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
- 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
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
- 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
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
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
Сейчас, даже более мене продвинутые мобильные телефоны не обходятся без микропроцессора, что уже говорить о планшетных , переносных и настольных персональных компьютерах. Что же такое микропроцессор и как развивалась история его создания? Если говорить на понятном языке, то микропроцессор – это более сложная и многофункциональная интегральная схема .
История микросхемы (интегральной схемы) начинается с 1958 года , когда сотрудник американской фирмы Texas Instruments Джек Килби изобрел некое полупроводниковое устройство, содержащее в одном корпусе несколько транзисторов, соединенных между собой проводниками . Первая микросхема – прародительница микропроцессора – содержала всего лишь 6 транзисторов и представляла собой тонкую пластину из германия с нанесёнными на неё дорожками, выполненными из золота, Расположено всё это было на стеклянной подложке. Для сравнения, сегодня счет идет на единицы и даже десятки миллионов полупроводниковых элементов .
К 1970 году достаточно много производителей занимались разработкой и созданием интегральных схем различной емкости и разной функциональной направленности. Но именно этот год можно считать датой рождения первого микропроцессора. Именно в этом году фирма Intel создает микросхему памяти емкостью всего лишь 1 Кбит – ничтожно мало для современных процессоров, но невероятно велико для того времени. На то время это было огромнейшее достижение – микросхема памяти способна была хранить до 128 байт информации – намного выше подобных аналогов. Кроме этого примерно в тоже время японский производитель калькуляторов Busicom заказала той же Intel 12 микросхем различной функциональной направленности. Специалистам Intel удалось реализовать все 12 функциональных направленностей в одной микросхеме. Более того, созданная микросхема оказалась многофункциональной, поскольку позволяла программно менять свои функции, не меняя при этом физической структуры. Микросхема выполняла определенные функции в зависимости от подаваемых на ее управляющие выводы команд.
Уже через год в 1971 Intel выпускает первый 4-разрядный микропроцессор под кодовым именем 4004. По сравнению с первой микросхемой в 6 транзисторов, он содержал аж 2,3 тыс. полупроводниковых элементов и выполнял 60 тыс. операций в секунду. На то время – это был огромнейший прорыв в области микроэлектроники . 4-разрядный означало то, что 4004 мог обрабатывать сразу 4-х битные данные. Еще через два года в 1973 фирма выпускает 8-ми разрядный процессор 8008, который работал уже с 8-ми битными данными. Начиная с 1976 года , компания начинает разрабатывать уже 16-разрадную версию микропроцессора 8086. Именно он начал применятся в первых персональных компьютерах IBM и, по сути заложил один из кирпичиков в
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.
Интегральная микросхема (ИС) - это микроэлектронное изделие, выполняющая функции преобразования и обработки сигналов, которое характеризуется плотной упаковкой элементов так, чтобы все связи и соединения между элементами представляли единое целое.
Составной частью ИС являются элементы, которые выполняют роль электрорадиоэлементов (транзисторов, резисторов и др.) и не могут быть выделены как самостоятельные изделия. При этом активными называют элементы ИМС, выполняющие функции усиления или другого преобразования сигналов (диоды, транзисторы и др.), а пассивными - элементы, реализующие линейную передаточную функцию (резисторы, конденсаторы, индуктивности).
Классификация интегральных микросхем:
По способу изготовления:
По степени интеграции.
Степень интеграции ИС является показателем сложности, характеризуемым числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Степень интеграции определяется формулой
где k - коэффициент, определяющий степень интеграции, округляемый до ближайшего большего целого числа, а N - число элементов и компонентов, входящих в ИС.
Для количественной характеристики степени интеграции часто используют такие термины: если k ? 1, ИС называют простой ИС, если 1 < k ? 2 - средней ИС (СИС), если 2 < k ? 4 - большой ИС (БИС), если k ?4 - сверхбольшой ИС (СБИС).
Кроме степени интеграции используют еще такой показатель, как плотность упаковки элементов - количество элементов (чаще всего транзисторов) на единицу площади кристалла. Этот показатель характеризует главным образом уровень технологии, в настоящее время он составляет более 1000 элементов/мм 2 .
Пленочные интегральные схемы - это интегральные схемы, элементы которых нанесены на поверхность диэлектрического основания в виде пленки. Их особенность - в чистом виде не существуют. Служат только для изготовления пассивных элементов - резисторов, конденсаторов, проводников, индуктивностей.
Рис. 1. Структура пленочной гибридной ИС: 1, 2 - нижний и верхний обкладки конденсатора, З - слой диэлектрика, 4 - проволочная соединительная шина, 5 - навесной транзистор, 6 - пленочный резистор, 7 - контактный вывод, 8 - диэлектрическая подложка
Гибридные ИС - это тонкопленочные микросхемы, состоящие из пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, контактных площадок) и дискретных активных элементов (диодов, транзисторов). Гибридная ИС, показанная на рис. 1, представляет собой диэлектрическую подложку с нанесенными на нее пленочными конденсаторами и резисторами и присоединенным навесным транзистором, база которого соединена с верхней обкладкой конденсатора шиной в виде очень тонкой проволочки.
В полупроводниковых ИС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности кристалла полупроводника. Полупроводниковые ИС представляют собой плоский кристалл полупроводника (подложка), в поверхностном слое которого различными технологическими приемами сформированы эквивалентные элементам электрической схемы локальные области (диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы и др.), объединенные по поверхности пленочными металлическими соединениями (межсоединениями).
В качестве подложек полупроводниковых ИС служат круглые пластины кремния, германия или арсенида галлия, имеющие диаметр 60 - 150 мм и толщину 0,2 - 0,4 мм.
Полупроводниковая подложка является групповой заготовкой (рис. 2), на которой одновременно изготовляют большое количество ИС.
Рис. 2. Групповая кремниевая пластина: 1 - базовый срез, 2 - отдельные кристаллы (чипы)
После завершения основных технологических операций ее разрезают на части - кристаллы 2, называемые также чипами. Размеры сторон кристаллов могут быть от З до 10 мм. Базовый срез 1 пластины служит для ее ориентации при различных технологических процессах.
Структуры элементов полупроводниковой ИС - транзистора, диода, резистора и конденсатора, изготовляемых соответствующим легированием локальных участков полупроводника методами планарной технологии, показаны на рис. 3, а-г. Планарная технология характеризуется тем, что все выводы элементов ИС располагаются в одной плоскости на поверхности и одновременно соединяются в электрическую схему тонкопленочными межсоединениями. При планарной технологии проводится групповая обработка, т. е. в течение одного технологического процесса на подложках получают большое количество ИС, что обеспечивает высокие технологичность и экономичность, а также позволяет автоматизировать производство.
Рис. 3. Структуры элементов полупроводниковой ИС: а - транзистора, б - диода, в - резистора, г - конденсатора, 1 - тонкопленочный контакт, 2 - слой диэлектрика, З - эмиттер; 4 - база, 5 - коллектор, 6 - катод, 7 - анод, 8 - изолирующий слой; 9 - резистивный слой, 10 - изолирующий слой, 11 - пластина, 12, 14 - верхний и нижний электроды конденсатора, 13 - слой диэлектрика
В совмещенных ИС (рис. 4), являющихся вариантом полупроводниковых, на кремниевой подложке создают полупроводниковые и тонкопленочные элементы. достоинство этих схем состоит в том, что в твердом теле технологически трудно изготовлять резисторы заданного сопротивления, так как оно зависит не только от толщины легированного слоя полупроводника, но и от распределения удельного сопротивления по толщине. Доводка сопротивления до номинального значения после изготовления резистора также представляет значительные трудности. Полупроводниковые резисторы обладают заметной температурной зависимостью, что осложняет разработку ИС.
Рис. 4. Структура совмещенной ИС: 1 - пленка диоксида кремния, 2 - диод, З - пленочные внутрисхемные соединения, 4 - тонкопленочный резистор, 5, 6, 7 - верхний и нижний электроды тонкопленочного конденсатора и диэлектрик, 8 - тонкопленочные контакты, 9 - транзистор, 10 - кремниевая пластина.
Кроме того, в твердом теле также весьма трудно создавать конденсаторы. Для расширения номинальных значений сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов полупроводниковых ИС, а также улучшения их рабочих характеристик разработана основанная на технологии тонких пленок комбинированная технология, называемая технологией совмещенных схем. В этом случае активные элементы ИС (можно и некоторые некритичные по номинальному сопротивлению резисторы) изготовляют в теле кремниевого кристалла диффузионным методом, а затем вакуумным нанесением пленок (как в пленочных ИС) формируют пассивные элементы - резисторы, конденсаторы и межсоединения.
Элементная база электроники развивается непрерывно возрастающими темпами. Каждое поколений, появившись в определенный момент времени, продолжает совершенствоваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной аппаратуры.
Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Однако по мере развития полупроводниковой электроники выяснились серьезные ограничения применения электронных явлений и систем на их основе. Поэтому микроэлектроника про-должает продвигаться быстрыми темпами как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений. радиоэлектронный интегральный микросхема
Изделия микроэлектроники: интегральные микросхемы различной степеней интеграции, микросборки, микропроцессоры, мини- и микро-ЭВМ - позволили осуществить проектирование и промышленное производство функционально сложной радио- и вычислительной аппаратуры, отличающейся от аппаратуры предыдущих поколений лучшими параметрами, более высокими надежностью и сроком службы, меньшими потребляемой энергией и стоимостью. Аппаратура на базе изделий микроэлектроники находит широкое применение во всех сферах деятельности человека.
Созданию систем автоматического проектирования, промышленных роботов, автоматизированных и автоматических производственных линий, средств связи и многому другому способствует микроэлектроника.
Первый этап
К первому этапу относится изобретение в 1809 году русским инженером Ладыгиным лампы накаливания.
Открытие в 1874 году немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл-полупроводник. Использование этого эффекта русским изобретателем Поповым для детектирования радиосигнала позволило создать ему первый радиоприемник. Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г. когда Попов выступил с докладом и демонстрацией на заседании физического отделения русского физико-химического общества в Петербурге. В разных странах велись разработки и исследования различных типов простых и надежных обнаружителей высокочастотных колебаний - детекторов.
Второй этап
Второй этап развития электроники начался с 1904 г. когда английский ученый Флеминг сконструировал электровакуумный диод. За ним последовало изобретение первой усилительной лампы - триода в 1907 году.
1913 - 1919 годы - период резкого развития электронной техники. В 1913 г. немецкий инженер Мейснер разработал схему лампового регенеративного приемника и с помощью триода получил незатухающие гармонические колебания.
В России первые радиолампы были изготовлены в 1914 году в Санкт-Петербурге консультантом русского общества беспроволочного телеграфирования Николаем Дмитриевичем Папалекси, будущим академиком АН СССР.
Третий этап
Третий период развития электроники - это период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов, начавшийся с изобретения точечного транзистора. В 1946 году при лаборатории "Белл Телефон" была создана группа во главе с Уильямом Шокли, проводившая исследования свойств полупроводников на Кремнии и Германии. Группа проводила как теоретические, так и экспериментальные исследования физических процессов на границе раздела двух полупроводников с различными типами электрической проводимости. В итоге были изобретены: трехэлектродные полупроводниковые приборы - транзисторы. В зависимости от количества носителей заряда транзисторы были разделены на:
- - униполярные (полевые), где использовались однополярные носители.
- - биполярные, где использовались разнополярные носители (электроны и дырки).
Изобретение транзисторов явилось знаменательной вехой в истории развития электроники и поэтому его авторы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли были удостоины нобелевской премии по физике за 1956 г.
Появление микроэлектроники
С появлением биполярных полевых транзисторов начали воплощаться идеи разработки малогабаритных ЭВМ. На их основе стали создавать бортовые электронные системы для авиационной и космической техники. Так как эти устройства содержали тысячи отдельных электрорадиоэлементов и постоянно требовалось все большее и большее их увеличение, появились и технические трудности. С увеличением числа элементов электронных систем практически не удавалось обеспечить их работоспособность сразу же после сборки, и обеспечить, в дальнейшем, надежность функционирования систем. Проблема качества монтажно-сборочных работ стало основной проблемой изготовителей при обеспечении работоспособности и надежности радиоэлектронных устройств. Решение проблемы межсоединений и явилось предпосылкой к появлению микроэлектроники. Прообразом будущих микросхем послужила печатная плата, в которой все одиночные проводники объединены в единое целое и изготавливаются одновременно групповым методом путем стравливания медной фольги с плоскостью фольгированного диэлектрика. Единственным видом интеграции в этом случае являются проводники. Применение печатных плат хотя и не решает проблемы миниатюризации, однако решает проблему повышения надежности межсоединений. Технология изготовления печатных плат не дает возможности изготовить одновременно другие пассивные элементы кроме проводников. Именно поэтому печатные платы не превратились в интегральные микросхемы в современном понимании. Первыми были разработаны в конце 40х годов толстопленочные гибридные схемы, в основу их изготовления была положена уже отработанная технология изготовления керамических конденсаторов, использующая метод нанесения на керамическую подложку через трафареты паст, содержащих порошок серебра и стекла.
Тонкопленочная технология производства интегральных микросхем включает в себя нанесение в вакууме на гладкую поверхность диэлектрических подложек тонких пленок различных материалов (проводящих, диэлектрических, резистивных).
Четвертый этап
В 1960 году Роберт Нойс из фирмы Fairchild предложил и запатентовал идею монолитной интегральной схемы и, применив планарную технологию изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы.
Семейство монолитных транзисторно-транзисторных логических элементов с четырьмя и более биполярными транзисторами на одном кристалле кремния было выпущено фирмой Fairchild уже в феврале 1960 года и получило название "микрологика". Планарная технология Хорни и монолитная технология Нойса заложили в 1960 году фундамент развития интегральных микросхем, сначала на биполярных транзисторах, а затем 1965-85 гг. на полевых транзисторах и комбинациях тех и других.
Два директивных решения принятых в 1961-1962 гг. повлияли на развитие производства кремниевых транзисторов и ИС. Решение фирмы IBM (Нью-Йорк) по разработке для перспективной ЭВМ не ферромагнитных запоминающих устройств, а электронных ЗУ (запоминающих устройств) на базе n-канальных полевых транзисторов (металл-окисел-полупроводник - МОП). Результатом успешного выполнения этого плана был выпуск в 1973г. универсальной ЭВМ с МОП ЗУ - IBM- 370/158. Директивные решения фирмы Fairchild предусматривающие расширение работ в полупроводниковой научно-исследовательской лаборатории по исследованию кремниевых приборов и материалов для них.
Тем временем в июле 1968 г. Гордон Мур и Роберт Нойс уходят из отделения полупроводников фирмы Fairchild и 28 июня 1968 года организуют крохотную фирму Intel из двенадцати человек, которые арендуют комнатку в Калифорнийском городе Маунтин Вью. Задача, которую поставили перед собой Мур, Нойс и примкнувший к ним специалист по химической технологии - Эндрю Гроув, использовать огромный потенциал интеграции большого числа электронных компонентов на одном полупроводниковом кристалле для создания новых видов электронных приборов.
В 1997 году Эндрю Гроув стал "человеком года", а возглавляемая им компания Intel, ставшая одной из ведущих в силиконовой долине в Калифорнии, стала производить микропроцессоры для 90% всех персональных компьютеров планеты. Появление интегральных микросхем сыграла решающую роль в развитие электроники положив начало новому этапу микроэлектроники. Микроэлектронику четвертого периода называют схематической, потому что в составе основных базовых элементов можно выделить элементы эквивалентные дискретным электро-радиоэлементам и каждой интегральной микросхеме соответствует определенная принципиальная электрическая схема, как и для электронных узлов аппаратуры предыдущих поколений.
Интегральные микросхемы стали называться микроэлектронные устройства, рассматриваемые как единое изделие, имеющее высокую плотность расположения элементов эквивалентных элементам обычной схемы. Усложнение, выполняемых микросхемами функций, достигается повышением степени интеграции.
Настоящее электроники
В настоящее время микроэлектроника переходит на качественно новый уровень - наноэлектронику.
Наноэлектроника в первую очередь базируется на результатах фундаментальных исследований атомных процессов в полупроводниковых структурах пониженной размерности. Квантовые точки, или нульмерные системы, представляют собой предельный случай систем с пониженной размерностью, которые состоят из массива атомных кластеров или островков нанометровых размеров в полупроводниковой матрице, проявляющих самоорганизацию в эпитаксиальных гетероструктурах.
Одним из возможных работ связанных с наноэлеткроникой является работы по созданию материалов и элементов ИК-техники. Они востребованы предприятиями отрасли и являются основой для создания в ближайшем будущем систем "искусственного" (технического) зрения с расширенным, по сравнению с биологическим зрением, спектральным диапазоном в ультрафиолетовой и инфра-красной областях спектра. Системы технического зрения и фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой принципиально новых телекоммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга, тепловидения, нанодиагностики, робототехники, высокоточного оружия, средств борьбы с терроризмом и т.д. Применение полупроводниковых наноструктур значительно уменьшит габариты устройств наблюдения и регистрации, уменьшит энергопотребление, улучшит стоимостные характеристики и позволит использовать преимущества массового производства в микро- и наноэлектронике ближайшего будущего.
Первая полупроводниковая интегральная микросхема Джека Килби September 12th, 2018
12 сентября 1958 года Джек С. Килби продемонстрировал первую рабочую интегральную схему на фирме Texas Instruments (США). Впервые электронные компоненты были интегрированы на одной подложке. Это устройство представляло собой генератор на крошечной пластине германия размером 11,1 мм на 1,6 мм. Сегодня интегральные схемы являются фундаментальными строительными блоками практически всего электронного оборудования.
За изобретение интегральной схемы Джек Килби был награжден Нобелевской премией по физике в 2000 году и Национальной Медалью в области науки в 1970 году, а в 1982 году он был включен в число почетных изобретателей Национального Зала Славы США.
Джек Килби с раскрытым лабораторным журналом, на страницах которого описание первой интегральной схемы, им созданной.
Это первая интегральная микросхема Джека Килби.
В СССР в 1963 году был создан Центр микроэлектроники в г. Зеленограде. В 1964 году там на заводе “Ангстрем” были разработаны первые интегральные схемы «Тропа» (серия 201), «Посол» (серия 217), выполненные по гибридно-пленочной технологии с использованием бескорпусных транзисторов. На заводе «Микрон» в Зеленограде в конце 60 г. была применена технология и начат выпуск первых монолитных интегральных микросхем. Вот паспорт на опытную партию первых микросхем из «Микрона» по теме «Логика-1»
А это сама микросхема, паспорт которой я привел
За ней последовала «Логика-2» (133 серия - аналог серии SN54 фирмы Texas Instruments). В частности, знаменитая микросхема М3300 или более известная, как 1ЛБ333, аналог SN5400, позже стала называться 133ЛА3 или в пластмассовом корпусе К155ЛА3 (SN7400) имела дальнейшее продолжение, как и ее американские аналоги в части усовершенствования этой серии по быстродействию в теме «Ярус» - 530ЛА3 (SN54S00), экономичности в теме «Исида КС» - 533ЛА3 (SN54LS00) и т.д. Как тут не вспомнить статью Малина Б.В., который писал: «Действовали концепции повторения и копирования американского технологического опыта - методы так называемой "обратной инженерии" МЭП. Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США, и их копирование было строго регламентировано приказами МЭП (министр Шокин). Концепция копирования жёстко контролировалась министром на протяжении более 19 лет, в течение которых автор работал в системе МЭП, вплоть до 1974 года…»
В 1973 году было положено начало разработки электронных часов на "Пульсаре" . Научный руководитель разработки д.т.н, проф. Докучаев Юрий Петрович. Внутренний вид первых советских КМОП электронных часов "Электроника-1" показан на фото.
В том же 1973 году На «Ангстреме» был освоен серийный выпуск первого советского КМОП калькулятора
В 1980 году заводом “Микрон” изготовлена 100 000 000 интегральная микросхема, а на заводе “Ангстрем” в 1985 году стал серийно выпускаться карманный 16 разрядный персональный компьютер «Электроника-85» с жидкокристаллическим дисплеем.
Короче, в середине 80 годов наблюдается пик в развитии советской радиоэлектроники. Об этом говорит уникальный полет и автоматическая посадка космического корабля "Буран", в бортовом компьютере «Бисер-4» которого использовались отечественные микропроцессоры. А в той же Риге освоен выпуск первых отечественных сигнальных процессоров по темам "Рина", "Райта" и "Розите".
А это фото уникальной электронной записной книжки, которая вручалась делегатам 27 съезда КПСС в феврале 1986г.
Что же было потом? С приходом во власть Горбачева, советская электроника стала буквально на глазах рушится. Но что странно, всё, о чем говорил этот последний генеральный секретарь, было прогрессивно, например, на 27 съезде КПСС в 1986 году, он провозгласил программу ускорения научно-технического прогресса, а ведь на деле происходило совсем другое. Началось прогрессивное разворовывание государственной собственности, остановка предприятий, не выплата зарплат, хаос и, наконец, распад СССР.
Впрочем, это уже другая история.
