Интегральная схема – это микроэлементное изделие с высокой миниатюризацией. Эти элементы преобразуют и обрабатывают сигналы. Сама схема имеет высокую плотность самих элементов. Такие элементы называются компонентами и выполняют определенную задачу. Эти договоренности могут быть разной сложности и вида — от самых простых до самых сложных. ИС используются для изготовления компьютеров, различной компьютерной техники и другого оборудования, в том числе промышленного и бытового. Подробнее о структуре, использовании и развитии интегральных схем будет рассказано в этой статье. В качестве информационного дополнения материал содержит два подробных видеоролика и один загружаемый файл по структуре ИС.

Интегральные микросхемы

По научному определению интегральные схемы — это отдельные высокотехнологичные устройства (с большим количеством электронных компонентов, заключенных в небольшой корпус), выполняющие определенную функцию или действие. Это может быть одна или несколько из этих функций. Вот список некоторых основных функций, которые выполняют интегральные схемы:

• Преобразование сигнала (например, из аналогового в цифровой и наоборот).
• Обработка сигналов (например, усиление и очистка звука)
• Операции с сигналами вычитания, сложения, умножения и деления (логические схемы)

Интегральные микросхемы представляют собой изделия, выполненные в герметичном (металлическом, пластиковом, керамическом, металлокерамическом и др.) корпусе. Микросхемы бывают разного исполнения (прямоугольные, треугольные, круглые) с разным количеством выводов: от трех (например, на стабилизаторе LM7805 до нескольких сотен на процессорах). Интегральные схемы (и оборудование на их основе) обладают неоспоримыми преимуществами:

• Высокие технологии и надежность. Ведь все микросхемы производятся на специализированных предприятиях и заводах с применением современных технологий производства. На линиях (полностью или частично) автоматизированных. При производстве микросхем (особенно в юго-восточных странах) также используется живой труд, так как это дешевле, чем покупать дорогие линии. Комплексные компоненты позволяют на два-три порядка снизить трудозатраты на производство, монтаж и сборку различного оборудования. При проектировании и изготовлении такого оборудования сокращается количество различных паяных соединений, часто являющихся причиной выхода оборудования из строя. Микросхемы более надежны, чем дискретные элементы, так как ошибки сборки уменьшаются на 3-4 порядка. Интегрированные компоненты (например, один логический элемент с 16 выводами) паять проще и намного быстрее, чем более 20 дискретных элементов (выполняющих одну и ту же функцию) с 60 выводами. Только микросхемы обеспечивают надежность систем управления в различных системах управления, в компьютерах, в околоземном космосе на космических станциях и так далее.
• Интегрированные компоненты (и их оборудование) небольшие и легкие.
• Микросхемы сокращают процесс разработки нового изделия (устройства), так как можно использовать готовые, уже опробованные, миниатюрные блоки и сборки. И таким образом внедрение нового продукта в производство значительно сокращается.
• Многие интегральные элементы выпускаются серийно (например, микросхемы в домофонах, в игрушках, в компьютерных клавиатурах и мышах и т д.). Это снижает стоимость микросхемы и всего изделия в целом.
• Интегрированные элементы уменьшают количество компонентов в создаваемом продукте, уменьшают количество операций, что (в конечном итоге) приводит к упрощению организации современного производства.

Микросхемы делятся на два типа: 1 — интегральные полупроводниковые схемы; 2 — гибридные интегральные схемы. Полупроводниковые интегральные элементы представляют собой кристалл, в недрах которого выполнены все элементы схемы. Изоляция различных элементов осуществляется с помощью (так называемых) «p-n» переходов. Гибридные интегральные схемы изготавливаются по «пленочной» технологии и представляют собой пластину (подложку) из диэлектрического материала. Наносится (в виде пленки) на плоские детали (резисторы, дроссели, конденсаторы и т д.) и соединения. Также сопротивление резисторов может быть 105 Ом, емкость конденсаторов 103 пФ, а дроссели имеют индуктивность около 10 мкГн — не более. Транзисторы, диоды, магнитные элементы, конденсаторы емкостью более 103 пФ и электролиты изготавливаются методом поверхностного монтажа. Гибридные интегральные схемы имеют более высокую точность параметров (на один-два порядка выше), чем их твердотельные аналоги. Количество элементов внутри каждого класса микросхем может достигать нескольких тысяч.

Интегральная схема поверхностного монтажа

Степень интеграции

• В зависимости от степени интеграции для интегральных схем используются следующие названия:
• малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в одном кристалле,
• средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в одном кристалле,
• большая интегральная схема (БИС) — до 10 000 элементов в кристалле,
• очень большая интегральная схема (СБИС) — более 10 тысяч элементов в кристалле.

В прошлом использовались и устаревшие названия: сверхбольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле и гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле, но в настоящее время названия UBIS и GBIS практически не используются (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), а все схемы с числом элементов более 10 000 относятся к категории СБИС.

Элемент интегральной схемы

Часть интегральной схемы, реализующая функцию электрического радиоэлемента (резистора, диода, транзистора и т п.), причем эта часть выполнена неотделимой от других частей и не может быть выделена из самостоятельного изделия в условиях испытаний, приемки, Требования к доставке и эксплуатации. Компонент интегральной схемы, в отличие от элемента, может быть выделен как самостоятельное изделие с указанной выше точки зрения. По своему конструктивному и технологическому назначению интегральные схемы принято делить на:

• полупроводники;
• гибридный;
• фильм.

В полупроводниковой схеме все элементы и взаимосвязи выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. В таких схемах нет компонентов. Это наиболее распространенный тип интегральной схемы. Интегральная схема называется гибридной, если она содержит компоненты и (или) отдельные полупроводниковые кристаллы. В пленочных интегральных схемах отдельные элементы и межсоединения выполнены на поверхности диэлектрика (обычно используется керамика). При этом используются разные технологии нанесения пленок из подходящих материалов. По своим функциональным характеристикам интегральные схемы делятся на аналоговые (операционные усилители, вторичные источники питания и т д.) и цифровые (логические элементы, триггеры и т д.).

Краткая историческая справка

Первые опыты по созданию полупроводниковых интегральных схем были проведены в 1953 г., а промышленное производство интегральных схем началось в 1959 г. В 1966 г налажен выпуск интегральных схем со средней степенью интеграции (число элементов в кристалле до 1000) началось. В 1969 году были созданы интегральные схемы с большей степенью интеграции (крупномасштабные интегральные схемы, БИС), содержащие до 10 000 элементов в кристалле.

1971 г были разработаны микропроцессоры, а в 1975 г. — сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), содержащие более 10 000 элементов на кристалле. Полезно отметить, что предельная частота биполярных транзисторов в полупроводниковых интегральных схемах достигает 15 ГГц и более. Система обозначений. Символ для интегральных схем включает в себя наиболее важные классификационные признаки.

• Первый элемент – это число, соответствующее группе дизайна и технологии. Цифры 1, 5, 6 и 7 в первом элементе обозначают интегральные полупроводниковые схемы. Гибридные ИС имеют номера 2, 4 и 8. Пленочные, вакуумные и керамические интегральные схемы имеют номер 3.
• Второй элемент, определяющий порядковый номер разработки серии, состоит из двух (от 00 до 99) или трех (от 000 до 999) цифр.
• Третий элемент, обозначающий подгруппу и тип микросхемы, состоит из двух букв.
• Четвертый элемент, обозначающий порядковый номер разработки микросхемы данной серии, состоит из одной или нескольких цифр.

К этим основным элементам обозначений микросхем можно добавить и другие классификационные признаки.

Структура интегральной схемы Дополнительная буква в начале четырехэлементного обозначения указывает на конструктивную особенность:

• П — пластиковый корпус типа ДИП;
• А — план корпуса из пластмассы;
• Е — металлополимерный корпус типа ДИП;
• С — стеклокерамический корпус типа ДИП;
• А — стеклокерамический плоский корпус;
• Н — керамический «бессвинцовый» корпус.

В начале обозначения микросхем, применяемых в условиях широкого применения, ставится буква К. Дефис после обозначения указывает на число, характеризующее модификацию конструкции:

• 1 — с гибкими проводами;
• 2 — с ленточными (паутинными) проводами, в том числе на полиамидном носителе;
• 3 — с жесткими проволоками;
• 4 — на общей пластине (неразделенной);
• 5 — отделяется без потери ориентации (приклеивается к пленке);
• 6 — с контактными площадками без проводов.

Как создаются интегральные схемы?

Как сделать микросхему памяти или процессор данных? Производственный процесс начинается с химического элемента — кремния, который подвергается химической обработке (легированию) для придания различных электрических свойств. Современная версия интегральной схемы (одна из многих форм), установленная на электронной плате устройства.

Это далеко не самый продвинутый вариант, а лишь один из многих. Традиционно для нужд электроники используются две категории материалов: поле технически сложнее, особенно если речь идет о некоторых элементах в середине таблицы Менделеева (группы 14 и 15), особенно кремний и германий. Примечательно, что изоляционные материалы способны стать проводниками, если к этим материалам добавить определенное количество примесей. Процесс, известный как допинг.

Принцип легирования химических элементов

Если к кремнию добавить некоторое количество сурьмы, структура этого химического элемента насыщается большей массой электронов, чем обычно. Предусмотрена разводка электричества. «Легированный» таким образом кремний приобретает характеристику N-типа. В другом случае, когда вместо сурьмы добавляется бор, масса электронов кремния уменьшается, оставляя своего рода «дырку», которая действует как «отрицательно заряженные электроны». Благодаря «отверстиям» положительный электрический ток переносится в обратном направлении. Этот тип кремния характеризуется P-типом. Сопоставление областей кремния N-типа и P-типа помогает создать соединение, при котором поведение электронов характерно для электронных компонентов на основе полупроводников:

• диоды,
• транзисторы,
• запоминающие устройства и другие.

Увеличенное изображение интегральных схем

Структурная интегральная схема внутри чипа

Итак, процесс изготовления интегральной схемы начинается с монокристалла кремния, напоминающего по форме длинную сплошную трубку, «разрезанную» на тонкие диски — пластины. Такие пластины разделены на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых представляет собой один кремниевый чип (микрочип). Пример внутренней структуры интегральной схемы, показывающий возможности такой уникальной технологии интеграции полноценных схемотехнических решений. Затем на каждом таком чипе создаются тысячи, миллионы или даже миллиарды компонентов путем легирования различных участков поверхности — превращения его в кремний N-типа или P-типа. Легирование осуществляется различными способами. Одной из альтернатив является распыление, когда ионы в легирующем материале «бомбардируются» кремниевой пластиной. Другим вариантом является осаждение из паровой фазы, которое включает введение легирующего материала газовой фазой с последующей конденсацией. В результате такого введения примесные атомы образуют тонкую пленку на поверхности кремниевой пластины. Молекулярно-лучевая эпитаксия считается наиболее точным методом осаждения.

Конечно, создание интегральных схем кажется самым сложным процессом, когда сотни, миллионы или миллиарды компонентов упакованы в кремниевый чип размером с ноготь. Можно себе представить, какой хаос внесет даже маленькое зерно в условия работы в микроскопическом (наноскопическом) масштабе. Вот почему полупроводники производятся в безупречных лабораторных условиях.

Воздух в лабораторных помещениях тщательно фильтруется, а рабочие должны проходить через защитные шлюзы и надевать защитную одежду.

Кто создал интегральную схему?

Разработка интегральной схемы приписывается двум физикам, Джеку Килби и Роберту Нойсу, как совместное изобретение. Однако на самом деле Килби и Нойс независимо вынашивали идею интегральной схемы. Было даже своего рода соревнование между учеными за права на изобретение.

Джек Килби работал в компании Texas Instruments, когда исследователю удалось реализовать идею монолитного принципа размещения на кремниевой микросхеме различных частей электронной схемы. Исследователь вручную изготовил первую в мире интегральную схему (1958 г.) с использованием микросхемы на основе германия. Год спустя Texas Instruments подала заявку на патент. Тем временем представитель другой компании Fairchild Semiconductor Роберт Нойс экспериментировал с миниатюрными схемами своего устройства.

С помощью ряда фотографических и химических методов (процесс планирования) исследователь всего через год Килби создал практическую интегральную схему. Способ производства также был представлен вместе с патентной заявкой.