Класифікація інтегральних схем
За конструктивно-технологічним виконанням розрізняють напівпровідникові, плівкові та гібридні ІВ.
До напівпровідникових відносять ПМС (напівпровідникові інтегральні мікросхеми),всі елементи та міжелементні, з'єднання якої виконані в об'ємі або на поверхні напівпровідника. Залежно від способів ізоляції окремих елементів розрізняють ПМС з ізоляцією p-n-переходами та мікросхеми з діелектричною (оксидною) ізоляцією. ПМС можна виготовити і на підкладці з ді-електричного матеріалу на основі як біполярних, так і польових транзисторів. Зазвичай у цих схемах транзистори виконані у вигляді тришарових структур з двома р-n-переходами (n-p-n-типу), а діоди - у вигляді двошарових структур з одним р-л-переходом. Іноді замість діодів використовують транзистори в діодному включенні. Резистори ПМС, представлені ділянками легованого напівпровідника з двома висновками, мають опір кілька кіломів. Як високоомні резисторів іноді використовують зворотний опір р-n-переходу або вхідні опори емнт-терних повторювачів. Роль конденсаторів у ПМС виконують зворотно зміщені p-rt-переходи. Місткість таких конденсаторів становить 50 - 200 пФ. Дроселі у ПМС створювати важко, тому більшість пристроїв проектують без індуктивних елементів. Всі елементи ПМС отримують в єдиному технологічному циклі в кристалі напівпровідника. З'єднання елементів таких схем здійснюються за допомогою алюмінієвих або золотих плівок, одержуваних методом вакуумного напилення. З'єднання схеми із зовнішніми висновками виробляють алюмінієвими або золотими провідниками діаметром близько 10 мкм, які методом термокомпресії приєднують до плівок, а потім приварюють до зовнішніх висновків мікросхеми. Напівпровідникові мікросхеми можуть розсіювати потужність 50-100 мВт, працювати на частотах до 20-100 МГц, забезпечувати час затримки до 5 не. Щільність монтажу електронних пристроїв на ПМС – до 500 елементів на 1 см3. Сучасний груповий технологічний цикл дозволяє обробляти одночасно десятки напівпровідникових пластин, кожна з яких містить сотні ПМС з сотнями елементів в кристалі, пов'язаних у задані електронні ланцюги. За такої технології забезпечується висока ідентичність електричних характеристик мікросхем.
Плівковими інтегральними(або просто плівковими схемами ПС) називають ІС, всі елементи та міжелементні з'єднання якої виконані тільки у вигляді плівок. Інтегральні схеми поділяють, на тонко-і товстоплівкові. Ці схеми можуть мати кількісну та якісну відмінність. До тонкоплівкових умовно відносять ІВ з товщиною плівок до 1 мкм, а до товстоплівкових - ІВ з товщиною плівок вище 1 мкм. Якісна відмінність визначається технологією виготовлення плівок. Елементи тонкоплівкової ІВ наносять на підкладку за допомогою термовакуумного осадження та катодного розпилення. Елементи товстоплівкових ІВ виготовляють переважно методом шовкографії з подальшим спалюванням.
Гібридні інтегральні мікросхеми(ГІС) представляють собою поєднання навісних активних радіоелементів (мікротранзисторів, діодів) і плівкових пасивних елементів та їх сполук. Зазвичай ГІС містять: ізоляційні основи зі скла або. ке-, раміки, на поверхні яких сформовані плівкові провідники, резистори, конденсатори невеликої ємності; навісні безкорпусні активні елементи (діоди, транзистори); навісні пасивні елементи в мініатюрному виконанні (дроселі, трансформатори, конденсатори великої ємності), які не можуть бути виконані у вигляді плівок. Таку виготовлену ГІС герметизують у пластмасовому або металевому корпусі. Резистори опором від тисячних часток ома до десятків кілоомів у ГІС виготовляють у вигляді тонкої плівки ніхрому або танталу. Плівки наносять на ізоляційну основу (підкладку) і піддають термічного відпалу. Для отримання резисторів із опором в десятки мегаомів використовують металодіелектричні суміші (хрому, монооксиду кремнію та ін.). Середні розміри плівкових резисторів-(1 - 2) Х10 ~ 3 см2. Конденсатори в ГІС виконують із тонких плівок міді, срібла, алюмінію або золота. Напилення цих металів виробляють із підшаром хрому, титану, молібдену, забезпечуючи хорошу адгезію з ізоляційним матеріалом підкладки. Як діелектрика в конденсаторах використовують плівку з оксиду кремнію, берилію, двооксиду титану і т. д. Плівкові конденсатори виготовляють ємністю від десятих часток пикофарады до десятків тисяч пикофарад розміром від 10-3 до 1 см2. Провідники ГІС, за допомогою яких здійснюють міжелементні з'єднання -і підключення до вивідних затискачів, виконують у вигляді тонкої плівки золота, міді або алюмінію з підшаром нікелю, хрому, титану, що забезпечує високу адгезію до ізоляційної основи. Гібридні інтегральні схеми, у яких товщина плівок, що утворюються при виготовленні пасивних елементів, до 1 мкм з шириною 100 - 200 мкм, відносять до тонкоплівкових. Такі плівки отримують методом термічного напилення на поверхні підкладок у вакуумі з використанням трафаретів, масок. Гібридні інтегральні схеми з товщиною 1 мкм і більше відносять до товстоплівкових і виготовляють шляхом напилення на підкладки струмопровідних або діелектричних паст через сітчасті трафарети з подальшим їх запалюванням в підкладки при високій температурі. Ці схеми мають великі розміри та масу пасивних елементів. Начіпні активні елементи складаються з гнучких або жорстких «кулькових» висновків, які паянням або зварюванням приєднують до плівкової мікросхеми.
Щільність пасивних і активних елементів при їх багатошаровому розташуванні в ГІС, виконаної за тонкоплівковою технологією, досягає 300 - 500 елементів на 1 см3, а щільність монтажу електронних пристроїв на ГІС - 60 - 100 елементів на 1 см3. При такій щільності монтажу обсяг пристрою, що містить 107 елементів, становить 0,1 - 0,5 м3, а час безвідмовної роботи - 103 - 104 год.
Основною перевагою ГІС є можливість часткової інтеграції елементів, виконаних за різною технологією (біполярною, тонко- та товстоплівковою та ін.) з широким діапазоном електричних параметрів (маломощні, потужні, активні, пасивні, швидкодіючі та ін.).
Нині перспективна гібридизація різних типів інтегральних схем. При малих геометричних розмірах плівкових елементів та великої площі пасивних підкладок на їх поверхні можна розмістити десятки - сотні ІВ та інших компонентів. Таким шляхом створюють багатокристалічні гібридні ІВ з великим числом (кілька тисяч) діодів, транзисторів у неподільному елементі. У комбінованих мікросхемах можна розмістити функціональні вузли, що володіють різними електричними характеристиками.
Порівняння ПМС та ГІС.Напівпровідникові мікросхеми зі ступенем інтеграції до тисяч і більше елементів в одному кристалі отримали переважне. поширення. Обсяг виробництва ПМС значно перевищує обсяг випуску ГИС. У деяких установах доцільно застосовувати ГІС з низки причин.
Технологія ГІС порівняно проста і вимагає менших початкових витрат за устаткування, ніж напівпровідникова технологія, що спрощує створення нетипових, нестандартних виробів і апаратури.
Пасивна частина ГІС виготовляється на окремій підкладці, що дозволяє отримувати пасивні елементи високої якості та створювати високочастотні ІВ.
Технологія ГІС дає можливість замінювати існуючі методи багатошарового друкованого монтажу при розміщенні на підкладках безкорпусних ІВ і БІС та інших напівпровідникових компонентів. Технологія ГІС краща до виконання силових ІС великі потужності. Переважно також гібридне виконання інтегральних схем лінійних пристроїв, що забезпечують пропорційну залежність між вхідними і вихідними сигналами. У цих пристроях сигнали змінюються в широкому інтервалі частот і потужностей, тому їх ІС повинні володіти широким діапазоном номіналів, не сумісних в єдиному процесі виготовлення пасивних і активних елементів. Великі інтегральні схеми БІС допускають об'єднання різних функціональних вузлів, у зв'язку з чим вони набули широкого поширення в лінійних пристроях.
Переваги та недоліки інтегральних схем.
- Перевагою ІС є висока надійність, малі розміри та маса. Щільність активних елементів в БІС досягає 103 - 104 на 1 см3. При встановленні мікросхем у друковані плати та з'єднанні їх у блоки щільність елементів становить 100 - 500 на 1 см3, що в 10 - 50 разів вище, ніж при використанні окремих транзисторів, діодів, резистори в мікромодульних пристроях.
- Інтегральні схеми безінерційні у роботі. Завдяки невеликим, розмірам в мікросхемах знижуються міжелектродні ємності та індуктивності з'єднувальних проводів, що дозволяє використовувати їх на надвисоких частотах (до 3 ГГц) і в логічних схемах з малим часом затримки (до 0,1 не).
- Мікросхеми економічні (від 10 до 200 мВт) і зменшують витрату електроенергії та масу джерел живлення.
Основним недолікомІС є мінімальна вихідна потужність (50 - 100 мВт).
Залежно від функціонального призначення ІС ділять на дві основні категорії. аналогові (або лінійно-імпульсні) та цифрові (або логічні).
Аналогові інтегральніСхеми АІС використовуються в радіо-технічних пристроях і служать для генерування та лінійного посилення сигналів, що змінюються за законом безперервної функції в широкому діапазоні потужностей та частот. Внаслідок цього аналогові ІМС повинні містити різні за номіналом пасивні та за параметрами активні елементи, що ускладнює їх розробку. Гібридні мікросхеми зменшують труднощі виготовлення аналогових пристроїв у мікромініатюрному виконанні. Інтегральні мікросхеми стають основною елементною базою для радіоелектронної апаратури.
Цифрові інтегральнісхеми ЦІС застосовуються в ЕОМ, пристроях дискретної обробки інформації та автоматики. З допомогою ЦІС перетворюються і обробляються цифрові коди. Варіантом цих схем є логічні мікросхеми, що виконують операції над двійковими кодами в більшості сучасних ЕОМ і цифрових пристроїв.
Аналогові та цифрові ІС випускаються серіями. У серію входять ІС, які можуть виконувати різні функції, але мають єдине конструктивно-технологічне виконання і призначаються для спільного застосування. Кожна серія містить кілька типів, які можуть ділитися на типономінали, що мають конкретне функціональне призначення і умовне позначення. Сукупність типономіналів утворює тип ІС.
У ранніх електричних комп'ютерах компонентами схеми виконували операції, були вакуумні трубки. Ці трубки, що нагадували електричні лампочки, споживали багато електроенергії та багато тепла. Все змінилося 1947 року з винаходом транзистора. У цьому маленькому пристрої використовувався напівпровідниковий матеріал, названий так за здатність як проводити, так і затримувати електричний струм, залежно від того, чи є електричний струм у напівпровіднику. Ця нова технологія дозволила будувати всі види електричних перемикачів на кремнієвих мікросхемах. Схеми на транзисторах займали менше місця та споживали менше енергії. Для потужніших комп'ютерів було створено інтегральні схеми, чи ИС.
У наш час транзистори стали мікроскопічно малі, і весь ланцюг ІС міститься на шматочку напівпровідника площею 1 дюйм квадратний. Маленькі блоки, рядами змонтовані на друкованій платі комп'ютера, є інтегральні схеми, укладені в пластикові корпуси. Кожна мікросхема містить набір найпростіших елементів схеми або пристроїв. Більшу їхню частину займають транзистори. ІС може також включати діоди, які дозволяють електричному струму йти тільки в одному напрямку, та резистори, які блокують струм.
Нерухомі частини. У внутрішніх відділах комп'ютера ряди інтегральних схем у захисних корпусах, як показано внизу, змонтовані на платі комп'ютера (зелений колір). Кожна блідо-зелена лінія позначає доріжку, якою йде електричний струм; всі разом вони утворюють «магістралі», якими від схеми до схеми проводиться електричний струм.
Крихітні зв'язкові. Краєм мікросхеми сильно намагнічені проводки, що нагадують людські волоски, посилають електричні сигнали від електричного ланцюга (ім. зверху). Ці золоті або алюмінієві проводки практично не схильні до корозії і добре проводять електрику.
Анатомія транзистора
Транзистори – основні мікроскопічні елементи електронної схеми – це перемикачі, які включають та вимикають електричний струм. Маленькі металеві доріжки (сірий колір) проводять струм (червоний та зелений кольори) з цих пристроїв. Організовані в комбінацію, яка називається логічними «воротами» (логічною схемою), транзистори реагують на електричні імпульси різноманітними встановленими способами, дозволяючи комп'ютеру виконувати широкий спектр завдань.
Логічна схема. Якщо електричний струм (червоні стрілки), що надходить, активізує базу кожного транзистора, струм, що живить (зелені стрілки), прагне до проведення виведення.
Розвиток мікроелектроніки призвів на початку 70-х років до появи вузькоспеціалізованих ВІС, що містять сотні та тисячі логічних елементів і виконують одну або обмежену кількість функцій. Різноманітність типів цифрової апаратури вимагало розширення номенклатури ВІС, що пов'язане з неприйнятними з погляду економіки витратами. Виходом з цього положення стала розробка та великосерійне виробництво обмеженої номенклатури БІС, що виконують різноманітні функції, що залежать від зовнішніх сигналів, що управляють. Сукупності таких БІС утворюють мікропроцесорні комплекти та дозволяють будувати різноманітну цифрову апаратуру будь-якої складності. Найважливішим суперкомпонентом комплекту БІС є мікропроцесор(МП): універсальна стандартна ВІС, функції якої визначаються заданою програмою.
Якісною особливістю МП є можливість їхньої функціональної перебудови за допомогою зміни зовнішньої програми. По суті, МП є центральними процесорними елементами ЕОМ, виконані у вигляді однієї або декількох БІС.
Головна відмінність МП від інших типів інтегральних схем - здатність до програмування послідовності виконуваних функцій, тобто можливість роботи по заданій програмі.
Таблиця 4.1
| Позначення |
технологія |
Число ІС |
Розрядність, |
Швидкодія, |
| р-МДП |
||||
| n-МДП |
||||
| n-МДП |
||||
| n-МДП |
||||
| n-МДП |
||||
| p-МДП |
||||
| n-МДП |
||||
| р-МДП |
||||
| р-МДП |
||||
| n-МДП |
Використання мікропроцесорів дозволяє змінювати принцип проектування цифрової апаратури. Раніше для реалізації нового алгоритму була потрібна нова розробка апаратури. Тепер при використанні МП для реалізації нового алгоритму не потрібна нова апаратура, достатньо змінити відповідним чином програму його роботи. Зазначена особливість і пояснює величезний інтерес, який виявляється у нашій країні та за кордоном до мікропроцесорних пристроїв.
Короткий інтервал часу (1971-1975) характеризується появою МП найрізноманітніших модифікацій. Нині кількість типів МП у світі перевищує 1000.
Параметри основних типів вітчизняних мікропроцесорних комплектів (МПК) наведено у табл. 4.1.
4.2. Структури мікропроцесорів
Спрощена структурна схема МП наведено на рис. 4.1.
Малюнок 4.1
Малюнок 4.2
Мікропроцесор містить арифметично-логічний пристрій АЛУ, що запам'ятовують пристрої ЗУ для оперативного (ОЗП) і постійного (ПЗУ) зберігання інформації, пристрій управління, що здійснює прийом, розшифровку команд і послідовність їх виконання, а також пристрої введення-виведення (УВВ) інформації, з допомогою якого вводяться вихідні та виводяться отримані в результаті роботи МП дані.
Мікропроцесори обробляють 2-, 4-, 8-, 16-, 32-розрядні числа, виконують 30...500 команд додавання, віднімання, зсуву, логічних операцій. Чотирьох- і восьмирозрядні МП є БІС з розмірами кристала 5 х 5 х 0,2 мм.
Узагальнена структурна схема МП наведено на рис. 4.2. Арифметично-логічний пристрійАЛУ здійснює різні арифметичні та логічні операції над числами та адресами, поданими в двійковому коді. Склад операцій, що виконуються АЛУ, визначено списком інструкцій (набором команд). У набір команд входять, як правило, арифметичні та логічні додавання та множення, зрушення, порівняння тощо. Арифметичні операції виконуються відповідно до правил двійкової арифметики. Логічні операції виконуються за правилами булевої алгебри.
До складу АЛУ входять суматор, зсувники, регістри та інші елементи.
Пристрій керуванняуправляє роботою АЛУ та всіх інших блоків МП. В УУ надходять команди із блоку пам'яті. Тут вони перетворюються на двійкові сигнали управління для виконання цієї команди. Робота УУ синхронізується таймером, що розподіляє процес виконання команди у часі. Команда є двійкове слово з 8, 16, 24 розрядів і більше (до 64), частина яких представляє код операції, а інші розподілені між адресами даних (операндів) у пам'яті. Команда з 16-розрядною адресною частиною дозволяє звертатися до 2 16 -1=65635 осередків пам'яті. Цієї кількості, як правило, цілком достатньо для завдань, які розв'язують МП. Таке звернення до пам'яті називається прямою адресацією.
Однак частіше застосовується непряма адресація, яка необхідна, коли розрядність адресної частини менша, ніж потрібно. У цьому випадку адресація проводиться у два етапи. На першому етапі за адресою, що міститься в команді, вибирається осередок, що містить адресу іншого осередку, з якої на другому етапі вибирається операнд. Команда при непрямому методі адресації повинна містити один розряд ознаки операнда, стан якого визначає, що вибирається на даному етапі: адреса операнда чи сам операнд? Звичайно, опосередкований спосіб адресації повільніше прямого. Він дозволяє за рахунок нарощування обсягу пам'яті адрес звертатися до операндів в 2 n рази (де n-розрядність адресної частини команди) більшому, ніж при прямому способі.
Керуючий пристрій будь-яку операцію згідно з кодом, заданим командним словом, розподіляє на послідовність фаз (фази адресації та фази виконання), звану циклом. Через обмежену розрядність МП дії над операндами великої розрядності можуть виконуватися за два і більше циклів. Очевидно, що це у 2 та більше разів знижує швидкодію МП. Звідси випливає цікавий і важливий висновок: швидкодія МП перебуває у зворотній залежності від точності, однозначно визначається розрядністю операндов.
Мікропроцесор містить блок регістрів(Р). Робочі регістри МП фізично є однакові осередки пам'яті, службовці для сверхоперативного зберігання поточної інформації (СОЗУ). За виконаними функціями містить групи, пов'язані з певними елементами структури МП.
Два регістру операндів(О) протягом виконання операції в АЛУ зберігають два двійкові числа. Після закінчення операції у першому регістрі число замінюється результатом, т. е. хіба що накопичується (звідси й назва регістру «акумулятор»). Вміст другого регістра операндів замінюється в наступній операції іншим операндом, у той час як вміст акумулятора може бути збережений по ряду спеціальних команд.
Реєстр команд(К) зберігає протягом виконання операції кілька розрядів командного слова, що є кодом цієї операції. Адресна частина командного слова міститься у регістрі адреси А.
Після реалізації будь-якої операції розрядність результату може виявитися більшою за розрядність кожного з операндів, що реєструється станом спеціального прапорний регістр,іноді званого тригером переповнення.У процесі налагодження складеної програми програміст повинен стежити за станом прапорового регістру і в разі необхідності усувати переповнення, що виникло.
Дуже важливими у системі команд МП є команди переходівдо виконання заданої ділянки програми за певними ознаками та умовами, так звані команди умовних переходів.Наявність таких команд визначає рівень «інтелектуальності» МП, оскільки характеризує його здатність приймати альтернативні рішення і вибирати різні шляхи залежно від умов, що виникають у ході рішення. Для визначення таких умов служить спеціальний регістр станів(С), що фіксує стан МП у кожен момент виконання програми і посилає в УУ сигнал переходу до команди, адреса якої міститься в спеціальному регістрі, званому лічильником команд(СК). Команди в пам'яті записуються в певній програмній послідовності за адресами, що утворюють натуральний ряд, тобто адреса наступної команди відрізняється від попередньої адреси на одиницю. Тому при реалізації безперервної послідовності команд адреса наступної команди виходить шляхом додавання до вмісту СК одиниці, тобто утворюється в результаті рахунку. Призначення СК-знаходження необхідних адрес команд, причому за наявності програми команд переходу чергова команда може мати наступного адреси. У такому разі в СК записується адресна частина команди переходу.
Реєстри загального призначення(РОН) використовуються для зберігання проміжних результатів, адрес та команд, що виникають у ході виконання програми, і можуть зв'язуватися по загальним шинам з іншими робочими регістрами, а також з лічильниками команд і блоком введення-виведення інформації. У МП зазвичай міститься» 10...16 РОН розрядністю 2...8 біт кожен. Кількість РОН побічно характеризує обчислювальні можливості МП.
Особливий інтерес представляє наявність у багатьох моделей МП групи регістрів, що мають магазинну чи стекову організацію - так звані стеки.Стек дозволяє без обміну з пам'яттю організувати правильну послідовність виконання різних арифметичних послідовностей. Операнд або інша інформація може посилатися в стек без вказівки адреси, оскільки кожне слово, яке в нього поміщається, займає спочатку перший регістр, потім «проштовхується» наступними словами щоразу на регістр глибше. Виведення інформації відбувається у зворотному порядку, починаючи з першого регістру, у якому зберігається слово, надіслане в стек останнім. При цьому останні регістри очищаються.
Блоки АЛУ, УУ, Р утворюють центральний процесор(ЦП), що входить до складу, будь-який ЕОМ: виділений на рис. 4.2 штриховою лінією. До складу МП може входити таймер(Т), що використовує навісний час, що задає конденсатор або кварцовий резонатор. Таймер - серце МП, оскільки його робота визначає динаміку всіх інформаційних, адресних та керуючих сигналів та синхронізує роботу УУ, а через нього та інших елементів структури. Частота синхронізації, звана тактовий,вибирається максимальною та обмежується лише затримками проходження сигналів, що визначаються в основному технологією виготовлення ВІС. Швидкість виконання мікропроцесором програми прямо, пропорційна тактовій частоті.
У складі МП може бути пристрій введення-виводу(УВВ) для обміну інформацією між МП та іншими пристроями.
Сигнали трьох видів - інформаційні, адресні та керуючі - можуть передаватися по одній, двох або трьох шинах. Шинає групою ліній зв'язку, число яких визначає розрядність одночасно двійкової інформації, що передається по ній.
Число ліній інформаційної шини (ІШ) визначає обсяг інформації, одержуваної або переданої МП за одне звернення до пам'яті, пристрою введення або виведення. Більшість МП має 8-шинну інформаційну магістраль.Це дозволяє один раз прийняти вісім двійкових одиниць інформації (1 байт). Один байт інформація може містити один із 256 можливих символів алфавіту джерела інформації або один із 256 можливих кодів операцій. Така кількість допустимих символів та типів операцій для більшості застосувань є достатньою.
Існують МП, що містять 16 та 32 шини в інформаційній магістралі.
Число ліній у шині управління (VIII) залежить від порядку взаємодії між МП, ЗП, зовнішніми УВВ інформації. Зазвичай шини керування містять 8...16 ліній.
4.3. МікроЕОМ
Важливим результатом розвитку програмованих БІС стала технологія микроЭВМ. Якщо мікроЕОМ створюється однією інтегральної мікросхемі, вона називається однокристальной. Спрощена структурна схема мікроЕОМ наведено на рис. 4.3.
Малюнок 4.3
Як видно, вона містить центральний процесор ЦП (має пристрій аналогічно розглянутому вище МП), ПЗУ, ОЗУ та пристрої введення та виведення інформації. Пристрій введення містить селектор адресиі так звані порти введеннядля зчитування інформації з гнучкого диска, АЦП, телетайпу, перфострічки. Пристрій виводу також містить селектор адреси та порти виведення інформації (дисплею, друкувальний пристрій, пристрій виходу на перфострічку, ЦАП).
Дані, що надходять до облаштування введення, передаються на адресну магістраль зазвичай у вигляді 8-розрядних паралельних або послідовних кодових сигналів через порт введення. Селектор адреси визначає порт введення, який передає дані на інформаційну магістраль у певний час. Основна пам'ять складається з ПЗП та ОЗП. Постійне ЗП використовується як пам'ять програми, яку розробник мікроЕОМ заздалегідь запрограмував відповідно до вимог користувача. Для різних програм використовують різні частини ПЗП.
Пам'яттю даних мікроЕОМ є ОЗУ. Інформація, що зберігається в ОЗП, стирається, коли відключається напруга живлення. Дані, що надходять до ОЗП, обробляються в ЦП відповідно до програми, що зберігається у ПЗП. Результати операцій у ЦП зберігаються у спеціальному накопичувачіінформації, яка називається акумулятором або ОЗУ. Вони можуть бути виведені за командою через один із портів виведення на пристрої виводу, приєднані до цього порту. Необхідний виведення порту вибирається за допомогою схеми селекції адреси.
4.4. Пристрої, що запам'ятовують
Найважливішими блоками цифрової апаратури є пристрої, що запам'ятовують (блоки пам'яті), які поділяються на зовнішні і внутрішні. ЗовнішніЗУ досі реалізуються на магнітних стрічках та магнітних дисках. Вони забезпечують невизначено тривале збереження інформації за відсутності! живлення, а також практично будь-яку необхідну ємність пам'яті. ВнутрішніЗП є невід'ємною частиною цифрової апаратури. Раніше вони виконувались на основі феритових сердечників з прямокутною петлею гістерези. Тепер у зв'язку з розробкою ІВ є широкі можливості створення напівпровідникових ЗП.
До пристроїв пам'яті належать такі види пристроїв:
Оперативні пристрої,виконують запис та зберігання довільної двійкової інформації. У цифрових системах ОЗУ зберігають масиви даних і програми, що визначають процес поточної обробки інформації. Залежно від призначення та структури ОЗУ мають ємність 102...107 біт.
Постійні пристрої, що запам'ятовують,службовці для зберігання інформації, зміст якої не змінюється в ході роботи системи, наприклад використовувані в процесі роботи стандартні підпрограми та мікропрограми, табличні значення різних функцій, константи та ін.
Програмовані постійні запам'ятовуючі пристроїє різновидом ПЗУ, що відрізняються можливістю одноразового запису інформації за завданням замовника.
ПЗУ, що репрограмуються,відрізняються від звичайних можливістю багаторазової електричної зміни інформації, здійснюваної замовником. Обсяг РПЗУ зазвичай становить 102...105 біт.
До пристроїв постійної пам'яті (ПЗП, ППЗП, РПЗП) пред'являється вимога безпеки інформації при відключенні живлення.
Основними параметрами ЗП є: інформаційна ємність у бітах; мінімальний період звернення; мінімально допустимий інтервал між початком одного циклу та початком другого; максимальна частота обігу - величина, обернена до мінімального періоду обігу; питома потужність - загальна потужність, що споживається в режимі зберігання, віднесена до 1 біта; питома вартість одного біта інформації - загальна вартість кристала, поділена на інформаційну ємність.
4.5. Оперативні пристрої, що запам'ятовуються
Типова структура БІС ОЗП наведена на рис. 4.4.
Малюнок 4.4
Малюнок 4.5
Основним вузлом є матриця осередків пам'яті (МЯП), що складається з nрядків з тзапам'ятовуючими осередками (що утворюють розрядне слово) у кожному рядку. Інформаційна ємність БІС пам'яті визначається за формулою N= nmбіт.
Входи та виходи осередків пам'яті підключаються до адресних АШ та розрядних РШ шин. При записі та зчитуванні здійснюється звернення (вибірка) до одного або одночасно до кількох осередків пам'яті. У першому випадку використовуються двокоординатні матриці(рис. 4.5, а), у другому випадку матриці з пословною вибіркою(Рис. 4.5,6).
Дешифратор адресних сигналів(ДАС) при подачі відповідних адресних сигналів здійснює вибір необхідних осередків пам'яті. За допомогою РШ здійснюється зв'язок МЯП з буферними підсилювачами запису(БУЗ) та зчитування(БМС) інформації. Схема керування записом(СУЗ) визначає режим роботи ВІС (запис, зчитування, зберігання інформації). Схема вибору кристала(СВК) дозволяє виконання операцій запису-зчитування цієї мікросхеми. Сигнал вибірки кристала забезпечує вибір необхідної ВІС пам'яті ЗУ, що складається з декількох ВІС.
Подача керуючого сигналу на вхід СУЗ за наявності сигналу вибірки кристала на вході СВК здійснює операцію запису. Сигнал на інформаційному вході БУЗ (1 або 0) визначає записувану в комірку пам'яті інформацію. Вихідний інформаційний сигнал знімається з БУС та має рівні, що узгоджуються із серійними ЦІС.
Великі інтегральні схеми ОЗП прагнуть з урахуванням найпростіших елементів ТТЛ, ТТЛШ, МДП, КМДП, І 2 Л, ЭСЛ, модифікованих з урахуванням специфіки конкретних виробів. У динамічних осередках пам'яті найчастіше використовуються накопичувальні ємності, а як ключові елементи - МДП транзистори.
Вибір елементної бази визначається вимогами до інформаційної ємності та швидкодії БІС пам'яті. Найбільшої ємності досягають при використанні логічних елементів, що займають малу площу на кристалі: 2 л, МДП, динамічних ЗЯ. Високу швидкодію мають БІС з логічними елементами, що мають малі перепади логічних рівнів (ЕСЛ, І 2 Л), а також логічні елементи ТТЛШ.
Частотні сфери застосування ВІС , використовують різні базові технічні рішення, ілюструє рис. 4.6.
Малюнок 4.6
Завдяки розвитку технології та схемотехніки швидкодія елементів безперервно зростає, тому межі розділу зазначених областей з часом зсуваються в область великих робочих частот.
4.6. Постійні пристрої, що запам'ятовують
Схема ПЗП аналогічна схемою ОЗП (див. рис. 4.4). Відмінності полягають лише в наступному:
ПЗП використовуються для зчитування інформації;
у ПЗУ здійснюється вибірка кількох розрядів однієї адреси одночасно (4, 8, 16 розрядів);
інформація, записана в ПЗУ, може змінюватися, й у режимі вибірки відбувається лише її зчитування.
Великі інтегральні схеми ПЗУ поділяються на програмовані виробником(за допомогою спеціальних фотошаблонів) та програмовані замовником(Електрично).
Малюнок 4.7
У ПЗУ використовується матрична структура: рядки утворюються адресними шинами ДШ, а стовпці – розрядами РШ. Кожна АШ зберігає певний код: задану сукупність логічних 1 і 0. МЯП, зображеної на рис. 4.7 а, одноразова запис коду здійснюється за допомогою діодів, які приєднані між АЩ і тими РШ, на яких при зчитуванні повинна бути логічна 1. Зазвичай замовнику поставляють ПЗУ з матрицею, у всіх вузлах якої є діоди.
Суть одноразового електричного програмування ППЗУ полягає в тому, що користувач (за допомогою спеціального пристрою-програматора) перепалює висновки - перемички тих діодів, які знаходяться в місцях розташування логічних 0. Перепалювання висновків здійснюється шляхом пропускання через діод струму, що перевищує допустиме значення.
Діодні ПЗП відрізняються простотою, але мають суттєвий недолік, споживають значну потужність. Щоб полегшити роботу дешифратора, замість діодів використовують біполярні (рис. 4.7,6) та (рис. 4.7, в) транзистори.
При використанні біполярних транзисторів АШ забезпечує протікання базового струму, який β б.т. +1 разів менше емітерного, що живить РШ. Отже, суттєво зменшується необхідна потужність дешифратора.
Ще більший виграш забезпечує застосування МДП транзисторів, оскільки ланцюг затвора мало споживає потужності. Тут використовується не перепалювання висновків, а відсутність металізації затвора у транзисторів, що забезпечують зчитування логічних 0 у розрядній шині.
4.7. Постійні запам'ятовуючі пристрої, що репрограмуються.
ПЗУ, що репрограмуються, є найбільш універсальними пристроями пам'яті. Структурна схема РПЗП аналогічна схемою ОЗП (див. рис. 4.4). Важливою відмінністю РПЗУ є використання в МЯП транзистора спеціальної конструкції зі структурою «метал-нітрид-окис-напівпровідник» (МНОП). Принцип дії такого осередку пам'яті ґрунтується на оборотній зміні порогової напруги МНОП транзистора. Наприклад, якщо зробити U ЗІпор >U АШ, то транзистор не відпиратиметься адресними імпульсами (тобто не бере участі в роботі). У той же час інші МНОП транзистори, у яких U ЗІпор
Структура МНОП транзистора з індукованим каналом р-Типу показана на рис. 4.8 а.
Малюнок 4.8
Тут діелектрик складається з двох шарів: нітриду кремнію (Si 3 N 4) та оксиду кремнію (SiO 2). Порогову напругу можна змінювати, подаючи на затвор короткі (порядку 100 мкс) імпульси напруги різної полярності, з великою амплітудою 30...50 В. При подачі імпульсу +30 В встановлюється гранична напруга U ЗІпор = -5 В. Ця напруга зберігається, якщо використовувати транзистор чи напруги на затворі U ЗІ =±10В. У такому режимі МНОП транзистор працює як звичайний МДП транзистор з індукованим каналом р-Типу.
При подачі імпульсу -30 В гранична напруга приймає значення U ЗІпор ~20 В, як показано на рис. 4.8, 6 та в.При цьому сигнали на вході транзистора U ЗІ ± 10 не можуть вивести транзистор із закритого стану. Це використовується в РПЗУ.
В основі роботи МНОП транзисторів лежить накопичення, заряду на межі нітридного та оксидного шарів. Це накопичення є результатом неоднакових струмів провідності в шарах. Процес накопичення описується виразом dq/ dt= I sio 2 - I si 3 n 4 . При великій негативній напрузі UЗІ на кордоні накопичується позитивний заряд. Це рівносильно введенню донорів у діелектрик і супроводжується збільшенням негативної напруги порогу. При великій позитивній напрузі UЗІ на кордоні накопичується негативний заряд. Це призводить до зменшення негативної порогової напруги. При малих напругах UЗІ струми в діелектричних шарах зменшуються на 10...15 порядків, тому накопичений заряд зберігається протягом тисяч годин, а отже, зберігається і гранична напруга.
Відома та інша можливість побудови осередку пам'яті для РПЗУ на основі МДП транзисторів з одношаровим діелектриком. Якщо прикладати до затвора досить велику напругу, то спостерігатиметься лавинний пробійдіелектрика, внаслідок чого в ньому накопичуватимуться електрони. При цьому у транзистора зміниться гранична напруга. Заряд електронів зберігається протягом тисячі годин. Щоб здійснити перезапис інформації, потрібно видалити електрони з діелектрика. Це досягається шляхом освітлення кристала ультрафіолетовим світлом, що викликає фотоефект: вибивання електронів з діелектрика.
При використанні ультрафіолетового стираннявдається значно спростити схему РПЗУ. Узагальнена структурна схема РПЗУ з ультрафіолетовим стиранням (рис. 4.9) містить крім МЯП дешифратор адресних сигналів (ДАС), пристрій вибору кристала (НВК) та буферний підсилювач (БО) для зчитування інформації.
Малюнок 4.9
За наведеною структурною схемою виконана, зокрема, БІС РПЗУ з ультрафіолетовим стиранням типу К573РФ1 ємністю 8192 біта.
4.8. Цифроаналогові перетворювачі
Призначення ЦАП - перетворення двійкового цифрового сигналу на еквівалентну аналогову напругу. Таке перетворення можна зробити за допомогою резистивних кіл, показаних на рис. 4.10.
Малюнок 4.10
У ЦАП з двійково-ваговими резисторами (рис. 4.10 а) потрібно менше резисторів, проте при цьому необхідний цілий ряд номіналів прецизійних опорів. Аналогова вихідна напруга Uан ЦАП визначається як функція дворівневих вхідних напруг:
Uан = ( U A+2 U B+4 U C + ...) / (1 +2 +4 + ...).
На цифрових входах U A , U B, U C, ... напруга може набувати лише двох фіксованих значення, наприклад, або 0, або 1. Для ЦАП, в якому використовуються резистори Rі R/2, потрібно більше резисторів (рис. 4.10,6), але з двома номіналами. Аналогова напруга на виході такого ЦАП визначається за формулою
Uан = ( U A+2 U B+4 U C + ... + m U n)/2 n
де n - число розрядів ЦАП; т -коефіцієнт, що залежить від числа розрядів ЦАП.
Для забезпечення високої точності роботи резистивні кола ЦАП повинні працювати на високоомне навантаження. Щоб узгодити резистивні ланцюги з низькоомним навантаженням використовують буферні підсилювачі на основі операційних підсилювачів, показані на рис. 4.10 а, б.
4.9. Аналого-цифрові перетворювачі
Призначення АЦП - перетворення аналогової напруги на його цифровий еквівалент. Як правило, АЦП мають складнішу схему, ніж ЦАП, причому ЦАП часто є вузлом АЦП. Узагальнена структурна схема АЦП з ЦАП ланцюга зворотний зв'язок показано на рис. 4.11.
Малюнок 4.11
Виконані за такою схемою АЦП знаходять широке застосування завдяки хорошим показникам точності, швидкодії при порівняльній простоті і низькій вартості.
До складу АЦП входять n-розрядний тригерний регістр результатів перетворення DD 1 - DD n, керуючий розрядами ЦАП; компаратор, пов'язаний з пристроєм управління УУ, що містить генератор тактової частоти. Реалізуючи в УУ різні алгоритми роботи АЦП, отримують різні характеристики перетворювача.
Використовуючи рис. 4.11, розглянемо принцип дії АЦП, припускаючи, що як тригерний регістр використовується реверсивний лічильник. Реверсивний лічильник має цифровий вихід, напруга у якому зростає від кожного тактового імпульсу, як у вході лічильника «Прямий рахунок» високий рівень напруги, але в вході «Зворотний рахунок» - низький. І навпаки, напруга на цифровому виході при кожному тактовому імпульсі зменшується, коли на вході "Прямий рахунок" низький, а на вході "Зворотний рахунок" - високий рівень напруги.
Найважливішим вузлом АЦП є компаратор (К), що має два аналогові входи UЦАП та Uта цифровий вихід, підключений через УУ до реверсивного лічильника. Якщо напруга на виході компаратора має високий рівень, рівень входу лічильника «Прямий рахунок» також буде високим. І навпаки, коли вихідна напруга компаратора має низький рівень, низьким буде також рівень на вході «Прямий рахунок».
Таким чином, залежно від того, високий або низький рівень на виході компаратора, реверсивний лічильник вважає відповідно прямому або зворотному напрямку. У першому випадку на вході UЦАП компаратора спостерігається ступінчасто-наростаючу напругу, а в другому - ступінчасто-спадаючу.
Оскільки компаратор працює без зворотного зв'язку, рівень його вихідної напруги робиться високим, коли напруга на його вході Uан стане трохи негативнішим, ніж на вході UЦАП. І навпаки, рівень його вихідної напруги стає низьким, як тільки напруга на вході Uан стане трохи позитивнішим за напругу на вході UЦАП.
На вхід UЦАП компаратора надходить вихідна напруга ЦАП, яка порівнюється з аналоговою вхідною напругою, що надходить на вхід Uан .
Якщо аналогова напруга Uан перевищує напругу, що знімається з виходу ЦАП, реверсивний лічильник вважає у прямому напрямку, ступенями нарощуючи напругу на вході UЦАП до значення напруги на вході Uан. Якщо ж Uан<UЦАП або стає таким у процесі рахунку, напруга на виході компаратора має низький рівень і лічильник вважає у зворотному напрямку, знову наводячи UЦАП до Uан . Таким чином, система має зворотний зв'язок, який підтримує вихідну напругу ЦАП приблизно рівним напруги Uан . Отже, вихід реверсивного лічильника завжди є цифровим еквівалентом аналогової вхідної напруги. З виходу реверсивного лічильника зчитується цифровий еквівалент вхідного аналогового сигналу АЦП.
4.10. Цифрові та аналогові мультиплексори
У мікропроцесорних системах, АЦП, ЦАП, а також у системах електронної комутації широке застосування знаходять мультиплексори: багатоканальні комутатори (що мають 4, 8, 16, 32, 64 входи та 1-2 виходи) з цифровим пристроєм управління. Найпростіші мультиплексори цифрових та аналогових сигналів показані на рис. 4.12, а та бвідповідно.
Малюнок 4.12
Цифровий мультиплексор (рис. 4.12 а) дозволяє здійснювати послідовне або довільне опитування логічних станів джерел сигналів Х 0 , Х 1 , Х 2 , Х 3 та передачу результату опитування на вихід
За вказаним принципом будуються мультиплексори будь-яку необхідну кількість інформаційних входів. Деякі типи цифрових мультиплексорів допускають комутацію та аналогових інформаційних сигналів.
Однак кращі показники мають аналогові мультиплексори, що містять матрицю високоякісних аналогових ключів (AK 1 ...AK 4), що працюють на вихідний буферний підсилювач, цифрове УУ. Поєднання вузлів між собою ілюструє рис. 4.12,6.
Приклад БІС аналогового мультиплексора є мікросхема типу К591КН1, виконана на основі МДП транзисторів. Вона забезпечує комутацію 16 аналогових джерел інформації на один вихід, дозволяючи проводити адресацію, так і послідовну вибірку каналів. При розробці БІС аналогових мультиплексорів враховують необхідність їх сумісності із системою команд мікропроцесорів.
Аналогові мультиплексори є дуже перспективними виробами для електронних комутаційних полів та багатоканальних електронних комутаторів зв'язку, радіомовлення та телебачення.
Вступ
В даний час головними завданнями при створенні радіоелектронної апаратури (РЕА) та електронно-обчислювальних машин (ЕОМ) є збільшення швидкості роботи та зменшення фізичних розмірів. Для цього покращуються характеристики та параметри елементів та інтегральних мікросхем, також відбувається їх оптимізація. Однак, при переході роботи пристроїв наносекундний діапазон виникають нові проблеми, пов'язані з спотворенням сигналів в лініях зв'язку. З підвищенням швидкодії логічних схем швидкість перетворення інформації наближається до її передачі, а при затримках логічних елементів стає порівнянною з нею. І тут поліпшення динамічних характеристик самих елементів може дати бажаного ефекту. Так як інтегральні схеми як правильно є компонентами друкованих плат, то необхідний комплексний підхід до проектування друкованих плат.
Отже при проектуванні друкованих вузлів необхідно це враховувати, і шукати методи, які дозволяють суттєво підвищити перешкодостійкість апаратури. Також необхідно враховувати проблеми харчування. цілісність сигнал інтегральний конденсатор
У цій роботі ми проведемо дослідження, і покажемо що при правильній розробці друкованих плат ми можемо значно скоротити перешкоди при передачі інформації.
Інтегральні схеми
Історія розвитку інтегральних схем
Інтегральна схема - електронна мікросхема виготовлена на напівпровідниковій підкладці (пластині або плівці) і поміщена в нерозбірний корпус або без такого, у разі входження до складу мікроскладання. Більшість мікросхем виготовляється в корпусах для поверхневого монтажу.
Часто під інтегральною схемою (ІВ) розуміють власне кристал чи плівку з електронною схемою, а під мікросхемою - ІВ, укладену в корпус.
Історія появи інтегральних схем бере свій початок із другої половини ХХ століття. Їх виникнення було зумовлене гострою необхідністю підвищення надійності апаратури та автоматизації процесів виготовлення та складання електронних схем.
Іншою причиною створення ІВ стала технологічна можливість розміщення та з'єднання між собою безлічі електронних компонентів - діодів, транзисторів і так далі, на одній пластині напівпровідника. Справа в тому, що створені на той час меза- і планарні транзистори та діоди виготовлялися за технологією групової обробки на одній пластині-заготівлі одночасно.
Концепцію ІС було запропоновано задовго до появи групових методів виготовлення напівпровідникових приладів. Перші у світі ІС були розроблені та створені в 1959 році американцями Джеком Сент Клером Кілбі (фірма Texas Instruments) та Робертом Н. Нойсом (Fairchild Semiconductor) незалежно один від одного.
У травні 1958 р. Джек Кілбі перейшов у фірму Texas Instruments із фірми Centralab - у ній він очолював програму розробки слухових апаратів, котрим фірма створила невелике підприємство зі створення германієвих транзисторів. Вже у липні 1958 р. Кілбі спала на думку ідея створення ІС. З напівпровідникових матеріалів вже вміли виготовляти резистори, конденсатори та транзистори. Резистори виготовляли, використовуючи омічні властивості "тіла" напівпровідника, а для створення конденсаторів використовувалися у зворотному напрямку. p-n-Переходи. Залишалося тільки навчитися створювати такі переходи у моноліті кремнію.
Багато недоліків "твердих схем" було усунуто пізніше Робертом Нойсом. З січня 1959 року, займаючись у фірмі Fairchild Semiconductor (FS) дослідженням можливостей планарного транзистора, він впритул зайнявся висунутою ним ідеєю створення інтегральних дифузійних чи напилених резисторів методом ізоляції приладів за допомогою зміщених у зворотному напрямку р-n-переходів та з'єднання елементів через отвори в оксиді шляхом напилення металу на поверхню. Незабаром було подано відповідну заявку на патент, і розробники елементів у тісному контакті з фахівцями з фотолітографії почали працювати над питаннями з'єднання дифузійних резисторів та транзисторів на кремнієвих пластинах.
Розробки ІВ стали просуватися гарячковими темпами. Фірма FS запросила як розробник схем Роберта Нормана з фірми Sperry. Норман був знайомий з резисторно-транзисторною логікою, обраною як основу для майбутньої серії ІС - Micrologic... Це був початок нової ери.
Ступінь інтеграції
Залежно від рівня інтеграції застосовуються такі назви інтегральних схем:
- · Мала інтегральна схема (МІС) - до 100 елементів у кристалі,
- · Середня інтегральна схема (СІС) - до 1000 елементів в кристалі,
- · Велика інтегральна схема (ВІС) - до 10 тис. елементів у кристалі,
- · Надвелика інтегральна схема (НВІС) - більше 10 тис. елементів в кристалі.
Раніше використовувалися також тепер застарілі назви: ультравелика інтегральна схема (УБІС) - від 1-10 млн до 1 млрд елементів у кристалі і, іноді, гігавелика інтегральна схема (ГБІС) - понад 1 млрд елементів у кристалі. В даний час, у 2010-х, назви «УБІС» та «ДБІС» практично не використовуються, і всі мікросхеми з числом елементів понад 10 тис. відносять до класу НВІС.
Перші інтегральні схеми
50-річчю офіційної дати присвячується
Б. Малашевич
12 вересня 1958 року співробітник фірми Texas Instruments (TI) Джек Кілбі продемонстрував керівництву три дивні прилади - склеєні бджолиним воском на скляній підкладці пристрою з двох шматочків кремнію розміром 11,1-1,6 мм (рис.1). Це були об'ємні макети – прототипи інтегральної схеми (ІС) генератора, що доводять можливість виготовлення всіх елементів схеми з урахуванням одного напівпровідникового матеріалу. Ця дата відзначається історія електроніки як день народження інтегральних схем. Але чи це так?
Мал. 1. Макет першої ІС Дж. Кілбі. Фото із сайту http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html
До кінця 1950-х років технологія збирання радіоелектронної апаратури (РЕА) з дискретних елементів вичерпала свої можливості. Світ прийшов до найгострішої кризи РЕА, були потрібні радикальні заходи. До цього моменту у США та СРСР вже були промислово освоєні інтегральні технології виробництва, як напівпровідникових приладів, так і товстоплівкових та тонкоплівкових керамічних плат, тобто дозріли передумови для виходу з цієї кризи шляхом створення багатоелементних стандартних виробів – інтегральних схем.
До інтегральних схем (мікросхем, ІВ) відносяться електронні пристрої різної складності, в яких всі однотипні елементи виготовляються одночасно в єдиному технологічному циклі, тобто. за інтегральною технологією. На відміну від друкованих плат (у яких у єдиному циклі за інтегральною технологією одночасно виготовляються всі з'єднувальні провідники) в ІВ аналогічно формуються і резистори, і конденсатори, і (у напівпровідникових ІВ) діоди та транзистори. Крім того, одночасно виготовляється багато ІС, від десятків до тисяч.
ІС розробляються та випускаються промисловістю у вигляді серій, що поєднує ряд мікросхем різного функціонального призначення, призначених для спільного застосування в електронній апаратурі. ІС серії мають стандартне конструктивне виконання та єдину систему електричних та інших характеристик. ІВ поставляються виробником різним споживачам як самостійна товарна продукція, яка задовольняє певну систему стандартизованих вимог. ІВ відносяться до виробів, що не ремонтуються, при ремонті РЕА вийшли з ладу ІВ замінюються.
Розрізняють дві основні групи ІВ: гібридні та напівпровідникові.
У гібридних ІВ (ГІС) на поверхні підкладки мікросхеми (як правило, з кераміки) за інтегральною технологією формуються всі провідники та пасивні елементи. Активні елементи у вигляді безкорпусних діодів, транзисторів та кристалів напівпровідникових ІВ встановлюються на підкладку індивідуально, вручну або автоматами.
У напівпровідникових ІС сполучні, пасивні та активні елементи формуються в єдиному технологічному циклі на поверхні напівпровідникового матеріалу (зазвичай кремнію) з частковим вторгненням у його обсяг методами дифузії. Одночасно на одній пластині напівпровідника, залежно від складності пристрою та розмірів його кристала та пластини, виготовляється від кількох десятків до кількох тисяч ІС. Промисловість напівпровідникові ІВ випускає у стандартних корпусах, у вигляді окремих кристалів або у вигляді нерозділених пластин.
Явище світу гібридних (ГІС) та напівпровідникових ІВ відбувалося по-різному. ГІС є продуктом еволюційного розвитку мікромодулів та технології монтажу на керамічних платах. Тому з'явилися вони непомітно, загальноприйнятої дати народження ГІС та загальновизнаного автора не існує. Напівпровідникові ІВ були природним і неминучим результатом розвитку напівпровідникової техніки, але вимагали генерації нових ідей та створення нової технології, які мають і свої дати народження, і свої автори. Перші гібридні та напівпровідникові ІС з'явилися в СРСР та США майже одночасно і незалежно один від одного.
Перші гібридні ІВ
До гібридних належать ІВ, у виробництві яких поєднується інтегральна технологія виготовлення пасивних елементів з індивідуальною (ручною або автоматизованою) технологією встановлення та монтажу активних елементів.
Ще наприкінці 1940-х років у фірмі Centralab у США були розроблені основні принципи виготовлення товстоплівкових друкованих плат на керамічній основі, потім розвинені іншими фірмами. В основу було покладено технології виготовлення друкованих плат та керамічних конденсаторів. Від друкованих плат взяли інтегральну технологію формування топології провідників – шовкографію. Від конденсаторів – матеріал підкладки (кераміка, частіше ситал), а також матеріали паст та термічну технологію їх закріплення на підкладці.
А на початку 1950-х років у фірмі RCA винайшли тонкоплівкову технологію: розпорошуючи у вакуумі різні матеріали та осаджуючи їх через маску на спеціальні підкладки, навчилися на єдиній керамічній підкладці одночасно виготовляти безліч мініатюрних плівкових з'єднувальних провідників, резисторів та конденс.
Порівняно з товстоплівковою, тонкоплівкова технологія забезпечувала можливість більш точного виготовлення елементів топології менших розмірів, але вимагала складнішого та дорогого обладнання. Пристрої, що виготовляються на керамічних платах за товстоплівковою або тонкоплівковою технологією, отримали назву "гібридні схеми". Гібридні схеми випускалися як комплектуючі вироби власного виробництва, їх конструкція, розміри, функціональне призначення у кожного виробника були свої, на вільний ринок вони не потрапляли, тому мало відомі.
Вторглися гібридні схеми і мікромодулі. Спочатку в них застосовувалися дискретні пасивні та активні мініатюрні елементи, об'єднані традиційним друкованим монтажем. Технологія збирання була складною, з величезною часткою ручної праці. Тому мікромодулі були дуже дорогими, їх застосування було обмежено бортовою апаратурою. Потім застосували товстоплівкові мініатюрні керамічні хустки. Далі за товстоплівковою технологією почали виготовляти резистори. Але діоди та транзистори використовувалися ще дискретні, індивідуально корпусовані.
Гібридною інтегральною схемою мікромодуль став у той момент, коли в ньому застосували безкорпусні транзистори та діоди та герметизували конструкцію у загальному корпусі. Це дозволило значно автоматизувати процес їх складання, різко знизити ціни та розширити сферу застосування. За методом формування пасивних елементів розрізняють товстоплівкові та тонкоплівкові ГІС.
Перші ГІС у СРСР
Перші ГІС (модулі типу “Квант” пізніше одержали позначення ІВ серії 116) у СРСР розробили 1963 р. в НДІРЕ (пізніше НВО “Ленінец”, Ленінград) й у тому року його дослідний завод почав їх серійне виробництво. У цих ГІС як активні елементи використовувалися напівпровідникові ІС “Р12-2”, розроблені в 1962 р. Ризьким заводом напівпровідникових приладів. У зв'язку з нерозривністю історій створення цих ІВ та його характеристик, ми розглянемо їх у розділі, присвяченому Р12-2.
Безперечно, модулі “Квант” були першими у світі ГІС із дворівневою інтеграцією – як активні елементи в них використовувалися не дискретні безкорпусні транзистори, а напівпровідникові ІС. Цілком імовірно, що вони взагалі були і першими у світі ГІС – конструктивно та функціонально закінченими багатоелементними виробами, які постачаються споживачеві як самостійна товарна продукція. Найбільш раннім з виявлених автором зарубіжних подібних виробів є нижче описані SLT-модулі корпорації IBM, але вони були анонсовані наступного, 1964 року.
Перші ГІС у США
Поява товстоплівкових ГІС, як основної елементної бази нової ЕОМ IBM System / 360, вперше було анонсовано корпорації IBM в 1964 р. Схоже, що це було перше застосування ГІС за межами СРСР, раніше прикладів автору виявити не вдалося.
Вже відомі на той час у колах фахівців напівпровідникові ІС серій "Micrologic" фірми Fairchild і "SN-51" фірми TI (про них ми скажемо нижче) були ще недоступні рідкісні і недозволено дороги для комерційного застосування, яким була побудова великої ЕОМ. Тому корпорація IBM, взявши за основу конструкцію плоского мікромодуля, розробила свою серію товстоплівкових ГІС, анонсовану під загальною назвою (на відміну від "мікромодулів") - "SLT-модулі" (Solid Logic Technology - технологія цілісної логіки. Зазвичай слово "s перекладають російську мову як "твердий", що абсолютно нелогічно. Дійсно, термін "SLT-модулі" був введений IBM як протиставлення терміну "мікромодуль" і повинен відображати їхню відмінність. Але обидва модулі "тверді", тобто цей переклад не У слова "solid" є й інші значення - "суцільний", "цілий", які вдало підкреслюють відмінність "SLT-модулів" і "мікромодулів" - SLT-модулі неподільні, неремонтопридатні, тобто "цілі". ми й використовували не загальноприйнятий переклад російською мовою: Solid Logic Technology – технологія цілісної логіки).
SLT-модуль являв собою квадратну керамічну товстоплівну мікрохустку напівдюймового розміру з впресованими вертикальними штиревими висновками. На її поверхню методом шовкографії наносилися (відповідно до схеми реалізованого пристрою) сполучні провідники та резистори, і встановлювалися безкорпусні транзистори. Конденсатори, за потреби, встановлювалися поруч із SLT-модулем на платі пристрою. При зовнішній майже ідентичності (мікромодулі трохи вище, рис. 2.) SLT-модулі від плоских мікромодулів відрізнялися більш високою щільністю компонування елементів, низьким енергоспоживанням, високою швидкодією та високою надійністю. Крім того, SLT-технологія досить легко автоматизувалася, отже їх можна було випускати у величезних кількостях за досить низької для застосування у комерційній апаратурі вартості. Саме це IBM і було потрібне. Фірма побудувала для виробництва SLT-модулів автоматизований завод у East Fishkill поблизу Нью-Йорка, який випускав їх мільйонними тиражами.
Мал. 2. Мікромодуль СРСР та SLT-модуль ф. IBM. Фото STL із сайту http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum/pictures/display/3-1.htm
Після IBM ГІС почали випускати й інші фірми, котрим ГІС стала товарної продукцією. Типова конструкція плоских мікромодулів та SLT-модулів корпорації IBM стала одним із стандартів для гібридних ІС.
Перші напівпровідникові ІВ
До кінця 1950-х років промисловість мала всі можливості для дешевих елементів електронної апаратури. Але якщо транзистори чи діоди виготовлялися з германію та кремнію, то резистори та конденсатори робили з інших матеріалів. Багато хто тоді вважав, що при створенні гібридних схем не буде проблем у складанні цих елементів, виготовлених окремо. А якщо вдасться виготовити всі елементи типового розміру та форми і тим самим автоматизувати процес складання, вартість апаратури буде значно знижена. На підставі таких міркувань прихильники гібридної технології розглядали її як генеральний напрямок розвитку мікроелектроніки.
Але не всі поділяли цю думку. Справа в тому, що вже створені на той період меза-транзистори і, особливо, планарні транзистори, були пристосовані для групової обробки, при якій ряд операцій з виготовлення багатьох транзистори на одній пластині-підкладці здійснювалися одночасно. Т. е. на одній напівпровідниковій пластині виготовлялося відразу безліч транзисторів. Потім пластина розрізалася окремі транзистори, які розміщувалися в індивідуальні корпуси. А потім виробник апаратури поєднував транзистори на одній друкованій платі. Знайшлися люди, яким такий підхід видався безглуздим – навіщо роз'єднувати транзистори, а потім знову об'єднувати їх. Чи не можна їх об'єднати одразу на напівпровідниковій пластині? При цьому позбавитися кількох складних і дорогих операцій! Ці люди і вигадали напівпровідникові ІС.
Ідея гранично проста та цілком очевидна. Але, як часто буває, лише після того, як хтось першим її оголосив та довів. Саме довів, просто оголосити часто, як і в цьому випадку, буває недостатньо. Ідею ІВ було оголошено ще 1952 р., до появи групових методів виготовлення напівпровідникових приладів. На щорічній конференції з електронних компонентів, що проходила у Вашингтоні, співробітник Британського королівського управління радіолокації в Малверні Джеффрі Даммер представив доповідь про надійність елементів радіолокаційної апаратури. У доповіді він зробив пророче твердження: “ З появою транзистора та робіт у галузі напівпровідникової техніки взагалі можна собі уявити електронне обладнання у вигляді твердого блоку, що не містить з'єднувальних проводів. Блок може складатися з шарів ізолюючих, провідних, випрямляючих та посилюючих матеріалів, в яких певні ділянки вирізані таким чином, щоб вони могли виконувати електричні функції безпосередньо”.. Але цей прогноз залишився фахівцями непоміченим. Згадали про нього лише після появи перших напівпровідникових ІВ, тобто після практичного доказу давно оголошеної ідеї. Хтось мав першим знову сформулювати та реалізувати ідею напівпровідникової ІВ.
Як і у випадку з транзистором, у загальновизнаних творців напівпровідникових ІС були більш менш удачливі попередники. Спробу реалізувати свою ідею 1956 р. зробив сам Даммер, але зазнав невдачі. У 1953 р. Харвік Джонсон з фірми RCA отримав патент на однокристальний генератор, а в 1958 р. спільно з Торкелом Валлмарк анонсував концепцію "напівпровідникового інтегрального пристрою". У 1956 році співробітник фірми Bell Labs Росс виготовив схему двійкового лічильника на основі n-p-n-p структур в єдиному монокристалі. У 1957 р. Ясуро Тару з японської фірми MITI отримав патент на з'єднання різних транзисторів одному кристалі. Але всі ці та інші подібні до них розробки мали приватний характер, не були доведені до виробництва і не стали основою для розвитку інтегральної електроніки. Розвитку ІВ у промисловому виробництві сприяли лише три проекти.
Удачливими виявилися вже згаданий Джек Кілбі з Texas Instruments (TI), Роберт Нойс із Fairchild (обидва зі США) та Юрій Валентинович Осокін із КБ Ризького заводу напівпровідникових приладів (СРСР). Американці створили експериментальні зразки інтегральних схем: Дж. Кілбі – макет ІС генератора (1958 р.), та був тригер на меза-транзисторах (1961 р.), Р. Нойс – тригер з планарної технології (1961 р.), а Ю. Осокін – одразу пішла у серійне виробництво логічну ІВ “2НЕ-АБО” на Німеччині (1962 р.). Серійне виробництво ІВ ці фірми розпочали майже одночасно, у 1962 р.
Перші напівпровідникові ІС у США
ІС Джека Кілбі. Серія ІВ “ SN - 51”
У 1958 році Дж. Кілбі (піонер застосування транзисторів у слухових апаратах) перейшов у фірму Texas Instruments. Новачка Кілбі, як схемотехніка, "кинули" на вдосконалення мікромодульної начинки ракет шляхом створення альтернативи мікромодулям. Розглядався варіант складання блоків з деталей стандартної форми, подібний до складання іграшкових моделей з фігурок LEGO. Однак Кілбі захопило інше. Вирішальну роль зіграв ефект "свіжого погляду": по-перше, він відразу констатував, що мікромодулі - глухий кут, а по-друге, налюбувавшись меза-структурами, прийшов до думки, що схему потрібно (і можна) реалізувати з одного матеріалу - напівпровідника. Кілбі знав про ідею Даммера та її невдалої спробі її у 1956 р. Проаналізувавши, він зрозумів причину невдачі і знайшов спосіб її подолання. “ Моя заслуга в тому, що взявши цю ідею, я перетворив її на реальність” , сказав Дж. Кілбі пізніше у своїй нобелівській промові.
Не заробивши ще права на відпустку, він працював безперешкодно в лабораторії, поки всі відпочивали. 24 липня 1958 року Кілбі сформулював у лабораторному журналі концепцію, що отримала назву "Ідея моноліту" (Monolithic Idea). Її суть полягала в тому, що”. ..елементи схеми, такі як резистори, конденсатори, розподілені конденсатори і транзистори, можуть бути інтегровані в одну мікросхему - за умови, що вони будуть виконані з одного матеріалу... У конструкції тригерної схеми всі елементи повинні виготовлятися з кремнію, причому резистори будуть використовувати об'ємний опір кремнію, а конденсатори - ємності p-n-переходів”. "Ідея моноліту" зустріла поблажливо-іронічне ставлення з боку керівництва Texas Instruments, яке вимагало доказів можливості виготовлення транзисторів, резисторів і конденсаторів із напівпровідника та працездатності зібраної з таких елементів схеми.
У вересні 1958 р. Кілбі реалізував свою ідею - зробив генератор зі склеєних бджолиним воском на скляній підкладці двох шматочків германію розміром 11,1 х 1,6 мм, що містять дифузійні ділянки двох типів (рис. 1). Ці області і контакти він використовував для створення схеми генератора, з'єднуючи елементи тонкими золотими дротиками діаметром 100 мкм шляхом термокомпресійного зварювання. З однієї області створювався мезатранзистор, з іншого – RC-ланцюжок. Зібрані три генератори були продемонстровані керівництву компанії. При підключенні живлення вони заробили на частоті 13 МГц. Це сталося 12 вересня 1958 року. За тиждень аналогічним чином Кілбі виготовив підсилювач. Але це ще були інтегральні структури, це були об'ємні макети напівпровідникових ІВ, що доводять ідею виготовлення всіх елементів схеми з одного матеріалу – напівпровідника.
Мал. 3. Тригер Type 502 Дж. Кілбі. Фото із сайту http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html
Першою дійсно інтегральною схемою Кілбі, виконаною в одному шматочку монолітного германію, виявилася експериментальна ІС тригера "Type 502" (рис. 3). У ній були використані об'ємний опір германію, і ємність p-n-переходу. Її презентація відбулася у березні 1959 року. Невелика кількість таких ІС була виготовлена у лабораторних умовах і продавалася у вузькому колі за ціною 450 $. ІС містила шість елементів: чотири меза-транзистори і два резистори, розміщені на кремнієвій пластині діаметром 1 см. Але ІС Кілбі мала серйозний недолік - меза-транзистори, які у вигляді мікроскопічних "активних" стовпчиків височіли над іншою, "пасивною" частиною. З'єднання меза-стовпчиків один з одним в ІС Кілбі здійснювалося розварюванням тонких золотих зволікань - ненависна всім "волосата технологія". Стало ясно, що при таких міжз'єднаннях мікросхему з великою кількістю елементів не зробити – дротяне павутиння розірветься або перезамкнеться. Та й германій тоді вже розглядався як матеріал не перспективний. Прорив не відбувся.
На цей час у фірмі Fairchild була розроблена планарна кремнієва технологія. Враховуючи все це, Texas Instruments довелося відкласти все зроблене Кілбі набік і приступити, вже без Кілбі, до розробки серії ІС на основі кремнієвої планарної технології. У жовтні 1961 р. фірма анонсувала створення серії ІВ типу SN-51, а з 1962 р. розпочала їх серійне виробництво та постачання на користь Міноборони США та НАСА.
ІС Роберта Нойса. Серія ІВ “Micrologic”
У 1957 р. з низки причин від У. Шоклі, винахідника площинного транзистора, пішла група у вісім молодих інженерів, які хотіли спробувати реалізувати власні ідеї. "Вісімка зрадників", як їх називав Шоклі, лідерами яких були Р. Нойс і Г. Мур, заснувала фірму Fairchild Semiconductor ("прекрасне дитя"). Очолив фірму Роберт Нойс, тоді йому було 23 роки.
Наприкінці 1958 року фізик Д. Хорні, який працював у компанії Fairchild Semiconductor, розробив планарну технологію виготовлення транзисторів. А фізик чеського походження Курт Леховек, який працював у Sprague Electric, розробив техніку використання обернено включеного n-p переходу для електричної ізоляції компонентів. В 1959 Роберт Нойс, почувши про макет ІС Кілбі, вирішив спробувати створити інтегральну схему, комбінуючи процеси, запропоновані Хорні і Леховеком. А замість "волосатої технології" міжз'єднань Нойс запропонував вибіркове напилення тонкого шару металу поверх ізольованих двоокисом кремнію напівпровідникових структур із підключенням до контактів елементів через отвори, залишені в ізолюючому шарі. Це дозволило “занурити” активні елементи в тіло напівпровідника, ізолювавши їх оксидом кремнію, а потім з'єднати ці елементи напиленими доріжками алюмінію або золота, які створюються за допомогою процесів фотолітографії, металізації та травлення на останній стадії виготовлення виробу. Таким чином, було отримано дійсно "монолітний" варіант об'єднання компонентів у єдину схему, а нова технологія отримала назву "планарної". Але спершу треба було ідею перевірити.
Мал. 4. Експериментальний тригер Р. Нойс. Фото із сайту http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html
Мал. 5. Фотографія ІС Micrologic у журналі Life. Фото із сайту http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html
Торішнього серпня 1959 р. Р. Нойс доручив Джою Ласту опрацювати варіант ІС на планарної технології. Спочатку, як і Кілбі, виготовили макет тригера на кількох кристалах кремнію, на яких було зроблено 4 транзистори та 5 резисторів. Потім 26 травня 1960 виготовили перший однокристальний тригер. Для ізоляції елементів у ньому зі зворотного боку кремнієвої пластини протруювали глибокі канавки, що заповнюються епоксидною смолою. 27 вересня 1960 виготовили третій варіант тригера (рис. 4), в якому елементи ізолювалися назад включеним p - n переходом.
Фірма Fairchild Semiconductor досі займалася лише транзисторами, схемотехніків для створення напівпровідникових ІС у неї не було. Тому як розробник схем був запрошений Роберт Норман із фірми Sperry Gyroscope. Норман був знайомий з резисторно-транзисторною логікою, яку фірма з його подачі і вибрала як основу своєї майбутньої серії ІС Microlog, що знайшла своє перше застосування в апаратурі ракети Мінітмен. У березні 1961 р. Fairchild анонсувала першу дослідну ІС цієї серії (F-тригер, що містить шість елементів: чотири біполярні транзистори і два резистори, розміщені на пластині діаметром 1 см.) з опублікуванням її фотографії (рис. 5) в журналі Life(Від 10 березня 1961 р.). Ще 5 ІС було анонсовано у жовтні. А з початку 1962 р. Fairchild розгорнула серійне виробництво ІВ та постачання їх також на користь Міноборони США та НАСА.
Кілбі і Нойсу довелося вислухати чимало критичних зауважень щодо своїх новацій. Вважалося, що практичний вихід придатних інтегральних схем буде дуже низьким. Зрозуміло, що він має бути нижчим, ніж у транзисторів (оскільки містить кілька транзисторів), у яких він тоді був не вищим за 15%. По-друге, багато хто вважав, що в інтегральних схемах використовуються невідповідні матеріали, оскільки резистори та конденсатори робилися тоді аж ніяк не з напівпровідників. По-третє, багато хто не міг сприйняти думку про неремонтопридатність ІС. Їм здавалося блюзнірським викидати виріб, в якому вийшов з ладу лише один із багатьох елементів. Всі сумніви поступово були відкинуті, коли інтегральні схеми були успішно використані у військових та космічних програмах США.
Один із засновників фірми Fairchild Semiconductor Г. Мур сформулював основний закон розвитку кремнієвої мікроелектроніки, згідно з яким кількість транзисторів у кристалі інтегральної схеми подвоювалася щороку. Цей закон, названий “закон Мура”, досить чітко діяв протягом 15 років (починаючи з 1959 р.), та був таке подвоєння відбувалося приблизно півтора року.
Далі промисловість ІВ США почала розвиватися стрімкими темпами. У почався лавиноподібний процес виникнення підприємств, орієнтованих виключно “під планар”, іноді доходило до того, що реєструвалися по десятку фірм на тиждень. Прагнучи до ветеранів (фірм У. Шоклі та Р. Нойса), а також завдяки податковим пільгам і сервісу, що надається Стенфордським університетом, “новачки” купкувались головним чином у долині Санта-Клара (Каліфорнія). Тому не дивно, що в 1971 р. у побут з легкої руки журналіста-популяризатора технічних новинок Дона Хофлера в обіг увійшов романтично-техногенний образ "Кремнієвої долини" (Silicon Valley), який назавжди став синонімом Мекки напівпровідникової технологічної революції. До речі, в тій місцевості дійсно є долина, що славилася раніше численними абрикосовими, вишневими і сливовими садами, мала до появи в ній фірми Шоклі іншу, приємнішу назву – Долина серцевого задоволення (the Valley of Heart's Delight), нині, на жаль, майже забуте.
У 1962 рік у США почалося серійне виробництво інтегральних схем, хоча їх обсяг поставок замовникам і становив лише кілька тисяч. Найсильнішим стимулом для розвитку приладобудівної та електронної промисловості на новій основі стала ракетно-космічна техніка. США тоді не мали таких потужних міжконтинентальних балістичних ракет, як радянські, і збільшення заряду змушені були піти на максимальне скорочення маси носія, зокрема систем управління, рахунок впровадження останніх досягнень електронної технології. Фірми Texas Instrument та Fairchild Semiconductor уклали великі контракти на розробку та виготовлення інтегральних схем з міністерством оборони США та НАСА.
Перші напівпровідникові ІС у СРСР
До кінця 1950-х років радянська промисловість потребувала напівпровідникових діодів і транзисторів настільки, що були потрібні радикальні заходи. У 1959 році були засновані заводи напівпровідникових приладів в Олександрові, Брянську, Воронежі, Ризі та ін. Єревані, Нальчик та інших містах.
Нас цікавитиме один із нових заводів – вище згаданий Ризький завод напівпровідникових приладів (РЗПП, він кілька разів змінював свої назви, для простоти ми використовуємо найбільш відоме, чинне й нині). Як стартовий майданчик новому заводу виділили будівлю кооперативного технікуму площею 5300 м 2 , одночасно почалося будівництво спеціальної будівлі. До лютого 1960 року на заводі було вже створено 32 служби, 11 лабораторій та дослідне виробництво, що розпочалося у квітні до підготовки виробництва перших приладів. На заводі вже працювало 350 осіб, 260 з яких протягом року прямували на навчання до московського НДІ-35 (пізніше НДІ “Пульсар”) та на ленінградський завод “Світлана”. А до кінця 1960 року чисельність працюючих досягла 1900 чоловік. Спочатку технологічні лінії розміщувалися у перебудованому спортивному залі корпусу кооперативного технікуму, а лабораторії ОКБ – у колишніх навчальних аудиторіях. Перші прилади (сплавно-дифузійні та конверсійні германієві транзистори П-401, П-403, П-601 та П-602 розробки НДІ-35) завод випустив через 9 місяців після підписання наказу про його створення у березні 1960 року. А до кінця липня виготовив першу тисячу транзисторів П-401. Потім освоїв у виробництві багато інших транзистори та діоди. У червні 1961 року завершилося будівництво спеціального корпусу, де розпочалося масове виробництво напівпровідникових приладів.
З 1961 року завод розпочав самостійні технологічні та дослідно-конструкторські роботи, у тому числі – з механізації та автоматизації виробництва транзисторів на основі фотолітографії. Для цього було розроблено перший вітчизняний фотоповторник (фотоштамп) – встановлення суміщення та контактного фотодруку (розробник А.С. Готман). Велику допомогу у фінансуванні та виготовленні унікального обладнання надавали підприємства Мінрадіопрому, у тому числі КБ-1 (пізніше НВО “Алмаз”, Москва) та НДІРЕ. Тоді найактивніші розробники малогабаритної радіоапаратури, не маючи своєї технологічної напівпровідникової бази, шукали шляхи творчої взаємодії з новоствореними напівпровідниковими заводами.
На РЗПП проводилися активні роботи з автоматизації виробництва германієвих транзисторів типу П401 і П403 на основі технологічної лінії, що створюється заводом “Аусма”. Її головний архітектор (ГК) А.С. Готман запропонував робити на поверхні германію струмопровідні доріжки від електродів транзистора до периферії кристала, щоб простіше розварювати висновки транзистора в корпусі. Але головне, ці доріжки можна було використовувати як зовнішні висновки транзистора при безкорпусному їх складання на плати (що містять сполучні та пасивні елементи), припаюючи їх безпосередньо до відповідних контактних майданчиків (фактично пропонувалася технологія створення гібридних ІС). Запропонований метод, у якому струмопровідні доріжки кристала хіба що цілуються з контактними майданчиками плати, отримав оригінальну назву – “поцілункова технологія”. Але через низку технологічних проблем, що тоді виявилися нерозв'язними, в основному пов'язаних з проблемами точності отримання контактів на друкованій платі, практично реалізувати “поцілункову технологію” не вдалося. Через кілька років подібна ідея була реалізована в США та СРСР і знайшла широке застосування в так званих "кулькових висновках" та в технології "чіп-на-плату".
Тим не менш, апаратурні підприємства, що співпрацюють з РЗПП, у тому числі НДІРЕ, сподівалися на "поцілункову технологію" та планували її застосування. Навесні 1962 року, коли зрозуміло, що її реалізація відкладається на невизначений термін, головний інженер НДІРЕ В.І. Смирнов попросив директора РЗВП С.А. Бергмана знайти інший шлях реалізації багатоелементної схеми типу 2НЕ-АБО, універсальної для побудови цифрових пристроїв.
Мал. 7. Еквівалентна схема ІС Р12-2 (1ЛБ021). Малюнок із проспекту ІС від 1965 р.
Перша ІС та ГІС Юрія Осокіна. Тверда схема Р12-2(ІС серій 102 і 116 )
Директор РЗПП доручив це завдання молодому інженеру Юрію Валентиновичу Осокіну. Організували відділ у складі технологічної лабораторії, лабораторії розробки та виготовлення фотошаблонів, вимірювальної лабораторії та дослідно-виробничої лінійки. На той час у РЗПП було поставлено технологію виготовлення германієвих діодів і транзисторів, її взяли за основу нової розробки. І вже восени 1962 року були отримані перші дослідні зразки германієвої твердої схеми 2НЕ-АБО (оскільки терміну ІС тоді не існувало, з поваги до справ тих днів збережемо назву "тверда схема" - ТЗ), що отримала заводське позначення "Р12-2". Зберігся рекламний буклет 1965 р. на Р12-2 (рис. 6), інформацією та ілюстраціями з якого ми скористаємося. ТС Р12-2 містила два германієвих p-n-p-транзистори (модифіковані транзистори типу П401 і П403) із загальним навантаженням у вигляді розподіленого германієвого резистора р-типу (рис.7).
Мал. 8. Структура ІВ Р12-2. Малюнок із проспекту ІС від 1965 р.
Мал. 9. Габаритне креслення ТС Р12-2. Малюнок із проспекту ІС від 1965 р.
Зовнішні висновки формуються термокомпресійним зварюванням між германієвими областями ТС структури та золотом вивідних провідників. Це забезпечує стійку роботу схем при зовнішніх впливах в умовах тропіків та морського туману, що особливо важливо для роботи у військово-морських квазіелектронних АТС, що випускаються ризьким заводом ВЕФ, що так само зацікавився цією розробкою.
Конструктивно ТЗ Р12-2 (і наступна за нею Р12-5) були виконані у вигляді "таблетки" (рис.9) з круглої металевої чашки діаметром 3 мм і висотою 0,8 мм. У неї розміщувався кристал ТЗ і заливався полімерним компаундом, з якого виходили короткі зовнішні кінці виводів з золотого м'якого дроту діаметром 50 мкм, приварені до кристала. Маса Р12-2 не перевищувала 25 мг. У такому виконанні ТЗ були стійкі до впливу відносної вологості 80% при температурі навколишнього середовища 40°С та циклічних змін температури від -60° до 60°С.
До кінця 1962 року дослідне виробництво РЗПП випустило близько 5 тис. ТС Р12-2, а 1963 року їх було зроблено кілька десятків тисяч. Таким чином, 1962 став роком народження мікроелектронної промисловості в США і СРСР.
Мал. 10. Групи ТЗ Р12-2
Мал. 11. Основні електричні характеристики Р12-2
Напівпровідникова технологія тоді була на стадії становлення і ще не гарантувала суворої повторюваності параметрів. Тому працездатні прилади розсортували за групами параметрів (це часто роблять у наш час). Також вчинили і рижани, встановивши 8 типономіналів ТС Р12-2 (рис. 10). Усі інші електричні та інші характеристики у всіх типономіналів однакові (рис. 11).
Випуск ТС Р12-2 розпочався одночасно з проведенням ДКР "Твердість", що завершилося в 1964 році (ГК Ю.В. Осокін). В рамках цієї роботи було розроблено вдосконалену групову технологію серійного виробництва германієвих ТЗ на основі фотолітографії та гальванічного осадження сплавів через фотомаску. Її основні технічні рішення зареєстровані як винахід Осокіна Ю.В. та Михаловича Д.Л. (О.С. №36845). У журналі "Спецрадіоелектроніка", що видавався з грифом "таємно", вийшло кілька статей Ю.В. Осокіна у співавторстві зі спеціалістами КБ-1 І.В. Нічого, Г.Г. Смолко та Ю.Є. Наумовим з описом конструкції та характеристик ТС Р12-2 (і наступної за нею ТС Р12-5).
Конструкція Р12-2 була всім хороша, крім одного – споживачі не вміли застосовувати такі маленькі вироби з найтоншими висновками. Ні технології, ні устаткування при цьому у апаратурних фірм, зазвичай, був. За весь час випуску Р12-2 та Р12-5 їх застосування освоїли НДІРЕ, Жигулівський радіозавод Мінрадіопрому, ВЕФ, НДІП (з 1978 року НВО “Радіоприлад”) та деякі інші підприємства. Розуміючи проблему, розробники ТЗ спільно з НДІРЕ відразу ж продумали другий рівень конструкції, який одночасно збільшив щільність компонування апаратури.
Мал. 12. Модуль із 4 ТС Р12-2
В1963 р. в НДІРЕ в рамках ДКР "Квант" (ГК А.М. Пеліпенко, за участю О.М. Ляховича) була розроблена конструкція модуля, в якому поєднувалося чотири ТС Р12-2 (рис.12). На мікроплату з тонкого склотекстоліту розміщували від двох до чотирьох ТЗ Р12-2 (в корпусі), що реалізують у сукупності певний функціональний вузол. На плату пресували до 17 висновків (число змінювалося для конкретного модуля) довжиною 4 мм. Мікроплату поміщали в металеву штамповану чашку розміром 21,6? 6,6 мм та глибиною 3,1 мм і заливали полімерним компаундом. В результаті вийшла гібридна інтегральна схема (ГІС) з подвійною герметизацією елементів. І, як ми вже говорили, це була перша у світі ГІС із дворівневою інтеграцією, а, можливо, взагалі перша ГІС. Було розроблено вісім типів модулів із загальною назвою "Квант", які виконували різні логічні функції. У складі таких модулів ТЗ Р12-2 зберігали працездатність при дії постійних прискорень до 150 g і вібраційних навантажень у діапазоні частот 5-2000 Гц із прискоренням до 15 g.
Модулі “Квант” спочатку випускало дослідне виробництво НДІРЕ, а потім їх передали на Жигулівський радіозавод Мінрадіопрому СРСР, який їх постачав різним споживачам, у тому числі заводу ВЕФ.
ТС Р12-2 та модулі "Квант" на їх основі добре зарекомендували себе і широко застосовувалися. У 1968 року вийшов стандарт, який встановлює єдину країні систему позначень інтегральних схем, а 1969 року – Загальні технічні умови на напівпровідникові (НП0.073.004ТУ) і гібридні (НП0.073.003ТУ) ІС з єдиною системою вимог. Відповідно до цих вимог у Центральному бюро із застосування інтегральних схем (ЦБПІМС, пізніше ЦКЛ “Дейтон”, Зеленоград) 6 лютого 1969 року на МС було затверджено нові технічні умови ЩТ3.369.001-1ТУ. При цьому в позначенні виробу вперше з'явився термін "інтегральна схема" серії 102. ТЗ Р12-2 стали називатися ІС: 1ЛБ021В, 1ЛБ021Г, 1ЛБ021Ж, 1ЛБ021І. Фактично це була одна ІВ, розсортована на чотири групи з вихідної напруги та здатності навантаження.
Мал. 13. ІС серії 116 та 117
А 19 вересня 1970 року в ЦБПІМС було затверджено технічні умови АВ0.308.014ТУ на модулі "Квант", що одержали позначення ІС серії 116 (рис.13). До складу серії входило дев'ять ІС: 1ХЛ161, 1ХЛ162 та 1ХЛ163 – багатофункціональні цифрові схеми; 1ЛЕ161 і 1ЛЕ162 – два та чотири логічні елементи 2НЕ-АБО; 1ТР161 і 1ТР1162 - один і два тригери; 1УП161 – підсилювач потужності, а також 1ЛП161 – логічний елемент "заборона" на 4 входи та 4 виходи. Кожна їх цих ІС мала від чотирьох до семи варіантів виконання, що відрізняються напругою вихідних сигналів і здатністю навантаження, всього було 58 типономіналів ІС. Виконання маркувалися буквою після цифрової частини позначення ІВ, наприклад, 1ХЛ161Ж. Надалі номенклатура модулів розширювалась. ІС серії 116 фактично були гібридними, але на прохання РЗПП були марковані як напівпровідникові (перша цифра в позначенні - "1", у гібридних має бути "2").
У 1972 році спільним рішенням Мінелектронпрому та Мінрадіопрому виробництво модулів було передано із Жигулівського радіозаводу на РЗПП. Це виключило транспортування ІВ серії 102 на далекі відстані, тому відмовилися від герметизації кристала кожної ІВ. В результаті спростилася конструкція ІВ і 102-ї, і 116-ї серій: відпала необхідність корпусувати ІВ серії 102 в металеву чашку із заливкою компаундом. Безкорпусні ІС серії 102 у технологічній тарі надходили в сусідній цех на збірку ІС серії 116, монтувалися безпосередньо на їхню мікроплату і герметизувалися в корпусі модуля.
У 1970-х років вийшов новий стандарт на систему позначень ІВ. Після цього, наприклад, ІС 1ЛБ021В одержала позначення 102ЛБ1В.
Друга ІС та ДВС Юрія Осокіна. Тверда схема Р12-5(ІС серій 103 і 117 )
На початку 1963 року у результаті серйозних робіт із розробки високочастотних n - p - n транзисторів колектив Ю.В. Осокіна накопичив великий досвід роботи з p-шарами на вихідній n-германієвій пластині. Це і наявність всіх необхідних технологічних компонентів дозволило Осокіну в 1963 приступити до розробки нової технології та конструкції більш швидкодіючого варіанта ТЗ. У 1964 році на замовлення НДІРЕ було завершено розробку ТС Р12-5 та модулів на її основі. За її результатами 1965 року було відкрито ОКР “Паланга” (ГК Ю.В. Осокін, його заступник – Д.Л. Михалович, завершено 1966 року). Розроблялися модулі з урахуванням Р12-5 у межах тієї ж ДКР “Квант”, як і модулі Р12-2. Одночасно з технічними умовами на серії 102 та 116 були затверджені технічні умови ЩТ3.369.002-2ТУ на ІВ серії 103 (Р12-5) та АВ0.308.016ТУ на ІВ серії 117 (модулі на основі ІС серії 103). Номенклатура типів та типономіналів ТС Р12-2, модулів на них та серій ІС 102 та 116 була ідентична номенклатурі ТС Р12-5 та ІС серій 103 та 117, відповідно. Відрізнялися вони лише швидкодією та технологією виготовлення кристала ІВ. Типовий час затримки поширення сигналу серії 117 склало 55 нс проти 200 нс серії 116.
Конструктивно ТС Р12-5 являла собою чотиришарову напівпровідникову структуру (рис.14), де підкладка n-типу та еммітери p+-типу приєднувалися до загальної шини "землі". Основні технічні рішення побудови ТЗ Р12-5 зареєстровані як винахід Осокіна Ю.В., Михаловича Д.Л. Кайдалова Ж.А та Акменса Я.П. (О.С. №248847). При виготовленні чотиришарової структури ТС Р12-5 важливим ноу-хау було формування вихідної германієвої пластини n-типу p-шару. Це досягалося дифузією цинку в кварцовій відпаяній ампулі, де пластини розташовуються при температурі близько 900 ° С, а цинк - в іншому кінці ампули при температурі близько 500 ° С. Подальше формування структури ТС у створеному p-шарі аналогічно ТС Р12-2. Нова технологія дозволила уникнути складної форми кристала ТС. Пластини Р12-5 також шліфувалися з тильного боку до товщини близько 150 мкм зі збереженням частини вихідної пластини, далі вони скрайбувалися на окремі прямокутні кристали ІС.
Мал. 14. Структура кристала ТС Р12-5 з АС №248847. 1 і 2 – земля, 3 та 4 – входи, 5 – вихід, 6 – харчування
Після перших позитивних результатів виготовлення досвідчених ТЗ Р12-5, на замовлення КБ-1 було відкрито НДР “Мезон-2”, спрямовану створення ТЗ з чотирма Р12-5. У 1965 році отримані зразки, що діють, в плоскому металокерамічному корпусі. Але Р12-5 виявилася складною у виробництві, головним чином через складність формування легованого цинком p-шару на вихідній n-Ge пластині. Кристал виявився трудомістким у виготовленні, відсоток виходу придатних низький, вартість ТС висока. З цих причин ТС Р12-5 випускалася у невеликих обсягах і витіснити повільнішу, але технологічну Р12-2 вона змогла. А НДР “Мезон-2” взагалі не отримав продовження, у тому числі через проблеми міжз'єднань.
До цього часу в НДІ "Пульсар" і в НДІМЕ вже широким фронтом велися роботи з розвитку планарної кремнієвої технології, що має ряд переваг перед германієвою, головні з яких - більш високий діапазон робочих температур (+150 ° С у кремнію і +70 ° С у германію) та наявності у кремнію природної захисної плівки SiO 2 . А спеціалізація РЗПП була переорієнтована створення аналогових ІВ. Тому фахівці РЗПП вважали розвиток германієвої технології для виробництва ІВ недоцільним. Однак при виробництві транзисторів та діодів германій ще якийсь час не здавав своїх позицій. У відділі Ю.В. Осокіна вже після 1966 року були розроблені та вироблялися РЗПП германієві планарні малошумливі НВЧ транзистори ГТ329, ГТ341, ГТ 383 та ін. Їх створення було відзначено Державною премією Латвійської СРСР.
Застосування
Мал. 15. Арифметичний пристрій на твердосхемних модулях. Фото з буклету ТЗ від 1965 р.
Мал. 16. Порівняльні габарити пристрою управління АТС, виконаного на реле та ТС. Фото з буклету ТЗ від 1965 р.
Замовниками та першими споживачами ТС Р12-2 та модулів були творці конкретних систем: ЕОМ “Гном” (рис. 15) для бортової літакової системи “Купол” (НДІРЕ, ГК Ляхович Є.М.) та військово-морських та цивільних АТС (завод) ВЕФ, ДК Місуловін Л.Я.). Брала активну участь на всіх стадіях створення МС Р12-2, Р12-5 і модулів на них і КБ-1, головним куратором цієї співпраці від КБ-1 був Н.А. Барканів. Допомагали фінансуванням, виготовленням обладнання, дослідженнями ТЗ та модулів у різних режимах та умовах експлуатації.
ТС Р12-2 та модулі "Квант" на її основі були першими мікросхемами в країні. Та й у світі вони були серед перших - тільки в США починали випускати свої перші напівпровідникові ІВ фірми Texas Instruments і Fairchild Semiconductor, а в 1964 році корпорація IBM почала випуск товстоплівкових гібридних ІС для своїх ЕОМ. В інших країнах про ІВ ще й не замислювалися. Тому інтегральні схеми для громадськості були дивиною, ефективність їх застосування справляла вражаюче враження і обігравалася в рекламі. У буклеті, що зберігся на ТЗ Р12-2 від 1965 року (на основі вже реальних застосувань) сказано: “ Застосування твердих схем Р12-2 у бортових обчислювальних пристроях дозволяє у 10-20 разів скоротити вагу та габарити цих пристроїв, зменшити споживану потужність та збільшити надійність роботи. … Застосування твердих схем Р12-2 в системах управління та комутації трактів передачі інформації АТС дозволяє скоротити обсяг керуючих пристроїв приблизно в 300 разів, а також значно знизити споживання електроенергії (в 30-50 разів))” . Ці твердження ілюструвалися фотографіями арифметичного пристрою ЕОМ “Гном” (рис. 15) і порівнянням стійки АТС, що випускається тоді заводом ВЕФ, на основі реле з маленьким блочком на долоні дівчини (рис.16). Були й інші численні застосування перших ризьких ІС.
Виробництво
Зараз важко відновити повну картину обсягів виробництва ІС серій 102 і 103 за роками (сьогодні РЗПП із великого заводу перетворився на невелике виробництво та багато архівів загублено). Але за спогадами Ю.В. Осокіна, у другій половині 1960-х років виробництво обчислювалося багатьма сотнями тисяч на рік, у 1970-х - мільйонами. За особистими записами, що збереглися, в 1985 році було випущено ІС серії 102 – 4 100 000 шт., модулів серії 116 – 1 025 000 шт., ІС серії 103 – 700 000 шт., модулів серії 11 .
Наприкінці 1989 року Ю.В. Осокін, тоді генеральний директор ВО “Альфа”, звернувся до керівництва Військово-промислової комісії при РМ СРСР (ВПК) з проханням про зняття серій 102, 103, 116 та 117 з виробництва через їхнє моральне старіння та високу трудомісткість (за 25 років мікроелектроніка далеко пішла вперед), але отримав категоричну відмову. Заступник голови ВПК В.Л. Коблов сказав йому, що літаки літають надійно, заміна виключається. Після розпаду СРСР ІС серій 102, 103, 116 та 117 випускалися ще до середини 1990-х років, тобто понад 30 років. ЕОМ "Гном" досі стоять у штурманській кабіні "Іл-76" та деяких інших літаків. "Це суперкомп'ютер", - не губляться наші льотчики, коли закордонні колеги здивовано цікавляться небаченим нині агрегатом.
Про пріоритети
Незважаючи на те, що у Дж. Кілбі та Р. Нойса були попередники, саме вони визнані світовою громадськістю як винахідники інтегральної схеми.
Р. Кілбі та Дж. Нойс через свої фірми подали заявки на видачу патенту на винахід інтегральної схеми. Texas Instruments подала заявку на патент раніше, у лютому 1959 р., а Fairchild зробила це лише у липні того ж року. Але патент під номером 2981877 видали у квітні 1961 р. Р. Нойсу. Дж. Кілбі подав до суду і лише у червні 1964 р. отримав свій патент під номером 3138743. Потім була десятирічна війна про пріоритети, в результаті якої (рідкісний випадок) "перемогла дружба". Кінець кінцем, Апеляційний Суд підтвердив претензії Р. Нойса на першість у технології, але ухвалив вважати Дж. Кілбі творцем першої працюючої мікросхеми. А Texas Instruments та Fairchild Semiconductor підписали договір про крос-ліцензування технологій.
У СРСР патентування винаходів авторам нічого, крім клопоту, нікчемної разової виплати та морального задоволення не давало, тому багато винаходів взагалі не оформлювалися. І Осокін теж не поспішав. Але для підприємств кількість винаходів була одним із показників, так що їх все ж таки доводилося оформляти. Тому Авторське свідоцтво СРСР за №36845 на винахід ТЗ Р12-2 Ю. Осокіна та Д. Михалович отримали лише 28 червня 1966 року.
А Дж. Кілбі у 2000 р. за винахід ІС став одним із лауреатів Нобелівської премії. Р. Нойс не дочекався світового визнання, він помер у 1990 р., а за становищем Нобелівська премія не присвоюється посмертно. Що, в даному випадку, не зовсім справедливо, оскільки вся мікроелектроніка пішла шляхом, започаткованим Р. Нойсом. Авторитет Нойса серед фахівців був настільки високий, що він навіть отримав прізвисько "мер Кремнієвої долини", оскільки був тоді найпопулярнішим із учених, які працювали в тій частині Каліфорнії, яка отримала неофіційну назву Silicon Valley (В. Шоклі називали "Мойсеєм Кремнієвої долини") . А шлях Дж. Кілбі (“волосатий” германій) виявився тупиковим, і був реалізований навіть у його фірмі. Але життя не завжди справедливе.
Нобелівську премію було присвоєно трьом ученим. Половину її отримав 77-річний Джек Кілбі, а другу половину розділили між академіком Російської академії наук Жоресом Алфьоровим та професором Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі, американцем німецького походження Гербертом Кремером, за “розвиток напівпровідникових гетероструктур”, що використовуються у високошвидкісній оптоелектроніці.
Оцінюючи ці роботи, експерти зазначили, що "інтегральні схеми є, безумовно, відкриття століття, що справило сильний вплив на суспільство та світову економіку". Для всіх забутого Дж. Кілбі присудження Нобелівської премії виявилося сюрпризом. В інтерв'ю журналу Europhysics Newsвін зізнався: “ На той час я лише думав про те, що було б важливим для розвитку електроніки з погляду економіки. Але я не розумів тоді, що зниження вартості електронних виробів спричинить лавинне зростання електронних технологій”.
А роботи Ю. Осокіна не оцінено не лише Нобелівським комітетом. Забуто вони і в нашій країні, пріоритет країни у створенні мікроелектроніки не захищений. А він безперечно був.
У 1950-ті роки було створено матеріальну основу для формування в одному монолітному кристалі або на одній керамічній підкладці багатоелементних виробів – інтегральних схем. Тому не дивно, що майже одночасно ідея ІС незалежно виникла у головах багатьох фахівців. А оперативність застосування нової ідеї залежала від технологічних можливостей автора та зацікавленості виробника, тобто від наявності першого споживача. Щодо цього Ю. Осокін опинився у кращому становищі, ніж його американські колеги. Кілбі був новачком в TI, йому навіть довелося доводити керівництву фірми важливу можливість реалізації монолітної схеми виготовленням її макета. Власне роль Дж. Кілбі у створенні ІС зводиться до перевиховання керівництва TI та у провокації своїм макетом Р. Нойса до активних дій. У серійне виробництво винахід Кілбі не пішов. Р. Нойс у своїй молодій компанії, що ще не зміцніла, пішов на створення нової планарної технології, яка дійсно стала основою подальшої мікроелектроніки, але піддалася автору не відразу. У зв'язку з вищесказаним їм обом та їхнім фірмам довелося витратити чимало сил і часу для практичної реалізації своїх ідей щодо побудови серійноздатних ІВ. Їхні перші зразки залишилися експериментальними, а в серійне виробництво пішли вже інші мікросхеми, навіть не ними розроблені. На відміну від Кілбі і Нойса, які були далекі від виробництва, заводець Ю. Осокін спирався на промислово освоєні напівпровідникові технології РЗПП, і у нього були гарантовані споживачі перших ТЗ у вигляді ініціатора розробки НДІРЕ та поряд розташованого заводу ВЕФ, які допомагали в цій роботі. З цих причин вже перший варіант його ТЗ відразу пішов у дослідне, що плавно перейшло в серійне виробництво, яке безперервно тривало понад 30 років. Таким чином, розпочавши розробку ТЗ пізніше Кілбі та Нойса, Ю. Осокін (не знаючи про це змагання) швидко наздогнав їх. Причому роботи Ю. Осокіна ніяк не пов'язані з роботами американців, свідчення тому абсолютна несхожість його ТЗ та реалізованих у ній рішень на мікросхеми Кілбі та Нойса. Виробництво своїх ІС Texas Instruments (не винахід Кілбі), Fairchild та РЗПП почали майже одночасно, у 1962 році. Це дає повне право розглядати Ю. Осокіна одним із винахідників інтегральної схеми нарівні з Р. Нойсом і більш ніж Дж. Кілбі, а частину нобелівської премії Дж. Кілбі було б справедливо поділити з Ю. Осокіним. Що ж до винаходу першої ГІС з дворівневою інтеграцією (а можливо і ГІС взагалі) то тут пріоритет А. Пеліпенко з НДІРЕ абсолютно безперечний.
На жаль, не вдалося знайти зразків транспортних засобів та приладів на їх основі, необхідних для музеїв. Автор буде дуже вдячний за такі зразки чи їхні фотографії.
