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...

Большая интегральная схема (БИС) - интегральная схема (ИС) с высокой степенью интеграции (число элементов в ней достигает 10000), используется в электронной аппаратуре как функционально законченный узел устройств вычислительной техники, автоматики, измерительной техники и др.
По количеству элементов все интегральные схемы условно делят на следующие категории:
■ простые (ПИС) - с количеством элементов в кристалле до 10,
■ малые (МИС) - до 100,
■ средние (СИС) - до 1000,
■ большие (БИС) - до 10000,
■ сверхбольшие (СБИС) - 1000000,
■ ультрабольшие (УБИС) - до 1000000000,
■ гигабольшие (ГБИС) - более 1000000000 элементов в кристалле.
Интегральные микросхемы (ИМ), содержащие более 100 элементов, называют микросхемами повышенного уровня интеграции.
Использование БИС сопровождается резким улучшением всех основных показателей по сравнению с аналогичным функциональным комплексом, выполненным на отдельных ИС. Интеграция ИС на одном кристалле приводит к уменьшению количества корпусов, числа сборочных и монтажных операций, количества внешних - наименее надежных - соединений. Это способствует уменьшению размеров, массы, стоимости и повышению надежности.
Дополнительными преимуществами от интеграции ИС являются уменьшение общего количества контактных площадок, сокращение длины соединений, а также меньший разброс параметров, поскольку все ИС расположены на одном кристалле и изготовлены в едином технологическом цикле.
Опыт разработки БИС выявил также и ряд общих проблем, которые ограничивают повышение степени интеграции и которые, нужно, решать в процессе дальнейшего развития микроэлектроники:
■ проблема теплоотвода,
■ проблема межсоединений,
■ проблема контроля параметров,
■ физические ограничения на размеры элементов.
В 1964 г. впервые на базе БИС, фирма IBM выпустила шесть моделей семейства IBM 360.
Примерами БИС также могут служить схемы памяти на 4 бит и более, арифметико-логические и управляющие устройства ЭВМ, цифровые фильтры. ИС предназначены для решения самых разнообразных задач, поэтому изготовляется сочетанием методов, находящихся в арсенале полупроводниковой, тонко- и толстопленочной технологий.
ИМ принято классифицировать по способам изготовления и по получаемым при этом структурам на
Полупроводниковая ИМ представляет собой ИС, в которой все элементы и соединения между ними выполнены в едином объеме и на единой поверхности полупроводниковой пластины.
В гибридных микросхемах пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы) наносятся на поверхность диэлектрической пластинки, активные (транзисторы) выполняются в виде отдельных дискретных миниатюрных компонентов и присоединяются к микросхеме.

Литература
1. Степаненко И. П., Основы микроэлектроники, М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003, с. 453-460.
2. Батушев А. В., Микросхемы и их применение, М.: Радио и связь, 1984, с. 13-17.
3. Чернозубов Ю. С., Как рождаются микросхемы, М.: Просвещение, 1989, с. 14-19.

1 Интегральные микросхемы (ИС)

Основной базой современной дискретной механики является интегральная микроэлектроника. Переход к ИС существенно изменил способы построения электронной аппаратуры, поскольку изделия микросхематехники представляют собой законченные функциональные узлы, будь то логические элементы для выполнения простейших операций или процессоры вычислительных машин, состоящие из многих тысяч элементов.

1.Терминология

В соответствии с ГОСТ17021-88 «Микросхемы интегральные. Термины и определения».

Интегральная микросхема (ИС ) – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.

Полупроводниковая интегральная микросхема – интегральная микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

Пленочная интегральная микросхема – интегральная микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок (частным случаем, пленочных ИС являются толстопленочные и тонкопленочные ИС).

Гибридная интегральная микросхема – интегральная микросхема, содержащая кроме элементов компоненты и (или) кристаллы (частным случаем гибридной ИС является многокристальная ИС).

Тонкопленочная технология – основные материалы:

Подложка - для нанесения и создания рисунка схемы (ситалл, керамика);

Проводящая пленка – медь, алюминий, золото;

Резистивный материал – металлы и их сплавы, оксид олова, диэлектрики, смеси.

Толстопленочные – в основном качестве коммутационных, плат.

В настоящее время существуют интегральные микросхемы 6-ти степеней интеграции (таблица 1).

Малая интегральная микросхема (МИС) - ИС, содержащая до 100 элементов и (или) компонентов включительно (1..2 степень).

Средняя интегральная микросхема (СИС ) - ИС, содержащая свыше 100 до 1000 элементов и (или) компонентов для цифровых ИС и свыше 100 до 500 – для аналоговых (2..3 степень).

Большая интегральная микросхема (БИС) - ИС, содержащая свыше 1000 элементов и (или) компонентов для цифровых ИС и свыше 500 – для аналоговых ИС (3..4 степень).

Сверхбольшая интегральная микросхема (СБИС) - ИС, содержащая свыше 100000 элементов и (или) компонентов для цифровых ИС с регулярной структурой построения, свыше 50000 – для цифровых ИС с нерегулярной структурой построения, и свыше 10000 – для аналоговых ИС (5..7 степень).

Примечание: К цифровым ИС с регулярной структурой построения относят схемы запоминающих устройств и схемы на основе базовых матричных сигналов, с нерегулярной структурой построения схемы вычислительных средств.

Сверхскоростная интегральная микросхема (ССИС ) – цифровая ИС, функциональное быстродействие которой не менее 1*10 13 Гц/см 3 на один логический элемент.

Под функциональным быстродействием понимают произведение рабочей частоты логического элемента, равно обратному учетверенному значению максимальному среднего времени задержки распространения сигнала на число логических элементов, приходящихся на 1 квадратный сантиметр площади кристалла.

3 Классификация интегральных схем по уровням интеграции.

Таблица 1 - Классификация ИС по уровням интеграции

Сте- Уровень Число элементов и компонентов в одной микросхеме

пень интег- Цифровые микросхемы Аналоговые

интег- рации на МОП- на биполярных микросхемы

рации транзисторах транзисторах

1..2 МИС <= 100 <= 100 <= 100

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

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

4..5 СБИС > 100000 > 50000 > 10000

Аналоговая интегральная микросхема - интегральная микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов по закону непрерывной функции (частным случаем аналоговой ИС являются микросхема с линейной характеристикой - линейная ИС).

Цифровая ИС - интегральная микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции (частным случаем цифровой ИС является логическая микросхема)

Степень интеграции интегральной микросхемы – показатель степени сложности микросхемы, характеризуемый числом содержащихся в ней элементов и компонентов.

Определяется по формуле: k=lgN,

где k – коэффициент, определяющий степень интеграции, округляемый до ближайшего большего целого числа.

N – число элементов и компонентов, входящих в интегральную микросхему.

Серия интегральных микросхем - совокупность типов интегральных микросхем, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения.

На низшем, нулевом уровне конструктивной иерархии ЭВА любого типа и назначения находятся ИС, выполняющие логические, вспомогательные, специальные функции, а также функции запоминания. В настоящее время промышленностью выпускается большое количество интегральных схем, которые можно классифицировать по ряду признаков.

2 Классификация микросхем и условные обозначения

В зависимости от технологии изготовления ИС делятся на 4 разновидности: полупроводниковые; пленочные; гибридные; совмещенные

Элементы электрической схемы полупроводниковых ИС формируют в объеме или на поверхности полупроводникового материала (подложки). Формирование активных и пассивных элементов введением определенным образом концентрации примесей с различным числом монокристаллической пластины.

Рисунок 1 – Классификация интегральных схем

В гибридных ИС пассивную часть выполняют в виде пленок, наносимых на поверхность диэлектрического материала (подложки), а активные элементы, имеющие самостоятельное конструктивное оформление, - крепят к поверхности подложки.

В зависимости от методов подсоединения активных бескорпусных элементов, активные ИС бывают с гибкими и жесткими выводами.

Разновидностью полупроводниковых ИС являются совмещенные ИС.

В совмещенных ИС активные элементы выполняются внутри полупроводниковой подложки, а пассивная часть – в виде металлических пленок на ее поверхность.

По функциональному назначению ИС можно разделить на:

1) цифровые; 2) аналоговые.

Цифровые ИС используют в ЦВМ, устройствах дискретной автоматики и т.д. К ним принадлежат микропроцессорные схемы, схемы памяти и ИС, выполняющие логические функции.

Линейные и линейно-импульсные ИС применяются в аналоговых вычислительных машинах и в устройствах преобразования информации.

К ним относятся различные операционные усилители, компараторы и другие схемы.

В основу классификации цифровых микросхем положены три признака:

1)вид компонентов логической схемы, на которых выполняются логические операции над входными переменными;

2)способ соединения полупроводниковых приборов в логическую схему;

3)вид связи между логическими схемами.

По этим признакам логические ИС можно классифицировать следующим образом:

1) схемы с непосредственными связями на МОП-структурах – НСТЛМ (МОП – металл – окисел - полупроводник или МДП металл-диэлектрик - полупроводник).

2)схемы с резисторно - емкостными связями – РТЛ; РЕТЛ – схемы, входная логика которых осуществляется на резисторных цепях. РЕТЛ и РТЛ – морально устарели и в новых разработках не используются;

3)схемы, входная логика которых осуществляется на диодах – ДТЛ;

4 схемы, входная логика которых выполняется многоэмитторным транзистором – ТТЛ;

5) схемы, со связанными эмиттерами – ЭСЛ, или ПТТЛ – логика на переключателях тока;

6) инжекционно-интегральная логика ИИЛ или И 2 Л – на ее основе создаются микросхемы большой степени интеграции высокого быстродействия и с малым потреблением энергии;

7) схемы, основанные на совместном включении пары транзисторов с каналами разных видов проводимости, так называемые комплиментарные структуры. (КМОП – структуры).

В условном обозначении ИС конструктивно-технологическое исполнение обозначаются цифрой:

1 ,5 ,6 ,7 – полупроводниковые; 2 ,4 ,8 – гибридные;

3 прочие – (пленочные, вакуумные и т.д.).

По характеру выполнения функций в РЭА ИС подразделяются на подгруппы (например, генераторы, усилители и т.д.) и виды (например, преобразователи частоты, фазы, напряжения) подгруппа обозначается соответствующими буквами, (например ГС-генератор (Г) гармонических сигналов (С), НД-набор (Н) диодов (Д))

4 Корпуса микросхем

В ГОСТ 17467-88 приведены термины, касающиеся конструктива ИС.

Тело корпуса – часть корпуса без выводов.

Позиция вывода – одно из нескольких равноотстоящих друг от друга место положений выводов на выходе из тела корпуса, расположенных по окружности или в ряду, которое может быть занято или не занято выводом. Каждая позиция вывода обозначается порядковым номером.

Установочная плоскость – плоскость, на которую устанавливается ИС.

Введение

В настоящее время главными задачами при создании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и электронно-вычислительных машин (ЭВМ) является увеличение скорости работы и уменьшение физических размеров. Для этого улучшаются характеристики и параметры элементов и интегральных микросхем, также происходит их оптимизация. Однако, при переходе работы устройств в наносекундный диапазон возникают новые проблемы, связанные с искажением сигналов в линиях связи. С повышением быстродействия логических схем скорость преобразования информации приближается к скорости её передачи, а при задержках логических элементов становится сравнимой с ней. В этом случае улучшение динамических характеристик самих элементов может не дать желаемого эффекта. Так как интегральные схемы как правильно, являются компонентами печатных плат, то необходим комплексный подход к проектированию печатных плат.

Следовательно при проектировании печатных узлов необходимо это учитывать, и искать методы которые позволяют существенно повысить помехоустойчивость аппаратуры. Также необходимо учитывать проблемы питания. целостность сигнал интегральный конденсатор

В данной работе мы проведем исследование, и покажем что при правильной разработке печатных плат мы можем значительно сократить возникающее помехи при передачи информации.

Интегральные схемы

История развития интегральных схем

Интегральная схема - электронная микросхема изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки. Большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой -- ИС, заключённую в корпус.

История появления интегральных схем берет своё начало со второй половины двадцатого века. Их возникновение было обусловлено острой необходимостью повышения надёжности аппаратуры и автоматизации процессов изготовления и сборки электронных схем.

Другой причиной создания ИС стала технологическая возможность размещения и соединения между собой множества электронных компонентов - диодов, транзисторов и так далее, на одной пластине полупроводника. Дело в том, что созданные к тому времени меза- и планарные транзисторы и диоды изготавливались по технологии групповой обработки на одной пластине-заготовке одновременно.

Концепция ИС была предложена задолго до появления групповых методов изготовления полупроводниковых приборов. Первые в мире ИС были разработаны и созданы в 1959 году американцами Джеком Сент Клером Килби (фирма Texas Instruments) и Робертом Н. Нойсом (Fairchild Semiconductor) независимо друг от друга.

В мае 1958 г. Джек Килби перешёл в фирму Texas Instruments из фирмы Centralab - в ней он возглавлял программу по разработке слуховых аппаратов, для которых фирма создала небольшое предприятие по созданию германиевых транзисторов. Уже в июле 1958 г. Килби пришла в голову идея создания ИС. Из полупроводниковых материалов уже умели изготовлять резисторы, конденсаторы и транзисторы. Резисторы изготовляли, используя омические свойства "тела" полупроводника, а для создания конденсаторов использовались смещённые в обратном направлении p-n -переходы. Оставалось только научиться создавать такие переходы в монолите кремния.

Многие недостатки "твёрдых схем" были устранены позднее Робертом Нойсом. С января 1959 года, занимаясь в фирме Fairchild Semiconductor (FS) исследованием возможностей планарного транзистора, он вплотную занялся выдвинутой им идеей создания интегральных диффузионных или напылённых резисторов методом изоляции приборов с помощью смещённых в обратном направлении р-n -переходов и соединения элементов через отверстия в окисле путём напыления металла на поверхность. Вскоре была подана соответствующая заявка на патент, и разработчики элементов в тесном контакте со специалистами по фотолитографии начали работать над вопросами соединения диффузионных резисторов и транзисторов на кремниевых пластинах.

Разработки ИС стали продвигаться лихорадочными темпами. Фирма FS пригласила в качестве разработчика схем Роберта Нормана из фирмы Sperry. Норман был знаком с резисторно-транзисторной логикой, выбранной в качестве основы для будущей серии ИС - Micrologic... Это было начало новой эры.

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 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.

Элементную базу всех цифровых устройств (ЦУ) [Digital Devices ] составляют интегральные схемы (ИС) [Integrated Circuit (IC )], которые также называются микросхемами (МС) или чипами (микрочипами ) [Chip (Microchip )].

Интегральные схемы – это электронные приборы, выполненные на тонких полупроводниковых пластинах, содержащие электронные элементы и выполненные внутри корпуса определённого типа.

ИС со времени изобретения в США в 1959 г. постоянно совершен­ствуются и усложняются. Быстрый прогресс в области изготовления интегрируемых схем привел к резкому росту объёма их производства и снижению стоимости. В результате использования МС стало возможным не только в сложных специализированных устройствах (таких, как ЭВМ), но и в разнообразных измерительных приборах, управляющих и контролирующих системах. Круг потребителей МС непрерывно расширяется.

Характеристикой сложности ИС является уровень интеграции , оцениваемый либо числом базовых логических элементов (ЛЭ) [Logic (al ) Element /Component /Gate /Unit ], либо числом транзисторов , которые размещены на кристалле.

В зависимости от уровня интеграции ИС делятся на несколько категорий: МИС, СИС, БИС, СБИС, УБИС (соответственно малые, средние, большие, сверхболь­шие, ультрабольшие ИС).

МИС [SSI = Small /Standard Scale Integration – малая/стандартная степень (уровень) интеграции] – это МС с очень небольшим числом элементов (несколько десятков). МИС реализуют простейшие логические преобразования и обладают очень большой уни­версальностью – даже с помощью одного типа ЛЭ (например, И-НЕ) можно построить любое ЦУ.

СИС [MSI = Medium Scale Integration – средняя степень (уровень) интеграции] – это МС со степенью интеграции от 300 до нескольких тысяч транзисторов (обычно до 3000). В виде СИС выпускаются в готовом виде такие схемы, как малоразрядные регистры, счётчики, дешиф­раторы, сумматоры и т. п. Номенклатура СИС должна быть более широкой и разнообразной, т. к. их универсальность по сравнению с МИС снижается. В развитых сериях стандартных ИС насчитываются сотни типов СИС.

БИС [LSI = Large Scale Integration – большая (высокая) степень (уровень) интеграции] – МС с числом логических вентилей от 1000 до 5000 (в некоторых классификациях – от 500 до 10000). Первые БИС были разработаны в начале 70-х годов прошлого века.

СБИС [VLSI = Very Large-Scale Integration – очень большая (высокая) степень (уровень) интеграции или GSI = Giant Scale Integration – гигантская (сверхбольшая, сверхвысокая) степень (уровень) интеграции] – это МС, содержащие на кристалле от 100000 до 10 млн. (VLSI ) или более 10 млн. (GSI ) транзисторов или логических вентилей.

УБИС [ULSI = Ultra Large Scale Integration – ультрабольшая (ультравысокая) степень (уровень) интеграции] – это МС, в которых число транзисторов на кристалле составляет от 10 млн. до 1 млрд. К таким схемам можно отнести современные процессоры.

Приведённые выше данные о МС разной степени интеграции для наглядности сведены в табл. 1.