4. Приборы функционального назначения

   1. Интегральные микросхемы

Построение электронной аппаратуры на основе дискретных компонентов — транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т.д. не удовлетворяет возросшим к ней требованиям. Большое количество компонентов, разветвленность межэлементных соединений, множество паек, низкая плотность монтажа, высокая трудоемкость изготовления и стоимость, большие габариты и масса, низкая надежность аппаратуры уже не приемлемы.

Создание новых электронных устройств с большим количеством элементов стало возможным благодаря развитию микроэлектроники.

Микроэлектроника — это современное научно-техническое направление, охватывающее конструирование, изготовление и применение микроминиатюрных электронных узлов и устройств, обладающих высокой надежностью, большим быстродействием, малым потреблением энергии и низкой стоимостью.

Основа микроэлектроники — интеграция элементов, т.е. их объединение в процессе изготовления в одном миниатюрном компоненте. Полученный в результате такого объединения компонент (прибор) называется интегральной микросхемой. (ИМС).

По конструктивно-технологическим признакам интегральные микросхемы делятся на полупроводниковые, пленочные и гибридные.

Под полупроводниковыми, к которым относится большинство ИМС, понимают интегральные микросхемы, все элементы которых выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой пластинки (подложки). Технология производства полупроводниковых ИМС преимущественно планарная и основана на легировании (обогащении) участков полупроводниковой пластинки через маску, формируемую с помощью фотолитографии (или электронно-лучевой литографии, при засветке пластинки электронным лучом). Размеры элементов при фотолитографии не менее 2 мкм, при электронно-лучевой — до 0,1 мкм. Обогащение примесями осуществляется рассмотренными выше методами диффузии, ионного легирования или эпитаксии (наращивания кристалла полупроводника с контролируемой проводимостью).

Транзисторы — основные активные элементы полупроводниковых ИМС. В ИМС используются биполярные и МДП — транзисторы. Из биполярных применяют n-p-n-структуры так как их быстродействие и коэффициент передачи тока больше, чем у транзисторов p-n-p. Широко используются многоэмиттерные и много коллекторные транзисторы (рис. 2.47), применяемые в логических элементах и не имеющие аналогов в дискретном исполнении.

Рис. 2.47. Многоэмиттерный биполярный транзистор

В качестве диодов используют транзисторы в диодном включении, когда база замкнута на коллектор или эмиттер. При этом диоды на основе эмиттерного перехода имеют больше быстродействие и меньше тепловой ток, а диоды на основе коллекторного перехода — большее обратное напряжение.

Роль конденсаторов в полупроводниковых ИМС выполняют обратносмещенные эмиттерный или коллекторный p-n-переходы, обладающие барьерной емкостью.

Резисторы реализуются обычно на основе p-n-переходов, включенных в обратной полярности или объема полупроводника между двумя слоями с другим типом проводимости.

Наиболее сложно в полупроводниковых ИМС реализуются индуктивности. Обычно для этого имитируется эффект отставания тока от напряжения, например, за счет замедленного движения носителей заряда в некоторой области полупроводника.

Фрагмент структуры ИМС с транзистором, конденсатором и резистором показан на рис. 2.48. Штриховкой отмечена внешняя защитная изолирующая пленка двуокиси кремния SiO₂.

Рис. 2.48. Элементы интегральной микросхемы

Для внутренней изоляции элементов в биполярных ИМС используется обратносмещенный p-n-переход, образующийся вокруг каждого элемента при подаче на подложку p-типа самого низкого для данной схемы потенциала.

Соединяя элементы ИМС, в них реализуют схемы устройств, выполняющие те же функции, что и схемы на дискретных элементах (рис. 2.49)

2.49. Соединение элементов ИМС

В полупроводниковых МДП (МОП) – микросхемах применяются, в основном, полевые транзисторы с индуцированным каналом. В таких ИМС могут использоваться более высокие, чем в биполярных, напряжения, так как напряжение пробоя участка сток-затвор выше, чем у коллекторного перехода биполярных транзисторов. При соответствующем включении МДП-транзистор может использоваться и как резистор, что позволяет создавать ИМС только из МДП-структур. Изготовление ИМС на МДП-транзисторах проще чем на биполярных и площадь, занимаемая транзистором МДП, в десятки раз меньше, что, в сочетании с малым энергопотреблением, позволяет создавать микросхемы с большим количеством элементов на кристалле. Существуют технологии, позволяющие создавать в интегральных микросхемах комплементарные МДП-транзисторы (транзисторы, имеющие одинаковые характеристики, но разные типы проводимости) с каналами n- и p–типа в одной схеме.

По интегральным технологиям изготавливаются также мощные и сверхмощные биполярные и полевые транзисторы, способные переключать токи в тысячи ампер при напряжениях в несколько тысяч вольт. Такой результат достигается, например, в многоканальном МДП —транзисторе с одним общим стоком (рис. 2.50) при параллельном включении истоков и затворов. Мощные транзисторы успешно конкурируют с тиристорами в схемах коммутации.

Рис. 2.50. Многоканальный полевой транзистор

Благодаря малым расстояниям между элементами в полупроводниковых ИМС, их структуры однородны, а параметры идентичны и одинаково зависят от внешних условий. Поэтому в ИМС можно исключить влияние внешних воздействий, например, температуры, включая одинаковые компоненты в схему так, чтобы изменения, вызываемые этими воздействиями, взаимно компенсировались.

В пленочных ИМС пассивные компоненты — проводники, резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности наносятся на поверхность диэлектрической пластинки. Эта структура является основой для гибридных ИМС, в которых к ней присоединяются полупроводниковые компоненты. Гибридные ИМС применяются обычно при создании малосерийной специальной аппаратуры. Изготавливаются также ИМС, в которых активные элементы находятся в приповерхностном слое полупроводника, а пассивные элементы наносятся на его поверхность. Такие ИМС называют совмещенными.

ИМС классифицируют и по признаку количества входящих в их состав элементов —степени интеграции. Степень интеграции элементов в ИМС определяется выражением , где N — число неразъемных элементов в ИМС, а квадратные скобки означают округление до ближайшего большего целого числа. В современных сверхбольших интегральных схемах (СБИС) степень интеграции достигает 6 и более.

По виду протекающих в них электрических процессов и области применения ИМС делятся на аналоговые, обозначаемые на схемах буквами DA и цифровые — DD. Общее условное графическое обозначение интегральной микросхемы приведено на рис. 2.51.

Рис. 2.51. Условное графическое изображение интегральной микросхемы

В верхней части основного поля УГО — поля функции, указывается функциональное назначение элемента (ххххх) в виде стандартного обозначения его функции. При необходимости условное графическое обозначение ИМС может содержать дополнительные поля меток (хх), которые содержат информацию о функциональных назначениях выводов микросхемы.

Помимо меток на линии контура или на линии вывода с внешней стороны около линии контура УГО проставляются указатели типа входа (х) — инверсный, динамический, указатель полярности и т.д. Обозначения функции, меток и указателей на УГО ИМС приводятся в действующем комплексе стандартов Единой системы конструкторской документации (ЕСКД).

Выводы ИМС делятся на входы, выходы и двунаправленные выводы. Входы изображают слева, выходы — справа, двунаправленные выводы — с любой стороны. При необходимости можно поворачивать УГО ИМС на угол 90°по часовой стрелке, т.е. располагать входы сверху, а выходы снизу.

Для защиты от внешних воздействий ИМС помещаются в металлические, пластмассовые или керамические корпуса.