Основные функциональные элементы цифровых интегральных микросхем

Общие сведения

V. Интегральные микроэлектронные схемы

С момента изобретения транзисторов все электронные приборы и преобразователи конструировали примерно так же, как и ламповые устройства. Транзисторы, резисторы, конденсаторы, диоды, катушки индуктивности и тому подобные радиоэлектронные элементы с помощью определенных приемов сборки компоновались в законченные узлы. При этом многолетний опыт показал, что даже при использовании самых миниатюрных радиоэлектронных элементов достигнуть плотности монтажа выше двух элементов в 1 см³ не пред­ставляется возможным.

В последние годы, однако, получила повсеместное распространение другая технология изготовления функциональных элементов электронных приборов и преобразователей: усилителей, триггеров, переключателей, одновибраторов и т. д. При этой технологии как сами процессы изготовления входящих в функциональный элемент транзисторов, резисторов, диодов и т. д., так и операции их соединения в законченную электронную схему совмещаются. Эта технология получила название интегральной, а изготавливаемые с ее помощью законченные функциональные элементы — интегральных микросхем (ИС). Приставкой «микро» подчеркнули существо интегральной технологии — высокий уровень миниатюризации аппаратуры, при которой плотность монтажа элементов внутри ИС может достигать более 10000 элементов в 1 см³. Это позволило по-новому конструировать радиоэлектронную аппаратуру. Заметим, что для создания устройства с вычислительными возможностями обычного микрокалькулятора в середине 40-х годов нашего столетия, когда использовались электронные лампы, потребовался бы объем трамвайного вагона.

Основная часть выпускаемых промышленностью ИС носит название полупроводниковых. Все внутренние элементы таких ИС, включая и межэлементные соединения, выполняются в едином тех­нологическом цикле на поверхности и в объеме полупроводника. По этой причине законченную ИС, предназначенную для использования в качестве самостоятельного элемента, часто называют кристаллом.

Полупроводниковые ИС получают следующим образом. Берут тонкую (толщиной до 0,4 мм) кремниевую пластинку, именуемую подложкой, и наращивают на нее так называемый эпитаксиальный слой. Подложка и эпитаксиальный слой имеют разные типы проводимости. Затем с помощью высокой температуры пластинку подвергают окислению до образования на поверхности эпитаксиального слоя изолирующей пленки. На эту пленку наносят светочувствительный слой — фоторезист. Далее на фоторезист проецируют требуемый рисунок (подобно тому, как это делается в обычной фотопечати). Рисунок проявляют до образования окон в слое фоторезиста, через которые производят травление пленки двуокиси кремния. Отверстия в пленке используют затем для диффузии примесей различного типа проводимости в эпитаксиальном слое.

В результате последовательного проведения требуемого числа циклов окисления, фотолитографии (т.е. проецирования рисунка на фоторезист с последующим его травлением) и диффузии в эпитаксиальном слое образуются участки со свойствами транзисторов, резисторов, диодов и конденсаторов. Эти участки и их совокупности образуют отдельные компоненты ИС. Соединения между компонентами осуществляют напылением материала с высокой электропро­водностью (например, алюминия) на подложку. Затем этот материал подвергается фотолитографическому травлению до образования проводящих дорожек.

Описанная технология позволяет получать в кристалле как биполярные, так и полевые транзисторы. В качестве диодов используют транзисторы, у которых база соединена с коллектором. Роль резисторов играют сформированные посредством диффузии участки полупроводниковой пластины. Наконец, конденсаторы в полупро­водниковых ИС получают с помощью запертых р-п- переходов.

Изготовление ИС осуществляют групповым методом. На одной подложке изготавливают сразу до 500 одинаковых функциональных структур. После завершения всех операций пластины разрезают на отдельные платы, каждая из которых содержит законченную функциональную структуру. Такую плату и называют кристаллом (рис. 71, а). Его закрепляют на основании корпуса микросхемы, осуществляют электрическое соединение с выводами с помощью тонких проводников из сплавов благородных металлов и герметизируют. Полученные подобным образом микросхемы подвергают оконча­тельной разбраковке и оформляют в виде готовой продукции.

Промышленность выпускает разнообразный перечень интегральных микросхем. Перечень включает в свой состав более 550 цифровых и аналоговых микросхем. Цифровые ИС представлены логическими элементами И, ИЛИ, НЕ, элементами с комбинациями логических функций И-ИЛИ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, триггерами, сумматорами, счетчиками импульсов с различным числом пересчета, регистрами для записи цифровой информации, шифраторами и дешифраторами, всевозможными запоминающими устройствами, а также ключами и коммутаторами. Особое место в цифровых ИС занимают программируемые микропроцессорные устройства, предназначенные для решения сложных вычислительных задач.

Аналоговые микросхемы включают в свой состав всевозможные усилители постоянного тока низкой и высокой частоты, дифференциальные и операционные усилители, генераторы сигналов специ­альной формы, вторичные источники питания (т.е. стабилизаторы напряжения), преобразователи цифрового кода в напряжение постоянного тока, коммутаторы аналоговых сигналов, оптоэлектронные ключи и коммутаторы, схемы сравнения и частотной селекции, детекторы, модуляторы и наборы отдельных элементов (транзисторов и диодов).

Схемы различаются по своему конструктивному исполнению, требуемому напряжению питания (от 3 до 15 В), числу источников питания (один или два), диапазону допустимых значений окружающей температуры и т. д. Микросхемы выпускают в керамическом корпусе (рис. 71, б) и в металлостеклянном (рис. 71, в). Чтобы под­черкнуть небольшие размеры микросхемы, на рис. 71, г однокристальная микроЭВМ «Электроника С5-31» изображена рядом с обыкновенной спичкой.

Все цифровые ИС строятся на основе относительно небольшого числа стандартных типовых структур, выполняющих простейшие логические операции И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И, ИЛИ. Для получения элементов, предназначенных для реализации более сложных логических функций (например, счет, суммирование, запоминание и т.д.), эти исходные структуры определенным образом соединяют между собой. Совокупность выполняющих различные функции элементов, которые имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения, условились называть серией интегральных микросхем. Промышленностью налажен выпуск более чем четырех десятков серий ИС, которые различаются составом элементов, технологией изготовления, конструктивным оформлением, быстродействием, энергопотреблением, требуемым напряжением питания и некоторыми другими параметрами.

Рассмотрим устройство и принцип работы основных элементов для тех серий ИС, которые находят наиболее широкое применение в электронных устройствах и преобразователях.

На рис. 72 показана принципиальная схема четырехвходового базового логического элемента И-НЕ транзисторно-транзисторной серии К155, а на рис. 73—компоновка двух таких элементов в сдвоенном четырехвходовом инверторе типа К155ЛА1. Оба инвертора смонтированы в корпусе, который приведен на рис. 71, б. Корпус снабжен 14 выводами. Вывод 7 является общим, к нему и к выводу 14 подводится напряжение источника питания U_п. Выводы /, 2, 4 и 5 для одного инвертора и 9, 10, 12 и 13 для другого являются входны­ми, а соответственно выводы 6 и 8 — выходными. Цилиндрическая выемка на корпусе микросхемы (см. рис. 71, б) является ключом и позволяет осуществлять отсчет выводов. На электрических схемах питание ИС, как правило, не показывают и ограничиваются только обозначением входных и выходных выводов, как это сделано на рис. 73. Все транзисторы, включая многоэмиттерный транзистор VT1, диоды и резисторы, рассматриваемой микросхемы получают методом интегральной технологии, описанной ранее.

Разберем работу базового элемента И-НЕ (см. рис. 72). В его состав входят многоэмиттерный транзистор VT1, четыре транзистора VT2 — VT5, четыре защитных диода VD1 — VD4, диод смещения VD5 и пять резисторов R1 — R5. Логическая функция И в схеме реализуется транзистором VT1, а транзистор VT2 служит в качестве инвертора. Транзистор VT4 выполняет функции эмиттерного повторителя с нагрузкой в виде транзистора VT5.

Если на всех входах 1, 2, 4 и 5 (эмиттеры транзистора VT1) действует логический сигнал 1, т.е. потенциал, близкий к напряжению U _п, то все переходы эмиттер–база транзистора VT1 закрыты. Переход коллектор–база этого транзистора открыт приложенным в прямом направлении напряжением источника + U _п. Транзистор VT2 при этом открыт и передает на базу транзистора VT5 высокий потенциал, близкий к + U _п. Благодаря этому транзистор VT5 также открыт. Вследствие низкого потенциала коллектора транзистора VT2 и наличия смещающего диода VD5 переход база -эмиттер транзистора VT4 оказывается запертым, а сам транзистор — закрытым. Таким образом, при наличии на всех входах элемента логической 1 на его выходе (вывод 6) присутствует логический 0, так как транзистор VT5 находится в проводящем состоянии, а транзистор VT4 — в непроводящем.

При воздействии сигнала 0 хотя бы на один из входов транзистор VT2 закрывается, а транзистор VT4 открывается из-за повышения потенциала на базе и работает как эмиттерный повторитель. Закрывается и транзистор VT5. Таким образом, состояние транзисторов VT4 и VT5 меняется на противоположное и на выходе схемы устанавливается потенциал логической единицы.

Дата добавления: 2013-12-13