Historia wynalazku układu scalonego

Pierwszy krzemowy obwód logiczny został wynaleziony 52 lata temu i zawierał tylko jeden tranzystor. Jeden z założycieli Fairchild Semiconductor, Robert Noyce, wynalazł w 1959 roku urządzenie, które później stało się znane jako układ scalony, mikroukład lub mikrochip. A prawie sześć miesięcy wcześniej podobne urządzenie wynalazł inżynier z Texas Instruments, Jack Kilby. Można powiedzieć, że ci ludzie zostali wynalazcami mikroukładu.

Układ scalony to układ powiązanych strukturalnie elementów połączonych ze sobą przewodnikami elektrycznymi. Układ scalony odnosi się również do kryształu zawierającego obwód elektroniczny. Jeśli układ scalony jest zamknięty w obudowie, to jest to już mikroukład.

Pierwszy działający układ scalony został wprowadzony przez Kilby'ego 12 września 1958 roku. Wykorzystywał on opracowaną przez niego koncepcję opartą na zasadzie izolacji złącza p-n elementów obwodu, wynalezioną przez Kurta Lehoveca.

Wygląd nowego produktu był trochę przerażający, ale Kilby nie miał pojęcia, że ​​pokazane przez niego urządzenie położy podwaliny pod całą technologię informatyczną, w przeciwnym razie jego zdaniem upiększyłby ten prototyp.

Ale w tamtym momencie nie piękno było ważne, ale praktyczność. Wszystkie elementy układu elektronicznego – rezystory, tranzystory, kondensatory i inne – umieszczono na osobnych płytkach. Tak było, dopóki nie pojawił się pomysł wykonania całego obwodu na jednym monolitycznym krysztale materiału półprzewodnikowego.

Pierwszym układem scalonym Kilby'ego był mały pasek germanu o wymiarach 11 x 1,5 mm z jednym tranzystorem, kilkoma rezystorami i kondensatorem. Mimo swojej prymitywności obwód ten spełnił swoje zadanie - wyświetlał na ekranie oscyloskopu przebieg sinusoidalny.

6 lutego 1959 roku Jack Kilby złożył patent na nowe urządzenie, które opisał jako przedmiot wykonany z materiału półprzewodnikowego z całkowicie zintegrowanymi elementami układu elektronicznego. Jego wkład w wynalezienie mikroukładu został doceniony przyznaniem mu Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2000 roku.

Pomysł Roberta Noyce'a był w stanie rozwiązać kilka praktycznych problemów, którym intelekt Kilby'ego stawiał czoła. Zasugerował użycie krzemu do mikroukładów zamiast germanu, zaproponowanego przez Jacka Kilby'ego.

Patenty otrzymali wynalazcy w tym samym roku 1959. Rywalizacja, która rozpoczęła się pomiędzy TI a Fairchild Semiconductor, zakończyła się traktatem pokojowym. Na wzajemnie korzystnych warunkach stworzyli licencję na produkcję chipów. Ale krzem nadal był wybierany jako materiał na mikroukłady.

Produkcja układów scalonych rozpoczęła się w Fairchild Semiconductor w 1961 roku. Od razu zajęli swoją niszę w branży elektronicznej. Dzięki ich zastosowaniu w tworzeniu kalkulatorów i komputerów jako oddzielnych tranzystorów możliwe było uczynienie urządzeń komputerowych bardziej kompaktowymi, przy jednoczesnym zwiększeniu ich wydajności, znacznie upraszczając naprawę komputerów.

Można powiedzieć, że od tego momentu rozpoczęła się era miniaturyzacji, która trwa do dziś. Jednocześnie prawo sformułowane przez kolegę Noyce’a, Gordona Moore’a, jest bezwzględnie przestrzegane. Przewidział, że liczba tranzystorów w układach scalonych będzie się podwajać co 2 lata.

Po opuszczeniu Fairchild Semiconductor w 1968 roku Moore i Noyce utworzyli nową firmę – Intel. Ale to zupełnie inna historia...

Teraz nawet mniej zaawansowane telefony komórkowe nie mogą obejść się bez mikroprocesora, nie mówiąc już o tabletach, laptopach i komputerach stacjonarnych. Czym jest mikroprocesor i jak rozwinęła się historia jego powstania? Mówiąc prostym językiem, mikroprocesor jest bardziej złożonym i wielofunkcyjnym układem scalonym.

Rozpoczyna się historia mikroukładu (układu scalonego). od 1958 roku, kiedy pracownik amerykańskiej firmy Texas Instruments, Jack Kilby, wynalazł pewne urządzenie półprzewodnikowe zawierające kilka tranzystorów w jednej obudowie, połączonych przewodnikami. Pierwszy mikroukład - przodek mikroprocesora - zawierał tylko 6 tranzystorów i był cienką płytką germanu z nałożonymi na nią ścieżkami ze złota, a wszystko to znajdowało się na szklanym podłożu. Dla porównania, dziś istnieją jednostki, a nawet dziesiątki milionów elementów półprzewodnikowych.

Do roku 1970 sporo producentów zajmowało się opracowywaniem i tworzeniem układów scalonych o różnych pojemnościach i różnych obszarach funkcjonalnych. Ale ten rok można uznać za datę narodzin pierwszego mikroprocesora. To właśnie w tym roku Intel stworzył układ pamięci o pojemności zaledwie 1 Kbit – znikomej dla współczesnych procesorów, ale niewiarygodnie dużej jak na tamte czasy. Na tamte czasy było to ogromne osiągnięcie – chip pamięci był w stanie przechować do 128 bajtów informacji – znacznie więcej niż podobne analogi. Ponadto mniej więcej w tym samym czasie japoński producent kalkulatorów Busicom zamówił te same mikroukłady Intel 12 o różnych obszarach funkcjonalnych. Specjalistom Intela udało się zaimplementować wszystkie 12 obszarów funkcjonalnych w jednym chipie. Co więcej, utworzony mikroukład okazał się wielofunkcyjny, ponieważ umożliwił programową zmianę jego funkcji bez zmiany struktury fizycznej. Mikroukład wykonywał określone funkcje w zależności od poleceń wysyłanych na jego kołki sterujące.

W ciągu roku w 1971 r Intel wypuszcza na rynek pierwszy 4-bitowy mikroprocesor o nazwie kodowej 4004. W porównaniu do pierwszego mikroukładu z 6 tranzystorami zawierał on aż 2,3 tys. elementów półprzewodnikowych i wykonywał 60 tys. operacji na sekundę. Był to wówczas ogromny przełom w dziedzinie mikroelektroniki. 4-bitowy oznaczał, że 4004 mógł przetwarzać 4-bitowe dane jednocześnie. Za dwa lata w 1973 r Firma produkuje 8-bitowy procesor 8008, który pracował już z 8-bitowymi danymi. Początek od 1976 r, firma zaczyna opracowywać 16-bitową wersję mikroprocesora 8086. To on zaczął być używany w pierwszych komputerach osobistych IBM i faktycznie położył jeden z elementów składowych

Mikroelektronika jest najważniejszym i, jak wielu uważa, najważniejszym osiągnięciem naukowym i technicznym naszych czasów. Można go porównać do takich punktów zwrotnych w historii techniki, jak wynalezienie druku w XVI wieku, powstanie maszyny parowej w XVIII wieku i rozwój elektrotechniki w XIX wieku. A kiedy dziś mówimy o rewolucji naukowo-technologicznej, mamy na myśli przede wszystkim mikroelektronikę. Jak żadne inne osiągnięcie techniczne naszych czasów, przenika wszystkie sfery życia i urzeczywistnia to, co jeszcze wczoraj było po prostu niewyobrażalne. Aby się o tym przekonać, wystarczy przypomnieć sobie kalkulatory kieszonkowe, miniaturowe radia, elektroniczne urządzenia sterujące w sprzęcie AGD, zegarki, komputery i komputery programowalne. A to tylko niewielka część obszaru jego zastosowań!

Mikroelektronika swoje powstanie i samo istnienie zawdzięcza stworzeniu nowego subminiaturowego elementu elektronicznego – układu scalonego. Pojawienie się tych obwodów w rzeczywistości nie było jakimś zasadniczo nowym wynalazkiem - wynikało bezpośrednio z logiki rozwoju urządzeń półprzewodnikowych. Początkowo, gdy elementy półprzewodnikowe dopiero wchodziły do ​​użytku, każdy tranzystor, rezystor czy dioda stosowano osobno, to znaczy zamykano go w swojej indywidualnej obudowie i włączano do obwodu za pomocą poszczególnych styków. Dokonano tego nawet w przypadkach, gdy konieczne było złożenie wielu podobnych obwodów z tych samych elementów. Ale stopniowo doszło do zrozumienia, że ​​bardziej racjonalne jest nie składanie takich urządzeń z pojedynczych elementów, ale natychmiastowe wytwarzanie ich na jednym wspólnym krysztale, zwłaszcza że elektronika półprzewodnikowa stworzyła wszystkie warunki do tego. W rzeczywistości wszystkie elementy półprzewodnikowe są do siebie bardzo podobne w swojej budowie, mają tę samą zasadę działania i różnią się jedynie względnym położeniem obszarów p-n. Te obszary p-n, jak pamiętamy, powstają w wyniku wprowadzenia zanieczyszczeń tego samego rodzaju do warstwy powierzchniowej kryształu półprzewodnika. Ponadto niezawodną i pod każdym względem zadowalającą pracę zdecydowanej większości elementów półprzewodnikowych zapewnia grubość wierzchniej warstwy roboczej rzędu tysięcznych części milimetra. Najmniejsze tranzystory zwykle wykorzystują tylko górną warstwę chipa półprzewodnikowego, która stanowi tylko 1% jego grubości. Pozostałe 99% pełni rolę nośnika lub podłoża, ponieważ bez podłoża tranzystor mógłby po prostu zapaść się przy najmniejszym dotknięciu. Dzięki temu, stosując technologię wytwarzania poszczególnych elementów elektronicznych, można od razu stworzyć kompletny obwód składający się z kilkudziesięciu, setek, a nawet tysięcy takich elementów na jednym chipie. Korzyści z tego będą ogromne. Po pierwsze, koszty natychmiast spadną (koszt mikroukładu jest zwykle setki razy niższy niż całkowity koszt wszystkich elementów elektronicznych jego komponentów). Po drugie, takie urządzenie będzie znacznie bardziej niezawodne (jak pokazuje doświadczenie tysiące i dziesiątki tysięcy razy), a to ma ogromne znaczenie, ponieważ znalezienie usterki w obwodzie składającym się z dziesiątek lub setek tysięcy elementów elektronicznych zamienia się w niezwykle złożony problem. Po trzecie, w związku z tym, że wszystkie elementy elektroniczne układu scalonego są setki i tysiące razy mniejsze niż ich odpowiedniki w układzie konwencjonalnym, ich zużycie energii jest znacznie niższe, a ich wydajność jest znacznie wyższa.

Kluczowym wydarzeniem zwiastującym nadejście integracji w elektronice była propozycja amerykańskiego inżyniera J. Kilby'ego z Texas Instruments, aby uzyskać równoważne elementy dla całego obwodu, takie jak rejestry, kondensatory, tranzystory i diody, w monolitycznym kawałku czystego krzemu . Kilby stworzył pierwszy zintegrowany obwód półprzewodnikowy latem 1958 roku. Już w 1961 roku Fairchild Semiconductor Corporation wypuściła pierwsze seryjne chipy do komputerów: obwód koincydencji, rejestr półprzesuwny i wyzwalacz. W tym samym roku firma z Teksasu opanowała produkcję półprzewodnikowych scalonych układów logicznych. W następnym roku pojawiły się układy scalone innych firm. W krótkim czasie powstały różnego rodzaju wzmacniacze w konstrukcji zintegrowanej. W 1962 roku firma RCA opracowała zintegrowane układy matrycy pamięci do komputerowych urządzeń pamięci masowej. Stopniowo we wszystkich krajach rozpoczęto produkcję mikroukładów - rozpoczęła się era mikroelektroniki.

Materiałem wyjściowym układu scalonego jest zwykle surowa płytka z czystego krzemu. Ma stosunkowo duży rozmiar, ponieważ jednocześnie wytwarza się na nim kilkaset mikroukładów tego samego typu. Pierwsza operacja polega na tym, że pod wpływem tlenu o temperaturze 1000 stopni na powierzchni tej płytki tworzy się warstwa dwutlenku krzemu. Tlenek krzemu charakteryzuje się dużą odpornością chemiczną i mechaniczną oraz posiada właściwości doskonałego dielektryka, zapewniającego niezawodną izolację znajdującego się pod nim krzemu. Kolejnym krokiem jest wprowadzenie zanieczyszczeń w celu wytworzenia pasm przewodnictwa p lub n. W tym celu usuwa się warstwę tlenku z tych miejsc na płycie, które odpowiadają poszczególnym elementom elektronicznym. Selekcja pożądanych obszarów odbywa się za pomocą procesu zwanego fotolitografią. Najpierw cała warstwa tlenku zostaje pokryta związkiem światłoczułym (fotomasą), który pełni rolę kliszy fotograficznej - można ją naświetlać i wywoływać. Następnie, poprzez specjalną fotomaskę zawierającą wzór powierzchni kryształu półprzewodnika, płytkę naświetla się promieniami ultrafioletowymi. Pod wpływem światła na warstwie tlenku tworzy się płaski wzór, przy czym obszary nienaświetlone pozostają jasne, a wszystkie pozostałe przyciemnione. W miejscu wystawienia fotorezystora na działanie światła tworzą się nierozpuszczalne obszary folii, które są odporne na działanie kwasu. Następnie płytkę poddaje się działaniu rozpuszczalnika, który usuwa fotomaskę z naświetlonych obszarów. Z odsłoniętych miejsc (i tylko z nich) warstwa tlenku krzemu jest wytrawiana kwasem. Dzięki temu tlenek krzemu rozpuszcza się we właściwych miejscach i otwierają się „okna” czystego krzemu, gotowe na wprowadzenie zanieczyszczeń (ligacja). W tym celu powierzchnię podłoża w temperaturze 900-1200 stopni poddaje się działaniu pożądanych zanieczyszczeń, na przykład fosforu lub arsenu, w celu uzyskania przewodności typu n. Atomy zanieczyszczeń wnikają głęboko w czysty krzem, ale są odpychane przez jego tlenek. Po potraktowaniu płytki jednym rodzajem domieszki przygotowuje się ją do ligacji z innym rodzajem - powierzchnię płytki ponownie pokrywa się warstwą tlenku, przeprowadza się nową fotolitografię i trawienie, w wyniku czego powstają nowe „okna” krzemu są otwarte. Następnie następuje nowa ligacja, na przykład z borem, w celu uzyskania przewodności typu p. Zatem obszary p i n powstają na całej powierzchni kryształu w odpowiednich miejscach. (Izolacja pomiędzy poszczególnymi elementami może być wykonana na kilka sposobów: taką izolacją może być warstwa tlenku krzemu, lub też w odpowiednich miejscach można utworzyć blokujące złącza p-n. ) Kolejny etap obróbki wiąże się z zastosowaniem połączeń przewodzących (linii przewodzących) pomiędzy elementami układu scalonego, a także pomiędzy tymi elementami i stykami do łączenia obwodów zewnętrznych. W tym celu na podłoże natryskuje się cienką warstwę aluminium, która osiada w postaci cienkiej warstwy. Poddawany jest obróbce fotolitograficznej i trawieniu podobnemu do opisanych powyżej. W rezultacie z całej warstwy metalu pozostają jedynie cienkie linie przewodzące i pola stykowe. Na koniec całą powierzchnię chipa półprzewodnikowego pokrywa się warstwą ochronną (najczęściej szkła krzemianowego), którą następnie usuwa się z pól stykowych. Wszystkie wyprodukowane mikroukłady poddawane są najsurowszym testom na stanowisku kontrolno-testującym. Wadliwe obwody są oznaczone czerwoną kropką. Na koniec kryształ cięty jest na pojedyncze chipy waflowe, z których każdy zamknięty jest w trwałej obudowie z wyprowadzeniami do podłączenia do obwodów zewnętrznych.

Złożoność układu scalonego charakteryzuje się wskaźnikiem zwanym stopniem integracji. Układy scalone zawierające więcej niż 100 elementów nazywane są obwodami o niskiej integracji; układy zawierające do 1000 elementów - układy scalone o średnim stopniu integracji; obwody zawierające do kilkudziesięciu tysięcy elementów nazywane są dużymi układami scalonymi. Produkowane są już obwody zawierające nawet milion elementów (nazywa się je ultradużymi). Stopniowy wzrost integracji doprowadził do tego, że z każdym rokiem schematy stają się coraz bardziej miniaturowe, a co za tym idzie, coraz bardziej złożone. Ogromna liczba urządzeń elektronicznych, które kiedyś miały duże wymiary, teraz mieści się na maleńkiej płytce krzemowej. Niezwykle ważnym wydarzeniem na tej drodze było stworzenie w 1971 roku przez amerykańską firmę Intel pojedynczego układu scalonego do wykonywania operacji arytmetycznych i logicznych – mikroprocesora. Pociągnęło to za sobą imponujący przełom mikroelektroniki w dziedzinie technologii komputerowej.

Pod koniec 1958 roku i w pierwszej połowie 1959 roku nastąpił przełom w przemyśle półprzewodników. Trzej mężczyźni, reprezentujący trzy prywatne amerykańskie korporacje, rozwiązali trzy podstawowe problemy, które uniemożliwiały powstanie układów scalonych. Jack Kilby z Instrumenty z Teksasu opatentował zasadę łączenia, stworzył pierwsze, niedoskonałe, prototypy własności intelektualnej i wprowadził je do masowej produkcji. Kurt Legovets z Firma Elektryczna Sprague wynalazł metodę izolowania elektrycznego elementów utworzonych na pojedynczym chipie półprzewodnikowym (izolacja złącza p-n). Izolacja złącza P–n)). Roberta Noyce’a z Półprzewodnik Fairchilda wynalazł metodę elektrycznego łączenia elementów układów scalonych (metalizacja aluminium) i zaproponował ulepszoną wersję izolacji podzespołów w oparciu o najnowszą technologię planarną Jeana Herniego. Jean Hoerni). 27 września 1960 roku zespół Jaya Lasta Jay Ostatni) utworzony dnia Półprzewodnik Fairchilda pierwszy działający półprzewodnik IP oparte na pomysłach Noyce'a i Erniego. Instrumenty Teksasu, która była właścicielem patentu na wynalazek Kilby'ego, rozpoczęła wojnę patentową z konkurentami, która zakończyła się w 1966 r. globalnym porozumieniem w sprawie technologii wzajemnego licencjonowania.

Wczesne układy logiczne wspomnianej serii zostały dosłownie zbudowane standard komponentów, których rozmiary i konfiguracje zostały określone w procesie technologicznym. Projektanci obwodów, którzy zaprojektowali układy logiczne określonej rodziny, używali tych samych standardowych diod i tranzystorów. W latach 1961-1962 wiodący deweloper złamał paradygmat projektowania Sylwania Tom Longo po raz pierwszy zastosował różne układy scalone w jednym konfiguracje tranzystorów w zależności od ich funkcji w obwodzie. Pod koniec 1962 r Sylwania wprowadziła na rynek pierwszą rodzinę logiki tranzystorowo-tranzystorowej (TTL) opracowaną przez Longo - historycznie pierwszy typ zintegrowanej logiki, który przez długi czas zdołał zdobyć przyczółek na rynku. W obwodach analogowych przełomu na tym poziomie dokonał w latach 1964-1965 twórca wzmacniaczy operacyjnych Fairchilda Bob Vidlar.

Pierwszy domowy mikroukład powstał w 1961 roku w TRTI (Taganrog Radio Engineering Institute) pod przewodnictwem L. N. Kolesova. Wydarzenie to przyciągnęło uwagę środowiska naukowego kraju, a TRTI zostało zatwierdzone jako lider w systemie Ministerstwa Szkolnictwa Wyższego dotyczącym problemu tworzenia wysoce niezawodnych urządzeń mikroelektronicznych i automatyzacji ich produkcji. Sam L.N. Kolesov został mianowany przewodniczącym Rady Koordynacyjnej ds. tego problemu.

Pierwszy hybrydowy grubowarstwowy układ scalony w ZSRR (seria 201 „Trail”) został opracowany w latach 1963-65 w Instytucie Badawczym Technologii Precyzyjnej („Angstrem”), produkcja masowa od 1965 roku. W opracowaniu wzięli udział specjaliści z NIEM (obecnie Instytut Naukowo-Badawczy Argon).

Pierwszy półprzewodnikowy układ scalony w ZSRR powstał w oparciu o technologię planarną, opracowaną na początku 1960 roku w NII-35 (wówczas przemianowanym na Instytut Badawczy Pulsar) przez zespół przeniesiony później do NIIME (Mikron). Tworzenie pierwszego krajowego krzemowego układu scalonego koncentrowało się na opracowaniu i produkcji po wojskowej akceptacji zintegrowanych układów krzemowych serii TS-100 (37 elementów - odpowiednik złożoności obwodu przerzutnika, analogu amerykańskiego Seria IC SN-51 firm Instrumenty z Teksasu). Próbki prototypowe i produkcyjne krzemowych układów scalonych do reprodukcji pozyskano z USA. Prace prowadzono w NII-35 (dyrektor Trutko) i Zakładach Półprzewodników Fryazino (dyrektor Kołmogorow) w ramach zamówienia obronnego do zastosowania w autonomicznym wysokościomierzu dla systemu naprowadzania rakiet balistycznych. Opracowanie obejmowało sześć standardowych scalonych krzemowych obwodów planarnych serii TS-100 i wraz z organizacją produkcji pilotażowej zajęło w NII-35 trzy lata (od 1962 do 1965). Rozwój produkcji fabrycznej z akceptacją wojskową we Fryazino (1967) zajął kolejne dwa lata.

Równolegle prowadzono prace nad opracowaniem układu scalonego w centralnym biurze projektowym w Woroneskiej Fabryce Urządzeń Półprzewodnikowych (obecnie -). W 1965 roku podczas wizyty w WZPP Ministra Przemysłu Elektronicznego A.I. Szokina zakład otrzymał polecenie przeprowadzenia prac badawczych nad stworzeniem krzemowego obwodu monolitycznego – B+R „Tytan” (Zarządzenie Ministra nr 92 z 16 sierpnia 1965 r.). 1965), który ukończono przed terminem ukończonym do końca roku. Temat został pomyślnie zgłoszony do Komisji Państwowej, a seria 104 mikroukładów logicznych diodowo-tranzystorowych stała się pierwszym trwałym osiągnięciem w dziedzinie mikroelektroniki półprzewodnikowej, co znalazło odzwierciedlenie w zarządzeniu posła nr 403 z dnia 30 grudnia 1965 r.

Poziomy projektowania

Obecnie (2014 rok) większość układów scalonych projektuje się przy użyciu specjalizowanych systemów CAD, które pozwalają zautomatyzować i znacznie przyspieszyć procesy produkcyjne, np. uzyskanie fotomasek topologicznych.

Klasyfikacja

Stopień integracji

W zależności od stopnia integracji stosuje się następujące nazwy układów scalonych:

• mały układ scalony (MIS) - do 100 elementów w chipie,
• średni układ scalony (SIS) – do 1000 elementów na chip,
• duży układ scalony (LSI) – do 10 tys. elementów w jednym chipie,
• układ scalony o bardzo dużej skali (VLSI) - ponad 10 tysięcy elementów w krysztale.

Wcześniej używano również przestarzałych nazw: układ scalony o bardzo dużej skali (ULSI) - od 1-10 milionów do 1 miliarda elementów w krysztale, a czasami giga-wielkoskalowy układ scalony (GBIC) - ponad 1 miliard pierwiastków w krysztale. Obecnie w 2010 roku nazwy „UBIS” i „GBIS” praktycznie nie są używane, a wszystkie mikroukłady zawierające ponad 10 tysięcy elementów są klasyfikowane jako VLSI.

Technologia produkcji

• Układ półprzewodnikowy - wszystkie elementy i połączenia międzyelementowe wykonane są na jednym krysztale półprzewodnikowym (np. krzem, german, arsenek galu, tlenek hafnu).

• Filmowy układ scalony - wszystkie elementy i połączenia międzyelementowe wykonane są w postaci folii:
  • grubowarstwowy układ scalony;
  • cienkowarstwowy układ scalony.
• Układ hybrydowy (często nazywany mikromontaż), zawiera kilka diod, tranzystorów i/lub innych aktywnych elementów elektronicznych. Mikrozespół może obejmować także nieopakowane układy scalone. Pasywne elementy mikromontażu (rezystory, kondensatory, cewki indukcyjne) są zwykle wytwarzane przy użyciu technologii cienkowarstwowych lub grubowarstwowych na zwykłym, zwykle ceramicznym podłożu chipa hybrydowego. Całe podłoże wraz z komponentami umieszczone jest w jednej szczelnej obudowie.
• Mikroukład mieszany - oprócz kryształu półprzewodnika zawiera cienkowarstwowe (grubopowłokowe) elementy pasywne umieszczone na powierzchni kryształu.

Rodzaj przetwarzanego sygnału

Technologie produkcyjne

Rodzaje logiki

Głównym elementem mikroukładów analogowych są tranzystory (bipolarne lub polowe). Różnica w technologii produkcji tranzystorów znacząco wpływa na charakterystykę mikroukładów. Dlatego w opisie mikroukładu często wskazuje się technologię produkcji, podkreślając w ten sposób ogólną charakterystykę właściwości i możliwości mikroukładu. Nowoczesne technologie łączą technologie tranzystorów bipolarnych i polowych, aby osiągnąć lepszą wydajność mikroukładów.

• Najbardziej ekonomiczne (pod względem zużycia prądu) są mikroukłady oparte na tranzystorach unipolarnych (efektu polowego):
  • Logika MOS (logika metal-tlenek-półprzewodnik) - mikroukłady powstają z tranzystorów polowych N-MOS lub P-typ MOS;
  • Logika CMOS (komplementarna logika MOS) - każdy element logiczny mikroukładu składa się z pary komplementarnych (komplementarnych) tranzystorów polowych ( N-MOS i P-WYCIERAĆ).
• Mikroukłady oparte na tranzystorach bipolarnych:
  • RTL - logika rezystorowo-tranzystorowa (przestarzała, zastąpiona przez TTL);
  • DTL - logika diodowo-tranzystorowa (przestarzała, zastąpiona przez TTL);
  • TTL - logika tranzystorowo-tranzystorowa - mikroukłady zbudowane są z tranzystorów bipolarnych z tranzystorami wieloemiterowymi na wejściu;
  • TTLSh - logika tranzystorowo-tranzystorowa z diodami Schottky'ego - ulepszony TTL wykorzystujący tranzystory bipolarne z efektem Schottky'ego;
  • ECL - logika sprzężona z emiterem - na tranzystorach bipolarnych, których tryb pracy dobiera się tak, aby nie przechodziły w tryb nasycenia - co znacznie zwiększa wydajność;
  • IIL - integralna logika wtrysku.
• Mikroukłady wykorzystujące zarówno tranzystory polowe, jak i bipolarne:

Używając tego samego typu tranzystorów, chipy można tworzyć przy użyciu różnych metod, takich jak statyczne lub dynamiczne.

Najpopularniejszymi układami logicznymi są technologie CMOS i TTL (TTLS). Tam, gdzie konieczne jest oszczędzanie prądu, stosuje się technologię CMOS, tam, gdzie ważniejsza jest prędkość i nie jest wymagane oszczędzanie na poborze prądu, stosuje się technologię TTL. Słabym punktem mikroukładów CMOS jest ich podatność na elektryczność statyczną - wystarczy dotknąć ręką wyjścia mikroukładu, a jego integralność nie jest już gwarantowana. Wraz z rozwojem technologii TTL i CMOS parametry mikroukładów zbliżają się do siebie i w efekcie np. mikroukłady serii 1564 wykonane są w technologii CMOS, a funkcjonalność i umiejscowienie w obudowie są zbliżone do technologii TTL.

Mikroukłady produkowane w technologii ESL są najszybsze, ale też najbardziej energochłonne i znalazły zastosowanie w produkcji sprzętu komputerowego w przypadkach, gdzie najważniejszym parametrem była szybkość obliczeń. W ZSRR najbardziej produktywne komputery typu ES106x zostały wyprodukowane na mikroukładach ESL. Obecnie technologia ta jest rzadko stosowana.

Proces technologiczny

Do produkcji mikroukładów wykorzystuje się metodę fotolitografii (projekcyjną, kontaktową itp.), w której obwód tworzony jest na podłożu (najczęściej krzemie) uzyskanym poprzez pocięcie monokryształów krzemu dyskami diamentowymi na cienkie płytki. Ze względu na małe wymiary liniowe elementów mikroukładów do oświetlenia zrezygnowano ze stosowania światła widzialnego, a nawet bliskiego ultrafioletu.

Następujące procesory zostały wyprodukowane przy użyciu promieniowania UV (laser ekscymerowy ArF, długość fali 193 nm). Liderzy branży wprowadzali średnio co 2 lata nowe procesy technologiczne zgodnie z planem ITRS, podwajając liczbę tranzystorów na jednostkę powierzchni: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011), rozpoczęto produkcję 14 nm w 2014 r. rozwój procesów 10 nm przewidywany jest około 2018 r.

W 2015 roku szacowano, że wprowadzanie nowych procesów technologicznych ulegnie spowolnieniu.

Kontrola jakości

Do kontroli jakości układów scalonych powszechnie stosuje się tzw. struktury testowe.

Zamiar

Układ scalony może mieć pełną, niezależnie od stopnia złożoności, funkcjonalność - aż do całego mikrokomputera (mikrokomputera jednoukładowego).

Obwody analogowe

• Filtry (w tym efekt piezoelektryczny).
• Analog mnożniki.
• Tłumiki analogowe i wzmacniacze zmienne.
• Stabilizatory zasilania: stabilizatory napięcia i prądu.
• Przełączanie mikroukładów sterujących zasilaniem.
• Przetworniki sygnału.
• Obwody synchronizacyjne.
• Różne czujniki (na przykład temperatura).

Obwody cyfrowe

• Konwertery buforowe
• (Mikro)procesory (w tym procesory do komputerów)
• Chipy i moduły pamięci
• Układy FPGA (programowalne układy scalone logiczne)

Cyfrowe układy scalone mają szereg zalet w porównaniu z analogowymi:

• Zmniejszone zużycie energii związane z wykorzystaniem impulsowych sygnałów elektrycznych w elektronice cyfrowej. Podczas odbierania i przetwarzania takich sygnałów aktywne elementy urządzeń elektronicznych (tranzystory) działają w trybie „kluczowym”, to znaczy tranzystor jest albo „otwarty” - co odpowiada sygnałowi wysokiego poziomu (1), albo „zamknięty ” - (0), w pierwszym przypadku o Na tranzystorze nie ma spadku napięcia, w drugim nie przepływa przez niego prąd. W obu przypadkach pobór mocy jest bliski 0, w przeciwieństwie do urządzeń analogowych, w których tranzystory przez większość czasu znajdują się w stanie pośrednim (aktywnym).
• Wysoka odporność na zakłócenia urządzeń cyfrowych wiąże się z dużą różnicą między sygnałami o wysokim (na przykład 2,5–5 V) i niskim (0–0,5 V) sygnale. Błąd stanu jest możliwy przy takim poziomie zakłóceń, że wysoki poziom jest interpretowany jako niski i odwrotnie, co jest mało prawdopodobne. Dodatkowo w urządzeniach cyfrowych możliwe jest zastosowanie specjalnych kodów pozwalających na korektę błędów.
• Duża różnica poziomów stanów sygnałów wysokiego i niskiego poziomu (logiczne „0” i „1”) oraz dość szeroki zakres ich dopuszczalnych zmian sprawia, że ​​technologia cyfrowa jest niewrażliwa na nieuniknione rozproszenie parametrów elementów w technologii zintegrowanej, eliminuje konieczność doboru komponentów i konfiguracji elementów regulacyjnych w urządzeniach cyfrowych.

Obwody analogowo-cyfrowe

• przetworniki cyfrowo-analogowe (DAC) i analogowo-cyfrowe (ADC);
• transceivery (na przykład konwerter interfejsu Ethernetu);
• modulatory i demodulatory;
  • modemy radiowe
  • telegazeta, dekodery tekstu radiowego VHF
  • Transceivery Fast Ethernet i optyczne
  • Wykręcić numer modemy
  • odbiorniki telewizji cyfrowej
  • optyczny czujnik myszy
• mikroukłady zasilające urządzenia elektroniczne - stabilizatory, przetworniki napięcia, wyłączniki mocy itp.;
• tłumiki cyfrowe;
• obwody z pętlą synchronizacji fazowej (PLL);
• generatory i przywracacze częstotliwości synchronizacji zegarów;
• kryształy z matrycą podstawową (BMC): zawierają zarówno obwody analogowe, jak i cyfrowe;

Seria chipów

Mikroukłady analogowe i cyfrowe produkowane są szeregowo. Seria to grupa mikroukładów, które mają jedną konstrukcję i konstrukcję technologiczną i są przeznaczone do wspólnego użytku. Mikroukłady tej samej serii z reguły mają te same napięcia zasilania i są dopasowane pod względem rezystancji wejściowych i wyjściowych oraz poziomów sygnału.

Obudowy

Konkretne nazwy

Legalna ochrona

Rosyjskie ustawodawstwo zapewnia ochronę prawną topologii układów scalonych. Topologia układu scalonego to przestrzenno-geometryczny układ zbioru elementów układu scalonego oraz połączeń między nimi zapisany na nośniku materialnym (art. 1448

12 września 1958 roku pracownik Texas Instruments (TI) Jack Kilby zademonstrował kierownictwu dziwne urządzenie - urządzenie wykonane z dwóch kawałków krzemu o wymiarach 11,1 x 1,6 mm sklejonych woskiem pszczelim na szklanym podłożu. Była to trójwymiarowa makieta - prototyp układu scalonego (IC) generatora, udowadniająca możliwość wykonania wszystkich elementów obwodu w oparciu o jeden materiał półprzewodnikowy. Data ta obchodzona jest w historii elektroniki jako urodziny układów scalonych.

Układy scalone (chipy, układy scalone) to urządzenia elektroniczne o różnym stopniu złożoności, w których wszystkie podobne elementy są wytwarzane jednocześnie w jednym cyklu technologicznym, tj. przy użyciu zintegrowanej technologii. W przeciwieństwie do płytek drukowanych (w których wszystkie przewody łączące są wytwarzane jednocześnie w jednym cyklu przy użyciu technologii zintegrowanej), rezystory, kondensatory, diody i tranzystory są tworzone w układach scalonych w podobny sposób. Ponadto wiele układów scalonych jest produkowanych jednocześnie, od dziesiątek do tysięcy

Wcześniej wyróżniano dwie grupy układów scalonych: hybrydowe i półprzewodnikowe

W hybrydowych układach scalonych (HIC) wszystkie przewodniki i elementy pasywne są formowane na powierzchni podłoża mikroukładu (zwykle ceramicznego) przy użyciu zintegrowanej technologii. Elementy aktywne w postaci pakowanych diod, tranzystorów i kryształów półprzewodników IC instalowane są na podłożu pojedynczo, ręcznie lub automatycznie

W układach półprzewodnikowych elementy łączące, pasywne i aktywne powstają w jednym cyklu technologicznym na powierzchni materiału półprzewodnikowego z częściową inwazją na jego objętość metodami dyfuzyjnymi. Jednocześnie na jednej płytce półprzewodnikowej produkuje się od kilkudziesięciu do kilku tysięcy układów scalonych

Pierwsze hybrydowe układy scalone.

GIS to produkt ewolucyjnego rozwoju mikromodułów i technologii montażu płyt ceramicznych. Dlatego też przeszły one niezauważone, nie ma powszechnie przyjętej daty urodzenia GIS-u ani powszechnie uznanego autora.

Układy scalone półprzewodników były naturalnym i nieuniknionym rezultatem rozwoju technologii półprzewodników, wymagały jednak generowania nowych pomysłów i tworzenia nowych technologii, które mają zarówno swoje daty urodzenia, jak i autorów

Pierwsze hybrydowe i półprzewodnikowe układy scalone pojawiły się w ZSRR i USA niemal jednocześnie i niezależnie od siebie

Już pod koniec lat czterdziestych XX wieku firma Centralab w USA opracowała podstawowe zasady produkcji grubowarstwowych płytek drukowanych na bazie ceramiki

Na początku lat pięćdziesiątych firma RCA wynalazła technologię cienkowarstwową: natryskując różne materiały w próżni i osadzając je przez maskę na specjalnych podłożach, nauczyła się, jak jednocześnie produkować wiele miniaturowych folii łączących przewodniki, rezystory i kondensatory na jednym podłoże ceramiczne

W porównaniu z technologią grubowarstwową, technologia cienkowarstwowa zapewniała możliwość bardziej precyzyjnego wytwarzania elementów topologicznych o mniejszych rozmiarach, ale wymagała bardziej złożonego i droższego sprzętu. Urządzenia produkowane na płytach ceramicznych w technologii grubowarstwowej lub cienkowarstwowej nazywane są „obwodami hybrydowymi”.

Jednak mikromoduł stał się hybrydowym układem scalonym w momencie, gdy zastosowano w nim nieopakowane tranzystory i diody, a konstrukcję zamknięto we wspólnej obudowie

W ZSRR

Pierwsze GIS (moduły typu „Kvant”, później oznaczone jako seria IS 116) w ZSRR zostały opracowane w 1963 roku w NIIRE (później NPO Leninets, Leningrad) i w tym samym roku jego zakład pilotażowy rozpoczął produkcję seryjną. W tych GIS jako elementy aktywne zastosowano półprzewodnikowe układy scalone „R12-2”, opracowane w 1962 roku w Ryskiej Fabryce Urządzeń Półprzewodnikowych

Niewątpliwie moduły Kvant były pierwszymi w świecie GIS z dwupoziomową integracją - jako elementy aktywne wykorzystywały półprzewodnikowe układy scalone, a nie dyskretne tranzystory w obudowach

W USA

Pojawienie się grubowarstwowego GIS, jako głównego elementu bazy nowego komputera IBM System/360, zostało po raz pierwszy zapowiedziane przez IBM w 1964 roku

Półprzewodnikowe układy scalone z serii „Micrologic” firmy Fairchild i „SN-51” firmy TI były nadal niedostępne i zbyt drogie do użytku komercyjnego przy budowie dużego komputera. Dlatego IBM Corporation, opierając się na projekcie płaskiego mikromodułu, opracował serię grubowarstwowych GIS, ogłoszoną pod ogólną nazwą (w przeciwieństwie do „mikromodułów”) to „moduły SLT” (Solid Logic Technology - technologia solid logic. Zwykle słowo „solid” jest tłumaczone na rosyjski jako „solid ”, co jest całkowicie nielogiczne. Rzeczywiście termin „moduły SLT” „został wprowadzony przez IBM w przeciwieństwie do terminu „mikromoduł” i powinien odzwierciedlać ich różnicę. Słowo „solidne” ma inne znaczenie - „solidne”, „ całość”, które z powodzeniem podkreślają różnicę pomiędzy „modułami SLT” a „mikromodułami”

Moduł SLT był kwadratową, grubowarstwową mikropłytką ceramiczną z wprasowanymi pionowymi kołkami. Na jego powierzchnię za pomocą sitodruku naniesiono przewody łączące i rezystory oraz zainstalowano nieopakowane tranzystory. W razie potrzeby obok modułu SLT zainstalowano kondensatory

Chociaż zewnętrznie prawie identyczne (mikromoduły są nieco wyższe), moduły SLT różnią się od płaskich mikromodułów większą gęstością elementów, niskim zużyciem energii, wysoką wydajnością i dużą niezawodnością

Ponadto technologię SLT można było dość łatwo zautomatyzować, dzięki czemu można było ją produkować przy wystarczająco niskich kosztach, aby można było ją zastosować w sprzęcie komercyjnym. Właśnie tego potrzebował IBM. W ślad za IBM inne firmy zaczęły produkować GIS, dla którego GIS stał się produktem komercyjnym.