Основные понятия интегральной микроэлектроники

1. Интегральная микросхема (ИМС, ИС) – это конструктивно законченное миниатюрное изделие, выполняющие определенную функцию преобразования и обработки сигнала.

1. Классификация микросхем:

1) По степени интеграции:

К=1 (до 10 элементов) – простые интегральные микросхемы

K=2 (от 10 до 100 элементов) – средние интегральные микросхемы

К=3 (от 100 до 1000 элементов) – большие интегральные микросхемы

К≥4 (более 1000 элементов) – сверхбольшие интегральные микросхемы(СБИС)

2) По технологии изготовления:

2.1 полупроводниковые (п/п) интегральные микросхемы (ИМС) – все элементы и межэлементные соединения выполняются в объеме и на поверхности полупроводника;

2.2 пленочные ИМС – все элементы и межэлементные соединения выполняются в виде пленок различных веществ;

2.3 гибридные ИМС – активные элементы – п/п технология; пассивные элементы – пленочная технология или многокристальные микросхемы.

3) По применению:

3.1 цифровые интегральные микросхемы (ЦИМС) – применяются для обработки импульсных, дискретных сигналов;

3.2 Аналоговые ИМС – предназначены для обработки непрерывных сигналов.

Маркировка ИМС содержит 5 элементов:

1) Одна или две буквы. Они обозначают материал и конструктивное оформление корпуса и применение.

К – микросхема широкого применения

Без К – специального назначения.

Р – пластмассовый корпус

М – керамический или металлокерамический корпус

Е – металлополимерный корпус

А – пластмассовый планарный корпус

41) Гибридные интегральные микросхемы (ГИС)

(см. «Классификация микросхем»)

Различают 2 вида ГИС по толщине пленки:

1) Тонкопленочные;

2) Толстопленочные.

Тонкие пленки (1-2 мкм) изготавливают вакуумным напылением.

Толстые пленки (от нескольких мкм до сотен мкм) изготавливают нанесением пасты с последующим вжиганием.

Применяемые материалы для пленок:

1. Проводники – серебро, алюминий, золото;

2. Резисторы – тантал, хром и их сплавы;

3. Конденсаторы тантал - оксид-тантал;

4. Катушки индуктивности – до 3 мкГн – выполняют в виде спирали Архимеда.

Особенности ГИС по сравнению с п/п:

1) Сравнительно большие размеры, большее потребление энергии;

2) Проще конструкция, простота проектирования и изготовления, меньше стоимость, следовательно, процент годности 60-80%

3) Большой выбор материалов позволяет изготовить микросхемы с заданными параметрами.

42) Особенности БИС, СБИС:

1) многослойные соединения позволяют из одного и того же базового кристалла, в котором создано большое число одинаковых элементов, меняя топологию металлических соединений можно создавать различные по функциональным возможностям БИС, СБИС.

2) При создании БИС и СБИС широко применяют функционально интегрированные элементы, которые делятся на три группы:

a) совмещение областей различных активных элементов

b) совмещение пассивных элементов с базовыми или коллекторными областями транзистора.

c) Совмещение областей транзистора с различной структурной проводимостью.

Рис.38

Например:

Кроме БИС функции, которых определяются схемой межэлементных соединений (жесткая логика) создаются также комплекты БИС функции которых задаются программой (мягкая логика), такие комплекты называют микропроцессорными комплектами.

Универсальность микропроцессорного комплекта определяется количеством машинных команд, которые они выполняют.

Что дает применение БИС

1) Увеличение функциональных возможностей аппаратуры. Саморемонт – т.е. создаются резервные блоки и при обнаружении ошибки (неисправности) отключается неисправный блок и включается резервная часть.

2) Уменьшается количество паяных соединений, следовательно, многократно возрастает надежность аппаратуры.

3) Уменьшение габаритов, массы, энергопотребления.

1) 43) Кварцевый резонатор – это пьезоэлемент на основе кварца. Кварцевый резонатор кроме гигантской добротности обладает высокой стабильностью собственных колебаний, поэтому кварцевые резонаторы применяются в цепи обратной связи автогенератора для стабилизации частоты.

2. Пьезоэлектрики – это вещества, в которых наблюдается пьезоэффект.

3. Пьезоэлемент – это плоский конденсатор на основе пьезоэлектрика.

4. УГО

5.

Рис.39

1. 44) ЦИМС или логические микросхемы предназначены для выполнения разнообразных логических функций; запоминания информации и ряда других операций в совокупности обеспечивающих возможность построения отдельных блоков ЭВМ.

Наибольшее распространение получили ЦИМС на биполярных и полевых МДП транзисторах.

Классификация:

1) По виду сигнала:

1.1) импульсные цифровые микросхемы, имеют динамические входы и реагируют только на изменение входных напряжений:

a) от 0 к 1 – прямой динамический вход

b) от 1 к 0 – инверсный динамический вход

1.2) потенциальные ЦИМС, имеют статические входы и реагируют на наличие 0 или 1:

a) рабочее напряжение 1 – прямой статический вход

b) рабочее напряжение 0 – инверсный статический вход

1.3) импульсно-потенциальные цифровые микросхемы – имеют как статические, так и динамические входы.

2) По типу основной логической схемы:

2.1) ЦИМС ТТЛ- транзисаторно-транзисторная логика.

2.2) ЦИМС ЭСЛ - эмиттерно-связаная логика

2.3) ЦИМС КМДП; “n”-МДП; “p”-МДП

2.4) ЦИМС И²Л

3) По типу используемых транзисторов:

3.1) ЦИМС на биполярных транзисторах;

3.2) ЦИМС на полевых транзисторах.

2. Основные параметры ЦИМС:

Основные параметры являются общими для всех существующих и возможных в будущем логических микросхем. Они позволяют сравнить между собой ЦИМС различных типов.

Параметры ЦИМС:

1) реализуемая логическая функция – в маркировке две буквы (группа, подгруппа)

2) нагрузочная способность микросхем – это свойство характеризуется коэффициентом разветвления по выходу – это максимальное число однотипных входов микросхем, которые можно подключить одновременно к данному выходу микросхем.

3) Коэффициент объединения по входу (Коб, m) – характеризует нагрузочную способность микросхемы по входу – это наибольшее число однотипных выходов, которые можно подключить одновременно к данному входу. Как правило, Коб бывает до 10.

4) Среднее время задержки при передаче сигнала в микросхеме t_{задержки среднее} = (t¹⁰_зад.+t⁰¹_зад.)/2

t¹⁰_зад. – перепад напряжения от 1 к 0

t⁰¹_зад. – перепад напряжения от 0 к 1

Быстродействие также характеризуется предельной рабочей частотой f_пр – это наибольшая частота следования импульсов на входе при котором еще сохраняется работоспособность микросхем f_пр=1/t_зад.ср.

45) Примеры серий:

133 и К155 – стандартные ТТЛ;

130 и К131 – повышенного быстродействия;

134 и 530 – микромощные;

К 531 – с диодами Шотки.

3. Особенности микросхем ЭСЛ

Эти микросхемы представляют собой транзисторные переключательные схемы с объединенными эмиттерами на основе дифференциальных усилителей.

Микросхемы ЭСЛ самые быстродействующие (см. таблицу параметров), но потребляют наибольшую мощность для своей работы. В микросхемах ЭСЛ «+» питания в общей точке, поэтому уровень 0 (по напряжению), уровень 1, и все остальные напряжения в справочниках приводятся со знаком «–»

Примеры серий: 137, 100, К500, К 1500, и т.д.

4. Особенности микросхем КМОП, КМДП - эти микросхемы выполняются на комплиментарных (К) полевых транзисторах с изолированным затвором (О или Д) и встроенным или индуцируемым каналом (П). (повторить «Выходные Безтрансформаторные каскады»).

Микросхемы КМОП имеют:

1) наименьшую потребляемую мощность;

2)самую высокую помехоустойчивость;

3) работоспособность сохраняется в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 вольт;

4) высокая нагрузочная способность;

5) малая генерация помех;

6) самое низкое быстродействие.

Примеры серии: К176, К561, К564, К565, К568, К801 и т.д.

5. Особенность микросхем И²Л

Структура проводимости и схема базового логического элемента И²Л показана на рисунке 53 и 54.

Рисунок 54 - Схема базового логического элемента И²Л

Рисунок 53 - Структура проводимости И²Л

Рисунок 53 - Структура проводимости И²Л

Рисунок 54 - Схема базового логического элемента И²Л

Эти микросхемы называют с интегральной инжекционной логикой т.к. в кристалле совмещены б₁ и э₂; б₂ и к₁ – поэтому называют интегральной логикой.

VT1 выполняет роль инжектора тока. При работе схемы I₀=const, величина тока не меняется, меняется его направление.

Например X=0, вход соединен с общей точкой, I₀ проходит К1→входная цепь, VT2 закрыт, на свободных коллекторах самый большой «+». Y₁ = Y₂ = Y₃ = 1. Если на входе 1, значит вход соединен с «+» питания с резистором 1 кОм, следовательно, VT2 открыт, I₀ проходит к₁-б₂-э₂, на свободных коллекторах наименьшее напряжение = 0. Y₁ = Y₂ = Y₃ = 0. Выполняется логическая функция 3НЕ.

VT1 всегда открыт и может служить инжектором для нескольких подобных цепей.

Особенность микросхем И²Л:

1 I₀=const обеспечивает довольно хорошее быстродействие микросхем И²Л;

2 низкое напряжение питания, малая потребляемая мощность;

3 высокая степень интеграции за счет объединения (совмещения) областей транзисторов позволяет реализовать БИС и СБИС;

4 малая генерация помех;

5 низкая помехоустойчивость;

6 невозможность непосредственного сопряжения с другими типами логик.

1) 46) Аналоговые микросхемы (АИМС) предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции от времени, причем выходная информация, как правило, сходна по форме с входным сигналом. АИМС по этой причине называют линейными интегральными микросхемами.

Классификация:

АИМС различают по выполняемым функциям. Примеры:

Дата добавления: 2015-06-04