História vynálezu integrovaného obvodu. Vytvorenie prvého domáceho mikroobvodu Kedy a kde vznikol prvý mikroobvod

Mikroelektronika je najvýznamnejším a ako mnohí veria, najdôležitejším vedeckým a technologickým úspechom našej doby. Možno ho porovnať s takými zlomovými okamihmi v dejinách techniky, akými boli vynález tlače v 16. storočí, vytvorenie parného stroja v 18. storočí a rozvoj elektrotechniky v 19. storočí. A keď sa dnes hovorí o vedecko-technickej revolúcii, myslí sa predovšetkým mikroelektronika. Ako žiadny iný technický výdobytok našich dní preniká do všetkých sfér života a robí skutočnosťou to, čo bolo včera jednoducho nemožné si predstaviť. Aby sme sa o tom presvedčili, stačí si spomenúť na vreckové kalkulačky, miniatúrne rádiá, elektronické ovládače domácich spotrebičov, hodiny, počítače a programovateľné počítače. A to je len malá časť jeho pôsobnosti!

Mikroelektronika vďačí za svoj vznik a samotnú existenciu vytvoreniu nového subminiatúrneho elektronického prvku – integrovaného mikroobvodu. Vzhľad týchto obvodov v skutočnosti nebol nejakým zásadne novým vynálezom - priamo vyplýval z logiky vývoja polovodičových zariadení. Spočiatku, keď polovodičové prvky práve vstupovali do života, každý tranzistor, rezistor alebo dióda sa používali samostatne, to znamená, že boli uzavreté vo vlastnom individuálnom puzdre a zahrnuté do obvodu pomocou svojich individuálnych kontaktov. Robilo sa to aj v prípadoch, keď bolo potrebné zostaviť veľa podobných obvodov z rovnakých prvkov. Postupne však prišlo k pochopeniu, že bolo racionálnejšie neskladať takéto zariadenia zo samostatných prvkov, ale okamžite ich vyrábať na jednom spoločnom čipe, najmä preto, že polovodičová elektronika na to vytvorila všetky predpoklady. V skutočnosti sú všetky polovodičové prvky vo svojej štruktúre navzájom veľmi podobné, majú rovnaký princíp činnosti a líšia sa iba vzájomným usporiadaním p-n oblastí. Tieto p-n oblasti, ako si pamätáme, sú vytvorené zavedením nečistôt rovnakého typu do povrchovej vrstvy polovodičového kryštálu. Spoľahlivú a zo všetkých hľadísk uspokojivú činnosť veľkej väčšiny polovodičových prvkov navyše zabezpečuje hrúbka povrchovej pracovnej vrstvy v tisícinách milimetra. Najmenšie tranzistory zvyčajne využívajú iba vrchnú vrstvu polovodičového kryštálu, ktorá tvorí len 1 % jeho hrúbky. Zvyšných 99% funguje ako nosič alebo substrát, pretože bez substrátu by sa tranzistor mohol jednoducho zrútiť pri najmenšom dotyku. Použitím technológie výroby jednotlivých elektronických súčiastok je teda možné okamžite vytvoriť kompletný obvod z niekoľkých desiatok, stoviek a dokonca tisícok takýchto súčiastok na jednom čipe. Prínos z toho bude obrovský. Po prvé, náklady sa okamžite znížia (náklady na mikroobvod sú zvyčajne stokrát nižšie ako celkové náklady na všetky elektronické prvky jeho komponentov). Po druhé, takéto zariadenie bude oveľa spoľahlivejšie (ako ukazuje skúsenosť, tisíckrát a desaťtisíckrát), a to je mimoriadne dôležité, pretože riešenie problémov v okruhu desiatok alebo stoviek tisíc elektronických komponentov sa stáva mimoriadne zložitým problémom. . Po tretie, vzhľadom na skutočnosť, že všetky elektronické prvky integrovaného obvodu sú stovky a tisíckrát menšie ako ich náprotivky v bežnom kombinovanom obvode, ich spotreba energie je oveľa nižšia a ich rýchlosť je oveľa vyššia.

Kľúčovou udalosťou, ktorá predznamenala príchod integrácie do elektroniky, bol návrh amerického inžiniera J. Kilbyho z Texas Instruments získať ekvivalentné prvky pre celý obvod, ako sú registre, kondenzátory, tranzistory a diódy v monolitickom kuse čistého kremíka. Kilby vytvoril prvý integrovaný polovodičový obvod v lete 1958. A už v roku 1961 vyrobila spoločnosť Fairchild Semiconductor Corporation prvé sériové mikroobvody pre počítače: koincidenčný obvod, poloposunovací register a klopný obvod. V tom istom roku ovládol výrobu polovodičových integrovaných logických obvodov Texas. Nasledujúci rok sa objavili integrované obvody od iných firiem. V krátkom čase vznikli rôzne typy zosilňovačov v integrovanom prevedení. V roku 1962 RCA vyvinula integrované obvody pamäťového poľa pre počítačové úložné zariadenia. Postupne sa vo všetkých krajinách etablovala výroba mikroobvodov – začala sa éra mikroelektroniky.

Východiskovým materiálom pre integrovaný obvod je zvyčajne surový kremíkový plátok. Má pomerne veľkú veľkosť, pretože sa na ňom súčasne vyrába niekoľko stoviek mikroobvodov rovnakého typu. Prvá operácia spočíva v tom, že pod vplyvom kyslíka pri teplote 1000 stupňov sa na povrchu tejto platne vytvorí vrstva oxidu kremičitého. Oxid kremičitý sa vyznačuje vysokou chemickou a mechanickou odolnosťou a má vlastnosti vynikajúceho dielektrika, ktoré poskytuje spoľahlivú izoláciu kremíku umiestnenému pod ním. Ďalším krokom je zavedenie nečistôt na vytvorenie p alebo n vodivých zón. Za týmto účelom sa oxidový film odstráni z tých miest na doske, ktoré zodpovedajú jednotlivým elektronickým komponentom. Výber požadovaných oblastí prebieha pomocou procesu nazývaného fotolitografia. Najprv sa celá vrstva oxidu pokryje svetlocitlivou zlúčeninou (fotorezistom), ktorá plní úlohu fotografického filmu – dá sa nasvietiť a vyvolať. Potom sa doska cez špeciálnu fotomasku s povrchovým vzorom polovodičového kryštálu osvetlí ultrafialovými lúčmi. Vplyvom svetla sa na vrstve oxidu vytvorí plochý vzor, ​​pričom neosvetlené oblasti zostávajú svetlé a všetko ostatné - stmavne. V mieste, kde bol fotorezistor vystavený svetlu, sa vytvoria nerozpustné oblasti filmu, ktoré sú odolné voči kyselinám. Doštička sa potom ošetrí rozpúšťadlom, ktoré odstráni fotorezist z exponovaných oblastí. Z otvorených miest (a iba z nich) sa vrstva oxidu kremičitého leptá kyselinou. Vďaka tomu sa oxid kremičitý rozpúšťa na správnych miestach a otvárajú sa „okná“ čistého kremíka, pripravené na vnesenie nečistôt (ligácia). Aby sa to dosiahlo, povrch substrátu pri teplote 900-1200 stupňov je vystavený požadovanej nečistote, napríklad fosforu alebo arzénu, aby sa získala vodivosť typu n. Atómy nečistôt prenikajú hlboko do čistého kremíka, ale sú odpudzované jeho oxidom. Po spracovaní platne jedným typom nečistoty sa pripraví na ligáciu s iným typom - povrch platne je opäť pokrytý vrstvou oxidu, vykoná sa nová fotolitografia a leptanie, v dôsledku čoho sa objavia nové "okná" otvoreného kremíka. Potom nasleduje nová ligácia, napríklad bórom, aby sa získala vodivosť typu p. Oblasti p a n sa teda vytvárajú na správnych miestach na celom povrchu kryštálu. (Izoláciu medzi jednotlivými prvkami je možné vytvoriť niekoľkými spôsobmi: takouto izoláciou môže byť vrstva oxidu kremičitého, na správnych miestach môžete vytvoriť aj blokovacie p‑n spoje. ) Ďalšia etapa spracovania je spojená s aplikáciou vodivých spojení (vodivých vedení) medzi prvkami integrovaného obvodu, ako aj medzi týmito prvkami a kontaktmi na pripojenie vonkajších obvodov. Na tento účel sa na substrát nanesie tenká vrstva hliníka, ktorá sa nanesie vo forme veľmi tenkého filmu. Je podrobený fotolitografickému spracovaniu a leptaniu, podobné tým, ktoré sú opísané vyššie. Výsledkom je, že z celej kovovej vrstvy ostanú len tenké vodivé čiary a podložky. Nakoniec sa celý povrch polovodičového kryštálu pokryje ochrannou vrstvou (najčastejšie kremičitanovým sklom), ktorá sa následne z podložiek odstráni. Všetky vyrábané mikroobvody sú podrobené najprísnejším kontrolám na kontrolnom a skúšobnom stanovišti. Chybné obvody sú označené červenou bodkou. Nakoniec je kryštál rozrezaný na samostatné mikroobvodové platne, z ktorých každá je uzavretá v robustnom puzdre s vodičmi na pripojenie k externým obvodom.

Zložitosť integrovaného obvodu charakterizuje ukazovateľ nazývaný stupeň integrácie. Integrované obvody s viac ako 100 prvkami sa nazývajú mikroobvody s nízkym stupňom integrácie; obvody obsahujúce do 1000 prvkov - integrované obvody s priemerným stupňom integrácie; obvody obsahujúce až desaťtisíce prvkov – veľké integrované obvody. Už sa vyrábajú obvody obsahujúce až milión prvkov (nazývajú sa superveľké). Postupné zvyšovanie integrácie viedlo k tomu, že obvody sa každým rokom stávajú čoraz miniatúrnejšie, a teda čoraz zložitejšie. Obrovské množstvo elektronických zariadení, ktoré mali kedysi veľké rozmery, sa teraz zmestí na malú kremíkovú doštičku. Mimoriadne dôležitou udalosťou na tejto ceste bolo v roku 1971 vytvorenie jediného integrovaného obvodu na vykonávanie aritmetických a logických operácií americkou spoločnosťou Intel - mikroprocesora. To viedlo k grandióznemu prelomu mikroelektroniky v oblasti výpočtovej techniky.

polovodičový . Realizácia týchto návrhov sa v týchto rokoch nemohla uskutočniť pre nedostatočný rozvoj techniky.

Koncom roku 1958 a v prvej polovici roku 1959 nastal v polovodičovom priemysle prelom. Traja ľudia zastupujúci tri súkromné ​​americké korporácie vyriešili tri zásadné problémy, ktoré zabránili vytvoreniu integrovaných obvodov. Jack Kilby z Texas nástroje patentoval princíp zjednotenia, vytvoril prvé, nedokonalé, prototypy IS a priviedol ich do sériovej výroby. Kurt Legovets z Sprague Electric Company vynašiel metódu elektrickej izolácie komponentov vytvorených na jedinom polovodičovom čipe (izolácia p-n prechodom (angl. Izolácia P–n junction )). Robert Noyce z Fairchild Semiconductor vynašiel spôsob elektrického spájania komponentov IC (pokovovanie hliníkom) a navrhol vylepšenú verziu izolácie komponentov založenú na najnovšej planárnej technológii Jean Ernie (angl. Jean Hoerni). 27. september 1960 kapela Jay Lasta Jay Posledný) vytvorené na Fairchild Semiconductor prvé pracovné polovodič IP o nápadoch Noycea a Ernieho. Texas Instruments, ktorá vlastnila patent na Kilbyho vynález, rozpútala patentovú vojnu proti konkurentom, ktorá sa skončila v roku 1966 celosvetovou dohodou o krížových licenciách na technológie.

Prvé logické integrované obvody spomínanej série boli postavené doslova z štandardná komponenty, ktorých rozmery a konfigurácie boli určené technologickým postupom. Obvodoví inžinieri, ktorí navrhli logické integrované obvody konkrétnej rodiny, pracovali s rovnakými typickými diódami a tranzistormi. V rokoch 1961-1962 vedúci vývojár porušil dizajnovú paradigmu Sylvánia Tom Longo prvýkrát používa rôzne konfigurácia tranzistorov v závislosti od ich funkcií v obvode. Koncom roku 1962 Sylvánia uviedla na trh prvú rodinu tranzistorovo-tranzistorovej logiky (TTL) vyvinutú spoločnosťou Longo – historicky prvý typ integrovanej logiky, ktorý sa dokázal presadiť na trhu na dlhú dobu. V analógových obvodoch došlo k prelomu tejto úrovne v rokoch 1964-1965 vývojárom operačných zosilňovačov. Fairchild Bob Vidlar.

Prvý domáci mikroobvod vznikol v roku 1961 v TRTI (Taganrog Radio Engineering Institute) pod vedením L. N. Kolesova. Táto udalosť pritiahla pozornosť vedeckej komunity v krajine a TRTI bola schválená ako líder v systéme ministerstva vysokého školstva v probléme vytvárania vysoko spoľahlivého mikroelektronického zariadenia a automatizácie jeho výroby. Za predsedu Koordinačnej rady bol pre tento problém vymenovaný samotný L. N. Kolesov.

Prvý v ZSSR hybridný hrubovrstvový integrovaný obvod (séria 201 "Tropa") bol vyvinutý v rokoch 1963-65 vo Výskumnom ústave presnej technológie ("Angstrem"), sériová výroba od roku 1965. Na vývoji sa podieľali špecialisti z NIEM (teraz NII Argon).

Prvý polovodičový integrovaný obvod v ZSSR vznikol na báze planárnej technológie, vyvinutej začiatkom roku 1960 na NII-35 (vtedy premenovanej na NII Pulsar) tímom, ktorý bol neskôr prevedený na NIIME (Micron). Vytvorenie prvého domáceho kremíkového integrovaného obvodu bolo zamerané na vývoj a výrobu s vojenskou akceptáciou série integrovaných kremíkových obvodov TC-100 (37 prvkov - ekvivalent zložitosti obvodu spúšte, analóg americkej série IC SN-51 firiem Texas nástroje). Prototypy a výrobné vzorky kremíkových integrovaných obvodov na reprodukciu boli získané z USA. Práce sa vykonali v NII-35 (riaditeľ Trutko) a vo Fryazinskom polovodičovom závode (riaditeľ Kolmogorov) na základe obranného príkazu na použitie v autonómnom výškomere navádzacieho systému balistických rakiet. Vývoj zahŕňal šesť typických integrovaných kremíkových planárnych obvodov série TS-100 a s organizáciou pilotnej výroby trval na NII-35 tri roky (od roku 1962 do roku 1965). Zvládnutie továrenskej výroby s vojenskou akceptáciou vo Fryazine (1967) trvalo ďalšie dva roky.

Paralelne prebiehali práce na vývoji integrovaného obvodu v Centrálnom konštrukčnom úrade vo Voronežskom závode polovodičových zariadení (teraz -). V roku 1965 pri návšteve VZPP ministrom elektronického priemyslu AI Shokinom bol závod poverený vykonaním výskumných prác na vytvorení kremíkového monolitického obvodu - R&D "Titan" (príkaz ministerstva č. 92 z augusta 16, 1965), ktorá bola v predstihu ukončená do konca roka. Téma bola úspešne predložená štátnej komisii a séria 104 diódovo-tranzistorových logických obvodov sa stala prvým pevným počinom v oblasti polovodičovej mikroelektroniky, čo sa premietlo do príkazu Ministerstva hospodárskeho rozvoja zo dňa 30.12. 1965 číslo 403.

Úrovne dizajnu

V súčasnosti (2014) je väčšina integrovaných obvodov navrhnutá pomocou špecializovaných CAD systémov, ktoré umožňujú automatizovať a výrazne urýchliť výrobné procesy, napríklad získanie topologických fotomasiek.

Klasifikácia

Stupeň integrácie

V závislosti od stupňa integrácie sa používajú tieto názvy integrovaných obvodov:

  • malý integrovaný obvod (MIS) - až 100 prvkov v kryštáli,
  • stredný integrovaný obvod (SIS) - až 1000 prvkov v kryštáli,
  • veľký integrovaný obvod (LSI) - až 10 tisíc prvkov v kryštáli,
  • veľmi veľký integrovaný obvod (VLSI) - viac ako 10 tisíc prvkov v kryštáli.

Predtým sa používali aj zastarané názvy: ultra-veľký integrovaný obvod (ULSI) - od 1 do 10 miliónov až 1 miliardy prvkov v kryštáli a niekedy aj giga-veľký integrovaný obvod (GBIS) - viac ako 1 miliarda prvkov v kryštáli. V súčasnosti, v roku 2010, sa názvy „UBIS“ a „GBIS“ prakticky nepoužívajú a všetky mikroobvody s viac ako 10 000 prvkami sú klasifikované ako VLSI.

Technológia výroby

  • Polovodičový mikroobvod - všetky prvky a medziprvkové spojenia sú vyrobené na jednom polovodičovom kryštáli (napríklad kremík, germánium, arzenid gália, oxid hafnia).
  • Filmový integrovaný obvod - všetky prvky a prepojenia sú vyrobené vo forme filmov:
    • hrubovrstvový integrovaný obvod;
    • tenkovrstvový integrovaný obvod.
  • Hybrid IC (často označovaný ako mikromontáž), obsahuje niekoľko holých diód, holých tranzistorov a/alebo iných elektronických aktívnych súčiastok. Mikrozostava môže tiež obsahovať nezabalené integrované obvody. Komponenty pasívnej mikrozostavy (rezistory, kondenzátory, tlmivky) sa zvyčajne vyrábajú pomocou tenkovrstvových alebo hrubovrstvových technológií na bežnom, zvyčajne keramickom substráte hybridného mikroobvodu. Celý substrát s komponentmi je umiestnený v jedinom utesnenom kryte.
  • Zmiešaný mikroobvod - okrem polovodičového kryštálu obsahuje tenkovrstvové (hrubovrstvové) pasívne prvky umiestnené na povrchu kryštálu.

Typ spracovávaného signálu

Výrobné technológie

Logické typy

Hlavným prvkom analógových obvodov sú tranzistory (bipolárne alebo poľné). Rozdiel v technológii výroby tranzistorov výrazne ovplyvňuje vlastnosti mikroobvodov. Preto je výrobná technológia často uvedená v popise mikroobvodu, aby sa zdôraznili všeobecné charakteristiky vlastností a schopností mikroobvodu. Moderné technológie kombinujú bipolárne technológie a technológie tranzistorov s efektom poľa na dosiahnutie lepšieho výkonu čipu.

  • Mikroobvody na unipolárnych (poľných) tranzistoroch sú najhospodárnejšie (z hľadiska spotreby prúdu):
    • MOS logika (metal-oxid-semiconductor logic) - mikroobvody sú vytvorené z tranzistorov s efektom poľa n-MOS alebo p-typ MOS;
    • CMOS logika (komplementárna MOS logika) - každý logický prvok mikroobvodu pozostáva z dvojice komplementárnych (komplementárnych) tranzistorov s efektom poľa ( n-MOS a p-MOS).
  • Čipy na bipolárnych tranzistoroch:
    • RTL - rezistor-tranzistorová logika (zastaraná, nahradená TTL);
    • DTL - diódovo-tranzistorová logika (zastaraná, nahradená TTL);
    • TTL - tranzistorovo-tranzistorová logika - mikroobvody sú vyrobené z bipolárnych tranzistorov s multiemitorovými tranzistormi na vstupe;
    • TTLSH - tranzistorovo-tranzistorová logika so Schottkyho diódami - vylepšený TTL, ktorý využíva bipolárne tranzistory so Schottkyho efektom;
    • ESL - emitor-coupled logic - na bipolárnych tranzistoroch, ktorých prevádzkový režim je zvolený tak, aby neprešli do režimu saturácie - čo výrazne zvyšuje rýchlosť;
    • IIL - integrálno-vstrekovacia logika.
  • Mikroobvody využívajúce poľné aj bipolárne tranzistory:

Pomocou rovnakého typu tranzistorov je možné zostaviť mikroobvody pomocou rôznych metodológií, ako sú statické alebo dynamické.

CMOS a TTL (TTLS) technológie sú najbežnejšie čipové logiky. Tam, kde je potrebné šetriť prúdový odber, sa používa technológia CMOS, kde je dôležitejšia rýchlosť a nie je potrebná úspora spotreby energie, využíva sa technológia TTL. Slabou stránkou mikroobvodov CMOS je zraniteľnosť voči statickej elektrine - stačí sa dotknúť výstupu mikroobvodu rukou a jeho integrita už nie je zaručená. S rozvojom technológií TTL a CMOS sa mikroobvody parametrami približujú a v dôsledku toho je napríklad séria mikroobvodov radu 1564 vyrobená technológiou CMOS a funkčnosť a umiestnenie v balení sú podobné ako pri TTL. technológie.

Čipy vyrábané technológiou ESL sú najrýchlejšie, ale aj energeticky najnáročnejšie a pri výrobe výpočtovej techniky sa používali v prípadoch, kde najdôležitejším parametrom bola rýchlosť výpočtu. V ZSSR sa najproduktívnejšie počítače typu ES106x vyrábali na mikroobvodoch ESL. Teraz sa táto technológia používa zriedka.

Technologický proces

Pri výrobe mikroobvodov sa používa metóda fotolitografie (projekcia, kontakt a pod.), pričom obvod vzniká na substráte (najčastejšie kremíku) získanom rezaním monokryštálov kremíka na tenké doštičky diamantovými kotúčmi. Vzhľadom na malé lineárne rozmery mikroobvodových prvkov sa upustilo od používania viditeľného svetla a dokonca aj blízkeho ultrafialového žiarenia na osvetlenie.

Nasledujúce procesory boli vyrobené pomocou UV žiarenia (ArF excimerový laser, vlnová dĺžka 193 nm). V priemere sa zavádzanie nových technických procesov lídrami v odvetví podľa plánu ITRS uskutočňovalo každé 2 roky, pričom počet tranzistorov na jednotku plochy sa zdvojnásobil: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011) , 14 nm výroba začala v roku 2014, vývoj 10 nm procesov sa očakáva okolo roku 2018.

V roku 2015 existovali odhady, že zavádzanie nových technických procesov sa spomalí.

Kontrola kvality

Na kontrolu kvality integrovaných obvodov sa vo veľkej miere používajú testovacie štruktúry tzv.

Účel

Integrovaný obvod môže mať úplnú, ľubovoľne zložitú funkčnosť - až po celý mikropočítač (jednočipový mikropočítač).

Analógové obvody

  • Filtre (vrátane filtrov založených na piezoelektrickom efekte).
  • Analógové multiplikátory.
  • Analógové atenuátory a variabilné zosilňovače.
  • Stabilizátory napájania: stabilizátory napätia a prúdu.
  • Riadiace mikroobvody spínaných zdrojov.
  • Prevodníky signálu.
  • Schémy synchronizácie.
  • Rôzne snímače (napr. teploty).

Digitálne obvody

  • Vyrovnávacie konvertory
  • (Mikro)procesory (vrátane CPU pre počítače)
  • Čipy a pamäťové moduly
  • FPGA (programovateľné logické integrované obvody)

Digitálne integrované obvody majú oproti analógovým rad výhod:

  • Znížená spotreba energie spojené s používaním impulzných elektrických signálov v digitálnej elektronike. Pri prijímaní a prevode takýchto signálov pracujú aktívne prvky elektronických zariadení (tranzistory) v režime "kľúč", to znamená, že tranzistor je buď "otvorený" - čo zodpovedá signálu vysokej úrovne (1), alebo "zatvorený" - (0), v prvom prípade nedochádza k poklesu napätia v tranzistore, v druhom - ním nepreteká žiadny prúd. V oboch prípadoch je spotreba energie blízka 0, na rozdiel od analógových zariadení, v ktorých sú tranzistory väčšinu času v strednom (aktívnom) stave.
  • Vysoká odolnosť proti hluku digitálnych zariadení je spojený s veľkým rozdielom medzi signálmi vysokej (napríklad 2,5-5 V) a nízkej (0-0,5 V) úrovne. Chyba stavu je možná na takej úrovni rušenia, že vysoká úroveň je interpretovaná ako nízka úroveň a naopak, čo je nepravdepodobné. Navyše v digitálnych zariadeniach je možné použiť špeciálne kódy, ktoré umožňujú opraviť chyby.
  • Veľký rozdiel v úrovniach stavov signálov vysokej a nízkej úrovne (logická „0“ a „1“) a pomerne široký rozsah ich prípustných zmien robí digitálnu technológiu necitlivou na nevyhnutné rozšírenie parametrov prvkov v integrovanej technológii, eliminuje nutnosť výberu komponentov a úpravy nastavovacích prvkov v digitálnych zariadeniach.

Analógovo-digitálne obvody

  • digitálno-analógové (DAC) a analógovo-digitálne prevodníky (ADC);
  • transceivery (napríklad prevodník rozhrania ethernet);
  • modulátory a demodulátory;
    • rádiové modemy
    • dekodéry teletextu, rádiotext VHF
    • Vysielače a prijímače rýchleho ethernetu a optického vedenia
    • vytočiť modemy
    • digitálne TV prijímače
    • optický snímač myši
  • napájacie čipy pre elektronické zariadenia - stabilizátory, meniče napätia, výkonové spínače atď.;
  • digitálne atenuátory;
  • frekvenčné obvody fázovo viazanej slučky (PLL);
  • generátory a obnovovače hodín;
  • základné maticové čipy (BMC): obsahuje analógové aj digitálne obvody;

Séria čipov

Analógové a digitálne mikroobvody sa vyrábajú sériovo. Séria je skupina mikroobvodov, ktoré majú jednotný dizajn a technologický dizajn a sú určené na spoločné použitie. Mikroobvody rovnakej série majú spravidla rovnaké napätia napájacích zdrojov, sú prispôsobené z hľadiska vstupných a výstupných odporov, úrovní signálu.

zboru

Konkrétne tituly

Právna ochrana

Ruská legislatíva poskytuje právnu ochranu pre topológie integrovaných obvodov. Topológia integrovaného obvodu je priestorové a geometrické usporiadanie súhrnu prvkov integrovaného obvodu a spojov medzi nimi upevnených na hmotnom nosiči (článok 1448

6. februára 1959, presne pred 55 rokmi, Americký federálny patentový úrad udelil patent na vynález integrovaného obvodu spoločnosti Texas Instruments. Oficiálne bol teda uznaný zrod technológie, bez ktorej by sme dnes nemali po ruke veľkú väčšinu nám známych elektronických zariadení a schopností s nimi spojených.

Myšlienka integrovaného obvodu na konci 50-tych rokov, ako sa hovorí, bola vo vzduchu. Tranzistor už bol vytvorený; rýchlo sa rozvíjajúce rádiové a televízne obvody, nehovoriac o počítačovej technike, si vyžadovali hľadanie riešení pre miniaturizáciu; spotrebiteľský trh potreboval lacnejšie vybavenie. Nápad vyhodiť všetko prebytočné z obvodu na polovodičových tranzistoroch a diódach (montážne panely, vodiče, puzdrá a izolátory), zhromaždiť jeho podstatu – n-p prechody – do jednej „tehly“ – musel nevyhnutne prísť niekomu do hlavy.

A tak sa aj stalo. Prišiel. Navyše niekoľko talentovaných inžinierov naraz, no za „otca integrovaného obvodu“ sa dnes považuje len jeden – Jack Kilby, zamestnanec Texas Instruments, ktorý v roku 2000 získal Nobelovu cenu za fyziku za vynález integrovaný obvod. 24. júla 1958 si do pracovného denníka zapísal myšlienku nového zariadenia, 12. septembra predviedol pracovnú vzorku mikroobvodu, pripravil a podal patentovú prihlášku a 6. februára 1959 ju dostal. .

Aby sme boli spravodliví, návrh Kilbyho germániového mikroobvodu bol prakticky nevhodný pre priemyselný vývoj, čo sa nedá povedať o kremíkovom planárnom mikroobvode vyvinutom Robertom Noyceom.

Robert Noyce, ktorý pracoval vo Fairchald Semiconductor (bol tiež jedným zo zakladateľov tejto spoločnosti), takmer súčasne a nezávisle od Kilbyho, vyvinul vlastnú verziu návrhu integrovaného obvodu, patentoval ho a ... vrhol na zem Texas Instruments a Fairchald Semiconductor do nepretržitej patentovej vojny na 10 rokov, ktorá sa skončila 6. novembra 1969 rozhodnutím amerického patentového a colného odvolacieho súdu, podľa ktorého by sa mal za jediného vynálezcu mikroobvodu považovať... Robert Noyce! Najvyšší súd USA toto rozhodnutie potvrdil.

Ešte pred súdnym verdiktom, v roku 1966, sa však spoločnosti dohodli, že si navzájom uznajú rovnaké práva na integrovaný obvod, a obaja vynálezcovia - Kilby a Noyce boli ocenení rovnakými najvyššími cenami od vedeckej a inžinierskej komunity USA: Národnou medailou Veda a národná medaila za technológiu.

Boli však iní, ktorí oveľa skôr ako Kilby a Noyce sformulovali princíp návrhu a dokonca patentovali integrovaný obvod. Nemecký inžinier Werner Jacobi vo svojom patente z roku 1949 kreslil návrh obvodu 5 tranzistorov na spoločnom substráte. 7. mája 1952 anglický rádiový inžinier Geoffrey Dummer vo svojom verejnom prejave na sympóziu o elektronických súčiastkach vo Washingtone (mimochodom na tomto sympóziu bol prítomný aj Jack Kilby) opísal princíp integrácie obvodových komponentov do jedného celku; v roku 1957 predstavil funkčný prototyp prvého integrovaného 4-tranzistorového klopného obvodu na svete. Špecialisti z vojenského oddelenia Anglicka novinke nerozumeli a nedocenili jej potenciál. Práce boli uzavreté. Následne bol Dummer vo svojej vlasti nazývaný „prorokom integrovaného obvodu“, bol pozvaný k účasti na mnohých národných a medzinárodných projektoch rozvoja elektronických technológií.

V Spojených štátoch v októbri toho istého roku Bernard Oliver podal patentovú prihlášku, kde opísal spôsob výroby monolitického bloku troch planárnych tranzistorov. 21. mája 1953 inžinier Harvick Johnson podal žiadosť o niekoľko spôsobov vytvorenia rôznych komponentov elektronických obvodov v jednom čipe. Je zábavné, že jednu z možností navrhnutých Johnsonom nezávisle implementoval a patentoval Jack Kilby o 6 rokov neskôr. Úžasné!

Podrobné životopisy všetkých vynálezcov integrovaného obvodu, opisy udalostí a okolností veľkých, nebojím sa toho slova, vynálezy dnes ľahko nájde každý: to všetko je na webe. V deň narodenín mikroobvodu by som chcel „dať slovo“ všetkým trom: Jeffreymu Dummerovi, Jackovi Kilbymu a Robertovi Noyceovi. V rôznych časoch rozhovoru sa podelili o svoje spomienky „ako to bolo“, o svoje myšlienky a skúsenosti. Vybral som niekoľko výrokov, ktoré sa mi zdali zaujímavé...

Geoffrey Dummer:
„S príchodom tranzistora a práce na polovodičoch vo všeobecnosti sa dnes zdá byť možné nastoliť otázku vytvorenia elektronického zariadenia vo forme pevného bloku bez akýchkoľvek spojovacích drôtov. Tento blok môže pozostávať z vrstiev izolačných, vodivých, usmerňovacích a signál zosilňujúcich materiálov. Nastavenie elektronických funkcií komponentov a ich správne pripojenie je možné vykonať vyrezaním častí jednotlivých vrstiev.“
„V jednej zo svojich kníh som vysvetlil dôvod svojho zlyhania tak, že som bol veľmi unavený z nekonečných byrokratických vojen, ale možno to nie je jediná vec. Faktom je, že nikto nechcel riskovať. Ministerstvo vojny neuzavrie zmluvu na zariadenie, ktoré nebolo podrobené priemyselnému vzoru. Niektorí vývojári sa nechceli ujať pre nich neznámeho prípadu. Toto je situácia sliepky a vajíčka. Američania sú finanční dobrodruhovia a v tejto krajine (rozumej Anglicku. - Yu.R.) všetko ide príliš pomaly."

Jack Kilby:
„Po tom, čo sa na scénu objavil tranzistor, sa obnovil záujem o to, čo sa pred časom začalo nazývať „miniaturizácia“. Nikdy to nebolo samoúčelné, no pre obrovské množstvo aplikácií sa mi zdalo veľmi pohodlné zhromaždiť viac komponentov na jedno miesto a tesnejšie ich zabaliť. A potom je tu námorníctvo začalo projekt na blízkosť poistiek. Naozaj potrebovali zariadenie, kde sú všetky elektronické komponenty zostavené na štvorcovom palcovom tanieri, nič viac. Už minuli slušné množstvo peňazí, ale nikdy nedostali to, čo chceli... Tranzistor vyriešil všetky problémy. Vo všeobecnosti platí, že vtedy a teraz, ak máte nový produkt a je oň zaujímavý pre armádu, alebo si ho viete zariadiť tak, že oň bude mať záujem armáda, potom spravidla budete pracovať bez problémy, pretože budete mať financie. Platilo to v tých vzdialených časoch, platí to aj teraz."

„Hlavným motívom práce na integrovanom obvode bolo zníženie nákladov na výrobu zariadení. Pravda, vtedy som si veľmi nepredstavoval rozsah možného zníženia ceny a ako veľmi faktor lacnosti rozšíri oblasť použitia elektroniky v úplne iných oblastiach. V roku 1958 stál jeden kremíkový tranzistor, ktorý sa tiež veľmi nepredával, asi 10 dolárov. Dnes si za 10 dolárov môžete kúpiť viac ako 100 miliónov tranzistorov. Toto som nemohol predvídať. A som si istý, že túto možnosť si nikto nepredstavoval.

„Začali sme s vývojom prvej mikrokalkulačky (na obrázku), aby sme rozšírili trh s integrovanými obvodmi: masový trh je pre nich dôležitý. Prvé kalkulačky sme predávali za 500 dolárov, dnes sa predávajú za 4-5 dolárov a stali sa jednorázovým tovarom. Ide o otázku znižovania nákladov.

„Je vynález integrovaného obvodu mojím najväčším životným úspechom? Och, určite! ..“

Robert Noyce:
„Vo Fairchilde sme začali pracovať na inžinierskom projekte, ktorý armáda nazvala „molekulárne inžinierstvo“. Financovalo to letectvo. Mali sme vytvoriť nejakú štruktúru postavenú z konštrukcií molekula na molekule alebo dokonca atóm na atóme. A takáto štruktúra by mala vykonávať funkcie elektronického zariadenia. Nebol to presne náš profil, pretože sila elektronického priemyslu bola vždy syntetizovať niečo z jednoduchých prvkov a nesnažiť sa vymýšľať zložitý prvok. Vytvárajú sa jednoduché obvodové prvky: kondenzátory, odpory, zosilňovacie prvky, diódy atď., Z ktorých sa potom syntetizuje požadovaná funkcia. Vo všeobecnosti sa s molekulárnym inžinierstvom niečo pokazilo.“

„Pýtate sa, či to bolo primárne marketingové rozhodnutie ísť do integrovaných obvodov. Myslím, že nie. Myslím si, že väčšina úspechov tohto druhu nebola predpovedaná obchodníkmi a nebola nimi vedome pripravená. Vznikli skôr z logiky technologického pokroku. Ten čas by sa dal opísať takto: „Teraz to môžeme urobiť. Prečo to neskúsiš predať?" A dnes príde niekto z marketingu a povie: "Keby sme toto mali, tak by sme to mohli predať." Cítite, kde je rozdiel? V prípade integrovaného obvodu bol najvzrušujúcejší pocit, že toto zariadenie je potrebné. Každý má. Pre armádu, pre civilistov... Vidíte, pre všetkých!

Integrovaný (mikro) obvod (IC, IC, m/s, anglicky Integrated Circuit, IC, microcircuit), čip, mikročip (anglický mikročip, kremíkový čip, čip - tenká platňa - termín pôvodne označoval mikroobvodovú kryštálovú platňu) - mikroelektronické zariadenie - elektronický obvod ľubovoľnej zložitosti (kryštál), vyrobený na polovodičovom substráte (doska alebo film) a umiestnený v neoddeliteľnom puzdre alebo bez neho, ak je súčasťou mikrozostavy.

Mikroelektronika je najvýznamnejším a ako mnohí veria, najdôležitejším vedeckým a technologickým úspechom našej doby. Možno ho porovnať s takými zlomovými okamihmi v dejinách techniky, akými boli vynález tlače v 16. storočí, vytvorenie parného stroja v 18. storočí a rozvoj elektrotechniky v 19. storočí. A keď sa dnes hovorí o vedecko-technickej revolúcii, myslí sa predovšetkým mikroelektronika. Ako žiadny iný technický výdobytok našich dní preniká do všetkých sfér života a robí skutočnosťou to, čo bolo včera jednoducho nemožné si predstaviť. Aby sme sa o tom presvedčili, stačí si spomenúť na vreckové kalkulačky, miniatúrne rádiá, elektronické ovládače domácich spotrebičov, hodiny, počítače a programovateľné počítače. A to je len malá časť jeho pôsobnosti!

Mikroelektronika vďačí za svoj vznik a samotnú existenciu vytvoreniu nového subminiatúrneho elektronického prvku – integrovaného mikroobvodu. Vzhľad týchto obvodov v skutočnosti nebol nejakým zásadne novým vynálezom - priamo vyplýval z logiky vývoja polovodičových zariadení. Spočiatku, keď polovodičové prvky práve vstupovali do života, každý tranzistor, rezistor alebo dióda sa používali samostatne, to znamená, že boli uzavreté vo vlastnom individuálnom puzdre a zahrnuté do obvodu pomocou svojich individuálnych kontaktov. Robilo sa to aj v prípadoch, keď bolo potrebné zostaviť veľa podobných obvodov z rovnakých prvkov.

Postupne sa pochopilo, že je racionálnejšie neskladať takéto zariadenia zo samostatných prvkov, ale okamžite ich vyrábať na jednom spoločnom čipe, najmä preto, že polovodičová elektronika na to vytvorila všetky predpoklady. V skutočnosti sú všetky polovodičové prvky vo svojej štruktúre navzájom veľmi podobné, majú rovnaký princíp činnosti a líšia sa iba vzájomným usporiadaním p-n oblastí.

Tieto p-n oblasti, ako si pamätáme, sú vytvorené zavedením nečistôt rovnakého typu do povrchovej vrstvy polovodičového kryštálu. Spoľahlivú a zo všetkých hľadísk uspokojivú činnosť veľkej väčšiny polovodičových prvkov navyše zabezpečuje hrúbka povrchovej pracovnej vrstvy v tisícinách milimetra. Najmenšie tranzistory zvyčajne využívajú iba vrchnú vrstvu polovodičového kryštálu, ktorá tvorí len 1 % jeho hrúbky. Zvyšných 99% funguje ako nosič alebo substrát, pretože bez substrátu by sa tranzistor mohol jednoducho zrútiť pri najmenšom dotyku. Použitím technológie výroby jednotlivých elektronických súčiastok je teda možné okamžite vytvoriť kompletný obvod z niekoľkých desiatok, stoviek a dokonca tisícok takýchto súčiastok na jednom čipe.

Prínos z toho bude obrovský. Po prvé, náklady sa okamžite znížia (náklady na mikroobvod sú zvyčajne stokrát nižšie ako celkové náklady na všetky elektronické prvky jeho komponentov). Po druhé, takéto zariadenie bude oveľa spoľahlivejšie (ako ukazuje skúsenosť, tisíckrát a desaťtisíckrát), a to je mimoriadne dôležité, pretože riešenie problémov v okruhu desiatok alebo stoviek tisíc elektronických komponentov sa stáva mimoriadne zložitým problémom. . Po tretie, vzhľadom na skutočnosť, že všetky elektronické prvky integrovaného obvodu sú stovky a tisíckrát menšie ako ich náprotivky v bežnom kombinovanom obvode, ich spotreba energie je oveľa nižšia a ich rýchlosť je oveľa vyššia.

Kľúčovou udalosťou, ktorá predznamenala príchod integrácie do elektroniky, bol návrh amerického inžiniera J. Kilbyho z Texas Instruments získať ekvivalentné prvky pre celý obvod, ako sú registre, kondenzátory, tranzistory a diódy v monolitickom kuse čistého kremíka. Kilby vytvoril prvý integrovaný polovodičový obvod v lete 1958. A už v roku 1961 vyrobila spoločnosť Fairchild Semiconductor Corporation prvé sériové mikroobvody pre počítače: koincidenčný obvod, poloposunovací register a klopný obvod. V tom istom roku ovládol výrobu polovodičových integrovaných logických obvodov Texas.

Nasledujúci rok sa objavili integrované obvody od iných firiem. V krátkom čase vznikli rôzne typy zosilňovačov v integrovanom prevedení. V roku 1962 RCA vyvinula integrované obvody pamäťového poľa pre počítačové úložné zariadenia. Postupne sa vo všetkých krajinách etablovala výroba mikroobvodov – začala sa éra mikroelektroniky.

Východiskovým materiálom pre integrovaný obvod je zvyčajne surový kremíkový plátok. Má pomerne veľkú veľkosť, pretože sa na ňom súčasne vyrába niekoľko stoviek mikroobvodov rovnakého typu. Prvá operácia spočíva v tom, že pod vplyvom kyslíka pri teplote 1000 stupňov sa na povrchu tejto platne vytvorí vrstva oxidu kremičitého. Oxid kremičitý sa vyznačuje vysokou chemickou a mechanickou odolnosťou a má vlastnosti vynikajúceho dielektrika, ktoré poskytuje spoľahlivú izoláciu kremíku umiestnenému pod ním.

Ďalším krokom je zavedenie nečistôt na vytvorenie p alebo n vodivých zón. Za týmto účelom sa oxidový film odstráni z tých miest na doske, ktoré zodpovedajú jednotlivým elektronickým komponentom. Výber požadovaných oblastí prebieha pomocou procesu nazývaného fotolitografia. Najprv sa celá vrstva oxidu pokryje svetlocitlivou zlúčeninou (fotorezistom), ktorá plní úlohu fotografického filmu – dá sa nasvietiť a vyvolať. Potom sa doska cez špeciálnu fotomasku s povrchovým vzorom polovodičového kryštálu osvetlí ultrafialovými lúčmi.

Vplyvom svetla sa na vrstve oxidu vytvorí plochý vzor, ​​pričom neosvetlené oblasti zostávajú svetlé a všetko ostatné - stmavne. V mieste, kde bol fotorezistor vystavený svetlu, sa vytvoria nerozpustné oblasti filmu, ktoré sú odolné voči kyselinám. Doštička sa potom ošetrí rozpúšťadlom, ktoré odstráni fotorezist z exponovaných oblastí. Z otvorených miest (a iba z nich) sa vrstva oxidu kremičitého leptá kyselinou.

Vďaka tomu sa oxid kremičitý rozpúšťa na správnych miestach a otvárajú sa „okná“ čistého kremíka, pripravené na vnesenie nečistôt (ligácia). Aby sa to dosiahlo, povrch substrátu pri teplote 900-1200 stupňov je vystavený požadovanej nečistote, napríklad fosforu alebo arzénu, aby sa získala vodivosť typu n. Atómy nečistôt prenikajú hlboko do čistého kremíka, ale sú odpudzované jeho oxidom. Po spracovaní platne jedným typom nečistoty sa pripraví na ligáciu s iným typom - povrch platne je opäť pokrytý vrstvou oxidu, vykoná sa nová fotolitografia a leptanie, v dôsledku čoho sa objavia nové "okná" otvoreného kremíka.

Potom nasleduje nová ligácia, napríklad bórom, aby sa získala vodivosť typu p. Oblasti p a n sa teda vytvárajú na správnych miestach na celom povrchu kryštálu. Izolácia medzi jednotlivými prvkami môže byť vytvorená niekoľkými spôsobmi: ako taká izolácia môže slúžiť vrstva oxidu kremičitého alebo môžu byť vytvorené aj blokovacie p-n prechody na správnych miestach.

Ďalšia etapa spracovania je spojená s aplikáciou vodivých spojení (vodivých vedení) medzi prvkami integrovaného obvodu, ako aj medzi týmito prvkami a kontaktmi na pripojenie vonkajších obvodov. Na tento účel sa na substrát nanesie tenká vrstva hliníka, ktorá sa nanesie vo forme veľmi tenkého filmu. Je podrobený fotolitografickému spracovaniu a leptaniu, podobné tým, ktoré sú opísané vyššie. Výsledkom je, že z celej kovovej vrstvy ostanú len tenké vodivé čiary a podložky.

Nakoniec sa celý povrch polovodičového kryštálu pokryje ochrannou vrstvou (najčastejšie kremičitanovým sklom), ktorá sa následne z podložiek odstráni. Všetky vyrábané mikroobvody sú podrobené najprísnejším kontrolám na kontrolnom a skúšobnom stanovišti. Chybné obvody sú označené červenou bodkou. Nakoniec je kryštál rozrezaný na samostatné mikroobvodové platne, z ktorých každá je uzavretá v robustnom puzdre s vodičmi na pripojenie k externým obvodom.

Zložitosť integrovaného obvodu charakterizuje ukazovateľ nazývaný stupeň integrácie. Integrované obvody s viac ako 100 prvkami sa nazývajú mikroobvody s nízkym stupňom integrácie; obvody obsahujúce do 1000 prvkov - integrované obvody s priemerným stupňom integrácie; obvody obsahujúce až desaťtisíce prvkov – veľké integrované obvody. Už sa vyrábajú obvody obsahujúce až milión prvkov (nazývajú sa superveľké). Postupné zvyšovanie integrácie viedlo k tomu, že obvody sa každým rokom stávajú čoraz miniatúrnejšie, a teda čoraz zložitejšie.

Obrovské množstvo elektronických zariadení, ktoré mali kedysi veľké rozmery, sa teraz zmestí na malú kremíkovú doštičku. Mimoriadne dôležitou udalosťou na tejto ceste bolo v roku 1971 vytvorenie jediného integrovaného obvodu na vykonávanie aritmetických a logických operácií americkou firmou Intel - mikroprocesora. To viedlo k grandióznemu prelomu mikroelektroniky v oblasti výpočtovej techniky.

Čítaj a píš užitočné

Integrovaný obvod (IC) je mikroelektronický produkt, ktorý plní funkcie prevodu a spracovania signálov, ktorý sa vyznačuje hustým zložením prvkov tak, že všetky spojenia a spojenia medzi prvkami tvoria jeden celok.

Neoddeliteľnou súčasťou IO sú prvky, ktoré plnia úlohu elektrorádiových prvkov (tranzistory, rezistory a pod.) a nemožno ich vyčleniť ako samostatné produkty. Súčasne prvky IC, ktoré vykonávajú funkcie zosilnenia alebo inej konverzie signálu (diódy, tranzistory atď.), sa nazývajú aktívne a prvky, ktoré implementujú funkciu lineárneho prenosu (odpory, kondenzátory, indukčnosti), sa nazývajú pasívne.

Klasifikácia integrovaných obvodov:

Podľa spôsobu výroby:

Stupeň integrácie.

Stupeň integrácie IS je ukazovateľom zložitosti, charakterizovaný počtom prvkov a komponentov v ňom obsiahnutých. Stupeň integrácie je určený vzorcom

kde k je koeficient, ktorý určuje stupeň integrácie, zaokrúhlený nahor na najbližšie vyššie celé číslo a N je počet prvkov a komponentov zahrnutých v IS.

Nasledujúce pojmy sa často používajú na kvantifikáciu stupňa integrácie: ak k ? 1, IC sa nazýva jednoduchý IC, ak 1< k ? 2 - средней ИС (СИС), если 2 < k ? 4 - большой ИС (БИС), если k ?4 - сверхбольшой ИС (СБИС).

Okrem stupňa integrácie sa používa aj ďalší ukazovateľ, ako je hustota zloženia prvkov - počet prvkov (najčastejšie tranzistorov) na jednotku plochy kryštálu. Tento ukazovateľ charakterizuje najmä úroveň technológie, v súčasnosti je to viac ako 1000 prvkov/mm 2 .

Filmové integrované obvody- sú to integrované obvody, ktorých prvky sú vo forme filmu uložené na povrchu dielektrickej bázy. Ich zvláštnosťou je, že neexistujú v čistej forme. Slúžia len na výrobu pasívnych prvkov - rezistorov, kondenzátorov, vodičov, indukčností.

Ryža. jeden. Štruktúra filmového hybridného IC: 1, 2 - spodná a horná doska kondenzátora, 3 - dielektrická vrstva, 4 - drôtová spojovacia zbernica, 5 - viazaný tranzistor, 6 - filmový rezistor, 7 - kontaktný výstup, 8 - dielektrický substrát

Hybridné integrované obvody sú tenkovrstvové mikroobvody pozostávajúce z pasívnych prvkov (odpory, kondenzátory, podložky) a diskrétnych aktívnych prvkov (diódy, tranzistory). Hybridný integrovaný obvod znázornený na obr. 1 je dielektrický substrát s nanesenými filmovými kondenzátormi a odpormi a pripojeným väzobným tranzistorom, ktorého základňa je spojená s hornou doskou kondenzátora zbernicou vo forme veľmi tenkého drôtu.

V polovodičových integrovaných obvodoch všetky prvky a medziprvkové spojenia sú vytvorené v objeme a na povrchu polovodičového kryštálu. Polovodičové integrované obvody sú plochý polovodičový kryštál (substrát), v ktorého povrchovej vrstve sa rôznymi technologickými metódami vytvárajú lokálne plochy ekvivalentné prvkom elektrického obvodu (diódy, tranzistory, kondenzátory, odpory atď.), ktoré sú po povrchu spojené kovové filmové spoje (prepojenia).

Polovodičové IC substráty sú okrúhle platne z kremíka, germánia alebo arzenidu gália s priemerom 60 - 150 mm a hrúbkou 0,2 - 0,4 mm.

Polovodičový substrát je skupinový obrobok (obr. 2), na ktorom sa súčasne vyrába veľké množstvo integrovaných obvodov.

Ryža. 2. Skupinová silikónová doska: 1 - základný rez, 2 - jednotlivé kryštály (čipy)

Po dokončení hlavných technologických operácií sa rozreže na kúsky - kryštály 2, nazývané aj triesky. Rozmery strán kryštálov môžu byť od 3 do 10 mm. Základný rez 1 dosky slúži na jej orientáciu v rôznych technologických procesoch.

Štruktúry prvkov polovodičového integrovaného obvodu - tranzistora, diódy, odporu a kondenzátora, vyrobených vhodným dopovaním lokálnych úsekov polovodiča planárnou technológiou, sú znázornené na obr. 3, a-d. Planárna technológia sa vyznačuje tým, že všetky vývody IC prvkov sú na povrchu umiestnené v rovnakej rovine a sú súčasne zapojené do elektrického obvodu tenkovrstvovými prepojkami. Pri planárnej technológii sa uskutočňuje skupinové spracovanie, t.j. počas jedného technologického procesu sa získa veľké množstvo integrovaných obvodov na substrátoch, čo zabezpečuje vysokú vyrobiteľnosť a hospodárnosť a tiež umožňuje automatizáciu výroby.


Ryža. 3. Štruktúry prvkov polovodičového integrovaného obvodu: a - tranzistor, b - dióda, c - odpor, d - kondenzátor, 1 - tenkovrstvový kontakt, 2 - dielektrická vrstva, 3 - emitor; 4 - základňa, 5 - kolektor, 6 - katóda, 7 - anóda, 8 - izolačná vrstva; 9 - odporová vrstva, 10 - izolačná vrstva, 11 - doska, 12, 14 - horná a spodná elektróda kondenzátora, 13 - dielektrická vrstva

V kombinovaných integrovaných obvodoch(obr. 4), ktoré sú variantom polovodičových, polovodičové a tenkovrstvové prvky vznikajú na kremíkovej podložke. Výhodou týchto schém je, že je technologicky náročné vyrobiť odpory daného odporu v pevnom skupenstve, pretože to závisí nielen od hrúbky dotovanej polovodičovej vrstvy, ale aj od rozloženia odporu po hrúbke. Jemné doladenie odporu na nominálnu hodnotu po výrobe odporu tiež predstavuje značné ťažkosti. Polovodičové rezistory majú výraznú teplotnú závislosť, čo komplikuje návrh integrovaného obvodu.


Ryža. 4. Kombinovaná štruktúra IC: 1 - film oxidu kremičitého, 2 - dióda, 3 - filmové zapojenia v obvode, 4 - tenkovrstvový rezistor, 5, 6, 7 - horná a spodná elektróda tenkovrstvového kondenzátora a dielektrika, 8 - tenkovrstvové kontakty, 9 - tranzistor, 10 - kremíkový plátok.

Okrem toho je tiež veľmi ťažké vytvoriť kondenzátory v pevnom stave. S cieľom rozšíriť hodnoty odporu rezistorov a kapacít polovodičových IC kondenzátorov, ako aj zlepšiť ich výkon, bola vyvinutá kombinovaná technológia založená na technológii tenkých vrstiev, nazývaná technológia kombinovaných obvodov. V tomto prípade sa aktívne prvky integrovaného obvodu (možné sú aj niektoré odpory, ktoré nie sú kritické z hľadiska nominálneho odporu) vyrábajú v tele kremíkového kryštálu difúznou metódou a potom sa pasívne prvky vytvárajú vákuovým nanášaním fólie (ako vo filmových integrovaných obvodoch) - odpory, kondenzátory a prepojenia.

Základňa prvkov elektroniky sa vyvíja neustále rastúcim tempom. Každá generácia, ktorá sa objavila v určitom časovom bode, sa naďalej zlepšuje v najoprávnenejších smeroch. Vývoj elektronických produktov z generácie na generáciu ide smerom k ich funkčnej komplikácii, zvyšovaniu spoľahlivosti a životnosti, znižovaniu celkových rozmerov, hmotnosti, nákladov a spotreby energie, zjednodušovaniu techniky a zlepšovaniu parametrov elektronických zariadení.

Formovanie mikroelektroniky ako samostatnej vedy bolo možné vďaka využitiu bohatých skúseností a základu priemyslu, ktorý vyrába diskrétne polovodičové súčiastky. S vývojom polovodičovej elektroniky sa však ukázali vážne obmedzenia používania elektronických javov a systémov na nich založených. Preto mikroelektronika naďalej napreduje rýchlym tempom tak v smere zlepšovania polovodičovej integrovanej technológie, ako aj v smere využívania nových fyzikálnych javov. elektronický integrovaný obvod

Produkty mikroelektroniky: integrované obvody rôzneho stupňa integrácie, mikrozostavy, mikroprocesory, mini- a mikropočítače - umožnili navrhnúť a priemyselne vyrobiť funkčne zložité rádiové a výpočtové zariadenia, ktoré sa od zariadení predchádzajúcich generácií líšia lepšími parametrami, vyš. spoľahlivosť a životnosť, kratšia spotreba energie a náklady. Zariadenia založené na mikroelektronických produktoch sú široko používané vo všetkých sférach ľudskej činnosti.

Mikroelektronika prispieva k vytvoreniu automatických konštrukčných systémov, priemyselných robotov, automatizovaných a automatických výrobných liniek, komunikácií a mnohých ďalších.

Prvý krok

Vynález žiarovky v roku 1809 ruským inžinierom Ladyginom patrí do prvej etapy.

Objav v roku 1874 nemeckým vedcom Braunom o rektifikačnom efekte v kontakte kov-polovodič. Použitie tohto efektu ruským vynálezcom Popovom na detekciu rádiového signálu mu umožnilo vytvoriť prvý rádiový prijímač. Za dátum vynálezu rádia sa považuje 7. máj 1895, kedy Popov vystúpil s prezentáciou a demonštráciou na stretnutí Fyzikálneho oddelenia Ruskej fyzikálnej a chemickej spoločnosti v Petrohrade. Rôzne krajiny vyvíjali a skúmali rôzne typy jednoduchých a spoľahlivých detektorov vysokofrekvenčných kmitov - detektorov.

Druhá fáza

Druhá etapa vývoja elektroniky začala v roku 1904, keď anglický vedec Fleming navrhol elektrovákuovú diódu. Po ňom nasledoval vynález prvej zosilňovacej elektrónky, triódy, v roku 1907.

1913 - 1919 - obdobie prudkého rozvoja elektronickej techniky. V roku 1913 vyvinul nemecký inžinier Meissner obvod pre elektrónkový regeneračný prijímač a pomocou triódy získal netlmené harmonické kmity.

V Rusku prvé rádiové elektrónky vyrobil v roku 1914 v Petrohrade Nikolaj Dmitrievič Papaleksi, konzultant Ruskej spoločnosti pre bezdrôtovú telegrafiu, budúci akademik Akadémie vied ZSSR.

Tretia etapa

Tretím obdobím vo vývoji elektroniky je obdobie vzniku a implementácie diskrétnych polovodičových súčiastok, ktoré sa začalo vynálezom bodového tranzistora. V roku 1946 bola v Bell Telephone Laboratory vytvorená skupina vedená Williamom Shockleym, ktorá robila výskum vlastností polovodičov v kremíku a Nemecku. Skupina uskutočnila teoretické aj experimentálne štúdie fyzikálnych procesov na rozhraní dvoch polovodičov s rôznymi typmi elektrickej vodivosti. V dôsledku toho boli vynájdené trojelektródové polovodičové zariadenia - tranzistory. V závislosti od počtu nosičov náboja sa tranzistory delia na:

  • - unipolárny (poľný), kde sa používali unipolárne nosiče.
  • - bipolárny, kde sa používali bipolárne nosiče (elektróny a otvory).

Vynález tranzistora bol míľnikom v histórii elektroniky, a preto jeho autori John Bardeen, Walter Brattain a William Shockley získali v roku 1956 Nobelovu cenu za fyziku.

Nástup mikroelektroniky

S príchodom bipolárnych tranzistorov s efektom poľa sa začali stelesňovať nápady na vývoj malých počítačov. Na ich základe začali vytvárať palubné elektronické systémy pre letectvo a vesmírnu techniku. Keďže tieto zariadenia obsahovali tisíce jednotlivých elektrických rádiových prvkov a neustále ich bolo potrebné zvyšovať a zvyšovať, nastali technické ťažkosti. S nárastom počtu prvkov elektronických systémov bolo prakticky nemožné zabezpečiť ich prevádzkyschopnosť ihneď po montáži a zabezpečiť v budúcnosti spoľahlivosť systémov. Problém kvality montážnych prác sa stal hlavným problémom výrobcov pri zabezpečovaní prevádzkyschopnosti a spoľahlivosti rádiových elektronických zariadení. Vyriešenie problému prepojení bolo predpokladom pre vznik mikroelektroniky. Prototypom budúcich mikroobvodov bola doska plošných spojov, v ktorej sú všetky jednotlivé vodiče spojené do jedného celku a sú vyrábané súčasne skupinovou metódou leptaním medenej fólie rovinou fóliového dielektrika. Jediným typom integrácie sú v tomto prípade vodiče. Použitie dosiek plošných spojov síce nerieši problém miniaturizácie, rieši však problém zvyšovania spoľahlivosti prepojení. Technológia výroby dosiek plošných spojov neumožňuje súčasne vyrábať iné pasívne prvky okrem vodičov. To je dôvod, prečo sa dosky plošných spojov nezmenili na integrované obvody v modernom zmysle. Ako prvé boli koncom 40. rokov vyvinuté hrubovrstvové hybridné obvody, ktorých výroba bola založená na už osvedčenej technológii výroby keramických kondenzátorov metódou nanášania pást s obsahom striebra a skleneného prášku na keramický substrát cez šablóny.

Tenkovrstvová technológia výroby integrovaných obvodov zahŕňa nanášanie vo vákuu na hladký povrch dielektrických substrátov tenkých vrstiev rôznych materiálov (vodivé, dielektrické, odporové).

Štvrtá etapa

V roku 1960 Robert Noyce z Fairchildu navrhol a patentoval myšlienku monolitického integrovaného obvodu a pomocou planárnej technológie vyrobil prvé kremíkové monolitické integrované obvody.

Rodinu monolitických tranzistorovo-tranzistorových logických prvkov so štyrmi alebo viacerými bipolárnymi tranzistormi na jedinom kremíkovom kryštáli vydal Fairchild vo februári 1960 a nazýval sa „micrologic“. Planárna technológia Horney a monolitická technológia Noyce položili základ pre vývoj integrovaných obvodov v roku 1960, najskôr na bipolárnych tranzistoroch a potom v rokoch 1965-85. na tranzistoroch s efektom poľa a kombináciách oboch.

Dve direktívne rozhodnutia prijaté v rokoch 1961-1962. ovplyvnil vývoj výroby kremíkových tranzistorov a integrovaných obvodov. Rozhodnutie IBM (New York) vyvinúť pre perspektívny počítač nie feromagnetické pamäťové zariadenia, ale elektronické pamäťové zariadenia (pamäťové zariadenia) založené na n-kanálových tranzistoroch s efektom poľa (metal-oxide-semiconductor - MOS). Výsledkom úspešnej implementácie tohto plánu bolo vydanie v roku 1973. sálový počítač s pamäťou MOS - IBM-370/158. Direktívne riešenia Fairchildu zabezpečujú rozšírenie práce vo výskumnom laboratóriu polovodičov na štúdium kremíkových zariadení a materiálov pre ne.

Medzitým v júli 1968 Gordon Moore a Robert Noyce opustili polovodičovú divíziu Fairchildu a 28. júna 1968 zorganizovali malú spoločnosť s názvom Intel zloženú z dvanástich ľudí, ktorí si prenajali izbu v kalifornskom meste Mountain View. Výzvou, ktorú stanovili Moore, Noyce a kolega chemický inžinier Andrew Grove, bolo využiť obrovský potenciál integrácie veľkého množstva elektronických komponentov na jeden polovodičový čip na vytvorenie nových typov elektronických zariadení.

V roku 1997 sa Andrew Grove stal „mužom roka“ a jeho spoločnosť Intel, ktorá sa stala jedným z lídrov v kalifornskom Silicon Valley, začala vyrábať mikroprocesory pre 90 % všetkých osobných počítačov na planéte. Vzhľad integrovaných obvodov zohral rozhodujúcu úlohu vo vývoji elektroniky a znamenal začiatok novej etapy v mikroelektronike. Mikroelektronika štvrtého obdobia sa nazýva schematická, pretože v zložení hlavných základných prvkov možno rozlíšiť prvky ekvivalentné diskrétnym elektrorádiovým prvkom a každý integrovaný mikroobvod zodpovedá určitej schéme zapojenia, ako v prípade elektronických komponentov zariadení predchádzajúcich generácií. .

Integrované mikroobvody sa začali nazývať mikroelektronické zariadenia, považované za jeden výrobok s vysokou hustotou usporiadania prvkov ekvivalentných prvkom bežného obvodu. Komplikácia funkcií vykonávaných mikroobvodmi sa dosiahne zvýšením stupňa integrácie.

Skutočná elektronika

V súčasnosti sa mikroelektronika posúva na kvalitatívne novú úroveň – nanoelektroniku.

Nanoelektronika je primárne založená na výsledkoch fundamentálnych štúdií atómových procesov v nízkorozmerných polovodičových štruktúrach. Kvantové bodky alebo nulové dimenzionálne systémy sú extrémnym prípadom redukovaných dimenzionálnych systémov, ktoré pozostávajú z radu atómových zhlukov alebo ostrovov veľkosti nanometrov v polovodičovej matrici, ktoré vykazujú samoorganizáciu v epitaxných heteroštruktúrach.

Jednou z možných prác súvisiacich s nanoelektronikou je vytváranie materiálov a prvkov infračervenej technológie. Sú žiadané priemyselnými podnikmi a sú základom pre vytvorenie v blízkej budúcnosti „umelých“ (technických) systémov videnia s rozšíreným, v porovnaní s biologickým videním, spektrálnym rozsahom v ultrafialovej a infračervenej oblasti spektra. Systémy technického videnia a fotonické komponenty založené na nanoštruktúrach, schopné prijímať a spracovávať obrovské množstvo informácií, sa stanú základom zásadne nových telekomunikačných zariadení, systémov na monitorovanie životného prostredia a vesmíru, tepelné zobrazovanie, nanodiagnostiku, robotiku, vysoko presné zbrane, prostriedky v boji proti terorizmu atď. Využitím polovodičových nanoštruktúr sa výrazne zmenší rozmery pozorovacích a záznamových zariadení, zníži sa spotreba energie, zlepšia sa nákladové charakteristiky a v blízkej budúcnosti bude možné využiť výhody sériovej výroby v mikro- a nanoelektronike.

Načítava...Načítava...