Thực đơn
trang chủLỗi

Lịch sử của cơ sở linh kiện điện tử trong nước (ECB). Mạch tích hợp lớn

Mạch tích hợp lớn(LSI) là một mạch tích hợp (IC) có mức độ tích hợp cao (số lượng phần tử trong nó lên tới 10.000), được sử dụng trong các thiết bị điện tử như một bộ phận hoàn chỉnh về chức năng của máy tính, tự động hóa, thiết bị đo lường, v.v.
Dựa trên số lượng phần tử, tất cả các mạch tích hợp thường được chia thành các loại sau:
■ đơn giản (SIS) - với số lượng phần tử trong tinh thể lên tới 10,
■ nhỏ (MIS) - lên tới 100,
■ trung bình (SIS) - lên tới 1000,
■ lớn (BIS) - lên tới 10.000,
■ cực lớn (VLSI) - 1.000.000,
■ cực lớn (UBIS) - lên tới 1000000000,
■ giga-large (GBIS) - hơn 1000000000 phần tử trong một tinh thể.
Mạch tích hợp (IC) chứa hơn 100 phần tử được gọi là mạch tích hợp cấp cao.
Việc sử dụng LSI đi kèm với sự cải thiện rõ rệt về tất cả các chỉ số chính so với tổ hợp chức năng tương tự được triển khai trên các IC riêng biệt. Việc tích hợp các IC trên một chip dẫn đến giảm số lượng gói, số lượng hoạt động lắp ráp và cài đặt cũng như số lượng kết nối bên ngoài - kém tin cậy nhất. Điều này giúp giảm kích thước, trọng lượng, chi phí và cải thiện độ tin cậy.
Các lợi ích bổ sung từ việc tích hợp IC bao gồm giảm tổng số miếng đệm, độ dài kết nối ngắn hơn và ít biến đổi về thông số hơn vì tất cả các IC đều nằm trên cùng một chip và được sản xuất trong một chu trình xử lý duy nhất.
Kinh nghiệm phát triển LSI cũng bộc lộ một số vấn đề chung làm hạn chế sự gia tăng mức độ tích hợp và cần giải quyết trong quá trình phát triển hơn nữa của vi điện tử:
■ vấn đề tản nhiệt,
■ vấn đề kết nối,
■ vấn đề kiểm soát tham số,
■ hạn chế vật lý về kích thước của các phần tử.
Năm 1964, lần đầu tiên dựa trên LSI, IBM đã phát hành sáu mẫu thuộc dòng IBM 360.
Ví dụ về LSI cũng có thể bao gồm các mạch bộ nhớ từ 4 bit trở lên, các thiết bị điều khiển máy tính và logic số học cũng như các bộ lọc kỹ thuật số. IC được thiết kế để giải quyết nhiều vấn đề khác nhau và do đó được sản xuất bằng cách sử dụng kết hợp các phương pháp có trong kho công nghệ bán dẫn, màng mỏng và dày.
Thông thường, người ta phân loại IM theo phương pháp sản xuất và cấu trúc thu được.
MI bán dẫn là một IC trong đó tất cả các phần tử và kết nối giữa chúng được tạo thành trong một khối duy nhất và trên một bề mặt duy nhất của tấm bán dẫn.
Trong các vi mạch lai, các thành phần thụ động (điện trở và tụ điện) được đặt lên bề mặt của một tấm điện môi, các thành phần hoạt động (bóng bán dẫn) được chế tạo dưới dạng các thành phần thu nhỏ rời rạc riêng biệt và được gắn vào vi mạch.

Văn học
1. Stepanenko I.P., Nguyên tắc cơ bản của vi điện tử, M.: Phòng thí nghiệm kiến ​​thức cơ bản, 2003, tr. 453-460.
2. Batushev A.V., Vi mạch và ứng dụng của chúng, M.: Radio và truyền thông, 1984, tr. 13-17.
3. Chernozubov Yu., Vi mạch được sinh ra như thế nào, M.: Giáo dục, 1989, tr. 14-19.

MẠCH TÍCH HỢP
(IC), một mạch vi điện tử được hình thành trên một tấm wafer nhỏ (tinh thể hoặc "chip") bằng vật liệu bán dẫn, thường là silicon, được sử dụng để điều khiển và khuếch đại dòng điện. Một IC thông thường bao gồm nhiều thành phần vi điện tử được kết nối với nhau, chẳng hạn như bóng bán dẫn, điện trở, tụ điện và điốt, được chế tạo ở lớp bề mặt của chip. Kích thước của tinh thể silicon dao động từ khoảng 1,3-1,3 mm đến 13-13 mm. Những tiến bộ trong mạch tích hợp đã dẫn đến sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp quy mô lớn và rất lớn (LSI và VLSI). Những công nghệ này giúp tạo ra các IC, mỗi IC chứa hàng nghìn mạch: một con chip có thể chứa hơn 1 triệu linh kiện.
Xem thêm THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ BÁN DẪN. Mạch tích hợp có một số ưu điểm so với các mạch tiền nhiệm - mạch được lắp ráp từ các bộ phận riêng lẻ được gắn trên khung. IC nhỏ hơn, nhanh hơn và đáng tin cậy hơn; Chúng cũng rẻ hơn và ít bị hư hỏng do rung, ẩm và lão hóa. Việc thu nhỏ các mạch điện tử có thể thực hiện được nhờ các tính chất đặc biệt của chất bán dẫn. Chất bán dẫn là vật liệu có độ dẫn điện (độ dẫn) lớn hơn nhiều so với chất điện môi như thủy tinh, nhưng kém hơn đáng kể so với các chất dẫn điện như đồng. Mạng tinh thể của vật liệu bán dẫn như silicon có quá ít electron tự do ở nhiệt độ phòng để mang lại độ dẫn điện đáng kể. Vì vậy, chất bán dẫn nguyên chất có độ dẫn điện thấp. Tuy nhiên, việc đưa tạp chất thích hợp vào silicon sẽ làm tăng tính dẫn điện của nó.
Xem thêm TRANSISTOR. Dopants được đưa vào silicon bằng hai phương pháp. Đối với doping nặng hoặc trong trường hợp không cần kiểm soát chính xác lượng tạp chất được đưa vào thì phương pháp khuếch tán thường được sử dụng. Quá trình khuếch tán phốt pho hoặc boron thường được thực hiện trong môi trường tạp chất ở nhiệt độ từ 1000 đến 1150 ° C trong từ nửa giờ đến vài giờ. Trong quá trình cấy ion, silicon bị bắn phá bởi các ion tạp chất tốc độ cao. Lượng tạp chất được cấy ghép có thể được điều chỉnh với độ chính xác vài phần trăm; độ chính xác rất quan trọng trong một số trường hợp, vì độ lợi của bóng bán dẫn phụ thuộc vào số lượng nguyên tử tạp chất được cấy trên 1 cm2 bazơ (xem bên dưới).

Sản xuất. Việc sản xuất một mạch tích hợp có thể mất tới hai tháng vì một số vùng nhất định của chất bán dẫn phải được pha tạp chính xác. Trong một quá trình được gọi là nuôi cấy tinh thể, hay kéo tinh thể, lần đầu tiên một tấm hình trụ bằng silicon có độ tinh khiết cao được tạo ra. Từ hình trụ này, các tấm có độ dày, ví dụ 0,5 mm, được cắt ra. Tấm wafer cuối cùng được cắt thành hàng trăm mảnh nhỏ gọi là chip, mỗi mảnh được chuyển thành mạch tích hợp thông qua quy trình được mô tả bên dưới. Quá trình xử lý chip bắt đầu bằng việc sản xuất mặt nạ cho từng lớp của IC. Một khuôn tô quy mô lớn được tạo ra, có hình dạng giống như một hình vuông có diện tích khoảng. 0,1 m2. Một bộ mặt nạ như vậy chứa tất cả các thành phần của IC: mức khuếch tán, mức kết nối, v.v. Toàn bộ cấu trúc thu được được thu nhỏ về mặt hình ảnh thành kích thước của một tinh thể và được sao chép từng lớp trên một tấm kính. Một lớp silicon dioxide mỏng được hình thành trên bề mặt của tấm wafer silicon. Mỗi tấm được phủ một vật liệu nhạy sáng (chất cản quang) và tiếp xúc với ánh sáng truyền qua mặt nạ. Các khu vực không tiếp xúc của lớp phủ cảm quang sẽ được loại bỏ bằng dung môi và với sự trợ giúp của một thuốc thử hóa học khác có tác dụng hòa tan silicon dioxide, chất này sẽ được khắc từ những khu vực không còn được bảo vệ bởi lớp phủ cảm quang. Các biến thể của công nghệ xử lý cơ bản này được sử dụng trong chế tạo hai loại cấu trúc bóng bán dẫn chính: lưỡng cực và hiệu ứng trường (MOS).
Transistor lưỡng cực. Transistor như vậy có cấu trúc kiểu n-p-n hoặc ít phổ biến hơn là kiểu p-n-p. Thông thường, quá trình này bắt đầu với một tấm wafer (chất nền) bằng vật liệu loại p được pha tạp nhiều. Một lớp mỏng silicon loại n pha tạp nhẹ được tạo thành epitaxy trên bề mặt của tấm bán dẫn này; do đó, lớp phát triển có cấu trúc tinh thể giống như chất nền. Lớp này phải chứa phần hoạt động của bóng bán dẫn - các bộ thu riêng lẻ sẽ được hình thành trong đó. Tấm đầu tiên được đặt trong lò hơi boron. Sự khuếch tán boron vào tấm wafer silicon chỉ xảy ra ở nơi bề mặt của nó đã bị ăn mòn. Kết quả là các vùng và cửa sổ của vật liệu loại n được hình thành. Quá trình nhiệt độ cao thứ hai, sử dụng hơi phốt pho và một mặt nạ khác, nhằm tạo ra sự tiếp xúc với lớp thu gom. Bằng cách thực hiện các quá trình khuếch tán liên tiếp của boron và phốt pho, bazơ và bộ phát tương ứng được hình thành. Độ dày của đế thường là vài micron. Những hòn đảo nhỏ có độ dẫn điện loại n và p này được kết nối thành một mạch chung thông qua các kết nối được làm bằng hơi nhôm lắng đọng hoặc phún xạ chân không. Đôi khi các kim loại quý như bạch kim và vàng được sử dụng cho những mục đích này. Bóng bán dẫn và các phần tử mạch khác, chẳng hạn như điện trở, tụ điện và cuộn cảm, cùng với các kết nối liên kết, có thể được hình thành trong tấm bán dẫn bằng kỹ thuật khuếch tán thông qua một loạt hoạt động, cuối cùng tạo ra một mạch điện tử hoàn chỉnh. Xem thêm TRANSISTOR.
Transistor MOSFET.Được sử dụng rộng rãi nhất là MOS (chất bán dẫn oxit kim loại) - một cấu trúc bao gồm hai vùng silicon loại n có khoảng cách gần nhau được triển khai trên đế loại p. Một lớp silicon dioxide được hình thành trên bề mặt silicon và trên lớp này (giữa các vùng loại n và bắt chúng một chút) một lớp kim loại cục bộ được hình thành, hoạt động như một cổng. Hai vùng loại n được đề cập ở trên, được gọi là nguồn và cống, đóng vai trò tương ứng là các phần tử kết nối cho đầu vào và đầu ra. Thông qua các cửa sổ được cung cấp bằng silicon dioxide, các kết nối kim loại được tạo ra với nguồn và cống. Một kênh bề mặt hẹp của vật liệu loại n nối nguồn và cống; trong các trường hợp khác, kênh có thể được tạo ra - được tạo ra bởi điện áp đặt vào cổng. Khi một điện áp dương được đặt vào cổng của một bóng bán dẫn kênh cảm ứng, lớp loại p bên dưới cổng được chuyển đổi thành lớp loại n và dòng điện được điều khiển và điều chế bởi tín hiệu cổng sẽ chạy từ nguồn đến cống. MOSFET tiêu thụ rất ít năng lượng; Nó có trở kháng đầu vào cao, dòng thoát thấp và độ ồn rất thấp. Vì cổng, oxit và silicon tạo thành tụ điện nên thiết bị như vậy được sử dụng rộng rãi trong hệ thống bộ nhớ máy tính (xem bên dưới). Trong các mạch bổ sung, hay CMOS, các cấu trúc MOS được sử dụng làm tải và không tiêu thụ điện năng khi bóng bán dẫn MOS chính ở trạng thái không hoạt động.



Sau khi chế biến xong, các tấm được cắt thành từng miếng. Thao tác cắt được thực hiện bằng cưa tròn có cạnh kim cương. Sau đó, mỗi tinh thể (chip hoặc IC) được đặt trong một trong một số loại vỏ. Dây vàng 25 micron được sử dụng để kết nối các thành phần IC với khung dẫn gói. Dây dẫn khung dày hơn cho phép IC được kết nối với thiết bị điện tử mà nó sẽ hoạt động.
Độ tin cậy.Độ tin cậy của một mạch tích hợp xấp xỉ độ tin cậy của một bóng bán dẫn silicon riêng lẻ, có hình dạng và kích thước tương đương. Về mặt lý thuyết, bóng bán dẫn có thể tồn tại hàng nghìn năm mà không hỏng hóc - một yếu tố quan trọng đối với các ứng dụng như tên lửa và công nghệ vũ trụ, trong đó một hỏng hóc duy nhất cũng có thể đồng nghĩa với việc dự án sẽ thất bại hoàn toàn.
Bộ vi xử lý và máy tính mini.Được giới thiệu rộng rãi lần đầu tiên vào năm 1971, bộ vi xử lý thực hiện hầu hết các chức năng cơ bản của máy tính trên một IC silicon duy nhất, được triển khai trên một con chip 5-5 mm. Nhờ các mạch tích hợp, người ta có thể tạo ra các máy tính mini - máy tính nhỏ trong đó tất cả các chức năng được thực hiện trên một hoặc nhiều mạch tích hợp lớn. Sự thu nhỏ ấn tượng này đã giúp giảm đáng kể chi phí tính toán. Những máy tính mini hiện đang được sản xuất, có giá dưới 1.000 USD, mạnh mẽ như những chiếc máy tính rất lớn đầu tiên, có giá lên tới 20 triệu USD vào đầu những năm 1960. Bộ vi xử lý được sử dụng trong các thiết bị liên lạc, máy tính bỏ túi và đồng hồ đeo tay, bộ chọn kênh truyền hình. , trò chơi điện tử, thiết bị nhà bếp và ngân hàng tự động, hệ thống kiểm soát nhiên liệu và xử lý khí thải tự động trên ô tô du lịch cũng như nhiều thiết bị khác. Phần lớn ngành công nghiệp điện tử toàn cầu trị giá 15 tỷ USD dựa vào các mạch tích hợp bằng cách này hay cách khác. Trên khắp thế giới, mạch tích hợp được sử dụng trong các thiết bị có tổng giá trị lên tới hàng chục tỷ USD.
Thiết bị lưu trữ máy tính. Trong điện tử, thuật ngữ "bộ nhớ" thường dùng để chỉ bất kỳ thiết bị nào được thiết kế để lưu trữ thông tin ở dạng kỹ thuật số. Trong số nhiều loại thiết bị lưu trữ (MSD), chúng tôi xem xét bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), thiết bị ghép điện tích (CCD) và bộ nhớ chỉ đọc (ROM). Đối với RAM, thời gian truy cập vào bất kỳ ô nhớ nào nằm trên chip là như nhau. Những thiết bị như vậy có thể lưu trữ 65.536 bit (đơn vị nhị phân, thường là 0 và 1), một bit trên mỗi ô và là loại bộ nhớ điện tử được sử dụng rộng rãi; trên mỗi con chip họ có khoảng. 150 nghìn linh kiện. RAM có sẵn với dung lượng 256 Kbit (K = 210 = 1024; 256 K = 262.144). Trong các thiết bị bộ nhớ có khả năng truy cập tuần tự, sự lưu thông của các bit được lưu trữ xảy ra như thể dọc theo một băng tải kín (CCD sử dụng chính xác kiểu lấy mẫu này). CCD, một IC có cấu hình đặc biệt, có thể đặt các gói điện tích bên dưới những miếng kim loại nhỏ cách nhau gần nhau và cách ly về điện với chip. Do đó, điện tích (hoặc thiếu điện) có thể di chuyển khắp thiết bị bán dẫn từ ô này sang ô khác. Kết quả là, có thể lưu trữ thông tin dưới dạng chuỗi số 1 và số 0 (mã nhị phân) và truy cập thông tin đó khi được yêu cầu. Mặc dù CCD không thể cạnh tranh với bộ nhớ RAM về tốc độ nhưng chúng có thể xử lý lượng lớn thông tin với chi phí thấp hơn và được sử dụng khi không cần bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên. RAM, được tạo trên một IC như vậy, không ổn định và thông tin ghi trong đó sẽ bị mất khi tắt nguồn. Thông tin được nhập vào ROM trong quá trình sản xuất và được lưu trữ vĩnh viễn. Việc phát triển và phát hành các loại IP mới không dừng lại. ROM lập trình có thể xóa được (EPROM) có hai cổng, cổng này chồng lên cổng kia. Khi đặt điện áp vào cổng trên, cổng dưới có thể thu được điện tích tương ứng với 1 trong mã nhị phân và khi chuyển đổi (đảo ngược) điện áp, cổng có thể mất điện tích, tương ứng với 0 trong mã nhị phân. .
Xem thêm
THIẾT BỊ VĂN PHÒNG VÀ THIẾT BỊ VĂN PHÒNG;
MÁY TÍNH ;
TRUYỀN THÔNG ĐIỆN TỬ;
TÍCH LŨY THÔNG TIN VÀ TÌM KIẾM.
VĂN HỌC
Meizda F. Mạch tích hợp: công nghệ và ứng dụng. M., 1981 Zi S. Vật lý của các thiết bị bán dẫn. M., 1984 Công nghệ VLSI. M., 1986 Maller R., Keimin S. Các phần tử của mạch tích hợp. M., 1989 Shur MS Vật lý của các thiết bị bán dẫn. M., 1992

Bách khoa toàn thư của Collier. - Xã hội mở. 2000 .

Xem "MẠCH TÍCH HỢP" là gì trong các từ điển khác:

    Một thiết bị thể rắn chứa một nhóm thiết bị và các kết nối (kết nối) của chúng, được làm trên một tấm duy nhất (đế). Trong I. s. Các phần tử thụ động (điện dung, điện trở) và các phần tử hoạt động được tích hợp, hoạt động của chúng dựa trên nhiều yếu tố khác nhau. thuộc vật chất... ... Bách khoa toàn thư vật lý

    - (IC, mạch tích hợp, vi mạch), thiết bị cực nhỏ với mật độ đóng gói cao của các phần tử (điốt, bóng bán dẫn, điện trở, tụ điện, v.v.), liên kết chặt chẽ (thống nhất) với nhau về mặt cấu trúc, công nghệ... ... Bách khoa toàn thư hiện đại

    - (IC mạch tích hợp, vi mạch), một thiết bị điện tử cực nhỏ, các phần tử của nó được liên kết chặt chẽ (thống nhất) về mặt cấu trúc, công nghệ và điện. IS được phân chia: theo phương pháp kết hợp (tích hợp) các phần tử thành... Từ điển bách khoa lớn

    mạch tích hợp- (ITU T Q.1741). Chuyên đề: viễn thông, khái niệm cơ bản EN mạch tích hợpIC... Hướng dẫn dịch thuật kỹ thuật

    Yêu cầu "BIS" được chuyển hướng tới đây; xem thêm các ý nghĩa khác Mạch tích hợp hiện đại được thiết kế để gắn trên bề mặt Mạch tích hợp (vi) (... Wikipedia

    - (LÀ). mạch tích hợp (IC), vi mạch, thiết bị điện tử cực nhỏ với mật độ đóng gói cao của các phần tử kết nối với nhau (thường là điện) (điốt, bóng bán dẫn, điện trở, tụ điện, v.v.),... ... Từ điển bách khoa bách khoa lớn

    - (IC, mạch tích hợp, vi mạch), một thiết bị điện tử cực nhỏ, các phần tử của nó được sản xuất theo một chu trình công nghệ duy nhất và được liên kết chặt chẽ (thống nhất) về mặt cấu trúc và điện. Mạch tích hợp được chia thành:... từ điển bách khoa

Varady G.K. trung đội 404.

Mạch tích hợp.

Kế hoạch:

1) Giới thiệu (khái niệm, thiết bị).

2) Các loại IP.

3) Ưu và nhược điểm của IP.

4) Sản xuất.

5) Ứng dụng.

Giới thiệu.

(từ lat. hội nhập- "sự liên quan").

IC là một mạch vi điện tử được hình thành trên một tấm wafer nhỏ (tinh thể hoặc "chip") bằng vật liệu bán dẫn, thường là silicon, được sử dụng để điều khiển và khuếch đại dòng điện. Một IC điển hình bao gồm nhiều thành phần vi điện tử được kết nối với nhau, chẳng hạn như bóng bán dẫn, điện trở, tụ điện và điốt, được chế tạo ở lớp bề mặt của chip. Kích thước của tinh thể silicon dao động từ khoảng 1,3 x 1,3 mm đến 13 x 13 mm. Những tiến bộ trong mạch tích hợp đã dẫn đến sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp quy mô lớn và rất lớn (LSI và VLSI).

Phân loại.

Tùy thuộc vào mức độ tích hợp (số lượng phần tử của mạch kỹ thuật số), tên của mạch tích hợp sau được sử dụng:

    mạch tích hợp nhỏ (MIS) - lên tới 100 phần tử trên mỗi chip,

    mạch tích hợp trung bình (SIS) - lên tới 1000 phần tử trên mỗi chip,

    mạch tích hợp lớn (LSI) - lên tới 10 nghìn phần tử trên mỗi chip,

    mạch tích hợp quy mô cực lớn (VLSI) - hơn 10 nghìn phần tử trong một tinh thể.

Trước đây, những cái tên lỗi thời hiện nay cũng được sử dụng: mạch tích hợp quy mô cực lớn (ULIS) - từ 1-10 triệu đến 1 tỷ phần tử trong một tinh thể và đôi khi, mạch tích hợp quy mô lớn giga (GBIC) - hơn 1 tỷ nguyên tố trong tinh thể. Hiện tại, trong những năm 2010, tên “UBIS” và “GBIS” thực tế không được sử dụng và tất cả các vi mạch có hơn 10 nghìn phần tử đều được phân loại là VLSI.

Ưu và nhược điểm của IP.

Mạch tích hợp có một số ưu điểm so với các mạch tương tự tiền nhiệm, được lắp ráp từ các bộ phận riêng lẻ được gắn trên khung. IC nhỏ hơn, nhanh hơn và đáng tin cậy hơn; Chúng cũng rẻ hơn và ít bị hư hỏng do rung, ẩm và lão hóa. Việc thu nhỏ các mạch điện tử có thể thực hiện được nhờ các tính chất đặc biệt của chất bán dẫn. Ưu điểm chính của chúng được xem xét:

    Giảm tiêu thụ điện năng liên quan đến việc sử dụng các tín hiệu điện xung trong thiết bị điện tử số. Khi nhận và chuyển đổi các tín hiệu như vậy, các phần tử hoạt động của thiết bị điện tử (bóng bán dẫn) hoạt động ở chế độ “chìa khóa”, nghĩa là bóng bán dẫn ở trạng thái “mở” - tương ứng với tín hiệu mức cao (1) hoặc “đóng”. ” - (0), trong trường hợp đầu tiên không có hiện tượng sụt áp trong bóng bán dẫn, trong trường hợp thứ hai không có hiện tượng sụt áp qua nó hiện hành. Trong cả hai trường hợp, mức tiêu thụ điện gần bằng 0, trái ngược với các thiết bị analog, trong đó phần lớn thời gian các bóng bán dẫn ở trạng thái trung gian (hoạt động).

    Khả năng chống ồn cao các thiết bị kỹ thuật số có liên quan đến sự khác biệt lớn giữa tín hiệu mức cao (ví dụ: 2,5-5 V) và mức thấp (0-0,5 V). Lỗi trạng thái có thể xảy ra ở mức nhiễu đến mức mức cao được hiểu là mức thấp và ngược lại, điều này khó xảy ra. Ngoài ra, các thiết bị kỹ thuật số có thể sử dụng các mã đặc biệt để sửa lỗi.

    Sự khác biệt lớn về mức trạng thái tín hiệu mức cao và mức thấp (logic “0” và “1”) và phạm vi thay đổi cho phép khá rộng khiến công nghệ kỹ thuật số không nhạy cảm với sự phân tán không thể tránh khỏi của các tham số phần tử trong công nghệ tích hợp, loại bỏ nhu cầu lựa chọn các thành phần và cấu hình các phần tử điều chỉnh trong kỹ thuật số. thiết bị.

Độ tin cậy.Độ tin cậy của một mạch tích hợp xấp xỉ độ tin cậy của một bóng bán dẫn silicon riêng lẻ, có hình dạng và kích thước tương đương. Về mặt lý thuyết, các bóng bán dẫn có thể tồn tại hàng nghìn năm mà không hỏng hóc - một yếu tố quan trọng đối với các ứng dụng như tên lửa và công nghệ vũ trụ, trong đó một hỏng hóc duy nhất có thể đồng nghĩa với việc dự án sẽ thất bại hoàn toàn.

Sản xuất.

Việc sản xuất một mạch tích hợp có thể mất tới hai tháng vì một số vùng nhất định của chất bán dẫn phải được pha tạp chính xác. Trong một quá trình được gọi là nuôi cấy tinh thể, hay kéo tinh thể, lần đầu tiên một tấm hình trụ bằng silicon có độ tinh khiết cao được tạo ra. Từ hình trụ này, các tấm có độ dày, ví dụ 0,5 mm, được cắt ra. Tấm wafer cuối cùng được cắt thành hàng trăm mảnh nhỏ gọi là chip, mỗi mảnh được chuyển thành mạch tích hợp thông qua quy trình được mô tả bên dưới. Quá trình xử lý chip bắt đầu bằng việc sản xuất mặt nạ cho từng lớp của IC. Một khuôn tô quy mô lớn được tạo ra, có hình dạng giống như một hình vuông có diện tích khoảng. 0,1 m2. Một bộ mặt nạ như vậy chứa tất cả các thành phần của IC: mức khuếch tán, mức kết nối, v.v. Toàn bộ cấu trúc kết quả được giảm kích thước về mặt hình ảnh. kết tinh và tái tạo từng lớp trên một tấm kính. Một lớp silicon dioxide mỏng được hình thành trên bề mặt của tấm wafer silicon. Mỗi tấm được phủ một vật liệu nhạy sáng (chất cản quang) và tiếp xúc với ánh sáng truyền qua mặt nạ. Các khu vực không tiếp xúc của lớp phủ cảm quang sẽ được loại bỏ bằng dung môi và với sự trợ giúp của một thuốc thử hóa học khác có tác dụng hòa tan silicon dioxide, chất này sẽ được khắc từ những khu vực không còn được bảo vệ bởi lớp phủ cảm quang. Các biến thể của công nghệ xử lý cơ bản này được sử dụng trong chế tạo hai loại cấu trúc bóng bán dẫn chính: lưỡng cực và hiệu ứng trường (MOS).

Ứng dụng. Địa phương\Toàn cầu.

Địa phương.

Trực tiếp trong thiết kế mạch, một mạch tích hợp có thể đảm nhận một số lượng lớn nhiệm vụ. Trong số đó có thể là:

Các phần tử logic, Bộ kích hoạt, Bộ đếm, Thanh ghi, Bộ chuyển đổi bộ đệm, Bộ mã hóa, Bộ giải mã, Bộ so sánh kỹ thuật số, Bộ ghép kênh, Bộ phân kênh, Bộ cộng, Bộ cộng một nửa, Khóa, Bộ vi điều khiển, Bộ xử lý (bao gồm CPU cho máy tính), Máy vi tính đơn chip, Vi mạch và mô-đun bộ nhớ, FPGA (mạch tích hợp logic lập trình).

Toàn cầu.

Bộ vi xử lý và máy tính mini. Được giới thiệu rộng rãi lần đầu tiên vào năm 1971, bộ vi xử lý thực hiện hầu hết các chức năng cơ bản của máy tính trên một IC silicon duy nhất, được triển khai trên một con chip 5x5 mm. Nhờ mạch tích hợp Người ta có thể tạo ra máy tính mini - máy tính nhỏ, trong đó tất cả các chức năng được thực hiện trên một hoặc nhiều mạch tích hợp lớn. Sự thu nhỏ ấn tượng này đã giúp giảm đáng kể chi phí tính toán. Những máy tính mini hiện đang được sản xuất, có giá dưới 1.000 USD, mạnh mẽ như những chiếc máy tính rất lớn đầu tiên, có giá lên tới 20 triệu USD vào đầu những năm 1960. Bộ vi xử lý được sử dụng trong các thiết bị liên lạc, máy tính bỏ túi và đồng hồ đeo tay, bộ chọn kênh truyền hình. , trò chơi điện tử, thiết bị nhà bếp và ngân hàng tự động, hệ thống kiểm soát nhiên liệu và xử lý khí thải tự động trên ô tô du lịch cũng như nhiều thiết bị khác. Hầu hết ngành công nghiệp điện tử toàn cầu, có doanh thu vượt quá 795 tỷ rúp, bằng cách này hay cách khác đều phụ thuộc vào mạch tích hợp. Trên khắp thế giới, mạch tích hợp được sử dụng trong các thiết bị có tổng chi phí lên tới hàng trăm tỷ rúp.

Văn học.

Meizda F. Mạch tích hợp: công nghệ và ứng dụng. M., 1981 Zi S. Vật lý của các thiết bị bán dẫn. M., 1984 Công nghệ VLSI. M., 1986 Maller R., Keimin S. Các phần tử của mạch tích hợp. M., 1989 Shur MS Vật lý của các thiết bị bán dẫn. M., 1992

Trong các máy tính điện đời đầu, các thành phần mạch thực hiện các hoạt động là các ống chân không. Những ống này trông giống như bóng đèn, tiêu thụ rất nhiều điện và tạo ra rất nhiều nhiệt. Mọi thứ thay đổi vào năm 1947 với việc phát minh ra bóng bán dẫn. Thiết bị nhỏ này sử dụng vật liệu bán dẫn, được đặt tên theo khả năng dẫn và bẫy dòng điện, tùy thuộc vào việc có dòng điện trong bản thân chất bán dẫn hay không. Công nghệ mới này cho phép chế tạo tất cả các loại công tắc điện trên chip silicon. Mạch bán dẫn chiếm ít không gian hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Để có những máy tính mạnh hơn, các mạch tích hợp hoặc IC đã được tạo ra.

Ngày nay, các bóng bán dẫn đã trở nên nhỏ đến mức hiển vi và toàn bộ mạch IC nằm gọn trên một miếng bán dẫn hình vuông 1 inch. Các khối nhỏ gắn thành hàng trên bảng mạch máy tính là các mạch tích hợp được bọc trong vỏ nhựa. Mỗi vi mạch chứa một tập hợp các phần tử hoặc thiết bị mạch đơn giản. Hầu hết chúng đều bị chiếm giữ bởi các bóng bán dẫn. Một IC cũng có thể bao gồm điốt, cho phép dòng điện chỉ chạy theo một hướng và các điện trở, chặn dòng điện.
Các bộ phận cố định. Bên trong máy tính, các dãy mạch tích hợp trong vỏ bảo vệ, như minh họa bên dưới, được gắn trên bảng mạch của máy tính (màu xanh lá cây). Mỗi đường màu xanh nhạt tượng trưng cho một đường đi của dòng điện; chúng cùng nhau tạo thành những “đường cao tốc” qua đó dòng điện được truyền từ mạch này sang mạch khác.

Những sứ giả nhỏ bé. Dọc theo rìa của con chip, các dây có từ tính cao, gợi nhớ đến sợi tóc của con người, gửi tín hiệu điện từ mạch điện (có tên ở trên). Những dây vàng hoặc nhôm này hầu như có khả năng chống ăn mòn và là chất dẫn điện tốt.

Giải phẫu của một bóng bán dẫn
Bóng bán dẫn, phần tử vi mô cơ bản của mạch điện tử, là công tắc bật và tắt dòng điện. Các rãnh kim loại nhỏ (màu xám) dẫn dòng điện (đỏ và xanh lục) từ các thiết bị này. Được tổ chức thành một tổ hợp gọi là cổng logic, bóng bán dẫn phản ứng với các xung điện theo nhiều cách khác nhau được cài sẵn, cho phép máy tính thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau.

Sơ đồ logic. Nếu dòng điện đi vào (mũi tên màu đỏ) kích hoạt đế của mỗi bóng bán dẫn, thì dòng điện (mũi tên màu xanh lá cây) sẽ chạy đến dây dẫn đầu ra.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ nói về vi mạch, có những loại nào, chúng được thiết kế như thế nào và chúng được sử dụng ở đâu. Nhìn chung, trong công nghệ điện tử hiện đại rất khó tìm được một thiết bị nào không sử dụng vi mạch. Ngay cả những đồ chơi rẻ nhất của Trung Quốc cũng sử dụng nhiều loại chip phẳng, chứa đầy hỗn hợp được giao chức năng điều khiển. Hơn nữa, mỗi năm chúng ngày càng trở nên phức tạp hơn ở bên trong nhưng dễ vận hành hơn và kích thước nhỏ hơn ở bên ngoài. Chúng ta có thể nói rằng có sự phát triển không ngừng của vi mạch.

Vi mạch là một thiết bị điện tử hoặc một bộ phận của nó có khả năng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Nếu cần phải giải quyết một vấn đề như vậy, được giải quyết bằng nhiều vi mạch, sử dụng các phần tử rời rạc, sử dụng bóng bán dẫn, thì thiết bị, thay vì một hình chữ nhật nhỏ có kích thước 1 cm x 5 cm, sẽ chiếm toàn bộ tủ và sẽ nhỏ hơn nhiều. đáng tin cậy. Nhưng đây chính là hình dáng của máy tính cách đây nửa trăm năm!

Tủ điều khiển điện tử - ảnh

Tất nhiên, để một vi mạch hoạt động, chỉ cấp nguồn cho nó là chưa đủ; đồ bó sát”, tức là những bộ phận phụ trợ trên bo mạch, cùng với đó vi mạch có thể thực hiện chức năng của nó.

Bộ body kit - bản vẽ

Trong hình trên, bản thân vi mạch được tô sáng màu đỏ; tất cả các bộ phận khác đều là " của nó; đồ bó sát" Rất thường xuyên, các vi mạch nóng lên trong quá trình hoạt động; đây có thể là các vi mạch dành cho bộ ổn định, bộ vi xử lý và các thiết bị khác. Trong trường hợp này, để vi mạch không bị cháy, nó phải được gắn vào bộ tản nhiệt. Các vi mạch phải nóng lên trong quá trình hoạt động được thiết kế ngay một tấm tản nhiệt đặc biệt - bề mặt thường nằm ở mặt sau của vi mạch, tấm này phải vừa khít với bộ tản nhiệt.

Nhưng trong kết nối, ngay cả với bộ tản nhiệt và tấm được đánh bóng cẩn thận, vẫn sẽ có những khoảng trống cực nhỏ, do đó nhiệt từ vi mạch sẽ được truyền đến bộ tản nhiệt kém hiệu quả hơn. Để lấp đầy những khoảng trống này, người ta sử dụng chất dẫn nhiệt. Cách tương tự mà chúng tôi áp dụng cho bộ xử lý máy tính trước khi gắn bộ tản nhiệt lên trên nó. Một trong những loại bột nhão được sử dụng rộng rãi nhất là KPT-8.

Bộ khuếch đại trên vi mạch có thể được hàn chỉ trong 1-2 buổi tối và chúng bắt đầu hoạt động ngay lập tức mà không cần thiết lập phức tạp và bộ điều chỉnh chất lượng cao. Riêng biệt, tôi muốn nói về các vi mạch khuếch đại ô tô, đôi khi có đúng 4-5 bộ phận trong một bộ body kit. Để lắp ráp một bộ khuếch đại như vậy, với một chút cẩn thận, bạn thậm chí không cần bảng mạch in (mặc dù điều đó là mong muốn) và bạn có thể lắp ráp mọi thứ bằng cách sử dụng hệ thống lắp đặt gắn trên bề mặt, trực tiếp trên các chân của vi mạch.

Đúng vậy, sau khi lắp ráp, tốt hơn là đặt ngay bộ khuếch đại như vậy vào vỏ, vì thiết kế như vậy không đáng tin cậy và trong trường hợp dây dẫn vô tình bị đoản mạch, vi mạch có thể dễ dàng bị cháy. Vì vậy, tôi khuyên tất cả những người mới bắt đầu nên dành thêm một chút thời gian để làm bảng mạch in.

Các bộ nguồn được điều chỉnh dựa trên chip ổn định thậm chí còn dễ sản xuất hơn so với các bộ nguồn tương tự dựa trên bóng bán dẫn. Hãy xem một vi mạch LM317 đơn giản thay thế bao nhiêu bộ phận:


Các vi mạch trên bảng mạch in trong thiết bị điện tử có thể được hàn trực tiếp vào rãnh in hoặc được đặt trong các ổ cắm đặc biệt.

Ổ cắm cho chip sâu - ảnh

Sự khác biệt là trong trường hợp đầu tiên, để thay thế vi mạch, trước tiên chúng ta sẽ phải hàn nó lại. Và trong trường hợp thứ hai, khi đặt vi mạch vào ổ cắm, chúng ta chỉ cần tháo vi mạch ra khỏi ổ cắm là có thể dễ dàng thay thế vi mạch bằng vi mạch khác. Một ví dụ điển hình về việc thay thế bộ vi xử lý trong máy tính.

Ngoài ra, ví dụ: nếu bạn đang lắp ráp một thiết bị trên bộ vi điều khiển trên bảng mạch in và chưa cung cấp khả năng lập trình trong mạch, thì bạn có thể, nếu bạn hàn vào bảng không phải bản thân con chip mà là ổ cắm mà nó vào. được lắp vào, sau đó chip có thể được tháo ra và kết nối với một bảng lập trình đặc biệt.

Những bo mạch như vậy đã có ổ cắm được hàn vào các vỏ vi điều khiển khác nhau để lập trình.

Vi mạch tương tự và kỹ thuật số

Vi mạch có nhiều loại khác nhau; chúng có thể ở dạng tương tự hoặc kỹ thuật số. Cái trước, như tên của nó, hoạt động với dạng tín hiệu tương tự, trong khi cái sau hoạt động với dạng tín hiệu số. Một tín hiệu tương tự có thể có nhiều dạng khác nhau.

Tín hiệu số là một chuỗi các số 1 và 0, tín hiệu mức cao và mức thấp. Mức cao được đảm bảo bằng cách đặt 5 volt hoặc điện áp gần nó vào chân, mức thấp là không có điện áp hoặc 0 volt.

Ngoài ra còn có vi mạch ADC (bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số) Và ĐẮC (bộ chuyển đổi tín hiệu số - analog) chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital và ngược lại. Một ví dụ điển hình về ADC được sử dụng trong đồng hồ vạn năng để chuyển đổi các đại lượng điện đo được và hiển thị chúng trên màn hình của đồng hồ vạn năng. Trong hình bên dưới, ADC là một giọt màu đen với các đường tiếp cận từ mọi phía.

Vi điều khiển

Gần đây, so với việc sản xuất bóng bán dẫn và vi mạch, việc sản xuất vi điều khiển đã được đưa ra. Một vi điều khiển là gì?

Đây là loại chip đặc biệt, có thể được sản xuất ở cả hai Nhúng vì vậy trong SMD thực thi, trong bộ nhớ mà chương trình có thể được viết, cái gọi là lục giác tài liệu. Đây là một tập tin phần sụn được biên dịch, được viết bằng trình soạn thảo mã chương trình đặc biệt. Nhưng việc ghi phần sụn thôi là chưa đủ; bạn cần chuyển nó, flash nó vào bộ nhớ của vi điều khiển.

Lập trình viên - ảnh

Phục vụ cho mục đích này lập trình viên. Như nhiều người đã biết, có rất nhiều loại vi điều khiển khác nhau - AVR, PIC và những loại khác, đối với các loại khác nhau, chúng tôi cần các lập trình viên khác nhau. Ngoài ra còn có, và mọi người sẽ có thể tìm và tạo ra một thứ phù hợp với trình độ kiến ​​​​thức và khả năng của họ. Nếu không muốn tự mình làm một bộ lập trình viên, bạn có thể mua một bộ lập trình viên làm sẵn trong cửa hàng trực tuyến hoặc đặt hàng từ Trung Quốc.

Hình trên cho thấy một bộ vi điều khiển trong gói SMD. Lợi ích của việc sử dụng vi điều khiển là gì? Trước đây, khi thiết kế và lắp ráp một thiết bị sử dụng các phần tử hoặc vi mạch rời rạc, chúng ta quy định hoạt động của thiết bị thông qua một kết nối cụ thể, thường phức tạp trên một bảng mạch in sử dụng nhiều bộ phận. Bây giờ chúng ta chỉ cần viết một chương trình cho một bộ vi điều khiển sẽ thực hiện công việc tương tự theo chương trình, thường nhanh hơn và đáng tin cậy hơn một mạch không sử dụng bộ vi điều khiển. Bộ vi điều khiển là một máy tính hoàn chỉnh, có cổng đầu vào/đầu ra, khả năng kết nối màn hình và cảm biến cũng như điều khiển các thiết bị khác.

Tất nhiên, sự cải tiến của vi mạch sẽ không dừng lại ở đó, và chúng ta có thể giả định rằng trong 10 năm nữa sẽ thực sự có vi mạch từ chữ " vi mô" - vô hình trước mắt, sẽ chứa hàng tỷ bóng bán dẫn và các nguyên tố khác, có kích thước bằng vài nguyên tử - khi đó việc tạo ra các thiết bị điện tử phức tạp nhất sẽ thực sự trở nên dễ tiếp cận ngay cả với những người nghiệp dư vô tuyến không có nhiều kinh nghiệm! Đánh giá ngắn gọn của chúng tôi đã đi đến một kết luận kết thúc, chúng tôi đã ở bên bạn AKV.

Thảo luận bài viết VI MẠCH