Тема 3.1 Цифровые и аналоговые микросхемы

Классификация интегральных микросхем

Интегральные микросхемы (ИС) – это микроэлектронные изделия, состоящие из активных элементов (транзисторов, диодов), пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей) и соединительных проводников, которые изготавливаются в едином технологическом процессе в объеме или на поверхности материала основания, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неразделимое целое.

Интегральные схемы классифицируют по технологическим принципам их изготовления и по их функциональному назначению.

По технологии изготовления ИС делятся на полупроводниковые и гибридные.

Элементы полупроводниковых (твердых, монолитных) ИС формируются в объеме и (или) на поверхности полупроводникового материала (подложки).

Элементы гибридной ИС выполняются в виде пленок, наносимых на поверхность диэлектрического материала (подложки), а некоторые из них имеют самостоятельное конструктивное оформление и крепятся к поверхности подложки.

Как полупроводниковые, так и гибридные ИС подразделяются по степени интеграции (по суммарному количеству входящих в данную микросхему активных и пассивных элементов) на схемы малой, средней и большой степени интеграции.

По функциональному назначению ИС делятся на два больших класса: логические (цифровые) схемы и линейно-импульсные (аналоговые). Логические ИС используются в электронных вычислительных машинах, устройствах дискретной обработки информации, системах автоматики. Активные элементы этих схем работают в ключевом режиме.

Линейно-импульсные схемы используются для усилителей сигналов низкой и высокой частоты, видеоусилителей, генераторов, сместителей, детекторов и других устройств, где активные элементы работают в линейном режиме или осуществляют нелинейные преобразования входных сигналов.

Большие интегральные схемы

Значительный рост функциональной сложности микросхем и соответственно числа элементов и компонентов ИС привел к созданию схем с высокой степенью интеграции – больших интегральных схем (БИС). БИС содержит не менее 100 эквивалентных логических схем, соединенных между собой не менее, чем двумя слоями тонкопленочных соединений. Кроме того, БИС являются сложными схемами, представляющими целые узлы и устройства. Так, например, в ИС пятой степени интеграции содержится 10⁵ элементов на кристалл и на одной кремниевой пластине создаются схемы, которые могут выполнять функции целых ЭВМ.

Наиболее эффективными можно считать перевод на БИС вычислительных машин, имеющих большое число одинаковых схем. однако повышение степени интеграции ограничено рядом факторов: возможностью уменьшения геометрических размеров элементов, типом активного элемента, возможностью увеличения размеров кристалла БИС и т.д.

Для изготовления БИС наиболее пригодны МДП-структуры, т.к. МДП-транзисторы имеют значительно меньшие размеры, проще в изготовлении и потребляют меньшую мощность.

Дальнейшее развитие микроэлектроники связано с использованием оптических и магнитных явлений, сверхпроводимости, электрохимических явлений в жидких и твердых электролитах и т.д. Все более широко начинают использоваться результаты исследования биологических систем.

Это новое направление получило название «функциональная микроэлектроника».

Полупроводниковые ИС в основном изготовляются из кремния. Выбор кремния обусловлен тем, что он имеет более высокую рабочую температуру (до 125⁰С), меньшие обратные токи. Кроме того, путем окисления поверхности кремния легко получить пленку двуокиси кремния, которая обладает хорошими защитными свойствами. Для изготовления полупроводниковой ИМС прежде всего слитки кремния разрезают на множество тонких пластин (d=150мкм) и затем, для получения ровной поверхности, перед началом основных технологических операций многократно шлифуют и полируют. После этого на такой пластине в едином технологическом цикле формируют несколько сотен совершенно одинаковых схем. Затем пластины разрезаются на отдельные кристаллы (схемы) и осуществляется присоединение выводов и заключение каждого кристалла (схемы) в корпус.

В гибридных ИС содержатся тонкопленочные или толстопленочные пассивные элементы и полупроводниковые активные навесные элементы - компоненты ИС.

Гибридная тонкопленочная технология предпочтительна в тех случаях, когда необходимо изготовить сравнительно небольшое количество специализированных микросхем с высокой точностью номиналов пассивных элементов.

Технология изготовления схем на основе толстых пленок отличается простотой и не требует сложного и дорогостоящего оборудования. Толстопленочные ИС характеризуются высокой надежностью при небольшой себестоимости.

Практическое занятие №2.

Ознакомление с основными сериями ИМС.

Цель работы:ознакомиться с особенностями различных типов ИМС.

На рис. 1, а и б даны условные обозначения основных типов логических элементов, а на рис. 1, в и г — базовые схемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ и ТТЛШ). Элемент И-НЕ (рис. 1, в) — это схема с ненасыщаемыми транзисторами ТТЛШ (Шоттки). Транзисторы Т₂—Т₅ образуют схему логического инвер­тора, а функции логической схемы И выполняет многоэмиттерный транзистор Т

Схемы ТТЛ могут иметь до 8 входов, а коэффициент разветвления по выходу обычно равен 10 (к выходу одного элемента могут подключаться входы десяти других). Существует множество модификаций рассмотренной схемы. Схемы с малым быстродействием работают с насыщением транзисторов (без диодов Шоттки).

Комплементарные (дополняющие) схемы КМОП получили широкое распространение и постепенно вытесняют другие типы логических элементов благодаря исключительно малому потреблению мощности при высокой нагрузочной способности и помехоустойчивости.

Все МОП-схемы в принципе ведут себя более капризно, чем элементы на биполярных транзисторах. Прежде всего они подвержены действию статических электрических зарядов и наводок от внешних источников. Если затвор МОП-прибора оказывается разомкнут, то почти наверняка он будет пробит.

Другая разновидность логических схем — схемы с двойной инжекцией И²Л — принципиально предназначена для создания БИС. В этих схемах используется тот факт, что базовая диффузия при n-р-n-технологии позволяет получать боковые (горизонтальные) n-p-n-транзисторы, у которых базовым слоем служат коллекторные слои p-n-p-транзисторов. В И²Л n-p-n-транзисторы используются в инверсном режиме и выполняются со многими n-областями — коллекторами (эти области в прямом включении служат эмиттерами.

Контрольные вопросы.

1. Особенности ТТЛ-схемы с открытым коллектором.

2. Особенности ТТЛ-схемы с тремя состояниями выхода.

Литература: «Электронная техника» Гальперин М. В., Издание 2-е, исправленное и дополненное, ФОРУМ – ИНФРА-М, Москва, 2005 г.

Раздел 4. УСИЛИТЕЛИ

Учебный материал данного раздела используется при изучении дисциплин: «Радиоприемные устройства», «Радиопередающие устройства», «Телевидение».

В этом разделе предстоит ознакомиться с основными параметрами усилителей, согласно которым составляются технические задания на разработку усилителей различного назначения.

Дата добавления: 2015-06-27