1.5 Інтегральні мікросхеми

1.5.1 Тенденції розвитку, основні визначення у мікроелектроніці та класифікація мікросхем. Процес розвитку електронної апаратури супроводжується постійним її ускладненням та відповідним збільшенням кількості дискретних елементів (транзисторів, діодів, ємностей, резисторів) з одночасним підвищенням вимог до якості апаратури, тобто до зменшення її маси, габаритних розмірів, зменшення енергоспоживання та підвищення надійності. При цьому виникає протиріччя, яке полягає у тому, що збільшення кількості дискретних елементів підвищує ймовірність виходу якого-небудь елементу із ладу, тобто знижує надійність апаратури, окрім того збільшуються габаритні розміри, маса та споживана потужність.

Це протиріччя можна подолати шляхом удосконалення елементної бази, конструкції та технології виробництва апаратури. Цей шлях розвитку електронної техніки привів до створення мікроелектроніки.

Мікроелектроніка — це напрямок електронної техніки, який охоплює проблеми та задачі розробки, проектування, виготовлення і використання мікроелектронних пристроїв. До мікроелектронних пристроїв відносяться і інтегральні мікросхеми.

Інтегральна мікросхема — це пристрій з високою щільністю упаковування електронно пов'язаних елементів, який виконує певну функцію обробки і перетворення електричних сигналів. Такий пристрій, з точки зору конструктивно-технологічних та експлуатаційних вимог, розглядається як єдине ціле.

Елемент інтегральної мікросхеми є її частиною, виконаною невіддільно від кристала чи підкладинки. Ця частина з точки зору експлуатаційних вимог та вимог до випробувань, упаковування і поставки, не може розглядатись як самостійний виріб.

На відміну від елементу компонент є частиною інтегральної схеми, яку можна виділити як самостійний комплектувальний виріб (наприклад, безкорпусний транзистор в гібридній інтегральній мікросхемі).

В залежності від технології виготовлення інтегральні мікросхеми поділяються на напівпровідникові, плівкові та мікрозборки. Плівкові інтегральні схеми підрозділяються у свою чергу на тонкоплівкові та товстоплівкові і, як правило, мають у своєму складі як елементи, так і компоненти і називаються у цьому випадку гібридними інтегральними схемами.

Напівпровідниковою інтегральною схемою називається інтегральна схема, у якої всі активні і пасивні елементи та їх з'єднання виконані у вигляді нероз'ємно пов'язаних p-n переходів в одному вихідному напівпровідниковому кристалі.

Напівпровідниковий кристал, в об'ємі та на поверхні якого за допомогою планарної технології формуються елементи мікросхеми та контактні площадки, виконує, таким чином, активну роль.

Гібридною інтегральною схемою називається інтегральна схема, яка вміщує у собі діелектричну основу (підкладинку), усі пасивні елементи на поверхні якої виконуються у вигляді одношарових або багатошарових плівкових структур, з'єднаних нерозривними плівковими провідниками, а напівпровідникові прилади, у тому числі інтегральні мікросхеми та інші компоненти (мініатюрні керамічні конденсатори, індуктивності), розміщені на підкладинці у вигляді дискретних навісних деталей.

Транзистори та інші напівпровідникові прилади у плівковому виконанні не знайшли використання, тому що отримання у виробничих умовах монокристалічних тонких плівок напівпровідника із задовільною структурою є дуже складною задачею.

На практиці поширене застосування знайшли інтегральні схеми, виготовлені із застосуванням як напівпровідникової, так і плівкової технологій. Оскільки кожен із згаданих способів виготовлення інтегральних схем має свої переваги, то обидва вони взаємно доповнюють один одного. Наприклад, безкорпусні напівпровідникові інтегральні схеми в багатьох випадках є компонентами гібридних інтегральних схем, що особливо характерно для мікрозборок.

Мікрозборка, на віміну від напівпровідникових та гібридних інтегральних схем, виконує ту чи іншу більш складну функцію і складається із необхідного для цього поєднання елементів, компонентів та інтегральних схем.

Кількісна оцінка рівня розвитку інтегральної техніки здійснюється за допомогою показника, який має назву рівень інтеграції. Він є сумарною кількістю елементів N, що входять до інтегральної схеми. Десятковий логарифм від рівня інтеграції N, округлений до найближчого цілого числа

,

характеризує ступінь складності інтегральної схеми і називається ступенем інтеграції інтегральної схеми. При цьому інтегральні схеми з N<10 є схемами 1-шого ступеня інтеграції, з N від 11 до 100 —другого ступеня, з N від 101 до 1000 — третього ступеня, з N від 1001 до 10000 — четвертого ступеню, з N від 10001 до 100000 — п'ятого ступеня інтеграції.

Складні інтегральні схеми з високим ступенем інтеграції (3..5) складають окрему групу великих інтегральних мікросхем.

За характером виконуваних функцій інтегральні мікросхеми поділяються на дві категорії — аналогові та цифрові. Аналогова інтегральна мікросхема виконує функції перетворення та обробки сигналів, які змінюються за законом неперервної функції. Такі інтегральні схеми використовуються в якості підсилювачів, генераторів гармонічних сигналів, фільтрів, детекторів тощо.

Цифрова інтегральна мікросхема призначена для перетворення та обробки електричних сигналів, які змінюються за законом дискретної функції (двійкового або іншого цифрового коду). Варіантом терміна "цифрова інтегральна мікросхема" є термін "логічна інтегральна мікросхема".

Аналогові та цифрові інтегральні мікросхеми розробляються та виготовляються у вигляді серії. Серія інтегральних мікросхем — це сукупність інтегральних мікросхем, які виконують різноманітні функції, але мають єдине конструктивно-технологічне виконання та призначені для сумісного використання в електронній апаратурі.