucată pătrată de semiconductor de 1 inch. Blocurile mici montate în rânduri pe o placă de circuite de calculator sunt circuite integrate închise în carcase de plastic. Fiecare microcircuit conține un set de elemente de circuit simple sau dispozitive. Cele mai multe dintre ele sunt ocupate de tranzistori. Un circuit integrat poate include, de asemenea, diode, care permit curentului electric să circule într-o singură direcție și rezistențe, care blochează curentul.
Piese fixe. În interiorul unui computer, rânduri de circuite integrate în carcase de protecție, așa cum se arată mai jos, sunt montate pe placa de circuite a computerului (verde). Fiecare linie verde pal reprezintă o cale de-a lungul căreia curge curentul electric; împreună formează „autostrăzi” prin care curentul electric este transportat de la circuit la circuit.

Mesageri mici. De-a lungul marginii cipului, fire puternic magnetizate, care amintesc de părul uman, trimit semnale electrice de la circuitul electric (numit mai sus). Aceste fire de aur sau aluminiu sunt practic rezistente la coroziune și sunt bune conductoare de electricitate.

Anatomia unui tranzistor
Tranzistoarele, elementele microscopice de bază ale unui circuit electronic, sunt întrerupătoare care pornesc și opresc curentul electric. Micile piese metalice (gri) conduc curentul (roșu și verde) de la aceste dispozitive. Organizate într-o combinație numită porți logice, tranzistoarele răspund la impulsurile electrice într-o varietate de moduri prestabilite, permițând computerului să îndeplinească o gamă largă de sarcini.

Diagrama logică. Dacă curentul electric de intrare (săgețile roșii) activează baza fiecărui tranzistor, curentul de alimentare (săgețile verzi) se va grăbi către cablajul de ieșire.