Интегральные схемы

Интегральную схему или сборку можно получить либо в пластине твердого материала, либо на ее поверхности. В первом случае в теле полупроводникового материала создают слои резисторов, структуры транзисторов, диодов и конденсаторов, несущие заданные электронные функции. Такие ИС называются полупроводниковыми. На рис. 1.5.1 показаны электрическая схема и профиль структуры полупроводниковой ИС.

а) б)

Рис.1.5.1. Электрическая схема а) и профиль структуры б) полупроводниковой ИС (выводы диода –1, резистора –2, транзистора – 3,4,

конденсатора – 5).

Во втором случае все элементы интегральной схемы (кроме активных) наносят на диэлектрическую пластину (подложку) в виде поликристаллических или аморфных слоев (пленок), выпол­няющих заданные функции пассивных элементов. Полученную ИС при необходимости помещают в корпус с внешними выводами. Активные элементы (диоды и транзисторы) «навешивают» на пле­ночную схему, в результате чего получают смешанную (пленочно-дискретную) ИС, которую называют гибридной. Электрическая схема и профиль структуры гибридной ИС показаны на рис. 1.5.2. Гибридная ИС (ГИС) - это гибкий, дешевый, оперативно проектируемый тип ИС, хорошо приспособленный к решению специальных частных задач. Спецификой ГИС могут быть либо высокие номиналы резисторов и конденсаторов, недостижимые в полупроводниковых ИС, либо прецизионность резисторов, обусловленных тем, что их номиналы можно подгонять до завершения технологического цикла и помещения ГИС в корпус, либо повышенная функциональная сложность.

Рис. 1.5.2. Электрическая схема а) и профиль структуры б) гибридной ИС: 1-нижняя обкладка конденсатора, 2-верхняя обкладка конденсатора, 3-слой диэлектрика, 4-седенительная шина, 5-транзистор с контактами, 6-резистор с контактами, 7-контактная площадка, 8-диэлектрическая площадка.

Однако наиболее распространены на практике и перспективны полупроводниковые ИС, так как они позволяют создавать надежные и достаточно сложные в функциональном отношении электронные устройства малых размеров при незначительной их стоимости.

Характерной особенностью полупроводниковой ИС является отсутствие среди ее элементов катушки индуктивности и тем более трансформатора. Это объясняется тем, что до сих пор не удалось использовать в твердом теле какие-либо физические явления, эквивалентные электромагнитной индукции. Поэтому при разработке ИС стараются реализовать необходимую функцию без использования индуктивностей или применяют навесные индуктивные элементы. В качестве резисторов и конденсаторов в полупроводниковых ИС используют соответственно сопротивление и зарядную емкость p-n-перехода, что позволяет обеспечить единый технологический цикл изготовления структур транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов при производстве полупроводниковых ИС (см. рис. 1.5.1,6).

В настоящее время различают два класса полупроводниковых ИС: биполярные ИС и МДП-ИС. Основной элемент биполярных ИС – n-p-n-транзистор, а МДП-ИС – МДП-транзистор с индуцированным каналом. Все остальные элементы схемы (диоды, резисторы и конденсаторы) изготовляют на базе основного эле­мента и одновременно с ним.

Функциональную сложность ИС принято характеризовать сте­пенью интеграции, т.е. числом элементов (чаще всего транзисто­ров), входящих в состав интегральной схемы. Для количественной оценки степени интеграции используют условный коэффициент , где - число элементов, входящих в ИС. Если (т.е. ), ИС называют простой; - средней ИС (СИС); - большой ИС (БИС); (т. е. ) - сверхбольшой ИС (СБИС).

Приведенное деление ИС в зависимости от степени интеграции является приближенным и может корректироваться в зависимости от типа ИС и применяемого к ней класса транзисторов, как это показано в табл. 1.5.1 для полупроводниковых ИС. Из приведенной таблицы видно, что применение цифровых методов обработки информации способствует более эффективному решению вопроса микроминиатюризации. электронных средств. Однако применение цифровых методов не всегда возможно.

Так, при разработке конкретного электронного устройства к последнему могут предъявляться требования, выполнение которых методами цифровой электроники будет нёоптимальным, например, с точки зрения стоимости или других показателей, или вообще недостижимыми. В первую очередь это касается требуемого бы­стродействия и точности ЭУ. Поэтому поиск оптимального реше­ния должен базироваться на использовании всего набора имеющихся ЭУ, а именно устройств аналоговой, импульсной и цифровой электроники.

Табл.2

Классификация ИС по степени интеграции в зависимости от типа Иси применяемого класса транзисторов

В заключение следует отметить, что применение ИС вместо дискретных элементов в качестве элементной базы электронных устройств дает значительные преимущества по надежности, габаритам, стоимости и другим показателям. Это связано с тем, что ж использовании ИС отпадает необходимость в многочисленных паяных соединениях - основном факторе снижения надежности, резко сокращаются габариты и масса электронных устройств (благодаря отсутствию корпусов и внешних выводов у каждого элемента ИС), существенно снижается их стоимость за счет исключения множества сборочных и монтажных операций.