Интегральные микросхемы, их классификация

Интегральные микросхемы

Элементная база микроминиатюрного исполнения

Применение электронных устройств для решения современных технических задач приводит к существенному усложнению их элект­рических схем. Анализ развития электронной техники показывает, что примерно в течение 10 лет сложность электронных устройств возрастает приблизительно в 10 раз. Такой рост приводит к возник­новению в первую очередь проблемы надежности как элементов схем, так и электрических соединений между ними. Усложнение электронной аппаратуры приводит к увеличению вероятности отка­зов из-за увеличения отказов комплектующих элементов и отказов в цепях электрических соединений.

Существенное увеличение надежности возможно только при зна­чительном уменьшении числа комплектующих элементов за счет увеличения их функциональной сложности при повышении надеж­ности их работы. Создание новых комплектующих изделий стало возможным на основе внедрения в электронную технику принципов элементной интеграции, т. е. объединения в одном сложном миниа­тюрном элементе многих простых элементов (резисторов, диодов, транзисторов и т.п.). Полученный в результате такого объединения сложный микроэлемент называют интегральной микросхемой.

Интегральные микросхемы, их классификация

Интегральная микросхема - это микроэлектронные изде­лия, состоящие из активных элементов (транзисторов, диодов), пас­сивных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей) и соеди­нительных проводов, которые изготавливаются в едином технологи­ческом процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют единое целое.

Основные параметры интегральных микросхем:

• плотность упаковки (количество элементов в единице объема);

• степень интеграции (количество элементов в микро­схеме).

По степени интеграции ИМС делятся на:

I степень интеграции - до 10 элементов;

II степень интеграции - от 10 до 100 элементов;

III степень интеграции - от 100 до 1000 элементов и т.д.

По характеру преобразовываемого сигнала ИМС делятся на аналоговые и цифровые. Для аналоговых характерна пропорциональность входных и выходных сигналов, на них строятся усилители и генераторы аналоговых сигналов. Цифровые микросхемы применяются в ЭВМ.

По конструктивно-технологическому признаку ИМС делятся на:

Гибридные - пассивные элементы таких микросхем выполнены посредством нанесения пленок на поверхность диэлектрической подложки и навесных бес­корпусных элементов (транзисторов, конденсаторов и т. п.), при­крепляемых к основанию; активные элементы пред­ставляют собой бескорпусные полупроводниковые приборы (плотность упаковки - до 150 эл/см³; степень интеграции -I и II).

Полупроводниковые - все элементы таких микросхем выполнены в объеме и на поверхности полупроводника (плотность упаковки - до 10⁵ эл/см³; степень интеграции -VI и выше).

В отличие от гибридных интегральных микросхем, которые состоят из двух различных типов элементов: тонкопленочных резисторов, конденсаторов, соединительных прово­дов и навесных транзисторов, дросселей и конденсаторов большой емкости, полупроводниковые интегральные микросхемы состоят, как правило, из отдельных областей кристалла, каждая из которых вы­полняет функцию резистора, конденсатора, диода или транзистора. Дроссели в таких микросхемах создавать очень трудно; поэтому большинство схем проектируется так, чтобы исключить применение индуктивных элементов. Все эти элементы схемы получают в еди­ном технологическом цикле в кристалле полупроводника. Это позво­ляет существенно усложнять микросхему и увеличивать число ак­тивных и пассивных элементов практически без повышения трудо­емкости изготовления. При этом можно создавать весьма сложные микросхемы с большой (содержащей более 150 элементов) степенью интеграции при вполне удовлетворительной себестоимости.

Полупроводниковые интегральные микросхемы могут рассеивать мощности порядка 50—100 мВт, работать до частот 20—100 мГц, обеспечивать время задержки не более 2—5 нс. Надежность этих схем весьма высока: в пределах нагруженных режимов среднее время безотказной работы может достигать (1—2)-10⁶ ч.

Пленочные – отдельные элементы и межэлементные соединения выполняются на поверхности диэлектрика (обычно используется керамика).

Электрон­ные устройства, выполненные на полупроводниковых интегральных микросхемах, могут иметь плотность монтажа до 500 элементов (резисторов, конденсаторов, транзисторов, диодов) на кубический сантиметр. Это позволяет увеличить плотность элементов в 20— 50 раз по сравнению с микромодульными схемами. Среднее время безотказной работы устройства, содержащего 10⁷—10⁸ элементов, может достигать 10—20 тыс. ч. Преимуществом интегральных мик­росхем являются также высокое быстродействие, так как малые размеры схем обеспечивают снижение таких паразитных парамет­ров, как междуэлектродные емкости и индуктивности соединитель­ных проводов; высокая экономичность (даже большие интегральные схемы обычно потребляют не более 100—200 мВт). Такая малая величина потребляемой мощности позволяет снизить расход элект­роэнергии и уменьшить массу источников питания устройств, выпол­ненных с применением интегральных схем. Некоторым недостатком интегральных микросхем является небольшая величина их выход­ной мощности (обычно 50—100 мВт), что обусловлено в основном малыми габаритами и сложностью отвода тепла от микросхем. Об­щетехнические параметры интегральных микросхем—механическая прочность, диапазон рабочих температур, устойчивость к понижен­ным и повышенным давленям и влагоустойчивость, как правило, не хуже, чем у диодов и транзисторов.

Параметры логических микросхем регламентируются ГОСТ 18683—73 и включают большое число показателей, основными из которых являются следующие:

уровни напряжений, обеспечивающие значения логических 0 и 1. Эти напряжения должны существенно различаться для предотвращения ложных переключений;

помехоустойчивость, оцениваемая наибольшим значением напряжения помехи Uпом max, при котором не происходит изменений на выходе (ложных срабатываний);

потребляемый ток Inm (мощность Pnm);

время задержки tз при переключениях логического устройства из одного состояния в другое, обусловливающее его быстродействие.

коэффициент усиления Ки,

входное сопротивление Rвх,

выходное сопротивление Rвых,

максимальная величина выходного напряжения Uвых;

рабо­чий диапазон частот , где — нижняя рабочая частота; — верхняя рабочая частота.