Интегральным микросхемам

Фоторезисторы используются в устройствах автоматики и измерительной техники как управляемые током или напряжением резисторы. Фотодиоды и фототранзисторы как приемники излучения получили в оптронйх наибольшее распространение, поскольку по своим характеристикам и параметрам они могут работать совместно с интегральными микросхемами. Фототиристоры — электронные ключи с тремя /?-/г-переходами — широко применяются в оптронах в качестве ключевых усилителей мощности, управляемых световым излучением.

Появление и развитие оптоэлектроники было обусловлено тем, что полупроводниковая дискретная и интегральная электроника не могла решить окончательно проблему комплексной микроминиатюризации электронной аппаратуры. Такие элементы и устройства, как реле, кабели, переменные резисторы, разъемы, импульсные трансформаторы, плохо стыкуются с транзисторами из-за механически перемещающихся деталей, плохих эксплуатационных характеристик, невысокой надежности и большой стоимости. Кроме того, существующие устройства для ввода и вывода информации (электронно-лучевая трубка, электронно-оптические преобразователи, лампы накаливания и т. д.) несовместимы по ряду электрических параметров с интегральными микросхемами. Следует отметить, что на долю перечисленных элементов и устройств приходится большая часть потребляемой энергии, объема, массы, отказов, стоимости электронной аппаратуры. Налицо противоречие между интегральной полупроводниковой электроникой и традиционными электрора-

Громоздкие и неэкономичные элементы устройств сейчас заменены интегральными микросхемами, благодаря чему целая радиосистема может уместиться в крохотном объеме. От понимания и описания отдельных явлений ученые пришли к построению общей статистической теории радиотехнических систем и устройств, к обобщенным методам их расчета и проектирования. Радиоэлектроника постоянно опирается на новейшие достижения физики. Успехи математических наук и вычислительной техники обеспечивают аппарат расчета и прогнозирования характеристик сложных устройств и систем.

В книгах 1 --4 данной серии читатель познакомился с интегральными микросхемами, изготовляемыми по различным конструктивно-технологическим вариантам. Любая из выпускаемых промышленностью микросхем, любая из разрабатываемых и подготавливаемых к промышленному производству микросхем предназначена для выполнения определенных функций в составе радиоэлектронных и электронно-вычислительных средств приема, передачи, обработки и хранения информации, о которой пойдет речь в последующих книгах серии. Эти функции должны гарантированно выполняться в заданных условиях эксплуатации в течение определенного срока (который в свою очередь определяется надежностью микросхемы), а сама микросхема должна удовлетворять целой гамме потребительских свойств, к которым относятся, например, форма, габариты, масса, удобство обращения, универсальность, себестоимость, цена (и которые входят в -понятие качества микросхемы).

Параллельно с полупроводниковым развивается и совершенствуется другой конструктивно-технологический вариант создания микроэлектронных устройств, основанный на технологии тонких (до 1 мкм) и сравнительно толстых (10—50 мкм) пленок. Чисто пассивные пленочные ИМС не получили широкого распространения из-за ограниченных возможностей по выполнению ими функций обработки сигналов, а реализация пленочных активных элементов на данном этапе развития науки, техники и технологии оказалась невозможной из-за низкой воспроизводимости их характеристик. Сочетание полупроводниковых микросхем, активных полупроводниковых приборов с пассивными пленочными элементами и пленочной коммутацией позволило создать микроэлектронные устройства с широким набором функциональных возможностей, которые разрабатывают как для серийного производства, так и в качестве устройств частного применения, необходимых для изготовления одного определенного вида микроэлектронной аппаратуры. Интегральные микросхемы, в которых наряду с пленочными элементами, сформированными по групповой тонко- или толстопленоч1-ной технологии, содержатся имеющие самостоятельное конструктивное исполнение полупроводниковые активные компоненты (ИМС, транзисторы, диоды), изготовленные по полупроводниковой технологии, называют гибридными интегральными микросхемами (ГИС).

Эта проблема может быть решена снижением потребляемой интегральными микросхемами мощности (в первую очередь снижением напряжения питания ИМС), повышением предельной рабочей температуры ИМС. разработкой эффективных устройств теплоотвода, не снижающих показателей микроминиатюризации и т. д.

1.12. Внешний вид ячейки с гибридными интегральными микросхемами, ложенными на теплоотводящих шинах металлической рамки:

1.13. Внешний вид ячейки с большими гибридными интегральными микросхемами:

Этот неполный перечень областей применения свидетельствует о бурном развитии промышленной электроники, особенно за последние два десятилетия. Современный период характеризуется постоянным обновлением элементной базы: в энергетической электронике все ионные приборы заменены полу-' проводниковыми; в информационной электронике вакуумные лампы практически полностью уступили свои позиции транзисторам, которые в свою очередь вытесняются интегральными микросхемами.

Накальные индикаторы хорошо согласуются с интегральными микросхемами и широко применяются в вычислительной и измерительной технике.

Сложность ИС характеризуют степенью интеграции. Интегральные микросхемы первой степени интеграции содержат до 10 элементов и компонентов, второй — 10—100, третьей — 100—1000, четвертой — 103 — 104, пятой — 104—10s. Иногда сложность ИС характеризуют числом простейших логических схем на кристалле. Микросхемы первой степени интеграции называют малыми интегральными микросхемами (МИС), третьей — средними (СИС), четвертой — большими (БИС), пятой — сверхбольшими интегральными микросхемами (СБИС).

Положительный опыт разработки и применения малых ЭВМ оказал влияние на направление развития интегральной электроники. При переходе от схем с малой и средней степенями интеграции к интегральным микросхемам с большой и сверхбольшой степенями интеграции (БИС и СБИС) возникает проблема их применимости. Интегральную микросхему с большой степенью интеграции (БИС), содержащую тысячи логических элементов, не говоря о СБИС с ее десятками тысяч и более элементов, если это не схема памяти, трудно сделать пригодной для широкого круга потребителей. Первоначально считалось, что на основе автоматизированного проектирования будут выпускаться заказные БИС и СБИС, изготовляемые по индивидуальным требованиям заказчиков. Однако в дальнейшем оказался возможным и другой путь — создание на одной или нескольких БИС или СБИС функционально законченного (8—16 разрядов и более) устройства обработки информации. Это устройство (микросхему или несколько образующих его микросхем) называют микропроцессором, так как оно по своим логическим функциям и структуре напоминает упрощенный вариант процессора обычных ЭВМ. Микропроцессоры (МП) по быстродействию и возможностям системы команд приближаются к процессорам малых ЭВМ. Однако из-за ограниченного числа выводов корпуса МП (обычно 42) трудно реализовать интерфейс МП с внешним оборудованием с высокой пропускной способностью. В табл. 1.1 приведены характеристики некоторых микропроцессоров.

В процессе развития вычислительной техники повышение безотказности ЭВМ достигалось использованием более надежных элементов (переход от ламповых схем к полупроводниковым и затем к интегральным микросхемам), применением облегченных нагрузочных режимов для схемных компонентов, совершенствованием конструкции и технологии (печатный, в тем чксле. многослойный монтаж, улучшение вентиляции блоков машин, автоматизация проектирования, изготовления и контроля узлов и др.) и соответствующими логическими решениями (см. § 15.4).

Другой параметр, выражающий степень влияния напряжения помех, в частности шума, представляет собой отношение номинального выходного напряжения (сигнала) к напряжению помехи, т. е. шума: «2=^2/^21112. Кроме того, уровень флуктуационных помех, особенно применительно к интегральным микросхемам (ИМС), выражают значением входного напряжения шума {/ш=« = U2m/K., относящимся к заданной, обычно небольшой полосе частот А/, принимаемой равной 1 Гц или 1 кГц. Так, у ИМС КИОУД1А/Б напряжение шума составляет 1,3 мкВ/УЧ кГц или 41 мВ/1/ 1 Гц. Рассмотренная величина зависит от коэффициента шума, в функции от 7?ir, и определяется выражением

68. Справочник по интегральным микросхемам/Под ред. Б. В. Тарабкина. М., 1977.

Справочник по интегральным микросхемам/Под ред. Б. В. Тараб-рина. — М.: Энергия, 1980.

Накопленные знания, относящиеся к полупроводниковым интегральным микросхемам (ИМС), можно систематизировать следующим образом: схемотехника, технология и системная организация интегральных схем. Такая систематизация методологически целесообразна, так как каждый раздел имеет различную теоретическую основу, характеризующуюся своими, только ему присущими целями, методами и средствами. Схемотехника определяет методы, позволяющие реализовать обработку информации путем использования полупроводниковых приборов с учетом особенностей их электрических характеристик. Технология призвана воплотить схемотехнические решения в конкретные изделия в виде кристалла полупроводника методами и средствами, отличными от методов схемотехники. Системная организация направлена на оптимальное использование схемотехнических и конструктивно-технологических решений для создания конкретной МЭА и устройств вычислительной техники.

Второе издание учебника (1-е—1979г.) существенно переработано и дополнено материалом, отражающим состояние современной элементной базы, значительно расширены разделы, посвященные интегральным микросхемам, различным типам полупроводниковых приборов, выпрямителям, сглаживающим фильтрам, импульсным преобразователям и стабилизаторам электрической энергии. Введен новый раздел: «Генераторы гармонических колебаний». Целью переработки явилась также дальнейшая систематизация курса. В соответствии с новой программой частично изменен порядок подачи материала.

15. Справочник по интегральным микросхемам / Под ред. Б. В. Т а-р а б р и н а.— М.: Энергия, 1980.

Значение природы, свойств и закономерностей функционирования этих элементарных «кирпичиков» дает возможность научиться синтезировать более крупные строительные «блоки» микроэлектронных устройств (логические элементы, элементы памяти, усилители и др.), из которых состоят интегральные микросхемы различного схемотехнического и конструктивно-технологического исполнения. Интегральным микросхемам посвящены книги 2—4 серии учебных пособий «Микроэлектроника».

В книге приведены принципы действия, устройство, параметры и назначение полупроводниковых приборов и микросхем. Особое внимание уделено полевым транзисторам и тиристорам, оптоэлектронным приборам, аналоговым и цифровым микросхемам, большим интегральным микросхемам памяти и их применение в микроЭВМ.

СВЧ-ИМС подобно низкочастотным интегральным микросхемам могут быть полупроводниковыми или гибридными. Для полупроводниковых ИМС активные элементы выращивают на поверхности полупроводниковой подложки или в ее объеме, а пассивные элементы и контакты к активным элементам изготовляют нанесением металлической пленки в областях, где удален эпитакси-альный слой. Полупроводниковые СВЧ-ИМС из-за низкого процента выхода годных схем, технологических трудностей и больших потерь имеют ограниченное применение. Однако такие важные преимущества полупроводниковых СВЧ-ИМС, как малые величины паразитных связей и возможность их контроля, дают основание полагать, что в будущем они получат более широкое распространение, особенно в миллиметровом диапазоне.