Для чего нужны микросхемы
Радиолюбитель
Последние комментарии
Радиодетали – почтой
Введение в электронику. Микросхемы
Введение в электронику.
Микросхемы
Серия статей известного автора множества радиолюбительских публикаций Дригалкина В.В. для начинающих радиолюбителей
Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ Радиолюбитель “
Микросхемы
Микросхема (ИС – Интегральная Схема, ИМС – Интегральная Микросхема, чип или микрочип от английского Chip, Microchip) представляет собой целое устройство, содержащее в себе транзисторы, диоды, резисторы и другие, активные и пассивные элементы, общее число которых может достигать нескольких десятков, сотен, тысяч, десятков тысяч и более. Разновидностей микросхем достаточно много. Наиболее применяемые среди них – логические, операционные усилители, специализированные.
Большая часть микросхем помещена в пластмассовый корпус прямоугольной формы с гибкими пластинчатыми выводами (см. Рис. 1), расположенными вдоль обеих сторон корпуса. Сверху на корпусе есть условный ключ — круглая или иной формы метка, от которой ведется нумерация выводов. Если на микросхему смотреть сверху, то отсчитывать выводы нужно против движения часовой стрелки, а если снизу — то в направлении движения часовой стрелки. Микросхемы могут иметь любое количество выводов.
Маркировка зарубежных ТТЛ-микросхем начинается с цифр 74, например 7400. Условные графические обозначения основных элементов логических микросхем показаны на Рис. 2. Там же приведены таблицы истинности, дающие представление о логике действия этих элементов.
Обозначение символов логических элементов (знаков “&” или “1”) применяется только в отечественной схемотехнике.
ТТЛ-микросхемы обеспечивают построение самых различных цифровых устройств, работающих на частотах до 80 МГц, однако их существенный недостаток – большая потребляемая мощность.
В ряде случаев, когда не нужно высокое быстродействие, а необходима минимальная потребляемая мощность, применяют КМОП-микросхемы, которые используются полевые транзисторы, а не биполярные. Сокращение КМОП (CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor) расшифровывается как Комплементарный Металло-Оксидный Полупроводник. Основная особенность микросхем КМОП – ничтожное потребление тока в статическом режиме – 0,1…100 мкА. При работе на максимальной рабочей частоте потребляемая мощность увеличивается и приближается к потребляемой мощности наименее мощных микросхем ТТЛ. К КМОП-микросхемам относятся такие известные серии, как К176, К561, КР1561 и 564.
Операционные усилители имеют два входа – инвертирующий и неинвертирующий. На схеме обозначаются минусом и плюсом соответственно (см. Рис.3). Подавая сигнал на вход плюс – на выходе получается неизменный, но усиленный сигнал. Подавая его на вход минус, на выходе получается перевернутый, но тоже усиленный сигнал.
При производстве радиоэлектронной продукции использование многофункциональных специализированных микросхем, требующих минимального количества внешних компонентов, позволяет значительно сократить время разработки конечного устройства и производственные затраты. К этой категории микросхем относятся чипы, которые предназначены для чего-то определенного. Например, существуют микросхемы усилителей мощности, стереоприемников, различных декодеров. Все они могут иметь совершенно разный вид. Если одна из таких микросхем имеет металлическую часть с отверстием, это означает, что ее нужно привинчивать к
радиатору.
Со специализированными микросхемами иметь дело куда приятнее, чем с массой транзисторов и резисторов. Если раньше для сборки радиоприемника необходимо было множество деталей, то теперь можно обойтись одной микросхемой.
Что такое микросхема? Как ее проектируют и производят?
Изобретение биполярного транзистора позволило сделать электронно-вычислительные машины значительно меньшими в размерах, а появление в 1950 году полевого транзистора дало возможность углубиться миру в цифровую схемотехнику и создать микросхемы, без которых сегодняшние технологии были бы невозможными.
Соединив множество транзисторов, можно создать цифровую схемотехнику, однако это будет выглядеть довольно громоздко. Тогда родилась идея объединить несколько транзисторов на одном куске полупроводника. Так в 1958 году была создана первая в мире интегральная микросхема. Первоначально она включала в себя небольшое количество транзисторов, но со временем их число стало увеличиваться. Например, Rentium 4 соединяет несколько миллионов транзисторов. Сам процесс производства современных интегральных микросхем очень сложен. Чтобы разработать проект нового чипа понадобится около полутора лет, при этом затраты на это составят около одного миллиарда американских долларов.
Первым делом необходимо разработать проект микросхемы в системе автоматического проектирования (САПР). Раньше надо было располагать каждый транзистор на куске кремния, теперь же, с изменением типовых линейных размеров транзистора до минимума, когда они стали составлять около 100 нанометров, а число транзисторов в чипе больше миллиарда, создавать руками расположение определенного транзистора не предоставляется возможным.
При современном проектировании используются готовые блоки элементов, то есть уже соединенные вместе транзисторы Их объединяют в логические элементы, функциональные узлы/блоки, что позволяет существенно сокращать время на разработку.
Непосредственно сама процедура изготовления микросхем занимает до восьми недель и осуществляется в специальных условиях. Сама интегральная схема это структура, состоящая из нескольких слоев. Слои разделяются на полупроводниковые и металлические. На полупроводниковых слоях находятся транзисторы, на металлических слоях – соединительные элементы и внешние выводы.
На полупроводниковых слоях требуется определить расположение каждого транзистора, указать, какая область будет иметь положительную проводимость, а какая отрицательную.
Кроме транзисторов миниатюрный блок микросхемы включает в себя множество и других активных и пассивных элементов, таких как, например, диоды и резисторы. Их общее число может достигать сотен тысяч, миллионов и даже миллиардов, если рассматривать современные технологии.
В зависимости от количества элементов интегральные микросхемы делятся на следующие виды: малой степени интеграции, средней степени интеграции, большие и сверхбольшие интегральные.
В микросхеме малой степени интеграции, в зависимости от ее функционального назначения, может содержаться до ста пассивных и активных элементов. А в сверхбольшой микросхеме – от десяти тысяч и более, то есть миллионы и миллиарды элементов на одном кристалле полупроводника. Одна микросхема может выполнять функцию узла или целого блока радиоприемника, телевизора, микрокалькулятора или какой-либо электронно-вычислительной машины.
Постоянное уменьшение транзисторов в размерах вызывает трудности при гравировке кристалла, даже при использовании самых современных методов, например, лазера. Меньшее, не всегда лучшее. Существуют транзисторы, размеры которых меньше бактерий, они потребляют настолько мало энергии, что могут быть уязвимыми даже при любом микроскопическом воздействии, которое может их вывести из строя. Например, они могут пострадать от ионизированных частиц космических лучей, возникающих при взрыве сверхновых, которые могут нарушить функциональность транзистора и спровоцировать его ошибочное переключение.
Что такое микросхема, типы и корпуса микросхем
Неизвестно, кому первому пришла мысль выполнить два или более транзисторов на одном кристалле полупроводника. Возможно, эта идея возникла сразу после начала выпуска полупроводниковых элементов. Известно, что теоретические основы такого подхода были опубликованы в начале 50-х годов прошлого века. Меньше 10 лет ушло на преодоление технологических проблем, и уже в начале 60-х годов было выпущено первое устройство, содержащее в одном корпусе несколько электронных компонентов – микросхема (чип). С того момента человечество встало на путь совершенствования, которому пока не видно конца.
Назначение микросхем
В интегральном исполнении в настоящее время выполняются самые разнообразные электронные узлы с различной степенью интеграции. Из них, как из кубиков, можно собирать различные электронные устройства. Так, схему радиоприемника можно реализовать различными способами. Начальный вариант – воспользоваться микросхемами-наборами транзисторов. Соединив их выводы, можно выполнить приёмное устройство. Следующий этап – использовать отдельные узлы в интегральном исполнении (каждое в своём корпусе):
Наконец, самый современный вариант – весь приемник в одной микросхеме, надо лишь добавить несколько внешних пассивных элементов. Очевидно, что с ростом степени интеграции построение схем упрощается. Даже полноценный компьютер в настоящее время можно реализовать на одной микросхеме. Его производительность пока будет ниже, чем у обычных вычислительных устройств, но с развитием технологий, возможно, и этот момент удастся победить.
Типы микросхем
В настоящее время выпускается огромное количество типов микросхем. Практически любой законченный электронный узел, стандартный или специализированный, выпускается в микроисполнении. Перечислить и разобрать все типы в рамках одного обзора не представляется возможным. Но в целом по функциональному назначению микросхемы можно разделить на три глобальные категории.
Также микросхемы делятся по типу производства:
Но для применения микросхем эта классификация в большинстве случаев особой практической информации не дает.
Корпуса микросхем
Для защиты внутреннего содержимого и для упрощения монтажа микросхемы помещают в корпус. Изначально большая часть микросхем выпускалась в металлической оболочке (круглой или прямоугольной) с гибкими выводами, расположенными по периметру.
Такая конструкция не позволяла использовать все преимущества миниатюризации, так как габариты устройства были очень большими по сравнению с размерами кристалла. К тому же степень интеграции была невелика, что лишь усугубляло проблему. В середине 60-х годов был разработан корпус DIP (dual in-line package) — прямоугольная конструкция с жесткими выводами с двух сторон. Проблема громоздких размеров не была решена, но все же такое решение позволяло достичь большей плотности монтажа, а также упростить автоматизированную сборку электронных схем. Число выводов микросхем в DIP-упаковке составляет от 4 до 64, хотя корпуса с количеством «ног» более 40 все же редкость.
Важно! Шаг выводов у DIP-микросхем отечественного производства составляет 2,5 мм, у импортного – 2,54 мм (1 линия=0,1 дюйма). Из-за этого возникают проблемы при взаимной замене полных, казалось бы, аналогов российского и импортного производства. Небольшое расхождение затрудняет установку в платы и в панели одинаковых по функционалу и расположению выводов устройств.
С развитием электронных технологий стали очевидны недостатки корпусов DIP. Для микропроцессоров стало не хватать количества выводов, а их дальнейшее увеличение требовало увеличения габаритов корпуса. такие микросхемы стали занимать на платах слишком много неиспользуемого места. Вторая проблема, приблизившая завершение эпохи доминирования DIP – широкое распространение поверхностного монтажа. Элементы стали устанавливаться не в отверстия на плате, а припаиваться непосредственно к контактным площадкам. Этот способ монтажа оказался очень рациональным, поэтому потребовались микросхемы в корпусах, приспособленных к пайке на поверхность. И начался процесс вытеснения устройств для «дырочного» монтажа (true hole) элементами, названными как SMD (surface mounted detail).
Первым шагом к переходу на поверхностный монтаж стали корпуса SOIC и их модификации (SOP, HSOP и другие варианты). У них, как и у DIP, ножки расположены в два ряда по длинным сторонам, но они параллельны нижней плоскости корпуса.
Дальнейшим развитием стал корпус QFP. У этого корпуса квадратной формы выводы расположены по каждой стороне. На него похож корпус PLLC, но он все же ближе к DIP, хотя ноги расположены также по всему периметру.
Некоторое время микросхемы DIP держали свои позиции в секторе программируемых устройств (ПЗУ, контроллеров, PLM), но распространение внутрисхемного программирования вытеснило двухрядные корпуса для true hole и из этой области. Сейчас SMD-исполнение получили даже те детали, монтаж которых в отверстия казался безальтернативным – например, интегральные стабилизаторы напряжения и т.п.
Развитие корпусов для микропроцессоров пошло по иному пути. Так как количество выводов не умещается по периметру ни одного из разумных размеров квадрата, ножки большой микросхемы располагают в виде матрицы (PGA, LGA и т.п.).
Преимущества использования микросхем
Появление микросхем произвело революцию в мире электроники (особенно, в микропроцессорной технике). Компьютеры на лампах, занимающие одну или несколько комнат, вспоминаются как исторический курьез. Но современный процессор содержит около 20 миллиардов транзисторов. Если принять площадь одного транзистора в дискретном исполнении хотя бы в 0,1 кв.см., то площадь, занимаемая процессором в целом, должна будет составлять не менее 200000 квадратных метров – около 2000 трехкомнатных квартир среднего размера.
Также надо предоставить площадь для памяти, звуковой платы, аудиоплаты, сетевого адаптера и других периферийных устройств. Стоимость монтажа такого количества дискретных элементов была бы колоссальной, а надежность работы недопустимо низкой. Поиск неисправности и ремонт заняли бы невероятно много времени. Очевидно, что эпоха персональных компьютеров без микросхем большой степени интеграции не наступила бы никогда. Также без современных технологий не были бы созданы устройства, требующие больших вычислительных мощностей – от бытовых до производственных или научных
Направление развития электроники предопределено на многие годы вперед. Это, в первую очередь, повышение степени интеграции элементов микросхем, что связано с непрерывным развитием технологий. Впереди предстоит качественный скачок, когда возможности микроэлектроники подойдут к пределу, но это вопрос достаточно далекого будущего.
Описание, характеристики и схема включения стабилизатора напряжения КРЕН 142
Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы
Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность
Что такое светодиод, его принцип работы, виды и основные характеристики
Как устроен электрический аккумулятор, его принцип работы, виды, назначение и основные характеристики
Какие типы и виды стабилизаторов напряжения для дома существуют?
Что такое интегральная микросхема
Интегральная схема – это изделие из микроэлементов с высокой миниатюризацией. Эти элементы преобразуют и обрабатывают сигналы. Сама схема имеет высокую плотность самих элементов. Такие элементы называются компонентами и выполняют ту или иную задачу. Эти схемы могут быть разной сложности и типов – от самых простых до сложнейших.
Используются ИС в создании компьютеров, различной вычислительной техники и другом оборудовании, в том числе промышленном и бытовом. Более подробно о строении, использовании, а также развитии интегральных схем будет рассказано в данной статье. В качестве информационного дополнения, в материале содержатся два подробных видеоролика и один скачиваемые файл о строении ИС.
Интегральные микросхемы
По научному определению, интегральные микросхемы – это отдельные высокотехнологичные устройства (с огромным количеством электронных компонентов, заключенных в маленьком корпусе), которые выполняют какую-то функцию или действие. Этих функций может быть или одна или несколько. Вот список некоторых основных функций, которые выполняют интегральные микросхемы:
Интегральные микросхемы представляют собой изделие, выполненное в герметизированном (металлическом, пластмассовом, керамическом, металлокерамическом и так лале) корпусе. Микросхемы бывают различного исполнения (прямоугольные, треугольные, круглые) с разным количеством выводов: от трех (например, на стабилизаторе LM7805, до нескольких сотен на процессорах).
Интегральные микросхемы (и аппаратура на них) обладают неоспоримыми преимуществами:
Микросхемы разделяют на два вида: 1 – полупроводниковые интегральные схемы; 2 – гибридные интегральные схемы.
Полупроводниковые интегральные элементы представляют собой кристалл, в глубине которого выполняют все элементы схемы. Изоляция различных элементов осуществляют с помощью (так называемых) «p-n» переходов.
Гибридные интегральные схемы выполняются по «пленочной» технологии и представляют пластину (подложку) из диэлектрического материала. На нее нанесены (в виде пленок) плоские компоненты (резисторы, дроссели, конденсаторы и т. д.) и соединения. Причем сопротивление резисторов может быть 105 Ом, емкость конденсаторов 103 пФ, а дроссели иметь индуктивность около 10 мкГн – не более.
Транзисторы, диоды, магнитные элементы, конденсаторы более 103 пФ и электролитические выполняют с помощью навесного монтажа. Гибридные интегральные схемы имеют более высокую точность параметров (на один или два порядка выше), чем полупроводниковые аналоги. Количество элементов внутри каждого класса микросхем может достигать несколько тысяч.
Степень интеграции
Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле и гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле, но в настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС.
Элемент интегральной схемы
Часть интегральной схемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента (резистора, диода, транзистора и т. д.), причем эта часть выполнена нераздельно от других частей и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонент интегральной схемы в отличие от элемента может быть выделен как самостоятельное изделие с указанной выше точки зрения.
По конструктивно-технологическим признакам интегральные схемы обычно разделяют на:
В полупроводниковой схеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. В таких схемах нет компонентов. Это наиболее распространенная разновидность интегральных схем.
Интегральную схему называют гибридной, если она содержит компоненты и (или) отдельные кристаллы полупроводника. В пленочных интегральных схемах отдельные элементы и межэлементные соединения выполняются на поверхности диэлектрика (обычно используется керамика). При этом применяются различные технологии нанесения пленок из соответствующих материалов. По функциональным признакам интегральные схемы подразделяют на аналоговые (операционные усилители, источники вторичного электропитания и др.) и цифровые (логические элементы, триггеры и т. п.).
Краткая историческая справка
Первые опыты по созданию полупроводниковых интегральных схем были осуществлены в 1953 г., а промышленное производство интегральных схем началось в 1959 г. В 1966 г. был начат выпуск интегральных схем средней степени интеграции (число элементов в одном кристалле до 1000). В 1969 г. были созданы интегральные схемы большей степени интеграции (большие интегральные схемы, БИС), содержащие до 10000 элементов в одном кристалле.
К 2000 г. ожидается появление интегральных схем, содержащих до 100 млн МОП транзисторов в одном кристалле (речь идет о цифровых схемах). Система обозначений. Условное обозначение интегральных микросхем включает в себя основные классификационные признаки.
К этим основным элементам обозначений микросхем могут добавляться и другие классификационные признаки.
Дополнительная буква в начале четырехэлементного обозначения указывает на особенность конструктивного исполнения:
В начале обозначения для микросхем, используемых в условиях широкого применения, приводится буква К.
Серии бескорпусных полупроводниковых микросхем начинаются с цифры 7, а бескорпусные аналоги корпусных микросхем обозначаются буквой Б перед указанием серии.
Через дефис после обозначения указывается цифра, характеризующая модификацию конструктивного исполнения:
Как создаются интегральные схемы?
Как изготовить чип памяти или процессор компьютера? Процесс производства начинается с химического элемента — кремния, который химически обрабатывается (легируется) для придания различных электрических свойств.
Современное исполнение интегральной схемы (одна из многочисленных форм), установленной на электронной плате устройства. Это далеко не самый продвинутый вариант, а лишь один из многих
Традиционно для нужд электроники используются материалы двух категорий:
Принцип легирования химических элементов
Если добавить некоторое количество сурьмы кремнию, структура этого химического элемента насыщается большей массой электронов, чем обычно. Обеспечивается проводимость электричества. Кремний, «легированный» подобным образом, приобретает характеристику N-типа. В другом случае, когда вместо сурьмы добавляется бор, масса электронов кремния уменьшается, оставляя своеобразные «дыры», которые функционируют подобно «отрицательно заряженным электронам».
Благодаря «дырам» положительный электрический ток пропускается в противоположном направлении. Такая разновидность кремния характеризуется P-типом. Расположение областей кремния N-типа и P-типа рядом одна с другой, способствует созданию соединения, где отмечается поведение электронов, характерное для электронных компонентов на основе полупроводников:
Структурная интегральная схема внутри чипа
Итак, процесс создания интегральной схемы начинается от монокристалла кремния, напоминающего по форме длинную сплошную трубу, «нарезанную» тонкими дисками — пластинами. Такие пластины размечаются на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых представляет один кремниевый чип (микрочип). Пример внутренней структуры интегральной схемы, демонстрирующий возможности такой уникальной технологии интеграции полноценных электронных схемотехнических решений.
Затем на каждом таком чипе создаются тысячи, миллионы или даже миллиарды компонентов путём легирования различных участков поверхности — превращения в кремний N-типа или P-типа. Легирование осуществляется различными способами. Один из вариантов — распыление, когда ионами легирующего материала «бомбардируют» кремниевую пластину.
Другой вариант — осаждение из паровой фазы, включающий введение легирующего материала газовой фазой с последующей конденсацией. В результате такого ввода примесные атомы образуют тонкую пленку на поверхности кремниевой пластины. Самым точным вариантом осаждения считается молекулярно-лучевая эпитаксия.
Конечно, создание интегральных микросхем, когда упаковываются сотни, миллионы или миллиарды компонентов в кремниевый чип размером с ноготь, видится сложнейшим процессом. Можно представить, какой хаос принесёт даже небольшая крупинка в условиях работы в микроскопическом (наноскопическом) масштабе. Вот почему полупроводники производятся в лабораторных условиях безупречно чистых. Воздух лабораторных помещений тщательно фильтруется, а рабочие обязательно проходят защитные шлюзы и облачаются в защитную одежду.
Кто создал интегральную схему?
Разработка интегральной схемы приписывается двум физикам — Джеку Килби и Роберту Нойсу, как совместное изобретение. Однако фактически Килби и Нойс вынашивали идею интегральной схемы независимо друг от друга. Между учёными даже существовала своего рода конкуренция за права на изобретение.
Джек Килби трудился в «Texas Instruments», когда учёному удалось реализовать идею монолитного принципа размещения различных частей электронной схемы на кремниевом чипе. Учёный вручную создал первую в мире интегральную микросхему (1958 год), использовав чип на основе германия. Компания «Texas Instruments» спустя год подала заявку на патент.
Тем временем представитель другой компании «Fairchild Semiconductor» — Роберт Нойс, проводил эксперименты с миниатюрными цепями своего устройства. Благодаря серии фотографических и химических методов (планарный процесс), учёный всего лишь на год позже Килби создал практичную интегральную схему. Методика получения также была оформлена заявкой на патент.