Главная → Интернет → Первая интегральная микросхема родилась в. Что такое интегральная микросхема (ИМС). функциональный контроль ИС и тестовых схем

Первая интегральная микросхема родилась в. Что такое интегральная микросхема (ИМС). функциональный контроль ИС и тестовых схем

6 февраля 1959 года, ровно 55 лет назад , Федеральное патентное ведомство США выдало патент на изобретение интегральной микросхемы компании Texas Instruments. Тем самым было официально признано рождение технологии, не будь которой, мы сегодня не имели бы под рукой подавляющего большинства привычных нам электронных приборов и связанных с ними возможностей.

Идея интегральной микросхемы в конце 50-х, как говорится, носилась в воздухе. Уже был создан транзистор; стремительно развивавшаяся радио- и телевизионная схемотехника, не говоря уже о компьютерной, требовала поиска решений для миниатюризации; потребительский рынок нуждался в удешевлении аппаратуры. Идея выкинуть из схемы на полупроводниковых транзисторах и диодах всё лишнее (монтажные панели, провода, корпуса и изоляторы), собрав в один «кирпич» её суть - n-p-переходы, - неминуемо должна была прийти в голову кому-нибудь.

Так и случилось. Пришла. Причём сразу нескольким талантливым инженерам, но лишь одного из них сегодня принято считать «отцом интегральной микросхемы» – Джека Килби, сотрудника Texas Instruments, удостоенного в 2000 году Нобелевской премии по физике за изобретение интегральной микросхемы. 24 июля 1958 года идея нового прибора была им записана в рабочий дневник, 12 сентября он продемонстрировал работающий образец микросхемы, подготовил и подал заявку на патент, а 6 февраля 1959-го получил его.

Справедливости ради следует признать, что конструкция германиевой микросхемы Килби была практически непригодна для промышленного освоения, чего нельзя сказать о разработанной Робертом Нойсом кремниевой планарной микросхеме.

Роберт Нойс, работавший в компании Fairchald Semiconductor (он являлся и одним из основателей этой фирмы) практически одновременно и независимо от Килби разработал свой вариант конструкции интегральной микросхемы, запатентовал его и… вверг на 10 лет Texas Instruments и Fairchald Semiconductor в непрерывную патентную войну, завершившуюся 6 ноября 1969 года решением апелляционного суда США по делам патентов и таможенных сборов, согласно которому единственным изобретателем микросхемы должен считаться… Роберт Нойс! Верховный суд США подтвердил это решение.

Впрочем, ещё до вынесения судебного вердикта, в 1966 году, компании договорились о признании друг за другом равных прав на интегральную микросхему, а оба изобретателя - Килби и Нойс были удостоены одинаковых высших наград научного и инженерного сообществ США: National Medal of Science и National Medal of Technology.

А ведь были и другие, кто гораздо раньше Килби и Нойса формулировали принцип конструкции и даже патентовали интегральную микросхему. Немецкий инженер Вернер Якоби в своём патенте 1949 года рисует конструкцию микросхемы из 5 транзисторов на общей подложке. 7 мая 1952-го английский радиоинженер Джеффри Даммер описал принцип интеграции компонентов схемы в единый блок в своём публичном выступлении на симпозиуме, посвящённом электронным компонентам в Вашингтоне (на этом симпозиуме, кстати, присутствовал и Джек Килби); в 1957-м он представил действующий образец первой в мире интегральной микросхемы-триггера на 4 транзисторах. Спецы из военного ведомства Англии новинку не поняли и не оценили её потенциала. Работы закрыли. Впоследствии на родине Даммера назвали «пророком интегральной микросхемы», его приглашали участвовать во многих национальных и международных проектах по развитию электронных технологий.

В США в октябре того же года Бернар Оливер подал заявку на патент, где описывал способ изготовления монолитного блока из трёх планарных транзисторов. 21 мая 1953 года инженер Харвик Джонсон подал заявку на несколько способов формирования разнообразных электронных компонентов схем в одном кристалле. Забавно, что один из вариантов, предложенных Джонсоном, 6 лет спустя был независимо реализован и запатентован Джеком Килби. Потрясающе!

Подробные биографии всех изобретателей интегральной микросхемы, описания событий и обстоятельств великого, не побоюсь этого слова, изобретения сегодня легко может найти каждый желающий: всё это есть в Сети. Мне же, в день рождения микросхемы, хотелось бы «дать слово» всем троим: Джеффри Даммеру, Джеку Килби и Роберту Нойсу. В разное время в интервью они делились воспоминаниями «как это было», своими мыслями и переживаниями. Я выбрал некоторые высказывания, которые мне показались интересными…

Джеффри Даммер:
«С появлением транзистора и работ по полупроводникам в целом сегодня, по-видимому, можно ставить вопрос о создании электронного оборудования в виде твёрдого блока без каких-либо соединительных проводов. Этот блок может состоять из слоёв изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих сигнал материалов. Задание электронных функций компонентов и их соединение должным образом может быть выполнено путём вырезания участков отдельных слоёв».
«В одной из своих книг я объяснил причину своей неудачи большой усталостью от бесконечных бюрократических войн, но, возможно, дело не только в этом. Факт в том, что никто не хотел рисковать. Военное министерство не будет заключать контракт на устройство, не доведённое до промышленного образца. Отдельные разработчики не захотели браться за неизвестное им дело. Это ситуация курицы и яйца. Американцы - финансовые авантюристы, а в этой стране (имеется в виду Англия. - Ю. Р. ) всё происходит слишком медленно».

Джек Килби:
«После того как транзистор вышел на сцену, вновь возродился интерес к тому, что некоторое время назад стали называть «миниатюризация». Она никогда не была самоцелью, но для огромного числа применений представлялось очень удобным собрать побольше компонентов в одном месте и упаковать их поплотнее. А тут ещё военно-морской флот начал проект по бесконтактным взрывателям. Им очень нужно было устройство, где все электронные компоненты собраны на пластине в квадратный дюйм, не более. Они уже потратили изрядное количество денег, но так и не получили желаемого… Транзистор решил все проблемы. В общем, и тогда и сейчас, если у вас есть новый продукт и он представляет интерес для военных или вы можете так устроить, что он заинтересует военных, то вы, как правило, без проблем будете работать, потому что у вас будет финансирование. Это было справедливо и в те далёкие времена, это справедливо и сейчас».

«Главным мотивом работы над интегральной схемой было снижение издержек производства аппаратуры. Правда, я тогда не очень представлял себе масштабов возможного удешевления и того, насколько фактор дешевизны расширит поле применения электроники в совершенно различных областях. В 1958 году один кремниевый транзистор, который вдобавок не очень-то хорошо продавался, стоил около $10. Сегодня за $10 можно купить более 100 млн транзисторов. Я такого не мог предвидеть. И уверен, никто не предполагал возможности такого».

«Разрабатывать первый микрокалькулятор (на фото) мы начали, чтобы расширить рынок интегральных микросхем: для них важен массовый рынок. Первые калькуляторы мы продавали по $500, сегодня они продаются по $4–5 и стали одноразовым продуктом. Это - к вопросу об удешевлении».

«Является ли изобретение интегральной микросхемы моим самым главным достижением в жизни? О, безусловно!..»

Роберт Нойс:
«В Fairchild мы начали работать в рамках инженерного проекта, который военные называли “молекулярной инженерией ”. Он финансировался ВВС. Предполагалось, что мы должны создать некую структуру, построенную из конструкций «молекула-на-молекуле» или даже «атом-на-атоме». И такая структура должна выполнять функции электронного прибора. Это было не совсем по нашему профилю, поскольку сила электронной промышленности всегда была в том, чтобы синтезировать что-то из простых элементов, а не пытаться изобрести сложный элемент. Создаются простые элементы схемы: конденсаторы, резисторы, усилительные элементы, диоды и т. п., а затем из них синтезируют требуемую функцию. В общем, с молекулярной инженерией что-то пошло не так».

«Вы спрашиваете, было ли это в первую очередь маркетинговое решение - заниматься интегральными схемами. Я думаю, что нет. Я думаю, что большинство достижений такого рода не было предсказано маркетологами и сознательно ими не подготавливалось. Они скорее возникали из логики технического прогресса. То время можно было бы охарактеризовать так: «Теперь мы можем вот это сделать. Почему бы вам не попробовать это продать?» А сегодня кто-то из маркетинга приходит и говорит: «Если бы имели вот это, то мы могли бы это продать». Чувствуете, где различие? В случае с интегральной схемой самое захватывающее было чувство, что существует необходимость в этом приборе. У всех. У военных, у гражданских… Понимаете - у всех!»

12 сентября 1958 года сотрудник фирмы Texas Instruments (TI) Джек Килби продемонстрировал руководству странный прибор - склеенный пчелиным воском на стеклянной подложке устройство из двух кусочков кремния размером 11,1х1,6 мм. Это был объёмный макет – прототип интегральной схемы (ИС) генератора, доказывающий возможность изготовления всех элементов схемы на основе одного полупроводникового материала. Эта дата отмечается в истории электроники как день рождения интегральных схем.

К интегральным схемам (микросхемам, ИС) относятся электронные устройства различной сложности, в которых все однотипные элементы изготавливаются одновременно в едином технологическом цикле, т.е. по интегральной технологии. В отличие от печатных плат (в которых в едином цикле по интегральной технологии одновременно изготавливаются все соединительные проводники) в ИС аналогично формируются и резисторы, и конденсаторы, и диоды и транзисторы. Кроме того, одновременно изготавливается много ИС, от десятков, до тысяч

Раньше различали две группы ИС: гибридные и полупроводниковые

В гибридных ИС (ГИС) на поверхности подложки микросхемы (как правило, из керамики) по интегральной технологии формируются все проводники и пассивные элементы. Активные элементы в виде бескорпусных диодов, транзисторов и кристаллов полупроводниковых ИС, устанавливаются на подложку индивидуально, вручную или автоматами

В полупроводниковых ИС соединительные, пассивные и активные элементы формируются в едином технологическом цикле на поверхности полупроводникового материала с частичным вторжением в его объём методами диффузии. Одновременно на одной пластине полупроводника изготавливается от нескольких десятков до нескольких тысяч ИС

Первые гибридные ИС.

ГИС является продуктом эволюционного развития микромодулей и технологии монтажа на керамических платах. Поэтому появились они незаметно, общепринятой даты рождения ГИС и общепризнанного автора не существует

Полупроводниковые ИС были естественным и неизбежным результатом развития полупроводниковой техники, но потребовавшим генерации новых идей и создания новой технологии, у которых есть и свои даты рождения, и свои авторы

Первые гибридные и полупроводниковые ИС появились в СССР и США почти одновременно и независимо друг от друга

Еще в конце 1940-х годов в фирме Centralab в США были разработаны основные принципы изготовления толстоплёночных печатных плат на керамической основе

А в начале 1950-х годов в фирме RCA изобрели тонкоплёночную технологию: распыляя в вакууме различные материалы и осаждая их через маску на специальные подложки, научились на единой керамической подложке одновременно изготавливать множество миниатюрных плёночных соединительных проводников, резисторов и конденсаторов

По сравнению с толстоплёночной, тонкоплёночная технология обеспечивала возможность более точного изготовления элементов топологии меньших размеров, но требовала более сложного и дорогостоящего оборудования. Устройства, изготавливаемые на керамических платах по толстоплёночной или тонкоплёночной технологии, получили название “гибридные схемы”

Но гибридной интегральной схемой микромодуль стал в тот момент, когда в нём применили бескорпусные транзисторы и диоды и герметизировали конструкцию в общем корпусе

В СССР

Первые ГИС (модули типа “Квант” позже получившие обозначение ИС серии 116) в СССР были разработаны в 1963 г. в НИИРЭ (позже НПО “Ленинец”, Ленинград) и в том же году его опытный завод начал их серийное производство. В этих ГИС в качестве активных элементов использовались полупроводниковые ИС “Р12-2” , разработанные в 1962 г. Рижским заводом полупроводниковых приборов

Бесспорно, модули “Квант” были первыми в мире ГИС с двухуровневой интеграцией – в качестве активных элементов в них использовались не дискретные бескорпусные транзисторы, а полупроводниковые ИС

В США

Появление толстоплёночных ГИС, как основной элементной базы новой ЭВМ IBM System /360, впервые было анонсировано корпорации IBM в 1964 г

Полупроводниковые ИС серий “Micrologic” фирмы Fairchild и «SN-51" фирмы TI были ещё недоступно редки и непозволительно дороги для коммерческого применения, построение большой ЭВМ. Поэтому корпорация IBM, взяв за основу конструкцию плоского микромодуля, разработала свою серию толстоплёночных ГИС, анонсированную под общим названием (в отличие от “микромодулей”) – “SLT-модули” (Solid Logic Technology – технология цельной логики. Обычно слово “solid ” переводят на русский язык как “твёрдый”, что абсолютно нелогично. Действительно, термин “SLT-модули” был введен IBM как противопоставление термину “микромодуль” и должен отражать их отличие. У слова “solid” есть и другие значения – “сплошной”, “целый”, которые удачно подчеркивают различие “SLT-модулей” и “микромодулей”

SLT-модуль представлял собой квадратную керамическую толстоплёночную микроплатку с впрессованными вертикальными штыревыми выводами. На её поверхность методом шелкографии наносились соединительные проводники и резисторы, и устанавливались бескорпусные транзисторы. Конденсаторы, при необходимости, устанавливались рядом с SLT-модулем

При внешней почти идентичности (микромодули несколько повыше) SLT-модули от плоских микромодулей отличались более высокой плотностью компоновки элементов, низким энергопотреблением, высоким быстродействием и высокой надёжностью

Кроме того, SLT-технология достаточно легко автоматизировалась, следовательно их можно было выпускать достаточно низкой для применения в коммерческой аппаратуре стоимости. Именно это IBM и было нужно. Вслед за IBM ГИС начали выпускать и другие фирмы, для которых ГИС стала товарной продукцией.

Осуществление этих предложений в те годы не могло состояться из-за недостаточного развития технологий.

В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности состоялся прорыв. Три человека, представлявшие три частные американские корпорации, решили три фундаментальные проблемы, препятствовавшие созданию интегральных схем. Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип объединения, создал первые, несовершенные, прототипы ИС и довёл их до серийного производства. Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированных на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом (англ. P–n junction isolation )). Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии Жана Эрни (англ. Jean Hoerni ). 27 сентября 1960 года группа Джея Ласта (англ. Jay Last ) создала на Fairchild Semiconductor первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни. Texas Instruments , владевшая патентом на изобретение Килби, развязала против конкурентов патентную войну, завершившуюся в 1966 году мировым соглашением о перекрёстном лицензировании технологий.

Ранние логические ИС упомянутых серий строились буквально из стандартных компонентов, размеры и конфигурации которых были заданы технологическим процессом. Схемотехники, проектировавшие логические ИС конкретного семейства, оперировали одними и теми же типовыми диодами и транзисторами. В 1961-1962 гг. парадигму проектирования сломал ведущий разработчик Sylvania Том Лонго , впервые использовав в одной ИС различные конфигурации транзисторов в зависимости от их функций в схеме. В конце 1962 г. Sylvania выпустила в продажу первое семейство разработанной Лонго транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) - исторически первый тип интегральной логики, сумевший надолго закрепиться на рынке. В аналоговой схемотехнике прорыв подобного уровня совершил в 1964-1965 годах разработчик операционных усилителей Fairchild Боб Видлар .

Первая отечественная микросхема была создана в 1961 году в ТРТИ (Таганрогском Радиотехническом Институте) под руководством Л. Н. Колесова . Это событие привлекло внимание научной общественности страны, и ТРТИ был утверждён головным в системе минвуза по проблеме создания микроэлектронной аппаратуры высокой надёжности и автоматизации её производства. Сам же Л. Н. Колесов был назначен Председателем координационного совета по этой проблеме.

Первая в СССР гибридная толстоплёночная интегральная микросхема (серия 201 «Тропа») была разработана в 1963-65 годах в НИИ точной технологии («Ангстрем »), серийное производство с 1965 года. В разработке принимали участие специалисты НИЭМ (ныне НИИ «Аргон») .

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была создана на основе планарной технологии , разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ («Микрон »). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов - эквивалент схемотехнической сложности триггера , аналога американских ИС серии SN -51 фирмы Texas Instruments ). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились в НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским полупроводниковым заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты . Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год) .

Параллельно работа по разработке интегральной схемы проводилась в центральном конструкторском бюро при Воронежском заводе полупроводниковых приборов (ныне - ). В 1965 году во время визита на ВЗПП министра электронной промышленности А. И. Шокина заводу было поручено провести научно-исследовательскую работу по созданию кремниевой монолитной схемы - НИР «Титан» (приказ министерства от 16.08.1965 г. № 92), которая была досрочно выполнена уже к концу года. Тема была успешно сдана Госкомиссии, и серия 104 микросхем диодно-транзисторной логики стала первым фиксированным достижением в области твердотельной микроэлектроники, что было отражено в приказе МЭП от 30.12.1965 г. № 403.

Уровни проектирования

В настоящее время (2014 г.) большая часть интегральных схем проектируется при помощи специализированных САПР , которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить производственные процессы , например, получение топологических фотошаблонов.

Классификация

Степень интеграции

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

малая интегральная схема (МИС) - до 100 элементов в кристалле,
средняя интегральная схема (СИС) - до 1000 элементов в кристалле,
большая интегральная схема (БИС) - до 10 тыс. элементов в кристалле,
сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - более 10 тыс. элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь уже устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) - от 1-10 млн до 1 млрд элементов в кристалле и, иногда, гигабольшая интегральная схема (ГБИС) - более 1 млрд элементов в кристалле. В настоящее время, в 2010-х, названия «УБИС» и «ГБИС» практически не используются, и все микросхемы с числом элементов более 10 тыс. относят к классу СБИС.

Технология изготовления

Гибридная микросборка STK403-090, извлечённая из корпуса

Полупроводниковая микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния , германия , арсенида галлия).

Плёночная интегральная микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок :
- толстоплёночная интегральная схема;
- тонкоплёночная интегральная схема.
Гибридная микросхема (часто называемая микросборкой ), содержит несколько бескорпусных диодов, бескорпусных транзисторов и(или) других электронных активных компонентов. Также микросборка может включать в себя бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты микросборки (резисторы , конденсаторы , катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей, обычно керамической подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.
Смешанная микросхема - кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.

Вид обрабатываемого сигнала

Аналого-цифровые.

Технологии изготовления

Типы логики

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах - самые экономичные (по потреблению тока):
- МОП -логика (металл-оксид-полупроводник логика) - микросхемы формируются из полевых транзисторов n -МОП или p -МОП типа;
- КМОП -логика (комплементарная МОП-логика) - каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n -МОП и p -МОП).
Микросхемы на биполярных транзисторах :
- РТЛ - резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);
- ДТЛ - диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);
- ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика - микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;
- ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки - усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки ;
- ЭСЛ - эмиттерно-связанная логика - на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, - что существенно повышает быстродействие;
- ИИЛ - интегрально-инжекционная логика.
Микросхемы, использующие как полевые, так и биполярные транзисторы:

Используя один и тот же тип транзисторов, микросхемы могут создаваться по разным методологиям, например, статической или динамической .

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость к статическому электричеству - достаточно коснуться рукой вывода микросхемы, и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но и наиболее энергопотребляющими, и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

Технологический процесс

При изготовлении микросхем используется метод фотолитографии (проекционной, контактной и др.), при этом схему формируют на подложке (обычно из кремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины. Ввиду малости линейных размеров элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолетового излучения при засветке отказались.

Следующие процессоры изготавливали с использованием УФ-излучения (эксимерный лазер ArF, длина волны 193 нм). В среднем внедрение лидерами индустрии новых техпроцессов по плану ITRS происходило каждые 2 года, при этом обеспечивалось удвоение количества транзисторов на единицу площади: 45 нм (2007), 32 нм (2009), 22 нм (2011) , производство 14 нм начато в 2014 году , освоение 10 нм процессов ожидается около 2018 года.

В 2015 году появились оценки, что внедрение новых техпроцессов будет замедляться .

Контроль качества

Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры .

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченной, сколь угодно сложной, функциональностью - вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

Ана́логовая интегра́льная (микро )схе́ма (АИС , АИМС ) - интегральная схема, входные и выходные сигналы которой изменяются по закону непрерывной функции (то есть являются аналоговыми сигналами).

Лабораторный образец аналоговой ИС был создан фирмой Texas Instruments в США в 1958 году . Это был генератор сдвига фаз . В 1962 году появилась первая серия аналоговых микросхем - SN52. В ней имелись маломощный усилитель низкой частоты , операционный усилитель и видеоусилитель .

В СССР большой ассортимент аналоговых интегральных микросхем был получен к концу 1970-х годов. Их применение позволило увеличить надёжность устройств, упростить наладку оборудования, часто даже исключить необходимость технического обслуживания в процессе эксплуатации .

Ниже представлен неполный список устройств, функции которых могут выполнять аналоговые ИМС. Зачастую одна микросхема заменяет сразу несколько таковых (например, К174ХА42 вмещает в себя все узлы супергетеродинного ЧМ радиоприёмника ).

Фильтры (в том числе на пьезоэффекте).
Аналоговые умножители .
Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители .
Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока .
Микросхемы управления импульсных блоков питания.
Преобразователи сигналов.
Различные датчики .

Аналоговые микросхемы применяются в аппаратуре звукоусиления и звуковоспроизведения, в видеомагнитофонах , телевизорах , технике связи, измерительных приборах, аналоговых вычислительных машинах , и т. д.

В аналоговых компьютерах

Операционные усилители (LM101, μA741).

В блоках питания

Микросхема стабилизатора напряжения КР1170ЕН8

Линейные стабилизаторы напряжения (КР1170ЕН12, LM317).
Импульсные стабилизаторы напряжения (LM2596, LM2663).

В видеокамерах и фотоаппаратах

ПЗС-матрицы (ICX404AL).
ПЗС-линейки (MLX90255BA).

В аппаратуре звукоусиления и звуковоспроизведения

Усилители мощности звуковой частоты (LA4420, К174УН5, К174УН7).
Сдвоенные УМЗЧ для стереофонической аппаратуры (TDA2004, К174УН15, К174УН18).
Различные регуляторы (К174УН10 - двухканальный УМЗЧ с электронной регулировкой частотной характеристики, К174УН12 - двухканальный регулятор громкости и баланса).

В измерительных приборах В радиопередающих и радиоприёмных устройствах

Детекторы АМ сигнала (К175ДА1).
Детекторы ЧМ сигнала (К174УР7).
Смесители (К174ПС1).
Усилители высокой частоты (К157ХА1).
Усилители промежуточной частоты (К157ХА2, К171УР1).
Однокристальные радиоприёмники (К174ХА10).

В телевизорах

В радиоканале (К174УР8 - усилитель с АРУ , детектор ПЧ изображения и звука, К174УР2 - усилитель напряжения ПЧ изображения, синхронный детектор, предварительный усилитель видеосигнала, система ключевой автоматической регулировки усиления).
В канале цветности (К174АФ5 - формирователь цветовых R-, G-, B-сигналов, К174ХА8 - электронный коммутатор, усилитель-ограничитель и демодулятор сигналов цветовой информации).
В узлах развёртки (К174ГЛ1 - генератор кадровой развёртки).
В цепях коммутации, синхронизации, коррекции и управления (К174АФ1 - амплитудный селектор синхросигнала, генератор импульсов строчной частоты, узел автоматической подстройки частоты и фазы сигнала, формирователь задающих импульсов строчной развёртки, К174УП1 - усилитель яркостного сигнала, электронный регулятор размаха выходного сигнала и уровня «чёрного»).

Производство

Переход к субмикронным размерам интегральных элементов усложняет проектирование АИМС. Например, МОП -транзисторы с малой длиной затвора имеют ряд особенностей, ограничивающих их применение в аналоговых блоках: высокий уровень низкочастотного фликкерного шума ; сильный разброс порогового напряжения и крутизны, приводящий к появлению большого напряжения смещения дифференциальных и операционных усилителей; малая величина выходного малосигнального сопротивления и усиления каскадов с активной нагрузкой ; невысокое пробивное напряжение p-n-переходов и промежутка сток -исток , вызывающее снижение напряжения питания и уменьшение динамического диапазона .

В настоящее время аналоговые микросхемы производятся многими фирмами: Analog Devices , Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments и др.

Цифровые схемы

Цифровая интегральная микросхема (цифровая микросхема) - это интегральная микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов , изменяющихся по закону дискретной функции.

В основе цифровых интегральных микросхем лежат транзисторные ключи, способные находиться в двух устойчивых состояниях: открытом и закрытом. Использование транзисторных ключей даёт возможность создавать различные логические, триггерные и другие интегральные микросхемы. Цифровые интегральные микросхемы применяют в устройствах обработки дискретной информации электронно-вычислительных машин (ЭВМ), системах автоматики и т. п.

Буферные преобразователи
(Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)
Микросхемы и модули памяти
ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» - что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» - (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения , во втором - через него не идёт ток . В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (активном) состоянии.
Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка состояния возможна при таком уровне помех, когда высокий уровень интерпретируется как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов , позволяющих исправлять ошибки.
Большая разница уровней состояний сигналов высокого и низкого уровня (логических «0» и «1») и достаточно широкий диапазон их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора компонентов и настройки элементами регулировки в цифровых устройствах.

Аналого-цифровые схемы

Аналого-цифровая интегральная схема (аналого-цифровая микросхема) - интегральная схема, предназначенная для преобразования сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции , в сигналы, изменяющиеся по закону непрерывной функции , и наоборот.

Зачастую одна микросхема выполняет функции сразу нескольких устройств (например, АЦП последовательного приближения содержат в себе ЦАП, поэтому могут выполнять двусторонние преобразования). Список устройств (неполный), функции которых могут выполнять аналого-цифровые ИМС:

цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
аналоговые мультиплексоры (в то время как цифровые (де)мультиплексоры являются исключительно цифровыми ИМС, аналоговые мультиплексоры содержат элементы цифровой логики (обычно дешифратор) и могут содержать аналоговые схемы);
приёмопередатчики (например, сетевой приёмопередатчик интерфейса Ethernet );
модуляторы и демодуляторы ;
- радиомодемы;
- декодеры телетекста, УКВ-радио-текста ;
- приёмопередатчики Fast Ethernet и оптических линий;
- Dial-Up модемы;
- приёмники цифрового ТВ;
- датчик оптической компьютерной мыши;
микросхемы питания электронных устройств - стабилизаторы, преобразователи напряжения, силовые ключи и др.;
цифровые аттенюаторы ;
схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ);
генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации;
базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые схемы.

Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия - это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Корпуса

Корпуса интегральных микросхем, предназначенные для поверхностного монтажа

Микросборка с бескорпусной микросхемой, разваренной на печатной плате

Специфические названия

Мировой рынок

В 2017 году мировой рынок интегральных схем оценивался в 700 млрд. долл.

полупроводника . Осуществление этих предложений в те годы не могло состояться из-за недостаточного развития технологий.

Ранние логические ИС упомянутых серий строились буквально из стандартных компонентов, размеры и конфигурации которых были заданы технологическим процессом. Схемотехники, проектировавшие логические ИС конкретного семейства, оперировали одними и теми же типовыми диодами и транзисторами. В 1961-1962 гг. парадигму проектирования сломал ведущий разработчик Sylvania Том Лонго, впервые использовав в одной ИС различные конфигурации транзисторов в зависимости от их функций в схеме. В конце 1962 г. Sylvania выпустила в продажу первое семейство разработанной Лонго транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) - исторически первый тип интегральной логики, сумевший надолго закрепиться на рынке. В аналоговой схемотехнике прорыв подобного уровня совершил в 1964-1965 годах разработчик операционных усилителей Fairchild Боб Видлар .

Уровни проектирования

Классификация

Степень интеграции

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

малая интегральная схема (МИС) - до 100 элементов в кристалле,
средняя интегральная схема (СИС) - до 1000 элементов в кристалле,
большая интегральная схема (БИС) - до 10 тыс. элементов в кристалле,
сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - более 10 тыс. элементов в кристалле.

Технология изготовления

Полупроводниковая микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния , германия , арсенида галлия , оксида гафния).

Плёночная интегральная микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок :
- толстоплёночная интегральная схема;
- тонкоплёночная интегральная схема.
Гибридная микросхема (часто называемая микросборкой ), содержит несколько бескорпусных диодов, бескорпусных транзисторов и(или) других электронных активных компонентов. Также микросборка может включать в себя бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты микросборки (резисторы , конденсаторы , катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей, обычно керамической подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.
Смешанная микросхема - кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.

Вид обрабатываемого сигнала

Технологии изготовления

Типы логики

Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах - самые экономичные (по потреблению тока):
- МОП -логика (металл-оксид-полупроводник логика) - микросхемы формируются из полевых транзисторов n -МОП или p -МОП типа;
- КМОП -логика (комплементарная МОП-логика) - каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n -МОП и p -МОП).
Микросхемы на биполярных транзисторах :
- РТЛ - резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);
- ДТЛ - диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);
- ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика - микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;
- ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки - усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки ;
- ЭСЛ - эмиттерно-связанная логика - на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, - что существенно повышает быстродействие;
- ИИЛ - интегрально-инжекционная логика.
Микросхемы, использующие как полевые, так и биполярные транзисторы:

Технологический процесс

В 2015 году появились оценки, что внедрение новых техпроцессов будет замедляться .

Контроль качества

Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры .

Назначение

Аналоговые схемы

Фильтры (в том числе на пьезоэффекте).
Аналоговые умножители .
Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители .
Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока .
Микросхемы управления импульсных блоков питания.
Преобразователи сигналов.
Схемы синхронизации .
Различные датчики (например, температуры).

Цифровые схемы

Буферные преобразователи
(Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)
Микросхемы и модули памяти
ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» - что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» - (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения , во втором - через него не идёт ток . В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (активном) состоянии.
Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка состояния возможна при таком уровне помех, когда высокий уровень интерпретируется как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов , позволяющих исправлять ошибки.
Большая разница уровней состояний сигналов высокого и низкого уровня (логических «0» и «1») и достаточно широкий диапазон их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора компонентов и настройки элементами регулировки в цифровых устройствах.

Аналого-цифровые схемы

цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet );
модуляторы и демодуляторы ;
- радиомодемы
- декодеры телетекста, УКВ-радио-текста
- трансиверы Fast Ethernet и оптических линий
- Dial-Up модемы
- приёмники цифрового ТВ
- сенсор оптической «мыши»
микросхемы питания электронных устройств - стабилизаторы, преобразователи напряжения, силовые ключи и др.;
цифровые аттенюаторы ;
схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ);
генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации;
базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые схемы;

Серии микросхем

Корпуса

Специфические названия

Правовая защита

Законодательство России предоставляет правовую охрану топологиям интегральных микросхем. Топологией интегральной микросхемы является зафиксированное на материальном носителе пространственно-геометрическое расположение совокупности элементов интегральной микросхемы и связей между ними (ст. 1448

В первых числах февраля 2014 года был отмечено пятидесятипяти летие с момента появления в мировом сообществе такой неотъемлемой части современной схемотехники, как интегральная микросхема.

Напоминаем, в 1959 году Федеральное патентное ведомство соединенных Штатов Америки выдало патент компании Texas Instruments на создание интегральной микросхемы.

Данное событие было отмечено как зарождение эпохи электроники и всех вытекающих от ее использования благ.

Действительно, интегральная микросхема является основой большинства известных нам электроприборов.

Впервые идея создания интегральной микросхемы возникла в начале пятидесятых годов прошлого века. Главным аргументом ее появления являлась миниатюризация и сокращение стоимости электроприборов. Долгое время мысли о ее реализации просто витали в воздухе, несмотря на то что в мире активно развивались такие ответвления схемотехники, как телевидение и радио, а также компьютерные технологии.

Создание интегральной микросхемы предполагало отказ от лишних проводов, монтажных панелей, изоляции при производстве схемотехники на диодах и полупроводниковых транзисторах. Однако реализовать подобные мысли долгое время никому никак не удавалось. Только после активных работ такого талантливого и хорошо известного современным ученым инженера, как Джек Килби (лауреат Нобелевской премии по физике за изобретение интегральной микросхемы в 2000 году), в 1958 году была представлена первая микросхема. Спустя почти полгода, изобретение было запатентовано компанией, на которую работал Килби (Texas Instruments).

Конечно, сейчас можно констатировать тот факт, что первая микросхема германского ученого Килби была совершенно непригодной к эксплуатации. Однако на ее основе были созданы все более поздние интегральные микросхемы, одной из которых стала технология Роберта Нойса - кремниевая планарная микросхема.

Р. Нойс занимал высокую должность в компании Fairchald Semiconductor, точнее, он был одним из ее основателей. Работа Нойса была запатентована почти сразу же после получения патента Килби. Однако в отличие от микросхемы Килби, разработка Нойса получила востребованность среди основных производителей электротехники. Это стало причиной возникновения спора между компаниями Texas Instruments и Fairchald Semiconductor и последующего судебного разбирательства вплоть до 1969 года. В результате первым изобретателем микросхем был назван Нойс. Хотя подобное стечение обстоятельств нисколько не огорчило владельцев обеих компаний. Несколькими годами ранее они пришли к единому решению и признали обоих ученых основателями интегральной микросхемы с одинаковыми правами, выдав им высшие награды научного и инженерного сообществ США - National Medal of Science и National Medal of Technology.

Если хорошо покопаться в прошлом, то с уверенностью можно сказать, до того как Нойс и Килби представили миру микросхему, над этой идеей поработало достаточно большое количество ученых, которые предлагали не менее продвинутые конструкции. Среди них инженер Вернер Якоби (Германия). Его разработка была даже запатентована в 1949 году. В патенте инженер зарисовал конструкцию микросхемы из 5 транзисторов на общей подложке. Позже, в 1952 году был описан принцип интеграции компонентов схемы в единый блок английским инженером Д. Даммером. Спустя еще пятилетний период, Джеффри Даммер анонсировал первый действующий образец интегральной микросхемы-триггера, основанный на четырех транзисторах. К сожалению, английские специалисты военных подразделений по достоинству не оценили изобретения Даммера, хотя должны были. В результате все работы ученого были приостановлены. Позже изобретение Даммера назвали прародителем современных микросхем, а самого ученого - пророком интегральной микросхемы.

В 1957 году в Соединенных Штатах Америки была принята заявка другого инженера Бернара Оливера на получение патента на описанную им технологию производства монолитного блока на трех планарных транзисторах.

В числе имен пророков современной микросхемы звучат и инициалы инженера Харвика Джонсона, которых патентовал сразу несколько типов создания электронных компонентов схем на одном кристалле, но так и не получил ни одного разрешающего реализовать свои открытия документа. Один из этих способов использовал Джек Килби, которому и достались все лавры Джонсона.

Это интересно: