Раздел 3 Интегральные микросхемы.

3.1 Общие сведения. Занятие 26.

Постоянно возрастающие требования к электронным устройствам удовлетворяются путем миниатюризации устройств: уменьшаются межэлементные связи, возрастает надежность соединений, снижаются габариты и масса. Путь миниатюризации—от создания функциональных модулей с уплотненным монтажом до создания интегральных микросхем, имеющих плотность монтажа более 10³ на 1мм². Путь развития ИМС—от ИМС малой степени интеграции до ИМС большой и сверхбольшой степени интеграции. Главная особенность ИМС состоит в том, что в них для создания активных и пассивных элементов используются одинаковые технологии, а в результате чего большинство элементов изготавливается в одних и тех же технологических циклах. Это приводит к удешевлению, миниатюризации и идентификации ИМС.

К активным элементам относятся транзисторы и диоды. К пассивным—резисторы, конденсаторы, индуктивности и проводники (межсоединения).

ИМС подразделяются на полупроводниковые, пленочные и гибридные.

В полупроводниковых ИМС все активные и пассивные элементы локализованы в едином кристалле, изолированы друг от друга и имеют необходимые связи так, что образованы элементы определенного функционального назначения. Для создания необходимых структур используются такие процессы, как диффузия, ионное легирование, окисление, химическое травление, эпитаксия. Для создания необходимых структур с заданной конфигурацией используется фотолитография.

Пленочные ИС подразделяются на тонко и толстопленочные. При тонкопленочной технологии элементы формируются на подложке из сапфира, стекла или керамики в виде тонких пленок, толщиной до 1 мкм. Пленки наносятся на подложку напылением через трафарет-маску. Металлические, диэлектрические и полупроводниковые пленки наносятся в определенной последовательности.

В толстопленочных технологиях на подложку наносится пленка через сетчатые трафарет-маски. Пленки образуются из паст различного состава для создания проводящих или непроводящих областей. Толщина пленок до 20 мкм. Пленочная технология находит ограниченное применение, т.к. не обеспечивает стабильных характеристик активных элементов.

Совмещенные (гибридные) ИМС представляют собой подложку, на которой пленочной или другой технологией изготовлены пассивные элементы и межсоединения, а активные элементы, включая и достаточно сложные компоненты, которые изготовлены по планарной или другой технологии, присоединяются к контактным площадкам. Гибридные ИМС могут обладать очень высокой сложностью.

3.2 Серии ИМС. Занятие 27.

Под сериями ИМС подразумевают микросхемы , изготовленные по определенной технологии, с различиями в элементах. Естественно, что различия получаются и в потребительских качествах элементов. Разделяют ИМС на микросхемы ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики), микросхемы на КМДП-транзисторах (комплементарные металл-диэлектрик-полупрводник), микросхемы ЭСЛ (эмиттерно-связанной логики), и ИМС интегрально-инжекционной логики.

Микросхемы ТТЛ серии построены на аналогах биполярных транзисторов, основу которых составляет многоэмиттерый транзистор. Значительное улучшение качества микросхем вызвало применение p-n-переходов с барьером Шотки. Выросло быстродействие, снизилось потребление мощности (в 2…5) раз. Такие микросхемы часто называют ТТЛШ.

Основные серии микросхем ТТЛ приведены в таблице.

Таблица 1.

Серия ТТЛ		Параметры		Нагрузочная способность
Беларусь	Зарубежная	Tзд.р , нс	Pпот ,мВт
К155	SN74	10	10	10
K531	SN74S	3	20	10
K555	SN74LS	10	2	20
K1531(реже)	SN74F	3	4	10
K1533	SN74ALS	4	2	20

Микросхемы на КМДП транзисторах построены, как правило, на МДП транзисторах с индуцированным затвором, включенных по схеме с общим истоком. Для всех серий характерны большие входные сопротивления (порядка 10¹²Ом), т. е. можно считать, что КМДП ИС по входам управляются напряжением. Второй особенностью является малое потребление от источника питания. Нагрузочная способность КМДП ИС достигает 1000 входов аналогичных ИС (в среднем, 30…40). К КМДП ИС можно отнести следующие серии: К176, К561, К564.

Микросхемы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ)построены на быстродействующих транзисторных каскадах (связаны эмиттеры-дифференциальный усилитель, работающий в ключевом режиме). ЭСЛ ИС имеют огромные достоинства по сравнению с ТТЛ и КМДП. Опыт проектирования аппаратуры показывает, что ИС ЭСЛ наиболее подходят для построения высокобыстродействующих устройств (ЭВМ высокого быстродействия) и менее эффективны при разработке устройств малого и среднего быстродействия.

Микросхемы интегрально-инжекционной логики (И²Л ) имеют возможность увеличения инжекции носителей за счет дополнительных элементов, например, дополнительного электрода (транзистор представляет собой четырехслойную структуру). По своим основным параметрам И²Л наиболее перспективны для создания микропроцессоров БИС.

3.3 Функциональный состав серий ИМС. Занятие 28.

Каждая серия ИС имеет определенный набор различного функционального назначения. В различные серии входят ИС одинакового функционального назначения, имеющие одинаковую структурную схему, цоколевку и условное графическое обозначение. Различие –в технологии изготовления, корпусах и, главное, в параметрах.

Описание ИС, совокупность которых называется функциональным рядом, выпускается заводом-изготовителем. На наиболее употребительные ИС выпускаются справочники, один из которых издается в Минске: Цифровые интегральные микросхемы. Справочник (М.И. Богданович, И. И. Грель, С.А. Дубина, В.А. Прохоренко, В.В. Шалимо).

Наиболее широкий функциональный ряд имеется в ИС ТТЛ. Различные функциональные ряды, как правило, стыкуются между собой.

Функциональные ряды разбиваются на группы по функциональному назначению: логические элементы, триггеры, счетчики, регистры, ключи и мультиплексоры, дешифраторы и т.д. В справочниках указываются типы, размеры и цоколевка корпусов. В корпусе размещается определенное количество элементов. Например, в одном корпусе на 14 выводов размещается шесть инверторов, четыре элемента И, четыре элемента ИЛИ и т.д. Там же можно найти и типичное применение ИС.(взять справочник).