Was ist ein großes integrales System. Geschichte der heimischen Elektronikkomponentenbasis (EEE)

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INTEGRIERTER SCHALTKREIS(IC), eine mikroelektronische Schaltung, die auf einer winzigen Platte (Kristall oder "Chip") aus Halbleitermaterial, normalerweise Silizium, gebildet ist und zur Steuerung verwendet wird elektrischer Schock und seine Verbesserung. Ein typischer IC besteht aus vielen miteinander verbundenen mikroelektronischen Komponenten wie Transistoren, Widerständen, Kondensatoren und Dioden, die in der Oberflächenschicht eines Kristalls hergestellt werden. Die Größen von Siliziumkristallen liegen im Bereich von etwa 1,3 - 1,3 mm bis 13 - 13 mm. Fortschritte im Bereich integrierte Schaltkreise führte zur Entwicklung von Technologien für große und sehr große integrierte Schaltkreise (LSI und VLSI). Diese Technologien ermöglichen es, ICs zu erhalten, von denen jeder viele Tausende von Schaltungen enthält: Es können mehr als 1 Million Komponenten in einem einzigen Chip enthalten sein.

Integrierte Schaltungen haben eine Reihe von Vorteilen gegenüber ihren Vorgängern - Schaltungen, die aus einzelnen Komponenten zusammengebaut wurden, die auf einem Chassis montiert sind. ICs sind kleiner, schneller und zuverlässiger; Außerdem sind sie billiger und weniger anfällig für Ausfälle durch Vibrationen, Feuchtigkeit und Alterung.

Die Miniaturisierung elektronischer Schaltungen ist durch die besonderen Eigenschaften von Halbleitern möglich geworden. Ein Halbleiter ist ein Material, das eine viel höhere elektrische Leitfähigkeit (Leitfähigkeit) hat als ein Dielektrikum wie Glas, aber deutlich weniger als Leiter wie Kupfer. Im Kristallgitter eines Halbleitermaterials wie Silizium gibt es bei Raumtemperatur zu wenige freie Elektronen, um eine signifikante Leitfähigkeit bereitzustellen. Daher haben reine Halbleiter eine geringe Leitfähigkeit. Das Einbringen einer geeigneten Verunreinigung in Silizium erhöht jedoch dessen elektrische Leitfähigkeit.

Dotierstoffe werden durch zwei Verfahren in Silizium eingeführt. Bei starker Dotierung oder in Fällen, in denen eine genaue Kontrolle der eingebrachten Störstellenmenge nicht erforderlich ist, wird üblicherweise das Diffusionsverfahren verwendet. Die Diffusion von Phosphor oder Bor erfolgt im Allgemeinen in einer Dotierstoffatmosphäre bei Temperaturen zwischen 1000 und 1150°C für eine halbe Stunde bis mehrere Stunden. Bei der Ionenimplantation wird Silizium mit Hochgeschwindigkeits-Dotierstoffionen beschossen. Die Menge der implantierten Verunreinigung kann innerhalb weniger Prozent eingestellt werden; Genauigkeit ist in einigen Fällen wichtig, da die Transistorverstärkung von der Anzahl der auf 1 cm 2 der Basis implantierten Fremdatome abhängt ( siehe unten).

Produktion.

Die Herstellung einer integrierten Schaltung kann bis zu zwei Monate dauern, da einige Bereiche des Halbleiters mit hoher Präzision dotiert werden müssen. In einem als Kristallwachstum oder Ziehen bezeichneten Prozess wird zunächst eine zylindrische Vorform aus hochreinem Silizium hergestellt. Aus diesem Zylinder werden Platten mit einer Dicke von beispielsweise 0,5 mm geschnitten. Der Wafer wird schließlich in Hunderte von kleinen Stücken geschnitten, die Chips genannt werden, von denen jedes durch den unten beschriebenen Prozess in eine integrierte Schaltung umgewandelt wird.

Der Chipprozess beginnt mit der Herstellung von Masken für jede Schicht des ICs. Eine großformatige Schablone wird in Form eines Quadrats mit einer Fläche von ca. 0,1 m2. Ein Satz solcher Masken enthält alle Bestandteile des IC: Diffusionsebenen, Verbindungsebenen usw. Die gesamte erhaltene Struktur wird fotografisch auf Kristallgröße verkleinert und Schicht für Schicht auf eine Glasplatte reproduziert. Auf der Oberfläche des Siliziumwafers wird eine dünne Siliziumdioxidschicht aufgewachsen. Jede Platte wird mit einem lichtempfindlichen Material (Photoresist) beschichtet und durch die Masken hindurchgelassenem Licht ausgesetzt. Die unbelichteten Stellen der lichtempfindlichen Beschichtung werden mit einem Lösungsmittel entfernt und mit Hilfe eines weiteren chemischen Reagenzes, das das Siliziumdioxid löst, dieses an den Stellen geätzt, an denen es nicht mehr durch die lichtempfindliche Beschichtung geschützt ist. Varianten dieses grundlegenden technologischen Prozesses werden bei der Herstellung von zwei Haupttypen von Transistorstrukturen verwendet: Bipolar und Feldeffekt (MOS).

Bipolarer Transistor.

Ein solcher Transistor hat eine Struktur vom Typ n-p-n oder, viel seltener, wie p-n-p... Typischerweise beginnt der technologische Prozess mit einer Platte (Substrat) aus einem hochlegierten Material. P-Typ. Auf der Oberfläche dieses Wafers wird eine dünne Schicht aus leicht dotiertem Silizium epitaktisch aufgewachsen. n-Typ; somit hat die gewachsene Schicht die gleiche Kristallstruktur wie das Substrat. Diese Schicht sollte den aktiven Teil des Transistors enthalten - darin werden einzelne Kollektoren gebildet. Die Platte wird zuerst in einen Bordampfofen gelegt. Eine Bordiffusion in den Siliziumwafer findet nur dort statt, wo seine Oberfläche geätzt wurde. Dadurch werden Flächen und Fenster aus dem Material gebildet. n-Typ. Der zweite Hochtemperaturprozess, der Phosphordampf und eine weitere Maske verwendet, dient der Kontaktierung mit der Kollektorschicht. Durch Ausführen aufeinanderfolgender Diffusionen von Bor und Phosphor werden die Basis bzw. der Emitter gebildet. Die Basis ist normalerweise einige Mikrometer dick. Diese winzigen Leitungsinseln n- und P-Typ verbinden in allgemeines Schema durch Zwischenverbindungen aus Aluminium, abgeschieden aus der Dampfphase oder durch Aufsprühen im Vakuum aufgebracht. Manchmal werden für diese Zwecke Edelmetalle wie Platin und Gold verwendet. Transistoren und andere Schaltungselemente wie Widerstände, Kondensatoren und Induktoren können zusammen mit ihren zugehörigen Verbindungen in einer Folge von Operationen in den Wafer eindiffundiert werden, was zu einer vollständigen elektronischen Schaltung führt.

MOS-Transistor.

Am weitesten verbreitet ist MOS (Metall-Oxid-Halbleiter) - eine Struktur bestehend aus zwei eng beieinander liegenden Bereichen aus Silizium n-Typ auf einem Substrat implementiert P-Typ. Auf der Oberfläche des Siliziums wächst eine Schicht Siliziumdioxid und auf dieser Schicht (zwischen den Bereichen n-Typ und leicht einfangen) wird eine lokalisierte Metallschicht gebildet, die als Gate fungiert. Die beiden oben genannten Bereiche n-Typ, genannt Source und Drain, dienen als Eingangs- bzw. Ausgangsanschlüsse. Durch die im Siliziumdioxid vorgesehenen Fenster werden metallische Verbindungen zu Source und Drain hergestellt. Schmaler Oberflächenkanal aus Material n-Typ verbindet Source und Drain; in anderen Fällen kann der Kanal induziert werden - erzeugt durch die Wirkung einer an das Gate angelegten Spannung. Wenn an das Gate des Transistors mit induziertem Kanal eine positive Spannung angelegt wird, ist die Schicht unter dem Gate P-type wird zu einer Ebene n-Typ, und der Strom, gesteuert und moduliert durch das dem Gate zugeführte Signal, fließt von der Source zum Drain. Der MOSFET verbraucht sehr wenig Strom; es hat eine hohe Eingangsimpedanz, unterscheidet sich niedriger Strom Drain-Schaltung und sehr geräuscharm. Da Gate, Oxid und Silizium einen Kondensator bilden, wird eine solche Vorrichtung häufig in Computerspeichersystemen verwendet ( siehe unten). In Komplementär- oder CMOS-Schaltungen werden MOS-Strukturen als Lasten verwendet und verbrauchen keinen Strom, wenn der Haupt-MOS-Transistor inaktiv ist.

Nach Abschluss der Verarbeitung werden die Platten in Stücke geschnitten. Der Schneidvorgang erfolgt mit einer diamantbeschnittenen Kreissäge. Jeder Kristall (Chip oder IC) wird dann in einem Gehäuse von einem von mehreren Typen eingeschlossen. Ein 25-Mikron-Golddraht wird verwendet, um die IC-Komponenten mit dem Chassis-Leadframe zu verbinden. Dickere Rahmenstifte ermöglichen den Anschluss des ICs an das elektronische Gerät, in dem er betrieben wird.

Verlässlichkeit.

Die Zuverlässigkeit eines integrierten Schaltkreises ist ungefähr gleich der eines einzelnen Siliziumtransistors, äquivalent in Form und Größe. Theoretisch können Transistoren Tausende von Jahren zuverlässig arbeiten - einer von Kritische Faktoren für Anwendungen wie Raketen- und Raumfahrttechnik, bei denen ein einzelner Ausfall den kompletten Ausfall eines laufenden Projekts bedeuten kann.

Mikroprozessoren und Minicomputer.

1971 erstmals öffentlich vorgestellt, führten Mikroprozessoren die meisten Grundfunktionen eines Computers auf einem einzigen Silizium-IC aus, der auf einem 5 mm-Kristall implementiert war. Dank integrierter Schaltkreise wurde es möglich, Minicomputer zu erstellen - kleine Computer, bei denen alle Funktionen auf einem oder mehreren großen integrierten Schaltkreisen ausgeführt werden. Diese dramatische Miniaturisierung hat zu dramatischen Reduzierungen der Rechenkosten geführt. Minicomputer, die derzeit für weniger als 1.000 US-Dollar produziert werden, stehen den ersten sehr großen Computern, die Anfang der 1960er Jahre bis zu 20 Millionen US-Dollar kosteten, leistungsmäßig in nichts nach. Mikroprozessoren werden in Kommunikationsgeräten, Taschenrechnern und Armbanduhren eingesetzt Uhren, TV-Senderauswahl, elektronische Spiele, automatisierte Küchen- und Bankgeräte, automatische Kraftstoffkontrolle und Abgasnachbehandlung in Pkw und viele andere Geräte. Ein Großteil der weltweiten Elektronikindustrie mit einem Umsatz von über 15 Milliarden US-Dollar ist auf die eine oder andere Weise auf integrierte Schaltkreise angewiesen. Überall auf der Welt werden integrierte Schaltungen in Geräten verwendet, deren Gesamtkosten mehrere zehn Milliarden Dollar betragen.

Computerspeichergeräte.

In der Elektronik bezieht sich der Begriff "Speicher" normalerweise auf jedes Gerät, das dazu bestimmt ist, Informationen in digitaler Form zu speichern. Betrachten Sie unter den vielen Arten von Speichervorrichtungen (Speicher) Direktzugriffsspeicher (RAM), ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD) und Permanentspeicher (ROM).

Für RAM ist die Zugriffszeit auf jede auf dem Chip befindliche Speicherzelle gleich. Solche Geräte können 65.536 Bits (binäre Einsen, normalerweise 0 und 1) speichern, ein Bit pro Zelle, und sind ein weit verbreiteter elektronischer Speichertyp; auf jedem Chip haben sie ca. 150 Tausend Komponenten. Es stehen 256 Kbit RAMs zur Verfügung (K = 2 10 = 1024; 256 K = 262 144). Bei Speichergeräten mit sequentieller Abtastung erfolgt die Zirkulation der gespeicherten Bits wie durch eine geschlossene Pipeline (bei CCDs wird diese Art der Abtastung verwendet). In einem CCD, einem IC einer speziellen Konfiguration, können elektrische Ladungspakete unter winzigen Metallplättchen platziert werden, die sich in geringem Abstand voneinander befinden und vom Chip elektrisch isoliert sind. Ladung (oder deren Fehlen) kann somit durch das Halbleiterbauelement von einer Zelle zur anderen wandern. Dadurch wird es möglich, Informationen in Form einer Folge von Einsen und Nullen (Binärcode) zu speichern und bei Bedarf darauf zuzugreifen. Obwohl CCDs in Bezug auf die Geschwindigkeit nicht mit RAM konkurrieren können, können sie große Informationsmengen zu geringeren Kosten verarbeiten und werden dort verwendet, wo kein Direktzugriffsspeicher erforderlich ist. Der auf einem solchen IC hergestellte RAM ist flüchtig, und die darin aufgezeichneten Informationen gehen verloren, wenn der Strom ausgeschaltet wird. Informationen werden in das ROM eingegeben während Herstellungsprozess und wird dauerhaft gespeichert.

Die Entwicklung und Veröffentlichung neuer IS-Typen hört nicht auf. Das löschbare programmierbare ROM (EPROM) hat zwei übereinander angeordnete Gatter. Beim Anlegen einer Spannung an das obere Gate kann das untere eine Ladung aufnehmen, die dem Binärcode 1 entspricht, und beim Umschalten (Umkehren) der Spannung kann das Gate seine Ladung verlieren, die dem Binärcode 0 entspricht.

1 Integrierte Schaltungen (ICs)

Die Hauptbasis der modernen diskreten Mechanik ist die integrierte Mikroelektronik. Der Übergang zu IC hat die Konstruktionsweise elektronischer Geräte erheblich verändert, da Mikroschaltungsprodukte vollständige Funktionseinheiten sind, seien es logische Elemente zur Ausführung einfacher Operationen oder Computerprozessoren, die aus vielen Tausend Elementen bestehen.

1. Terminologie

Gemäß GOST17021-88 „Integrierte Mikroschaltungen. Begriffe und Definitionen".

Integrierter Mikroschaltkreis (IC ) - ein mikroelektronisches Produkt, das eine bestimmte Funktion der Signalumwandlung und -verarbeitung erfüllt und eine hohe Packungsdichte von elektrisch verbundenen Elementen (oder Elementen und Komponenten) und (oder) Kristallen aufweist, das aus der Sicht der Prüfung als Ganzes betrachtet wird, Abnahme-, Liefer- und Betriebsbedingungen.

Integrierte Halbleiterschaltung - eine integrierte Mikroschaltung, bei der alle Elemente und Verbindungen zwischen den Elementen im Volumen und auf der Oberfläche des Halbleiters hergestellt sind.

Filmintegrierte Schaltung - eine integrierte Mikroschaltung, bei der alle Elemente und Zwischenelementverbindungen in Form von Filmen hergestellt sind (ein Sonderfall von Film-ICs sind Dickfilm- und Dünnfilm-ICs).

Integrierte Hybridschaltung - eine integrierte Mikroschaltung, die zusätzlich zu Elementen, Komponenten und (oder) Kristallen enthält (ein Sonderfall eines Hybrid-IC ist ein Multichip-IC).

Dünnschichttechnologie - Hauptmaterialien:

Substrat - zum Aufbringen und Erstellen einer Zeichnung der Schaltung (sitall, Keramik);

Leitfähiger Film - Kupfer, Aluminium, Gold;

Widerstandsmaterial - Metalle und deren Legierungen, Zinnoxid, Dielektrika, Mischungen.

Dickschicht - hauptsächlich als Kommutierungsplatten.

Derzeit gibt es integrierte Mikroschaltungen mit 6 Integrationsgraden (Tabelle 1).

Kleine integrierte Schaltung (MIS) - IS mit bis zu 100 Elementen und (oder) Komponenten inklusive (1..2 Grad).

Mittlerer integrierter Schaltkreis (SIS ) - IC, mit über 100 bis 1000 Elementen und (oder) Komponenten für digitale ICs und über 100 bis 500 - für analoge (2..3 Grad).

Großer integrierter Schaltkreis (LSI) - IC mit über 1000 Elementen und (oder) Komponenten für digitale ICs und über 500 - für analoge ICs (3..4 Grad).

Extra großer integrierter Schaltkreis (VLSI) - IC mit über 100.000 Elementen und (oder) Komponenten für digitale ICs mit regelmäßiger Struktur, über 50.000 - für digitale ICs mit unregelmäßiger Struktur und über 10.000 - für analoge ICs (5..7 Grad).

Notiz: Digitale ICs mit regelmäßiger Struktur umfassen Speicherschaltungen und auf Basismatrixsignalen basierende Schaltungen mit unregelmäßiger Struktur zum Aufbau einer Schaltung von Recheneinrichtungen.

Ultraschneller integrierter Schaltkreis (SSIS ) - digitaler IC, dessen Funktionsgeschwindigkeit nicht weniger als 1 * 10 13 Hz / cm 3 pro Logikelement beträgt.

Unter Funktionsgeschwindigkeit versteht man das Produkt der Betriebsfrequenz eines logischen Elements, gleich dem Kehrwert des Vierfachens der maximalen durchschnittlichen Signallaufzeit durch die Anzahl der logischen Elemente pro 1 Quadratzentimeter Kristallfläche.

3 Klassifizierung integrierter Schaltkreise nach Integrationsstufen.

Tabelle 1 – Klassifizierung des geistigen Eigentums nach Integrationsgraden

Ste- Level Anzahl der Elemente und Komponenten in einer Mikroschaltung

Stumpfinteg- Digitale Mikroschaltungen Analog

Integration auf MOS - auf bipolaren Mikroschaltungen

Walkie-Talkie-Transistoren Transistoren

1..2 MIS<= 100 <= 100 <= 100

2..3 SIS > 100<= 1000 > 100 <= 500 > 100 <= 500

3..4 LSI > 1000<= 10000 > 500 <= 2000 > 500

4..5 VLSI> 100000> 50000> 10000

Analoge integrierte Schaltung - eine integrierte Mikroschaltung zur Umwandlung und Verarbeitung von Signalen nach dem Gesetz einer kontinuierlichen Funktion (eine Mikroschaltung mit linearer Charakteristik - ein linearer IC ist ein Sonderfall eines analogen IC).

Digitaler IC - integrierte Mikroschaltung, entwickelt für die Umwandlung und Verarbeitung von Signalen, die sich nach dem Gesetz einer diskreten Funktion ändern (ein Sonderfall eines digitalen ICs ist eine logische Mikroschaltung)

Integrationsgrad einer integrierten Schaltung - ein Indikator für den Komplexitätsgrad einer Mikroschaltung, gekennzeichnet durch die Anzahl der darin enthaltenen Elemente und Komponenten.

Bestimmt durch die Formel: k = lgN,

wobei k ein Koeffizient ist, der den Integrationsgrad bestimmt, gerundet auf die nächste höhere ganze Zahl.

N ist die Anzahl der Elemente und Komponenten, die in der integrierten Mikroschaltung enthalten sind.

Integrierte Schaltungsserie - eine Reihe von Typen von integrierten Schaltkreisen, die verschiedene Funktionen erfüllen können, ein einheitliches Design und technologisches Design haben und zur gemeinsamen Verwendung bestimmt sind.

Auf der untersten Null-Ebene der konstruktiven Hierarchie von EVA jeglichen Typs und Zwecks gibt es ISs, die logische, zusätzliche, spezielle Funktionen sowie Gedächtnisfunktionen ausführen. Gegenwärtig produziert die Industrie eine große Anzahl integrierter Schaltungen, die nach einer Reihe von Eigenschaften klassifiziert werden können.

2 Klassifizierung von Mikroschaltkreisen und Symbolen

Abhängig von Herstellungstechnologie ICs sind in 4 Typen unterteilt: Halbleiter; Film; Hybrid; kombiniert

Die Elemente der elektrischen Schaltung von Halbleiter-ICs werden in der Masse oder auf der Oberfläche des Halbleitermaterials (Substrat) gebildet. Bildung von aktiven und passiven Elementen durch Einbringen der Konzentration von Verunreinigungen mit unterschiedlicher Anzahl einer Einkristallplatte auf eine bestimmte Weise.

Abbildung 1 - Klassifizierung von integrierten Schaltkreisen

Bei Hybrid-ICs wird der passive Teil in Form von Filmen hergestellt, die auf die Oberfläche des dielektrischen Materials (Substrat) aufgebracht werden, und die aktiven Elemente, die ein eigenständiges Design haben, werden auf der Oberfläche des Substrats angebracht.

Abhängig von der Anschlusstechnik aktiver Open-Frame-Elemente stehen aktive ICs mit flexiblen und starren Leitungen zur Verfügung.

Eine Vielzahl von Halbleiter-ICs sind kombinierte ICs.

In kombinierten ICs werden aktive Elemente innerhalb eines Halbleitersubstrats hergestellt, und der passive Teil liegt in Form von Metallfilmen auf seiner Oberfläche vor.

Nach funktionalem Zweck IP kann unterteilt werden in:

1) digital; 2) analog.

Digitale ICs werden in digitalen Computern, diskreten Automatisierungsgeräten usw. verwendet. Dazu gehören Mikroprozessorschaltungen, Speicherschaltungen und ICs, die logische Funktionen ausführen.

Linear- und Linearpuls-ICs werden in Analogcomputern und Informationsumwandlungsgeräten verwendet.

Diese umfassen verschiedene Operationsverstärker, Komparatoren und andere Schaltungen.

Die Grundlage der Klassifizierung Digital Mikroschaltungen setzen drei Zeichen:

1) die Ansicht der Komponenten der logischen Schaltung, an denen logische Operationen an den Eingangsvariablen durchgeführt werden;

2) ein Verfahren zum Verbinden von Halbleiterbauelementen mit einer Logikschaltung;

3) die Art der Verbindung zwischen logischen Schaltkreisen.

Aus diesen Gründen können logische ICs wie folgt klassifiziert werden:

1) Schaltungen mit direkten Verbindungen auf MOS-Strukturen - NSTLM (MOS - Metall - Oxid - Halbleiter oder MIS-Metall-Isolator - Halbleiter).

2) Schaltungen mit Widerstand - kapazitive Kopplungen - RTL; RETL - Schaltungen, deren Eingangslogik auf Widerstandsschaltungen ausgeführt wird. RETL und RTL sind moralisch veraltet und werden nicht in Neuentwicklungen verwendet;

3) Schaltungen, deren Eingangslogik auf Dioden ausgeführt wird - DTL;

4 Schaltungen, deren Eingangslogik von einem Multi-Emitter-Transistor ausgeführt wird - TTL;

5) Schaltungen mit gekoppelten Emittern - ESL oder PTTL - Logik an Stromschaltern;

6) injektionsintegrierte Logik IIL oder I 2 L - auf ihrer Basis werden Mikroschaltungen mit hohem Integrationsgrad, hoher Geschwindigkeit und geringem Energieverbrauch geschaffen;

7) Schaltungen, die auf der gemeinsamen Verbindung eines Transistorpaares mit Kanälen unterschiedlicher Leitfähigkeit basieren, den sogenannten komplementären Strukturen. (CMOS - Strukturen).

In der konventionellen Bezeichnung des IS wird die bauliche und technologische Ausführung durch die Nummer angegeben:

1, 5, 6, 7 - Halbleiter; 2, 4, 8 - Hybrid;

3 andere - (Film, Vakuum, etc.).

Aufgrund der Art der Ausführung von Funktionen in der REA werden ICs in Untergruppen (z. B. Generatoren, Verstärker usw.) und Typen (z. B. Frequenzumrichter, Phasen, Spannungen) unterteilt, die Untergruppe wird durch die entsprechenden Buchstaben gekennzeichnet , (zum Beispiel HS-Generator (G) von harmonischen Signalen ( C), ND-Set (H) Dioden (D))

4 Chiphüllen

GOST 17467-88 enthält Begriffe zum IC-Konstrukt.

Körper Körper - Teil des Gehäuses ohne Kabel.

Ausgangsposition - eine von mehreren äquidistanten Positionen der Terminals am Ausgang des Karosseriekörpers, die sich in einem Kreis oder in einer Reihe befinden, die von dem Terminal eingenommen werden können oder nicht. Jede Ausgabeposition wird durch eine fortlaufende Nummer angezeigt.

Installationsebene - die Ebene, auf der der IC installiert ist.

INTEGRAL CXEMA (IC, integrierter Mikroschaltkreis, Mikroschaltkreis), ein funktionell vollständiges mikroelektronisches Produkt, bei dem es sich um einen Satz elektrisch miteinander verbundener Elemente (Transistoren usw.) handelt, die in einem monokristallinen Halbleiterwafer ausgebildet sind. ICs sind die elementare Basis aller modernen elektronischen Geräte, Geräte Computertechnologie, Informations- und Telekommunikationssysteme.

Historische Referenz. Der IC wurde 1958 von J. Kilby (Nobelpreis, 2000) erfunden, der, ohne die Germanium-Einkristallplatte in einzelne darin gebildete Transistoren aufzuteilen, diese mit feinsten Drähten miteinander verband, so dass das resultierende Gerät zu einem vollständigen Gerät wurde elektronische Schaltung. Ein halbes Jahr später realisierte der amerikanische Physiker R. Noyce den sogenannten planaren Silizium-IC, bei dem für jede Region der Bipolartransistoren (Emitter, Basis und Kollektor) metallisierte Flächen (die sogenannten Kontaktpads) erzeugt wurden die Oberfläche des Siliziumwafers und die Verbindungen zwischen ihnen wurden durch Dünnschichtleiter hergestellt. 1959 begann in den USA die industrielle Produktion von Silizium-ICs; Die Massenproduktion von geistigem Eigentum in der UdSSR wurde Mitte der 1960er Jahre in Selenograd unter der Leitung von K. A. Valiew organisiert.

IP-Technologie. Der Aufbau des Halbleiter-IC ist in der Figur dargestellt. Transistoren und andere Elemente werden in einer sehr dünnen (bis zu mehreren Mikrometern) oberflächennahen Schicht eines Siliziumwafers gebildet; von oben wird ein mehrstufiges System von Verbindungen zwischen den Elementen erstellt. Mit einer Erhöhung der Anzahl von IC-Elementen wächst die Anzahl der Ebenen und kann 10 oder mehr erreichen. Die Verbindungen müssen einen geringen elektrischen Widerstand aufweisen. Diese Forderung wird beispielsweise von Kupfer erfüllt. Zwischen den Leiterschichten werden isolierende (dielektrische) Schichten (SiO 2 usw.) angeordnet. Bis zu mehreren hundert ICs werden gleichzeitig auf einer PC-Platte gebildet, wonach die Platte in einzelne Kristalle (Chips) zerlegt wird.

Der technologische Zyklus der IC-Herstellung umfasst mehrere hundert Operationen, von denen die Photolithographie (PL) die wichtigste ist. Der Transistor enthält Dutzende von Teilen, deren Konturen durch PL gebildet werden, was auch die Konfiguration der Verbindungen in jeder Schicht und die Position der leitenden Bereiche (Kontakte) zwischen den Schichten bestimmt. Im technologischen Zyklus wird PL mehrere Dutzend Mal wiederholt. Auf jeden PL-Vorgang folgt die Herstellung von Transistorteilen, beispielsweise Abscheidung von dielektrischen, PP- und Metalldünnfilmen, Ätzen, Legieren durch Implantieren von Ionen in Silizium usw. Photolithographie bestimmt die minimale Größe (MR) einzelner Teile. Das Hauptwerkzeug von PL sind optische Projektions-Stepper-Scanner, mit deren Hilfe eine schrittweise (von Chip zu Chip) Belichtung des Bildes (Belichtung des Chips, auf dessen Oberfläche eine lichtempfindliche Schicht aufgebracht wird - Fotolack) , durch eine als Fotomaske bezeichnete Maske) erfolgt mit einer Verkleinerung (4: 1) der Größe der Bilder in Bezug auf die Größe der Maske und mit der Abtastung des Lichtflecks innerhalb eines Chips. MR ist direkt proportional zur Wellenlänge der Strahlungsquelle. Anfänglich verwendeten die PL-Geräte die g- und i-Linien (436 bzw. 365 nm) des Emissionsspektrums einer Quecksilberlampe. Die Quecksilberlampe wurde durch Excimerlaser auf Basis von KrF- (248 nm) und ArF (193 nm)-Molekülen ersetzt. Verbesserung optisches System, die Verwendung von Fotolacken mit hohem Kontrast und hoher Empfindlichkeit sowie eine spezielle hochauflösende Technologie beim Design von Fotomasken und Stepper-Scannern mit einer Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 193 nm ermöglichen einen MR von 30 nm oder weniger auf große Chips (mit einer Fläche von 1-4 cm 2) mit einer Kapazität von bis zu 100 Platten (Durchmesser 300 mm) pro Stunde. Ein Vorstoß in den Bereich kleinerer (30-10 nm) MRs ist mit weicher Röntgenstrahlung oder extrem ultravioletter Strahlung (EUV) mit einer Wellenlänge von 13,5 nm möglich. Aufgrund der starken Absorption von Strahlung durch Materialien dieser Wellenlänge können refraktive Optiken nicht verwendet werden. Daher verwenden EUV-Stepper reflektierende Optiken auf Röntgenspiegeln. Vorlagen sollten auch reflektierend sein. Die EUV-Lithographie ist analog zur optischen Projektionslithographie, erfordert keine neue Infrastruktur und bietet eine hohe Produktivität. So hatte die IC-Technologie im Jahr 2000 die 100-nm-(MR)-Linie überwunden und wurde zur Nanotechnologie.

Integrierte Schaltungsstruktur: 1- Passivierungsschicht (Schutzschicht); 2 - die oberste Schicht des Leiters; 3 - dielektrische Schicht; 4 - Verbindungen zwischen den Ebenen; 5 - Kontaktpad; 6 - MOS-Transistoren; 7 - Siliziumwafer (Substrat).

Entwicklungsrichtungen. ICs werden in digitale und analoge unterteilt. Der Hauptanteil digitaler (logischer) Mikroschaltungen besteht aus Prozessor-ICs und Speicher-ICs, die auf einem Kristall (Chip) zusammengefasst werden können und ein „System-on-a-Chip“ bilden. Die Komplexität eines ICs wird durch den Integrationsgrad charakterisiert, der durch die Anzahl der Transistoren auf einem Chip bestimmt wird. Bis 1970 verdoppelte sich der Integrationsgrad digitaler ICs alle 12 Monate. Dieses Muster (es wurde erstmals 1965 von dem amerikanischen Wissenschaftler G. Moore bemerkt) wurde Moores Gesetz genannt. Moore verdeutlichte später sein Gesetz: Die Verdoppelung der Komplexität von Speicherschaltungen erfolgt alle 18 Monate und von Prozessorschaltungen - nach 24 Monaten. Als der Integrationsgrad von ICs zunahm, wurden neue Begriffe eingeführt: großer IC (LSI, mit einer Anzahl von Transistoren bis zu 10.000), supergroß (VLSI - bis zu 1 Million), ultragroßer IC (UBIS - up auf 1 Milliarde) und riesige LSI (GBIS - mehr 1 Milliarde).

Unterscheiden Sie zwischen digitalen ICs auf bipolaren (Bi) und MOS (Metall - Oxid - Halbleiter) Transistoren, auch in der CMOS-Konfiguration (komplementärer MOS, d. h. komplementäre p-MOS- und w-MOS-Transistoren, die in Reihe in der "Quellenversorgung - ein Punkt mit Nullpotential") sowie BiCMOS (auf Bipolartransistoren und CMOS-Transistoren in einem Chip).

Die Erhöhung des Integrationsgrades wird erreicht, indem die Größe der Transistoren verringert und die Größe des Chips erhöht wird; dies reduziert die Schaltzeit des Logikelements. Mit abnehmender Größe nahmen der Stromverbrauch und die für jeden Schaltvorgang verbrauchte Energie (Leistung mal Schaltzeit) ab. Bis 2005 verbesserte sich die Geschwindigkeit des IS um 4 Größenordnungen und erreichte Bruchteile einer Nanosekunde; die Zahl der Transistoren auf einem Chip betrug bis zu 100 Millionen Stück.

Seit 1980 machen digitale CMOS-ICs den Hauptanteil (bis zu 90%) der Weltproduktion aus. Der Vorteil solcher Schaltungen besteht darin, dass in jedem der beiden statischen Zustände ("0" oder "1") einer der Transistoren ausgeschaltet ist und der Strom in der Schaltung durch den Strom des Transistors im ausgeschalteten Zustand I OFF . bestimmt wird . Dies bedeutet, dass, wenn I OFF vernachlässigbar ist, der Strom vom Netzteil nur im Schaltmodus verbraucht wird und der Stromverbrauch proportional zur Schaltfrequenz ist und als Σ ≈C Σ Ν f U 2 geschätzt werden kann, wobei C Σ ist die Gesamtbelastbarkeit am Ausgang des Logikgatters, N ist die Anzahl der Logikgatter auf dem Chip, f ist die Schaltfrequenz, U ist die Versorgungsspannung. Fast der gesamte Stromverbrauch wird als Joule-Wärme erzeugt, die aus dem Kristall abgeführt werden muss. In diesem Fall wird die im statischen Modus verbrauchte Leistung zu der im Schaltmodus verbrauchten Leistung (bestimmt durch die Ströme I OFF und die Leckströme) addiert. Mit einer Verkleinerung der Transistoren kann die statische Leistung mit der dynamischen Leistung vergleichbar werden und größenordnungsmäßig 1 kW pro 1 cm 2 des Kristalls erreichen. Das Problem der großen Energiefreisetzung macht es notwendig, zu begrenzen maximale Frequenz Schalten von Hochleistungs-CMOS-ICs im Bereich von 1-10 GHz. Zur Leistungssteigerung von „Systems-on-a-Chip“ werden daher zusätzliche architektonische (sogenannte Multi-Core-Prozessoren) und algorithmische Verfahren eingesetzt.

Bei Kanallängen von MOS-Transistoren in der Größenordnung von 10 nm beginnen Quanteneffekte die Eigenschaften des Transistors zu beeinflussen, wie Longitudinalquantisierung (ein Elektron breitet sich im Kanal als de Broglie-Welle aus) und Transversalquantisierung (aufgrund der Enge von Kanal), direktes Tunneln von Elektronen durch den Kanal. Letzterer Effekt schränkt die Einsatzmöglichkeiten von CMOS-Elementen in ICs ein, da er einen großen Beitrag zum Gesamtleckstrom leistet. Dies wird bei einer Kanallänge von 5 nm signifikant. CMOS-ICs werden durch Quantenbauelemente, molekulare elektronische Bauelemente usw. ersetzt.

Analog-ICs stellen eine breite Klasse von Schaltungen dar, die die Funktionen von Verstärkern, Oszillatoren, Dämpfungsgliedern, Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandlern, Komparatoren, Phasenschiebern usw. Frequenz- (HF) und Mikrowellen- (Mikrowellen-) ICs. Mikrowellen-ICs sind Schaltungen mit relativ geringem Integrationsgrad, die nicht nur Transistoren, sondern auch Filminduktivitäten, Kondensatoren und Widerstände umfassen können. Um Mikrowellen-ICs herzustellen, wird nicht nur die traditionelle Siliziumtechnologie verwendet, sondern auch die Technologie von Heterojunction-ICs auf Basis von Si - Ge-Mischkristallen, A III BV-Verbindungen (z. B. Galliumarsenid und -nitrid, Indiumphosphid) usw. Dies macht es ist möglich, Betriebsfrequenzen von 10-20 GHz für Si - Ge und 10-50 GHz und höher für Mikrowellen-ICs auf A III BV-Verbindungen zu erreichen. Analog-ICs werden häufig in Verbindung mit sensorischen und mikromechanischen Bauelementen, Biochips etc. eingesetzt, die die Interaktion von mikroelektronischen Bauelementen mit Mensch und Umwelt sicherstellen und mit diesen in einem Gehäuse untergebracht werden können. Solche Designs werden Multi-Chip oder "Systems-in-a-Box" genannt.

In Zukunft wird die Entwicklung des IS zur Verschmelzung der beiden Richtungen und zur Schaffung mikroelektronischer Geräte von großer Komplexität führen, die leistungsstarke Rechengeräte, Umweltkontrollsysteme und Kommunikationsmittel mit dem Menschen enthalten.

Zündete. siehe bei Art. Mikroelektronik.

A. A. Orlikovsky.

Konyaev Ivan Sergeevich, Student im 3. Jahr des Armavir Mechanics and Technology Institute (Zweigstelle) der FSBEI HPE KubGTU, Armavir [E-Mail geschützt]

Monogarov Sergei Ivanovich, Kandidat der Technischen Wissenschaften, außerordentlicher Professor der Abteilung für Betriebsinterne elektrische Ausrüstung und Automatisierung des Mechanisch-Technologischen Instituts Armavir (Niederlassung) der FSBEI HPE KubGTU, Armavir [E-Mail geschützt]

Prinzipien des Baus großflächiger integrierter Schaltungen

Anmerkung. Dieser Artikel ist den Prinzipien des Aufbaus großer integrierter Schaltungen (LSI) gewidmet. Stichworte: LSI, großintegrierte Schaltungen, Basismatrixkristalle, programmierbare Logikbausteine.

Gegenwärtig werden in mikroelektronischen Geräten sowohl spezialisierte als auch universelle Mikroschaltungen mit verschiedenen Integrationsgraden verwendet. Gleichzeitig gibt es einen gewissen Trend zur weit verbreiteten Verwendung von integrierten Schaltungen mit hohem Integrationsgrad - Large Integrated Circuits (LSI), auf die in diesem Artikel eingegangen wird.Universelle Mikroschaltungen werden in großen Stückzahlen hergestellt und werden in a breite Palette von elektronischen Geräten, während spezialisierte Mikroschaltungen in limitierten Auflagen hergestellt werden und einen genau definierten Anwendungsbereich haben. Spezielle LSIs auf Basis von Basismatrixkristallen (BMC) und programmierbare Logikbausteine ​​(PLD) haben eine besonders breite Anwendung. Diese breite Anwendung ist darauf zurückzuführen, dass der automatisierte Entwurf solcher LSIs relativ kurze Zeit in Anspruch nimmt: in der Größenordnung von mehreren Wochen für LSIs basierend auf BMC, mehrere Tage für LSIs basierend auf PLU Parameter von Grundmatrixkristallen. Der BMC besteht aus einer vorgeformten Matrix von Basiszellen (im mittleren Teil) sowie einer Gruppe von Pufferzellen, die sich entlang der Peripherie des Kristalls befinden (Abb. 1).Die Zellen wiederum enthalten Gruppen von nicht verbundenen Elementen (Transistoren, Kondensatoren, Widerstände ) und Segmenten von Halbleiterbussen, die für die Realisierung von sich kreuzenden elektrischen Verbindungen ausgelegt sind Aus den Elementen der Zellen mit Hilfe von elektrischen Verbindungen in Form von Metall (Leiter) und Halbleiterbussen werden verschiedene gebildet Funktionselemente (Trigger, Zähler, Register usw.), Pufferelemente sowie Verbindungen zwischen ihnen.

A) b) c) Abbildung 1 - Typische Strukturen von BMC: a) mit einer kontinuierlichen Anordnung homogener Zellen; b) mit einer Anordnung homogener Zellen oder Makrozellen, die durch vertikale und horizontale Kanäle für Leiter getrennt sind; c) mit einem Array von heterogenen Zellen, die durch horizontale Kanäle getrennt sind; 1 — Matrix der Basiszellen; 2 — Matrix der Pufferzellen; 3,5,8 - Matrixzellen, 4,7,10 - Pufferzellen, 6,9 - Makrozellen; 11.12 - horizontale Kanäle; 13 - vertikale Kanäle

IN dieser Typ LSI verbrauchen in der Regel die Hauptfunktionselemente eine geringe Energiemenge, die ausreicht, um die erforderliche Geschwindigkeit bereitzustellen. Die Pufferelemente, die externe Verbindungen des Matrix-LSI ausführen, verbrauchen wiederum eine höhere Leistung, was auf die Notwendigkeit zurückzuführen ist, die logischen Spannungspegel eines bestimmten Wertes, Belastbarkeit und Rauschimmunität anzupassen. Die Zellen umfassen eine Vielzahl von aktiven und passiven Elementen. Gleichzeitig werden Anforderungen an eine ausreichend hohe Genauigkeit und Stabilität an die Parameter passiver Elemente gestellt. Die Zusammensetzung von BMK, die für die Herstellung von analog-digitalen LSIs bestimmt ist, umfasst normalerweise zwei Zellenmatrizen zur Bildung von analogen bzw. digitalen Geräten. Basismatrixkristalle für digitale und analoge LSI werden auf Basis von Bipolartransistoren gebildet und Feldeffekttransistoren mit isolierter Klappe. Bei analogen LSIs sind Bipolartransistoren mit hoher Steilheit der Durchlass-Volt-Ampere-Kennlinie weit verbreitet, wobei die Matrix wiederum aus homogenen oder inhomogenen Zellen bestehen kann. Im BMK, das für die Implementierung digitaler LSIs mit geringem Integrationsgrad (ca. 1000 logische Elemente) vorgesehen ist, werden homogene Zellen verwendet, während für digitale LSIs mit hohem Integrationsgrad (ca. 10.000 logische Elemente) und Digital-to-Analog LSIs - Matrizen mit inhomogenen Zellen. Es werden zwei Methoden zur Organisation der Zellen der BMK-Matrix verwendet: 1. Auf der Grundlage der Zellenelemente kann ein logisches Grundelement gebildet werden, das elementare funktion (NICHT, INE ODER MIT Verzweigung in und aus). Um komplexere Funktionen zu implementieren, werden mehrere Zellen verwendet. Anzahl, Typen und Parameter der Elemente werden durch die elektrische Schaltung des logischen Grundelementes bestimmt 2. Auf Basis der Zellelemente kann jedes beliebige Funktionselement der Bibliothek gebildet werden. Die Art der Elemente und ihre Anzahl werden durch die elektrische Schaltung des komplexesten Funktionselements bestimmt.Mit der ersten Methode zum Aufbau von Zellen können Sie einen ziemlich hohen Nutzungskoeffizienten in der Matrix erhalten, den Nutzungskoeffizienten des BMC-Bereichs und dementsprechend ein erhöhter Grad an LSI-Integration. Mit der zweiten Methode zum Aufbau der Zellen des BMK wird das Computer Aided Design System des LSI vereinfacht, da die Sitze gleicher Form und Größe der Zellen vorgegeben sind. Verwendet das entworfene LSI jedoch viele einfache Funktionselemente der Bibliothek mit einem geringen Nutzungsgrad der Zellelemente, sinkt der Nutzungsgrad der Kristallfläche, was den Integrationsgrad des LSI bedeutet Verbindungen werden mit Metallreifen (Leiter) und Halbleiterreifen (mono- und polykristallin) hergestellt. Die Strom- und Erdungsschienen bestehen normalerweise aus Aluminium, das einen geringen spezifischen Widerstand aufweist. Legierte Halbleiterbusse mit erhöhtem spezifischen Widerstand werden hauptsächlich für die Realisierung kurzer Signalkreise mit niedrigem Strom verwendet.Ein- und mehrlagige Metallisierungen werden verwendet, um elektrische Verbindungen zwischen den Elementen herzustellen. Am Ende des Entwurfs muss das Set von Parametern und Merkmalen des BMK für den Verbraucher vollständig genug sein. Typische Parameter und Eigenschaften von BMC sind: 1. Fertigungstechnologie 2. Anzahl der Zellen in einem Kristall 3. Struktur (Elementsatz) einer Zelle 4. Name, typische elektrische Parameter, Schaltkreise und Fragmente typischer Funktionselemente gebildet auf Basis von Zellelementen; 5.Parameter der I / O-Elemente; 6.Anzahl der peripheren Kontaktpads; 7.Anforderungen an die Stromversorgung; 8.Hinweise für die Lage und Verwendung von Kontaktpads für Strom- und Massekreise usw. .; BMK kann als Basis für digitale, analoge, digital-analog und analog-digital große integrierte Schaltkreise dienen. Gleichzeitig ermöglicht der Satz von BMK-Elementen, der für den Einsatz in analogen LSIs vorgesehen ist, die Bildung von Verstärkern, Komparatoren, analogen digitalen Schaltern und anderen Geräten. Die Hauptanwendung von BMK war vor nicht allzu langer Zeit die Computertechnik und Prozessleitsysteme. Einige BMK, zum Beispiel T34VG1 (КА1515ХМ1216), wurden in sowjetischen Klonen des ZX Spectrum-Computers als Controller verwendet Externe Geräte... Ein Analogon von BMK ist die ULA-Mikroschaltung in Sinclair-Computern. Derzeit werden BMKs in den meisten Anwendungen durch FPGAs (Programmable Logic Integrated Circuit - Anm. d. Verf.) ersetzt, die keinen werksseitigen Produktionsprozess zur Programmierung benötigen und umprogrammiert werden können. Als nächstes betrachten wir programmierbare Logikarrays.Programmierbare Logikvorrichtungen haben eine Matrixstruktur und eine Busorganisation vonElementen (jedes Element ist durch vertikale und horizontale Busse verbunden). Die PLU verwendet programmierbare UND-Matrizen, ODER und deren Kombinationen: nicht programmierbares UND - programmierbares ODER, programmierbares UND - nicht programmierbares ODER, programmierbares UND - programmierbares ODER. Es gibt zwei Arten von programmierbaren Logikbausteinen:

programmierbar in den Produktionsbedingungen von spezialisierten LSIs basierend auf halbfertigen Kristallen unter Verwendung einer kundenspezifischen Fotomaske unter Verwendung einer Technologie, die der Technologie der Herstellung von Matrix-LSIs ähnelt;

verbraucherprogrammiert vom Gerätehersteller durch "Laden" (Eingabe von Informationen) von internen Registern oder durch physikalische Einwirkung auf einzelne Elemente der Matrizen (Durchbrennen von Jumpern, Ausfall von Dioden, Änderung der Betriebsarten von Halbleiterbauelementen). durch den Verbraucher sind universelle mikroelektronische Geräte, die automatische Programmiergeräte verwenden.In der Praxis sind solche Arten von PLUs wie programmierbare Logikmatrizen (PLM) und programmierbare Festwertspeicher (EPROM) weit verbreitet.Durch die Verwendung von PLM können Sie die Anzahl der logische Elemente und Verbindungen in logischen Geräten, was besonders wichtig für regelmäßige Strukturen ist, die auf Kristallen BIS implementiert sind Einmal programmierbares PLM und mehrfach programmierbares – wiederprogrammierbares PLM (RPLM) wurden entwickelt und verwendet. Methoden für den Entwurf und die Herstellung von Matrix-LSIs mit rekonstruierten Verbindungen (MaBISRS) und mit programmierbarer Architektur (MaBISPA) – Subsysteme auf Platten werden entwickelt Programmierung mit Masken (Photomasken) für Metallisierung oder Kontaktfenstern in Oxid ist weit verbreitet in PLMs basierend auf Bipolartransistoren und Dioden. Abbildung 2 zeigt das Anschlussdiagramm der Elemente in einem Dioden-PLM. Eingangssignale positiver Polarität werden an die Eingänge a –e angelegt, die Produkte M0 – M2 werden von den Lastwiderständen R entfernt. Die Vorteile von Diodenmatrizen sind Einfachheit und kleine Fläche auf dem Chip, und der Nachteil ist der erhebliche Stromverbrauch an der Matrix Die Verwendung von Multi-Emitter-Transistoren anstelle von Dioden ermöglicht es, die Eingangsströme erheblich zu reduzieren (um den Faktor BN, BN ist das normale Stromübertragungsverhältnis des Transistors) und die Geschwindigkeit des PLM zu erhöhen. Abbildung 3 stellt ein Diagramm eines Fragments eines PLM auf bipolaren Multi-Emitter-Transistoren dar. Auf MOS-Transistoren basierende Matrizen bieten die höchste Anordnungsdichte von Elementen, haben den minimalen Stromverbrauch, sind aber in der Geschwindigkeit den Matrizen auf Bipolartransistoren unterlegen Der Vorteil von PLMs mit Maskenprogrammierung ist eine kleine Fläche und hohe Zuverlässigkeit, was zu ihrer weit verbreiteten Verwendung als Teil spezialisierter und mikroprozessorbasierter LSIs führte. Solche PLMs werden vom Hersteller einmalig bei der Herstellung der Mikroschaltung programmiert, was ihren Anwendungsbereich einschränkt Elektrisch programmierbare PLMs haben eine größere Flexibilität, insbesondere beim Einsatz in Peripheriegeräten, deren „Tuning“ zur Umsetzung der spezifizierten Funktionen erfolgt durch den Benutzer.

Abbildung 2 - Ein Fragment einer Diode PLM

Abbildung 3 - Fragment von PLM auf BT

Abbildung 4 zeigt die gebräuchlichsten Matrixelemente für die elektrische Programmierung. Die Programmierung erfolgt durch Schmelzen der Jumper (meist Nichrom oder Polysilizium) oder durch Durchschlagen von Dioden (pn-Übergänge oder Schottky-Barrieren).

Abbildung 4 - Elemente von PLM mit elektrischer Programmierung

Die Jumper haben einen Widerstand von ca. 10 Ohm und schmelzen (öffnen), wenn ein Stromimpuls durch sie geleitet wird, dessen Amplitude viel größer ist als die Amplitude des Auslesestroms. Um Nichrom- oder Polysilizium-Jumper zu zerstören, reicht ein Strom von 20 ... 50 mA; die Schmelzzeit beträgt 10 ... 200 ms Die Dioden brechen durch (Kurzschluss), wenn ein Sperrspannungsimpuls von einer Quelle mit kleinem Innenwiderstand angelegt wird, die einen ausreichenden Strom (200 ... 300 mA) liefert. Dies führt zu einem Lawinen- und thermischen Durchschlag von pn-Übergängen (Schottky-Barriere) und Migration von Metallpartikeln in den Halbleiter unter Bildung eines zuverlässigen niederohmigen Kontakts (gestrichelte Linien in Abb. 4). Zeit der Bildung eines Stromkreises 0,02 ... 0,05 ms Zur elektrischen Programmierung und Steuerung von PLMs verwendet are Sonderanlagen von Computern gesteuert. Die Anfangsinformationen für die Programmierung und Steuerung sind: Wahrheitstabelle; Protokoll für Burnout-(Durchbruchs-)Zeichen. Einsen oder Nullen (je nach Ausgangsinformation des unprogrammierten PLM) Parameter der Programmierimpulse Das Steuerungsprogramm zählt die Adressen an den Eingängen von 00 ... 0 bis 11 ... 1 auf. Die Versorgungsspannungen werden an das PLM angelegt und bei Programmierzeichen in der Anfangsinformation ein Burnout-(Durchbruch-)Impuls. Nach der Programmierung wird eine Kontrolle durchgeführt und das Ergebnis der Prüfung, das die Übereinstimmung (Nichtübereinstimmung) mit der Wahrheitstabelle anzeigt, ausgedruckt. Computergeräte Erweiterungskarten im Plug-and-Play-System, die über einen speziellen FPGA-Chip verfügen. Es ermöglicht der Platine, ihre Kennung und die Liste der erforderlichen und unterstützten Ressourcen zu übermitteln.Um VLSI (Super Large Integrated Circuits) und Subsysteme auf Wafern zu erstellen, werden regelmäßige Strukturen (Abb. 5) mit einer Matrix von Zellen von ausreichend großem Ausmaß verwendet der Integration. Die Programmierung von Verbindungselementen erfolgt durch deren Erstellung oder Verletzung.

Abbildung 5 - Fragment von LSI mit rekonstruierten Verbindungen

Rekonstruierte Matrix-LSIs werden üblicherweise auf Basis von CMOS-Transistoren aufgebaut, die sich durch minimalen Stromverbrauch auszeichnen. Für solche Transistoren sind alle Arten von Jumpern anwendbar.Die Verwendung von Matrix-LSIs mit rekonstruierten Verbindungen zum Aufbau von Multiprozessor-Subsystemenist vielversprechend. Kontakte zwischen Verbindungsleitern unterschiedlicher Ebenen werden durch einen Laserstrahl programmiert (das Dielektrikum wird geschmolzen), einige Verbindungen werden durchtrennt. Die Laserrekonstruktion unter Computersteuerung dauert etwa 1 Stunde. Solche Mikrosysteme können bis zu 100 Millionen Transistoren enthalten. Die Dichte von Das Layout für VLSI mit einer minimalen Elementgröße von 0,5 ... 2 Mikron erreicht 20.000 Transistoren pro Quadratmillimeter Derzeit gibt es Speicherelemente, die Informationen beim Ausschalten der Versorgungsspannung beibehalten, sodass Sie PLM mit Löschen erstellen können und Umschreiben der implementierten Funktionen - programmierbare Logikmatrizen (RPLM) MOSFETs mit Floating Gate und Avalanche Injection (Abb. 6). Der Aufbau eines solchen Transistors ähnelt einem herkömmlichen MOS-Transistor mit Polysilizium-Gate, der nicht galvanisch mit dem Rest der Schaltung verbunden ist. Im Ausgangszustand leitet der Transistor keinen Strom (siehe Abb. 6, a). Zwischen Source und Drain des Transistors wird eine ausreichend hohe Spannung (ca. 50 V) für einen Übergang in einen leitenden Zustand (Aufzeichnen) für ca. 5 ms angelegt. Dies verursacht einen Lawinendurchbruch des Source-(Drain)-pn-Übergangs und eine Injektion von Elektronen in das Polysilizium-Gate. Eine Ladung von ungefähr 107 C / cm2, die vom Gate eingefangen wird (siehe Abb. 6, b), induziert einen Kanal, der Source und Drain verbindet, und kann nach dem Spannung wird weggenommen, da das Gate von einer Oxidschicht umgeben ist Die Information wird durch Bestrahlung mit ultravioletten Strahlen mit ausreichender Energie gelöscht, um Elektronen aus dem Gate herauszuschlagen und sie auf das Substrat zu übertragen (Abb. 6). Das Löschen kann auch durch ionisierende, zum Beispiel Röntgenstrahlung erfolgen. Das Auslesen von Informationen aus der Matrix erfolgt, wenn eine Versorgungsspannung von 5 ... 15 V angelegt wird und der durch den Transistor fließende Strom überwacht wird eine Auswahl bestimmter Zellen in der Matrix (siehe Fig. 6, c) in Reihe mit Floating-Gate-Transistoren umfassen herkömmliche MOS-Transistoren.

Abb. 6. PLM auf MOS-Transistoren mit schwebendem Gate: a) ausgeschalteter (gelöschter) Speichertransistor b) eingeschalteter Speichertransistor c) Fragment der Matrix (Abtasttransistor TV, Speichertransistor Tz) 1 - Source; 2 - schwebender Verschluss aus polykristallinem Silizium; 3 - Vorrat; 4 — injizierte Ladung; 5 - Erschöpfungsgebiet

Zusammen mit LSIs mit rekonstruierten Verbindungen entwickelt sich eine Richtung, die mit der Schaffung von LSI und VLSI mit programmierbarer Architektur verbunden ist und in Form von Subsystemen auf Wafern durchgeführt wird. Der Wiederaufbau der Architektur des Subsystems erfolgt unter Verwendung integrierter Switching-Elemente mit Speicher. Darüber hinaus können die Speicherelemente sowohl auf Standard-MOS- oder CMOS-Transistoren als auch auf Transistoren mit Avalanche-Injektion ausgeführt werden.7 zeigt ein Blockschaltbild eines Matrix-LSI mit einer programmierbaren Architektur. Der Steuerbus (ШУ) wird verwendet, um Codes zum Einstellen (Programmieren) der Architektur eines Subsystems für eine bestimmte Aufgabe in verteilte Speicherblöcke (P) zu schreiben. Die Entscheidungsblöcke der Matrix (M) sind durch verteilte Schalter (K) über den Vermittlungsbus (BC) miteinander verbunden.

Abbildung 7 - Blockschaltbild eines Matrix-LSI mit programmierbarer Architektur

Die Verwendung von VLSI mit einer programmierbaren Architektur ermöglicht eine sehr hohe Packungsdichte, um den Montageprozess zu automatisieren.

Links zu Quellen 1. Bildungsseite www.studfiles.ru URL: http://www.studfiles.ru/dir/cat39/subj1381/file15398/view155035/page2.html 2. Freie Enzyklopädie Wikipedia URL: http://ru. wikipedia.org /wiki/%D0%91%D0%9C%D0%9A3 URL der freien Wikipedia-Enzyklopädie: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%9B%D0%98%D0% A1

Konyaev Ivan Sergeyevich, Student im dritten Jahr des Armavir Institute of Mechanics and Technology (Zweig) Kuban State University of Technology, Armavir Monogarov Sergey Ivanovich, Kandidat der Technischen Wissenschaften, außerordentlicher Professor für Betriebselektrik und Automatisierung, Armavir Institute of Mechanics and Technology (Zweig ) Kuban State University of Technology, Armavir Prinzipien des Aufbaus großer integrierter Systeme Zusammenfassung: Dieser Artikel konzentriert sich auf die Erforschung der Prinzipien des Aufbaus von großintegrierten Schaltkreisen (LSIs). Schlüsselwörter: BIS, ein großer integrierter Schaltkreis, die Basismatrixkristalle, programmierbare Logik Geräte.

Große integrierte Schaltung

Moderne integrierte Schaltungen für die Oberflächenmontage.

Sowjetische und ausländische digitale Mikroschaltungen.

Integral(engl. Integrierter Schaltkreis, IC, Mikroschaltkreis, Mikrochip, Siliziumchip oder Chip), ( Mikro)planen (IS, IC, m / sh), Chip, Mikrochip(engl. Chip- Chip, Chip, Chip) - mikroelektronisches Gerät - eine elektronische Schaltung beliebiger Komplexität, die auf einem Halbleiterkristall (oder -film) hergestellt und in einem nicht trennbaren Gehäuse untergebracht ist. Oft unter Integrierter Schaltkreis(IC) wird als Kristall selbst oder als Film mit elektronischer Schaltung verstanden, und durch Mikroschaltung(MS) - IST in einem Etui eingeschlossen. Gleichzeitig bedeutet der Ausdruck "Chipkomponenten" "Komponenten für die Oberflächenmontage" im Gegensatz zu Komponenten zum traditionellen Einlöten in Löcher auf der Platine. Daher ist es richtiger, "Chip-Mikroschaltung" zu sagen, was eine Mikroschaltung für die Oberflächenmontage bedeutet. IN zur Zeit(Jahr) werden die meisten Mikroschaltungen in Gehäusen für die Oberflächenmontage hergestellt.

Geschichte

Die Erfindung von Mikroschaltungen begann mit der Untersuchung der Eigenschaften dünner Oxidschichten, die sich in der Wirkung einer schlechten elektrischen Leitfähigkeit bei niedrigen elektrischen Spannungen manifestierten. Das Problem war, dass an der Berührungsstelle der beiden Metalle kein elektrischer Kontakt bestand oder es polare Eigenschaften aufwies. Eingehende Untersuchungen dieses Phänomens führten zur Entdeckung von Dioden und später von Transistoren und integrierten Schaltkreisen.

Designebenen

• Physikalisch - Methoden zur Implementierung eines Transistors (oder einer kleinen Gruppe) in Form von dotierten Zonen auf einem Kristall.
• Elektrik - Prinzip Stromkreis(Transistoren, Kondensatoren, Widerstände usw.).
• Logik - eine Logikschaltung (logische Inverter, Elemente ODER-NICHT, UND-NICHT usw.).
• Schaltungs- und Systemtechnik-Ebene - Schaltungs- und Systemtechnik-Schaltungen (Trigger, Komparatoren, Encoder, Decoder, ALUs usw.).
• Topologisch - topologische Fotomasken für die Produktion.
• Software-Level (für Mikrocontroller und Mikroprozessoren) - Montageanleitung für den Programmierer.

Derzeit werden die meisten integrierten Schaltungen mit CAD-Systemen entwickelt, die eine Automatisierung und eine erhebliche Beschleunigung des Prozesses zum Erhalten topologischer Fotomasken ermöglichen.

Einstufung

Integrationsgrad

Termin

Ein integrierter Mikroschaltkreis kann eine vollständige, jedoch komplexe Funktionalität aufweisen - bis hin zu einem ganzen Mikrocomputer (Ein-Chip-Mikrocomputer).

Analoge Schaltungen

• Signalgeneratoren
• Analoge Multiplikatoren
• Analoge Dämpfungsglieder und variable Verstärker
• Netzteilstabilisatoren
• Steuer-ICs für Schaltnetzteile
• Signalwandler
• Synchronisationsschaltungen
• Diverse Sensoren (Temperatur, etc.)

Digitale Schaltungen

• Logische Tore
• Pufferkonverter
• Speichermodule
• (Mikro-)Prozessoren (einschließlich der CPU im Computer)
• Einchip-Mikrocomputer
• FPGA - Programmierbare integrierte Logikschaltungen

Digitale integrierte Schaltkreise haben gegenüber analogen eine Reihe von Vorteilen:

• Reduzierter Stromverbrauch im Zusammenhang mit der Verwendung gepulster elektrischer Signale in der Digitalelektronik. Beim Empfangen und Umwandeln solcher Signale arbeiten die aktiven Elemente elektronischer Geräte (Transistoren) in einem "Schlüssel" -Modus, dh der Transistor ist entweder "offen" - was einem Signal mit hohem Pegel entspricht (1), oder "geschlossen". " - (0), im ersten Fall kein Spannungsabfall im Transistor, im zweiten - kein Strom fließt. In beiden Fällen liegt die Leistungsaufnahme nahe 0, im Gegensatz zu analogen Geräten, bei denen sich die Transistoren die meiste Zeit in einem Zwischenzustand (resistiv) befinden.
• Hohe Störfestigkeit digitalen Geräten ist ein großer Unterschied zwischen hohen (z. B. 2,5 - 5 V) und niedrigen (0 - 0,5 V) Signalen verbunden. Ein Fehler ist bei solchen Störungen möglich, wenn ein hoher Pegel als niedrig wahrgenommen wird und umgekehrt, was unwahrscheinlich ist. Außerdem in digitale Geräte es ist möglich, spezielle Codes zu verwenden, um Fehler zu korrigieren.
• Der große Unterschied zwischen High- und Low-Pegel-Signalen und ein ziemlich großes Intervall ihrer zulässigen Änderungen machen digitale Geräte unempfindlich zu der unvermeidlichen Streuung der Parameter von Elementen in der integralen Technologie, macht die Auswahl und Konfiguration digitaler Geräte überflüssig.