Grote geïntegreerde schakeling. Grote geïntegreerde schakelingen

Om min of meer complexe elektronica te laten werken, zijn er meestal veel onderdelen nodig. Als er veel van zijn, kunnen ze worden ‘gecombineerd’, bijvoorbeeld in geïntegreerde schakelingen. Wat zijn ze? Hoe worden ze geclassificeerd? Hoe worden ze gemaakt en welke signalen worden ze doorgegeven?

Wat zijn Logic Integrated Circuits (IC's)

In wezen is dit een micro-elektronisch apparaat dat is gebaseerd op een kristal van willekeurige complexiteit, dat is gemaakt op een halfgeleiderfilm of wafel. Het wordt in een niet-scheidbare behuizing geplaatst (hoewel het zonder kan, maar alleen als het deel uitmaakt van een microassemblage). Het eerste geïntegreerde circuit werd in 1968 gepatenteerd. Dit was een soort doorbraak in de industrie, hoewel het geleverde apparaat qua parameters niet erg overeenkwam met moderne ideeën. Geïntegreerde schakelingen worden meestal vervaardigd voor opbouwmontage. Vaak wordt IC opgevat als slechts één kristal of film. De meest voorkomende is het geïntegreerde circuit op een siliciumwafel. Het gebeurt zo dat het gebruik ervan in de industrie een aantal voordelen heeft, bijvoorbeeld de efficiëntie van signaaloverdracht.

Ontwerpniveaus

Deze apparaten zijn complex, wat prachtig wordt weergegeven. Nu worden ze gemaakt met behulp van speciale CAD-systemen, die productieprocessen automatiseren en aanzienlijk versnellen. Bij het ontwerpen houden we dus rekening met:

1. Logisch niveau (omvormers, NAND, NOR en dergelijke).
2. Er wordt gewerkt aan systeem- en circuittechniek (flip-flops, encoders, ALU's, comparatoren, etc.);
3. Elektrisch (condensatoren, transistors, weerstanden en soortgelijke apparaten).
4. Topologisch niveau - fotomaskers voor productie.
5. Fysiek - hoe één transistor (of een kleine groep) op een chip wordt geïmplementeerd.
6. Software - er worden instructies gemaakt voor microcontrollers, microprocessors en FPGA's. Met behulp van een verticaal diagram wordt een gedragsmodel ontwikkeld.

Classificatie

Als we het hebben over hoe geïntegreerde schakelingen worden onderscheiden, is het onmogelijk om slechts één parameter te selecteren voor het type complexiteit van de technologie in kwestie. Daarom werden er maar liefst drie geselecteerd voor het artikel.

Mate van integratie

1. Kleine geïntegreerde schakeling. Bevat minder dan honderd elementen.
2. Gemiddeld geïntegreerd circuit. Het aantal elementen varieert in het bereik van honderden/duizenden.
3. Grote geïntegreerde schakeling. Bevat duizend tot 10.000 elementen.
4. Ze bevatten meer dan tienduizend elementen.

Over het algemeen worden grootschalige geïntegreerde schakelingen vaak gebruikt voor consumentenapparaten. Andere categorieën werden eerder gebruikt:

1. Ultragroot geïntegreerd circuit. Het omvatte die monsters die een aantal elementen konden bevatten in het bereik van 1 miljoen tot 1 miljard.
2. Giga-groot geïntegreerd circuit. Dit omvatte monsters waarvan het aantal elementen groter was dan 1 miljard elementen.

Maar op dit moment worden ze niet toegepast. En alle monsters die voorheen werden geclassificeerd als UBIS en GBIS, zijn nu geclassificeerd als VLSI. Over het algemeen maakte dit het mogelijk om aanzienlijk te besparen op het aantal groepen, aangezien de laatste twee typen meestal specifiek worden gebruikt in grote onderzoekscentra waar computersystemen werken, waarvan de kracht wordt gemeten in tientallen en honderden terabytes.

Productietechnologie

Vanwege de verschillende productiemogelijkheden worden geïntegreerde schakelingen ook geclassificeerd op basis van hoe ze zijn gemaakt en waarvan:

1. Halfgeleider. Daarin worden alle elementen en verbindingen op dezelfde halfgeleiderchip gemaakt. Geïntegreerde halfgeleidercircuits maken gebruik van materialen zoals silicium, germanium, galliumarsenide en hafniumoxide.

2. Filmpje. Alle elementen en verbindingen zijn gemaakt als films:

Dikke film.

Dunne film.

3. Hybride. Heeft onverpakte diodes, transistors of andere elektronische actieve componenten. Passieve exemplaren (zoals weerstanden, inductoren, condensatoren) worden op een gemeenschappelijk keramisch substraat geplaatst. Ze zijn allemaal in één afgesloten behuizing geplaatst.

4. Gemengd. Er is niet alleen een halfgeleiderkristal, maar ook passieve elementen uit dunne film (of dikke film) die op het oppervlak worden geplaatst.

Type verwerkt signaal

En het derde en meest recente type is gebaseerd op wat de geïntegreerde circuitprocessen signaleert. Zij zijn:

1. Analoog. Hier veranderen de ingangs- en uitgangssignalen volgens de wet. Ze kunnen een waarde aannemen in het bereik van negatieve tot positieve voedingsspanning.
2. Digitaal. Hier kan elk ingangs- of uitgangssignaal twee waarden hebben: logisch één of nul. Elk van hen heeft zijn eigen vooraf bepaalde spanningsniveau. Microcircuits van het TTL-type beoordelen het bereik van 0-0,4V dus als nul en 2,4-5V als één. Er kunnen andere divisies zijn, het hangt allemaal af van het specifieke monster.
3. Analoog-digitaal. Ze combineren de voordelen en kenmerken van eerdere modellen. Ze kunnen bijvoorbeeld signaalversterkers en analoog-naar-digitaal-omzetters bevatten.

Juridische kenmerken

Wat zegt de wet over geïntegreerde schakelingen? Ons land biedt wettelijke bescherming voor topologieën van geïntegreerde schakelingen. Hiermee bedoelen we de geometrisch-ruimtelijke rangschikking van een bepaalde reeks specifieke elementen en verbindingen daartussen, vastgelegd op een bepaald materieel medium (overeenkomstig artikel 1448 van het Burgerlijk Wetboek van de Russische Federatie). De auteur van de topologie heeft de volgende intellectuele rechten op zijn uitvinding:

1. Copyright.
2. Exclusief recht.

Bovendien kan de auteur van de topologie andere voorkeuren hebben, waaronder de mogelijkheid om een ​​vergoeding te ontvangen voor het gebruik ervan. tien jaar geldig. Gedurende deze tijd kan de uitvinder, of de persoon aan wie deze status is toegekend, de topologie registreren bij de juiste intellectuele eigendoms- en octrooidienst.

Conclusie

Dat is het! Als u uw eigen schakeling wilt samenstellen, kunt u deze alleen maar succes wensen. Maar tegelijkertijd zou ik uw aandacht willen vestigen op één kenmerk. Als u een microschakeling wilt samenstellen, moet u zich grondig op dit proces voorbereiden. Feit is dat de creatie ervan uitzonderlijke netheid vereist op het niveau van een chirurgische operatiekamer. Bovendien zal het vanwege de kleinheid van de onderdelen niet mogelijk zijn om op de gebruikelijke manier met een soldeerbout te werken - alle acties worden uitgevoerd door een soldeerbout; machines. Daarom kun je thuis alleen diagrammen maken. Als u wilt, kunt u industriële ontwikkelingen kopen die op de markt worden aangeboden, maar het is beter om het idee op te geven om ze thuis te maken zonder noemenswaardige financiën.

Een microschakeling is een elektronisch apparaat of een onderdeel daarvan dat een bepaalde taak kan uitvoeren. Als het nodig zou zijn om een ​​dergelijk probleem op te lossen, dat door veel microschakelingen wordt opgelost, met behulp van discrete elementen, met behulp van transistors, dan zou het apparaat, in plaats van een kleine rechthoek van 1 centimeter bij 5 centimeter, een hele kast in beslag nemen en veel minder zijn betrouwbaar. Maar zo zagen computers er een halve eeuw geleden uit!

Elektronische schakelkast - foto

Om een ​​microschakeling te laten werken, is het natuurlijk niet voldoende om er alleen maar stroom aan te leveren; je hebt ook een zogenaamde "" nodig. bodykit”, dat wil zeggen die hulponderdelen op het bord, waarmee de microschakeling zijn functie kan vervullen.

Chipbodykit - tekening

In de bovenstaande afbeelding is de microschakeling zelf rood gemarkeerd; alle andere onderdelen zijn de "" bodykit" Heel vaak worden microcircuits warm tijdens hun werking; dit kunnen microcircuits zijn voor stabilisatoren, microprocessors en andere apparaten. Om te voorkomen dat de microschakeling in dit geval doorbrandt, moet deze op een radiator worden aangesloten. Microcircuits die tijdens bedrijf moeten opwarmen, zijn onmiddellijk ontworpen met een speciale koelplaat - een oppervlak dat zich meestal aan de achterkant van de microcircuit bevindt en dat strak op de radiator moet passen.

Maar in de verbinding zullen er, zelfs met een zorgvuldig gepolijste radiator en plaat, nog steeds microscopisch kleine openingen zijn, waardoor de warmte van de microschakeling minder efficiënt naar de radiator wordt overgedragen. Om deze gaten op te vullen, wordt warmtegeleidende pasta gebruikt. Dezelfde die we toepassen op de computerprocessor voordat we de radiator erop bevestigen. Een van de meest gebruikte pasta's is KPT–8.

Versterkers op microcircuits kunnen letterlijk in 1-2 avonden worden gesoldeerd en beginnen onmiddellijk te werken, zonder de noodzaak van een complexe installatie en hooggekwalificeerde tuners. Afzonderlijk zou ik willen zeggen over de microcircuits van autoversterkers; soms zijn er letterlijk 4-5 onderdelen uit een bodykit. Om zo’n versterker met enige zorg in elkaar te zetten heb je niet eens een printplaat nodig (al is dat wel wenselijk) en kun je alles in elkaar zetten via een opbouwinstallatie, direct op de pinnen van de microschakeling.

Toegegeven, na montage is het beter om zo'n versterker onmiddellijk in een behuizing te plaatsen, omdat een dergelijk ontwerp onbetrouwbaar is en in het geval van een onbedoelde kortsluiting van de draden de microschakeling gemakkelijk kan worden verbrand. Daarom raad ik alle beginners aan, zelfs als ze wat meer tijd besteden, om een ​​printplaat te maken.

Gereguleerde voedingen op basis van stabilisatorchips zijn zelfs eenvoudiger te vervaardigen dan vergelijkbare voedingen op basis van transistors. Kijk hoeveel onderdelen een eenvoudige LM317-microschakeling vervangt:

Microschakelingen op printplaten in elektronische apparaten kunnen rechtstreeks op printsporen worden gesoldeerd of in speciale aansluitingen worden geplaatst.

Socket voor diepe chip - foto

Het verschil is dat we in het eerste geval, om de microschakeling te vervangen, deze eerst moeten desolderen. En in het tweede geval, wanneer we de microschakeling in de socket plaatsen, hoeven we alleen maar de microschakeling uit de socket te verwijderen, en deze kan eenvoudig door een andere worden vervangen. Een typisch voorbeeld van het vervangen van een microprocessor in een computer.

Ook als u bijvoorbeeld een apparaat op een microcontroller op een printplaat monteert en niet hebt voorzien in in-circuit programmering, kunt u, als u niet de chip zelf in de plaat hebt gesoldeerd, maar de socket waarin deze zit wordt geplaatst, kan de chip worden verwijderd en op een speciaal programmeerbord worden aangesloten.

Op dergelijke borden zijn al sockets gesoldeerd in verschillende microcontrollerbehuizingen voor het programmeren.

Analoge en digitale microschakelingen

Een digitaal signaal is een reeks enen en nullen, signalen van hoog en laag niveau. Een hoog niveau wordt verzekerd door 5 volt of een spanning dichtbij de pin aan te leggen, een laag niveau is de afwezigheid van spanning of 0 volt.

Er zijn ook microschakelingen ADC (analoog naar digitaal converter) En DAC (digitaal-analoog converter) die het signaal omzet van analoog naar digitaal, en omgekeerd. Een typisch voorbeeld van een ADC wordt in een multimeter gebruikt om gemeten elektrische grootheden om te zetten en deze op het scherm van de multimeter weer te geven. In de onderstaande figuur is de ADC een zwarte druppel met sporen die van alle kanten naderen.

Microcontrollers

Dit is een speciale chip, kan in beide geproduceerd worden Duik dus binnen SMD uitvoering, in het geheugen waarvan een programma kan worden geschreven, de zogenaamde Hex bestand. Dit is een bestand met gecompileerde firmware, dat is geschreven in een speciale programmacode-editor. Maar het is niet genoeg om de firmware te schrijven; u moet deze overbrengen en in het geheugen van de microcontroller flashen.

Programmeur - foto

Dient voor dit doel programmeur. Zoals veel mensen weten, zijn er veel verschillende soorten microcontrollers - AVR, FOTO en anderen, voor verschillende typen hebben we verschillende programmeurs nodig. Die is er ook, en iedereen zal er een kunnen vinden en maken die geschikt is voor zijn kennis- en capaciteitsniveau. Als u zelf geen programmeur wilt maken, kunt u een kant-en-klaar exemplaar in een online winkel kopen of in China bestellen.

De figuur hierboven toont een microcontroller in een SMD-behuizing. Wat zijn de voordelen van het gebruik van microcontrollers? Bij het ontwerpen en assembleren van een apparaat met behulp van discrete elementen of microschakelingen specificeerden we eerder de werking van het apparaat via een specifieke, vaak complexe verbinding op een printplaat met behulp van veel onderdelen. Nu moeten we alleen nog een programma voor een microcontroller schrijven dat programmatisch hetzelfde doet, vaak sneller en betrouwbaarder dan een circuit zonder het gebruik van microcontrollers. De microcontroller is een complete computer, met invoer-/uitvoerpoorten, de mogelijkheid om een ​​display en sensoren aan te sluiten en andere apparaten te bedienen.

Natuurlijk stopt de verbetering van microschakelingen daar niet, en we kunnen ervan uitgaan dat er over 10 jaar daadwerkelijk microschakelingen zullen zijn uit het woord " micro" - onzichtbaar voor het oog, dat miljarden transistors en andere elementen zal bevatten, verschillende atomen groot - dan zal de creatie van de meest complexe elektronische apparaten echt toegankelijk worden, zelfs voor niet erg ervaren radioamateurs! Onze korte recensie is tot een resultaat gekomen Uiteindelijk waren we bij je AKV.

Bespreek het artikel MICROCIRCUITS

) stelde eerst het idee voor om veel standaard elektronische componenten te combineren tot een monolithisch halfgeleiderkristal. De implementatie van deze voorstellen kon in die jaren niet plaatsvinden vanwege onvoldoende technologische ontwikkeling.

Eind 1958 en in de eerste helft van 1959 vond er een doorbraak plaats in de halfgeleiderindustrie. Drie mannen, die drie particuliere Amerikaanse bedrijven vertegenwoordigden, losten drie fundamentele problemen op die de creatie van geïntegreerde schakelingen in de weg stonden. Jack Kilby uit Texas Instrumenten patenteerde het combinatieprincipe, creëerde de eerste, onvolmaakte, prototypes van IP en bracht deze naar massaproductie. Kurt Legovets uit Sprague Elektriciteitsbedrijf heeft een methode uitgevonden voor het elektrisch isoleren van componenten die op een enkele halfgeleiderchip zijn gevormd (p-n-junctie-isolatie). P–n verbindings isolatie)). Robert Noyce uit Fairchild Halfgeleider vond een methode uit voor het elektrisch verbinden van IC-componenten (aluminiummetallisatie) en stelde een verbeterde versie van componentisolatie voor op basis van de nieuwste planaire technologie van Jean Herni. Jean-Hoerni). Op 27 september 1960 trad de band van Jay Last op Jay Laatste) gemaakt op Fairchild-halfgeleider de eerste werkende halfgeleider IP gebaseerd op de ideeën van Noyce en Ernie. Texas-instrumenten, die eigenaar was van het patent op Kilby's uitvinding, lanceerde een patentoorlog tegen concurrenten, die in 1966 eindigde met een mondiale overeenkomst over wederzijdse licentietechnologieën.

Vroege logische IC's uit de genoemde serie werden letterlijk opgebouwd standaard componenten waarvan de afmetingen en configuraties werden gespecificeerd door het technologische proces. Circuitontwerpers die logische IC's van een bepaalde familie ontwierpen, werkten met dezelfde standaarddiodes en transistors. In 1961-1962 de leidende ontwikkelaar doorbrak het ontwerpparadigma Sylvania Tom Longo gebruikt voor het eerst verschillende IC's in één configuraties van transistors afhankelijk van hun functies in het circuit. Eind 1962 Sylvania lanceerde de eerste familie van transistor-transistorlogica (TTL), ontwikkeld door Longo - historisch gezien het eerste type geïntegreerde logica dat lange tijd voet aan de grond op de markt wist te krijgen. In de analoge circuits werd in 1964-1965 een doorbraak op dit niveau bereikt door de ontwikkelaar van operationele versterkers Eerlijk kind Bob Vidlar.

Het eerste hybride dikkefilm-geïntegreerde circuit in de USSR (serie 201 "Trail") werd in 1963-65 ontwikkeld door het Research Institute of Precision Technology ("Angstrem"), massaproductie sinds 1965. Specialisten van NIEM (nu het Argon Wetenschappelijk Onderzoeksinstituut) namen deel aan de ontwikkeling.

De eerste geïntegreerde halfgeleiderschakeling in de USSR werd gemaakt op basis van planaire technologie, ontwikkeld begin 1960 bij NII-35 (toen omgedoopt tot het Pulsar Research Institute) door een team dat later werd overgebracht naar NIIME (Mikron). De creatie van het eerste binnenlandse geïntegreerde siliciumcircuit was geconcentreerd op de ontwikkeling en productie met militaire acceptatie van de TS-100-serie geïntegreerde siliciumcircuits (37 elementen - het equivalent van de circuitcomplexiteit van een flip-flop, een analoog van de Amerikaanse IC-serie SN-51 bedrijven Texas Instrumenten). Prototypemonsters en productiemonsters van geïntegreerde siliciumcircuits voor reproductie werden verkregen uit de VS. De werkzaamheden werden uitgevoerd bij NII-35 (directeur Trutko) en de Fryazino Semiconductor Plant (directeur Kolmogorov) onder een defensieorder voor gebruik in een autonome hoogtemeter voor een ballistisch raketgeleidingssysteem. De ontwikkeling omvatte zes standaard geïntegreerde vlakke siliciumcircuits uit de TS-100-serie en duurde, met de organisatie van de proefproductie, drie jaar bij NII-35 (van 1962 tot 1965). Het duurde nog twee jaar voordat de fabrieksproductie met militaire acceptatie in Fryazino (1967) werd ontwikkeld.

Tegelijkertijd werd er gewerkt aan de ontwikkeling van een geïntegreerd circuit in het centrale ontwerpbureau van de Voronezh Semiconductor Devices Plant (nu -). In 1965, tijdens een bezoek aan de VZPP door de minister van Elektronica-industrie, A.I. Shokin, kreeg de fabriek de opdracht om onderzoekswerkzaamheden uit te voeren naar de creatie van een monolithisch circuit van silicium - R&D "Titan" (ministeriebesluit nr. 92 van 16 augustus). 1965), dat eerder dan gepland werd voltooid en tegen het einde van het jaar was voltooid. Het onderwerp werd met succes voorgelegd aan de Staatscommissie, en een reeks van 104 diode-transistorlogische microschakelingen werd de eerste vaste prestatie op het gebied van solid-state micro-elektronica, wat tot uiting kwam in MEP-besluit nr. 403 van 30 december 1965.

Ontwerpniveaus

Momenteel (2014) worden de meeste geïntegreerde schakelingen ontworpen met behulp van gespecialiseerde CAD-systemen, die het mogelijk maken productieprocessen te automatiseren en aanzienlijk te versnellen, bijvoorbeeld het verkrijgen van topologische fotomaskers.

Classificatie

Mate van integratie

Afhankelijk van de mate van integratie worden de volgende namen van geïntegreerde schakelingen gebruikt:

• kleine geïntegreerde schakeling (MIS) - maximaal 100 elementen per chip,
• medium geïntegreerde schakeling (SIS) - tot 1000 elementen per chip,
• groot geïntegreerd circuit (LSI) - tot 10.000 elementen per chip,
• ultragrootschalig geïntegreerd circuit (VLSI) - meer dan 10.000 elementen in een kristal.

Voorheen werden nu ook verouderde namen gebruikt: ultra-grootschalige geïntegreerde schakelingen (ULSI) - van 1-10 miljoen tot 1 miljard elementen in een kristal en soms giga-grootschalige geïntegreerde schakelingen (GBIC) - meer dan 1 miljard elementen in een kristal. Momenteel worden in de jaren 2010 de namen "UBIS" en "GBIS" praktisch niet gebruikt en worden alle microschakelingen met meer dan 10.000 elementen geclassificeerd als VLSI.

Productietechnologie

• Halfgeleiderchip - alle elementen en verbindingen tussen de elementen zijn gemaakt op één halfgeleiderkristal (bijvoorbeeld silicium, germanium, galliumarsenide, hafniumoxide).

• Film-geïntegreerde schakeling - alle elementen en verbindingen tussen elementen zijn gemaakt in de vorm van films:
  • dikke film geïntegreerde schakeling;
  • dunne film geïntegreerde schakeling.
• Hybride chip (vaak genoemd microassemblage), bevat verschillende diodes, transistors en/of andere elektronische actieve componenten. De microassemblage kan ook onverpakte geïntegreerde schakelingen omvatten. Passieve microassemblagecomponenten (weerstanden, condensatoren, inductoren) worden meestal vervaardigd met behulp van dunne-film- of dikke-filmtechnologieën op een gemeenschappelijk, meestal keramisch, substraat van een hybride chip. Het gehele substraat met componenten wordt in één afgesloten behuizing geplaatst.
• Gemengde microschakeling - naast het halfgeleiderkristal bevat het dunne film (dikke film) passieve elementen die zich op het oppervlak van het kristal bevinden.

Type verwerkt signaal

Productietechnologieën

Soorten logica

Het belangrijkste element van analoge microschakelingen zijn transistors (bipolair of veldeffect). Het verschil in transistorproductietechnologie heeft een aanzienlijke invloed op de kenmerken van microschakelingen. Daarom wordt de productietechnologie vaak aangegeven in de beschrijving van de microschakeling, waarbij de algemene kenmerken van de eigenschappen en mogelijkheden van de microschakeling worden benadrukt. Moderne technologieën combineren bipolaire en veldeffecttransistortechnologieën om verbeterde prestaties van microcircuits te bereiken.

• Microschakelingen op basis van unipolaire (veldeffect) transistors zijn het meest economisch (in termen van stroomverbruik):
  • MOS-logica (metaaloxide-halfgeleiderlogica) - microschakelingen worden gevormd uit veldeffecttransistors N-MOS of P-MOS-type;
  • CMOS-logica (complementaire MOS-logica) - elk logisch element van de microschakeling bestaat uit een paar complementaire (complementaire) veldeffecttransistors ( N-MOS en P-DWEIL).
• Microschakelingen gebaseerd op bipolaire transistors:
  • RTL - weerstand-transistorlogica (verouderd, vervangen door TTL);
  • DTL - diode-transistorlogica (verouderd, vervangen door TTL);
  • TTL - transistor-transistorlogica - microschakelingen zijn gemaakt van bipolaire transistors met multi-emitter-transistors aan de ingang;
  • TTLsh - transistor-transistorlogica met Schottky-diodes - een verbeterde TTL die gebruik maakt van bipolaire transistors met het Schottky-effect;
  • ECL - emitter-gekoppelde logica - op bipolaire transistors, waarvan de bedrijfsmodus zo is geselecteerd dat ze niet in de verzadigingsmodus komen - wat de prestaties aanzienlijk verbetert;
  • IIL - integrale injectielogica.
• Microschakelingen die zowel veldeffect- als bipolaire transistoren gebruiken:

Met hetzelfde type transistors kunnen chips worden gemaakt met behulp van verschillende methodologieën, zoals statisch of dynamisch. CMOS- en TTL-technologieën (TTLS) zijn de meest voorkomende logica-chips. Waar het nodig is om op stroomverbruik te besparen wordt gebruik gemaakt van CMOS technologie, waar snelheid belangrijker is en besparing op stroomverbruik niet nodig is, wordt gebruik gemaakt van TTL technologie. Het zwakke punt van CMOS-microcircuits is hun kwetsbaarheid voor statische elektriciteit. Raak gewoon de uitgang van de microcircuit aan met uw hand en de integriteit ervan is niet langer gegarandeerd. Met de ontwikkeling van TTL- en CMOS-technologieën komen de parameters van microschakelingen dichterbij en als gevolg daarvan worden bijvoorbeeld de 1564-serie microschakelingen gemaakt met behulp van CMOS-technologie, en zijn de functionaliteit en plaatsing in de behuizing vergelijkbaar met die van TTL-technologie.

Microschakelingen vervaardigd met behulp van ESL-technologie zijn de snelste, maar ook de meest energieverbruikende, en werden gebruikt bij de productie van computerapparatuur in gevallen waarin de belangrijkste parameter de rekensnelheid was. In de USSR werden de meest productieve computers van het type ES106x vervaardigd op ESL-microschakelingen. Tegenwoordig wordt deze technologie zelden gebruikt.

Proces

Bij de vervaardiging van microschakelingen wordt de methode van fotolithografie (projectie, contact, enz.) gebruikt, waarbij de schakeling wordt gevormd op een substraat (meestal silicium) verkregen door enkele siliciumkristallen met diamantschijven in dunne wafels te snijden. Vanwege de kleine lineaire afmetingen van microcircuitelementen werd het gebruik van zichtbaar licht en zelfs bijna-ultraviolette straling voor verlichting achterwege gelaten.

De volgende processors werden vervaardigd met behulp van UV-straling (ArF-excimeerlaser, golflengte 193 nm). Gemiddeld introduceerden marktleiders elke twee jaar nieuwe technologische processen volgens het ITRS-plan, waardoor het aantal transistors per oppervlakte-eenheid verdubbelde: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011), de productie van 14 nm begon in 2014 wordt de ontwikkeling van 10 nm-processen rond 2018 verwacht.

In 2015 kwamen schattingen naar voren dat de introductie van nieuwe technologische processen zou vertragen.

Kwaliteitscontrole

Om de kwaliteit van geïntegreerde schakelingen te controleren, wordt veel gebruik gemaakt van zogenaamde teststructuren.

Doel

Een geïntegreerd circuit kan volledige, hoe complexe functionaliteit ook hebben, tot aan een volledige microcomputer (microcomputer met één chip).

Analoge circuits

• Filters (inclusief piëzo-elektrisch effect).
• Analoog vermenigvuldigers.
• Analoge verzwakkers en variabele versterkers.
• Voedingsstabilisatoren: spannings- en stroomstabilisatoren.
• Schakelendegen.
• Signaalomvormers.
• Synchronisatiecircuits.
• Diverse sensoren (bijvoorbeeld temperatuur).

Digitale circuits

• Bufferconverters
• (Micro)processors (inclusief CPU's voor computers)
• Microschakelingen en geheugenmodules
• FPGA's (programmeerbare logische geïntegreerde schakelingen)

Digitale geïntegreerde schakelingen hebben een aantal voordelen ten opzichte van analoge schakelingen:

• Verminderd stroomverbruik geassocieerd met het gebruik van gepulseerde elektrische signalen in digitale elektronica. Bij het ontvangen en converteren van dergelijke signalen werken de actieve elementen van elektronische apparaten (transistors) in de "sleutel" -modus, dat wil zeggen dat de transistor "open" is - wat overeenkomt met een signaal op hoog niveau (1), of "gesloten" ” - (0), in het eerste geval bij Er is geen spanningsval in de transistor; in het tweede geval stroomt er geen stroom doorheen. In beide gevallen ligt het stroomverbruik dicht bij 0, in tegenstelling tot analoge apparaten, waarbij de transistors zich meestal in een tussenliggende (actieve) toestand bevinden.
• Hoge geluidsimmuniteit digitale apparaten gaat gepaard met een groot verschil tussen signalen op hoog (bijvoorbeeld 2,5-5 V) en laag (0-0,5 V) niveau. Bij een zodanig interferentieniveau is een toestandsfout mogelijk dat een hoog niveau als een laag niveau wordt geïnterpreteerd en omgekeerd, wat onwaarschijnlijk is. Bovendien is het in digitale apparaten mogelijk om speciale codes te gebruiken om fouten te corrigeren.
• Het grote verschil in de niveaus van signaaltoestanden op hoog en laag niveau (logische “0” en “1”) en een vrij groot bereik van hun toegestane veranderingen maken digitale technologie ongevoelig voor de onvermijdelijke verspreiding van elementparameters in geïntegreerde technologie, elimineert de noodzaak om componenten te selecteren en aanpassingselementen in digitale apparaten te configureren.

Analoog-naar-digitaal circuits

• digitaal-naar-analoog (DAC) en analoog-naar-digitaal omzetters (ADC);
• zendontvangers (bijvoorbeeld interfaceconverter  Ethernet);
• modulatoren en demodulatoren;
  • radiomodems
  • teletekst, VHF-radiotekstdecoders
  • Snelle ethernet- en optische transceivers
  • Inbellen modems
  • digitale TV-ontvangers
  • optische muissensor
• voedingsmicroschakelingen voor elektronische apparaten - stabilisatoren, spanningsomvormers, stroomschakelaars, enz.;
• digitale verzwakkers;
• fasevergrendelde lus (PLL) circuits;
• generatoren en frequentieherstellers van kloksynchronisatie;
• basis matrix kristallen (BMC): bevat zowel analoge als digitale circuits;

Chip-serie

Analoge en digitale microschakelingen worden in serie geproduceerd. Een serie is een groep microschakelingen met één enkel ontwerp en technologisch ontwerp en bedoeld voor gezamenlijk gebruik. Microcircuits van dezelfde serie hebben in de regel dezelfde voedingsspanningen en zijn op elkaar afgestemd wat betreft ingangs- en uitgangsweerstanden en signaalniveaus.

Behuizingen

Specifieke namen

De microprocessor vormt de kern van de computer. Extra functies, zoals communicatie met randapparatuur, worden uitgevoerd met behulp van speciaal ontworpen chipsets (chipset). Voor de eerste computers bedroeg het aantal microschakelingen in sets tientallen en honderden; moderne systemen zijn een set van één, twee of drie microschakelingen. Onlangs zijn er trends geweest in de geleidelijke overdracht van chipsetfuncties (geheugencontroller, buscontroller). PCI Express) naar de processor.

Grote geïntegreerde schakeling

Moderne geïntegreerde schakelingen ontworpen voor opbouwmontage.

Sovjet- en buitenlandse digitale microschakelingen.

Integraal(Engels. Geïntegreerde schakeling, IC, microschakeling, microchip, siliciumchip of chip), ( micro)schema (IS, IMS, m/skh), chip, microchip(Engels) chip- splinter, fragment, chip) - micro-elektronisch apparaat - een elektronisch circuit van willekeurige complexiteit, vervaardigd op een halfgeleiderkristal (of film) en geplaatst in een niet-scheidbare behuizing. Vaak onder geïntegreerde schakeling(IC) verwijst naar het eigenlijke kristal of de film met een elektronisch circuit, en door microschakeling(MS) - IC ingesloten in een behuizing. Tegelijkertijd betekent de uitdrukking "chipcomponenten" "oppervlaktegemonteerde componenten" in tegenstelling tot traditionele door gaten gesoldeerde componenten. Daarom is het juister om te zeggen ‘chipmicroschakeling’, waarmee een op het oppervlak gemonteerde microschakeling wordt bedoeld. Momenteel (jaarlijks) worden de meeste microschakelingen vervaardigd in opbouwpakketten.

Verhaal

De uitvinding van microschakelingen begon met de studie van de eigenschappen van dunne oxidefilms, die zich manifesteren in het effect van slechte elektrische geleiding bij lage elektrische spanningen. Het probleem was dat waar de twee metalen elkaar raakten, er geen elektrisch contact was of dat het polair was. Diepgaande studies van dit fenomeen leidden tot de ontdekking van diodes en later transistors en geïntegreerde schakelingen.

Ontwerpniveaus

• Fysiek - methoden voor het implementeren van één transistor (of een kleine groep) in de vorm van gedoteerde zones op een kristal.
• Elektrisch - schakelschema (transistors, condensatoren, weerstanden, enz.).
• Logica - logisch circuit (logische omvormers, OR-NOT, AND-NOT-elementen, enz.).
• Circuit- en systeemniveau - circuit- en systeemontwerp (flip-flops, comparatoren, encoders, decoders, ALU's, enz.).
• Topologisch - topologische fotomaskers voor productie.
• Programmaniveau (voor microcontrollers en microprocessors) - assembler-instructies voor de programmeur.

Momenteel worden de meeste geïntegreerde schakelingen ontwikkeld met behulp van CAD, waarmee u het proces van het verkrijgen van topologische fotomaskers kunt automatiseren en aanzienlijk versnellen.

Classificatie

Mate van integratie

Doel

Een geïntegreerd circuit kan volledige, hoe complexe functionaliteit ook hebben, tot aan een volledige microcomputer (microcomputer met één chip).

Analoge circuits

• Signaalgeneratoren
• Analoge vermenigvuldigers
• Analoge verzwakkers en variabele versterkers
• Stabilisatoren voor de voeding
• Controlechips voor schakelende voeding
• Signaalomvormers
• Timingcircuits
• Diverse sensoren (temperatuur, etc.)

Digitale circuits

• Logische elementen
• Bufferconverters
• Geheugenmodules
• (Micro)processors (inclusief de CPU in een computer)
• Microcomputers met één chip
• FPGA - programmeerbare logische geïntegreerde schakelingen

Digitale geïntegreerde schakelingen hebben een aantal voordelen ten opzichte van analoge schakelingen:

• Verminderd stroomverbruik geassocieerd met het gebruik van gepulseerde elektrische signalen in digitale elektronica. Bij het ontvangen en converteren van dergelijke signalen werken de actieve elementen van elektronische apparaten (transistors) in de "sleutel" -modus, dat wil zeggen dat de transistor "open" is - wat overeenkomt met een signaal op hoog niveau (1), of "gesloten" ” - (0), in het eerste geval bij Er is geen spanningsval in de transistor; in het tweede geval stroomt er geen stroom doorheen. In beide gevallen ligt het stroomverbruik dicht bij 0, in tegenstelling tot analoge apparaten, waarbij de transistors zich meestal in een tussenliggende (resistieve) toestand bevinden.
• Hoge geluidsimmuniteit digitale apparaten gaat gepaard met een groot verschil tussen signalen op hoog (bijvoorbeeld 2,5 - 5 V) en laag (0 - 0,5 V) niveau. Bij dergelijke interferentie is een fout mogelijk wanneer een hoog niveau als laag wordt ervaren en omgekeerd, wat onwaarschijnlijk is. Bovendien is het in digitale apparaten mogelijk om speciale codes te gebruiken waarmee fouten kunnen worden gecorrigeerd.
• Het grote verschil tussen signalen op hoog en laag niveau en een vrij breed bereik van hun toegestane veranderingen maakt digitale technologie mogelijk ongevoelig aan de onvermijdelijke verspreiding van elementparameters in geïntegreerde technologie, waardoor de noodzaak om digitale apparaten te selecteren en te configureren wordt geëlimineerd.

In vroege elektrische computers waren de circuitcomponenten die de bewerkingen uitvoerden vacuümbuizen. Deze buizen, die op gloeilampen leken, verbruikten veel elektriciteit en genereerden veel warmte. Alles veranderde in 1947 met de uitvinding van de transistor. Dit kleine apparaat maakte gebruik van een halfgeleidermateriaal, genoemd naar zijn vermogen om elektrische stroom zowel te geleiden als op te vangen, afhankelijk van of er elektrische stroom in de halfgeleider zelf zat. Deze nieuwe technologie maakte het mogelijk om allerlei elektrische schakelaars op siliciumchips te bouwen. Transistorcircuits namen minder ruimte in beslag en verbruikten minder stroom. Voor krachtigere computers werden geïntegreerde schakelingen of IC's gemaakt.

Tegenwoordig zijn transistors microscopisch klein geworden en past het hele IC-circuit op een vierkant stukje halfgeleider van 1 inch. Kleine blokken die in rijen op een computerprintplaat zijn gemonteerd, zijn geïntegreerde schakelingen in plastic behuizingen. Elke microschakeling bevat een reeks eenvoudige circuitelementen of apparaten. De meeste van hen zijn bezet door transistors. Een IC kan ook diodes bevatten, waardoor elektrische stroom slechts in één richting kan stromen, en weerstanden, die de stroom blokkeren.
Vaste onderdelen. In het interieur van een computer zijn rijen geïntegreerde schakelingen in beschermende behuizingen, zoals hieronder weergegeven, op de printplaat van de computer gemonteerd (groen). Elke lichtgroene lijn vertegenwoordigt een pad waarlangs elektrische stroom vloeit; samen vormen ze ‘snelwegen’ waardoor elektrische stroom van circuit naar circuit wordt getransporteerd.

Kleine boodschappers. Langs de rand van de chip zenden sterk gemagnetiseerde draden, die doen denken aan menselijke haren, elektrische signalen uit het elektrische circuit (hierboven genoemd). Deze goud- of aluminiumdraden zijn vrijwel bestand tegen corrosie en zijn goede elektriciteitsgeleiders.

Anatomie van een transistor
Transistors, de microscopische basiselementen van een elektronisch circuit, zijn schakelaars die elektrische stroom aan en uit zetten. Kleine metalen spoortjes (grijs) geleiden stroom (rood en groen) van deze apparaten. Transistoren zijn georganiseerd in een combinatie die logische poorten wordt genoemd en reageren op verschillende vooraf ingestelde manieren op elektrische impulsen, waardoor de computer een breed scala aan taken kan uitvoeren.

Logisch circuit. Als de binnenkomende elektrische stroom (rode pijlen) de basis van elke transistor activeert, zal de voedingsstroom (groene pijlen) naar de uitgangsbedrading stromen.