Эффективность использования микросхем в радиоэлектронных системах можно видеть из следующего примера.

Пусть нужно построить ЭВМ из миллиона дискретных элементов, каждый из которых имеет массу 1 г, объем 1 см3, потребляемую мощность 10 мВт, стоимость 0,5 руб и долговечность 100 тысяч часов. Такие ЭВМ будут иметь массу 1кг, объем 1 м3, потребляемую мощность 10 кВт, стоимость 0,5 млн руб. и интенсивность отказов 10 раз в час.

Вто же время миллион элементов может иметь одна ИМС с массой 10 г, объемом 1–2 см3, потребляемой мощностью 10 мВт, стоимостью 100–1000 руб. и долговечностью до миллиарда часов. (Например: современные двухядерные микропроцессоры фирмы Intel содержат в своей структуре около 400 млн транзисторов)

Основными тенденциями развития полупроводниковых микросхем являются увеличение степени интеграции и быстродействия. Развитие

микроэлектроники идет в основном по пути уменьшения размеров элементов (хотя растет и площадь кристалла), причем удвоение плотности упаковки происходит в среднем за 2 года. В массовой технологии интегральных

микросхем уже достигнуты размеры одного элемента порядка нескольких долей микрометров и ведутся активные работы в области субмикронных технологий.

Уменьшение топологических размеров элементов приводит к улучшению электрических параметров микросхем. Основным ограничивающим фактором в этом случае, как и для обычных схем на дискретных элементах, являются внутрисхемные соединения, задержка

сигнала в которых не позволяет полностью использовать достигаемое высокое быстродействие элементов.

18.2.Классификация ИМС

Взависимости от значения степени интеграции различают следующие группы ИМС:

∙первой степени интеграции с числом элементов до 10;

∙второй – от 10 до 100;

∙третьей – от 100 до 1000;

∙четвертой – от 1000 до 10000 и т.д.

Следует отметить, что микросхемы с числом элементов

∙до 105 принято называть большими (БИС);

∙до 106 – сверхбольшими (СБИС);

∙более 106 – ультрабольшими (УБИС).

По функциональному назначению (виду обрабатываемого сигнала) все ИМС можно разделить на следующие основные группы:

∙цифровые;

∙аналоговые.

368

Цифровые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции, принимающей два значения – «0» или «1» (логические элементы, триггеры, запоминающие устройства, микропроцессоры, и т.д.).

Аналоговые микросхемы обрабатывают сигналы, описываемые непрерывными функциями (операционные усилители, дифференциальные усилительные каскады, каскады формирователей тока, выходные каскады, устройства интегрирования аналоговых сигналов и др.).

Существуют также специализированные аналого-цифровые микросхемы, которые осуществляют преобразование сигналов из одной формы в другую.

По конструктивно-технологическому исполнению выделяют четыре основные типа микросхем:

∙плёночные,

∙гибридные;

∙полупроводниковые,

∙совмещенные.

18.2.1. Плёночные ИМС

Плёночные микросхемы формируются путем создания отдельных пассивных элементов (конденсаторов, резисторов) в виде плёночных слоев (рис. 18.1). Принято различать тонкопленочные ИМС, у которых толщина пленок не более 2 мкм, и толстопленочные, у которых толщина пленок значительно больше. Разница между этими ИС заключается не столько в толщине пленок, сколько в различной технологии их нанесения. Отдельные

элементы и межэлементные соединения плёночных ИМС расположены на поверхности диэлектрика, в качестве которого обычно используется керамика. В зависимости от вида (толщины) наносимой плёнки принято различать тонкопленочные и толстоплёночные ИМС. В первом случае толщина плёнок не превышает 1 мкм. Такие плёнки наносят методом вакуумного испарения, химического осаждения, катодного распыления и т. д. Следует отметить, что создание активных элементов (диодов, транзисторов) в рамках данной технологии является сложной технологической задачей, поэтому в чистом виде плёночные ИМС не нашли широкого применения.

а) б)

Рис. 18.1. Внешний вид (а) и увеличенное изображение фрагмента платы (б)

плёночной микросхемы

369

18.2.2. Гибридные ИС

Данный класс ИМС позволяет изготовить плёночные микросхемы с использованием активных элементов на основе полупроводников, выполненных в отдельном технологическом цикле. Основу гибридной ИМС (рис. 18.2) составляет изолирующая подложка, например из оксида алюминия.

Рис. 18.2. Конструкция гибридной ИМС: 1 – подложка; 2, 5 – резисторы; 3 – конденсатор; 4 – транзистор

а) б)

Рис. 18.3. Внешний вид (а) и увеличенное изображение фрагмента (б)

гибридной микросхемы

На подложке формируются плёночные пассивные элементы (резисторы, индуктивные катушки, конденсаторы) и монтируются навесные активные компоненты (диоды, транзисторы), которыми могут являться бескорпусные дискретные элементы или полупроводниковые микросхемы. Реализация

функциональных элементов в виде ГИС экономически целесообразна при выпуске малыми сериями специализированных микросхем.

18.2.3. Полупроводниковые ИМС

Эти наиболее распространенные ИМС формируют на кремниевой подложке (полупроводниковой пластине) по планарной технологии. В зависимости от вида используемых активных элементов различают:

∙биполярные ИМС на основе биполярных транзисторов;

∙полевые ИМС на основе МДП-транзисторов или транзисторов с затвором на основе диода Шотки.

Вполупроводниковой микросхеме (рис. 18.4) все элементы выполнены в объеме, а соединения на поверхности кристалла полупроводника. В

370

большинстве полупроводниковых микросхем элементы расположены в тонком (до 10 мкм) поверхностном слое полупроводника.

Рис. 18.4. Конструкция полупроводниковой ИМС: 1 – подложка; 2 – транзистор; 3, 4 – резисторы; 5 – конденсатор; 6 – защитный оксид

а) б)

Рис. 18.5. Внешний вид (а) и увеличенное изображение фрагмента кристалла (б) полупроводниковой микросхемы

По виду подложки полупроводниковые ИМС можно разделить на два типа:

∙на полупроводниковых подложках,

∙на диэлектрических подложках.

Среди полупроводниковых материалов наибольшее распространение для изготовления ИМС получили кремний и арсенид галлия. В качестве

подложки полупроводниковых ИМС используют в основном кремниевые пластины толщиной от 100 мкм и диаметром до 500 мм. В ряде случаев используют диэлектрические подложки (например сапфировые).

Для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС используют выпускаемые промышленностью пластины кремния четырех видов:

∙однослойные p- и n- типов;

∙двухслойные р- или n- типа с эпитаксиальным n-слоем, покрытые оксидом либо нитридом кремния;

∙двухслойные р-типа с эпитаксиальным n-слоем и скрытым n+-слоем;

∙гетероэпитаксиальные структуры типа кремний на сапфире.

371