Интегральные микросхемы. Введение

Содержание главы:

Проектирование РЭА на ИМС

Применение интегральных микросхем (ИМС) позволяет не только уменьшить размеры радиоэлектронных аппаратуры (РЭА), но и упростить процесс ее создания.

Первая интегральная полупроводниковая монолитная микросхема была изготовлена в 1958 году Джек. С. Килби, Texas Instruments (лауреат Нобелевской премии 2000 г.). Она показана на рисунке ниже.

Другим "отцом" интегральной схемы был Роберт Нойс,одним из основателей небольшой компании Fairchild Semiconductor. Килби работал с германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения.1961 году Fairchild Semiconductor Corporation выпустила интегральные схемы в свободную продажу. Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была создана на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 ("Пульсар") коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон).

Однако проектирование РЭА на интегральных микросхемах имеет ряд особенностей. Процесс создания можно разделить на ряд этапов.

  1. Разработка и согласование технического задания (ТЗ) на аппаратуру.
  2. Синтез функциональной схемы аппаратуры.
  3. Обоснование выбора конкретных физических методов реализации функциональных преобразований.
  4. Синтез принципиальной схемы ИМС.
  5. Разработка конструкции ИМС и узлов РЭА.
  6. Разработка и обоснование выбора технологических методов изготовления ИМС.
  7. Разработка методики измерений и испытаний ИМС.

Разработка принципиальной электрической схемы (см. пункт 4) включает три этапа.

  1. Структурный синтез схемы
  2. Анализ ее параметров
  3. Принятия решения о пригодности модели

Особенности синтеза схемы:

  1. В ИМС нельзя реализовать некоторые классические дискретные элементы: трансформаторы, катушки индуктивности, конденсаторы большой емкости, настоечные элементы
  2. Не все элементы ИМС имеют аналоги среди дискретных элементов: приборы с зарядовой связью (ПЗС), логические элементы с инжекционным питанием (И2Л схемы), интегральные RC структуры.
  3. Электрические связи между элементами ИМС зависят от паразитных связей через общую подложку, поэтому принципиальная схема не полностью воспроизводит процессы и характеристики ИМС.

Можно выделить паразитные эффекты следующих типов:

В связи с тем, что существует разброс параметров компонентов ИМС, при построении математической модели широко применяются методы статистики. При этом надо иметь ввиду следующее:

На ряду с достоинствами ИМС (низкая стоимость, малые размеры и т.д.) существуют и недостатки:

  1. Диапазон номиналов значений параметров элементов ограничен
  2. Сложно сделать элементы с малыми допусками на некоторые электрические параметры
  3. Хуже частотные характеристики ИМС из-за паразитных связей

Тенденция уменьшения размеров элементов ИМС при росте объема продаж можно проиллюстрировать следующим рисунком (Джек Килби 2000 г):

В мае 2011 фирмой Altera была выпущена, по 28 нм техпроцессу, самая большая в мире микросхема, состоящая из 3,9 млрд транзисторов. Закон Мура предсказывает удвоение числа транзисторов на кристалл каждые 2 года (рисунок справа).

Содержание.

Классификация ИМС.

ИМС подразделяются на:

По ГОСТ 18682-73 полупроводниковые приборы маркируются следующим образом:

Для ИМС:

Ниже в таблице приведена маркировка некоторых ИМС.

Аналоговые ИМС.

Функциональное назначение ИМС
Обозначение
Генераторы
Г
Импульсов синусоидальной формы ГС
Импульсов специальной формы ГФ
Импульсов прямоугольной формы ГГ
Шума ГМ
Прочие ГП
Усилители
У
Низкой частоты УН
Высокой частоты УВ
Повторители УЕ
Операционные и дифференциальные УД
Постоянного тока УТ
Преобразователи
П
Частоты ПС
Фазы ПФ
Уровня ПУ
Код-аналог(ЦАП) ПА
Аналог-код (АЦП) ПВ
Модуляторы
М
Амплитудные МА
Частотные МС
Селекции и сравнения С
Амплитудные (компараторы) СА
Детекторы
Д
Амплитудные ДА
Частотные ДС
Фазовые ДФ
Импульсные ДИ
Фильтры
Ф
Высокой частоты ФВ
Низкой частоты ФН
Полосовые ФЕ
Стабилизаторы напряжения
ЕН
Коммутаторы и ключи
К
Тока КТ
Напряжения КН
Наборы
Н
Диодов НД
Транзисторов НТ
Резисторов НР
Конденсаторов НЕ
Многофункциональные схемы
Х
Аналоговые ХА
Цифровые (логические) ХЛ
Комбинированные ХК

Цифровые ИМС

Логические элементы
Л
НЕ ЛН
И-НЕ ЛА
И-ИЛИ ЛС
И ЛИ
ИЛИ ЛЛ
ИЛИ-НЕ ЛЕ
И-ИЛИ-НЕ ЛР
Расширители ЛД
Триггеры
Т
RS - триггер ТР
D- триггер ТМ
T- триггер ТТ
JK- триггер ТВ
Шмидта ТЛ
Комбинированные ТК
Формирователи
А
Импульсов прямоугольной формы АГ
Импульсов специальной формы АФ
Элементы арифм. и дискр. устр.
И
Регистры ИР
Сумматоры ИМ
Полусумматоры ИЛ
Дешифраторы ИД
Счетчики ИЕ
Схемы памяти
Р
ОЗУ матрицы РУ
ПЗУ матрицы РВ, РЕ
С УФ стиранием РФ
С электрическим стиранием РР
Мультиплексоры
МХ
Процессор
ВМ
Периферийные адаптеры
ВВ
Таймеры
ВИ

Задача

В решении задачи 8.1 перечисляются операции, которые необходимо выполнить при изготовлении транзистора.

Для изготовления кремниевого транзистора типа n-p-n используется планарно-диффузионная технология без скрытого слоя. Какие операции необходимо выполнить в рамках данного технологического цикла ? Кремниевая пластина p-типа имеет толщину 0.127-0.152 мм и удельное сопротивление 10 Ом.см. Толщина эпитаксиального слоя 0.025 мм, толщина оксидного слоя 50 нм.

Содержание.

Самоконтроль по теме
test