Классификация и основные характеристики ИМС

Общая характеристика электронных устройств и интегральных микросхем (ИМС)

Радиоэлектронная аппаратура (РЭА) построена из отдельных блоков и функциональных узлов, реализованных на основе некоторой элементной базы, то есть компонентов и элементов.

Компоненты - это конструктивно законченные самостоятельные изделия. К ним относятся дискретные радиоэлементы и интегральные микросхемы (ИМС).

Элементы могут быть активными (диоды, транзисторы биполярные, транзисторы полевые) и пассивными (резисторы, конденсаторы и др.). И те, и другие могут быть дискретными (тогда это компоненты) или интегральными. Интегральные элементы являются неотделимыми частями микросхемы и не существуют как отдельные изделия.

Применение электронных устройств для решение все более сложных задач приводит к постоянному усложнению их электрических схем. Анализ развития электронной техники показывает, что примерно в течение 5..7 лет сложность электронных устройств повышается в 10 раз.

Такой рост сложности электронных устройств на дискретных элементах, приводит к ряду проблем:

1. снижение надежности устройства за счет большого числа элементов и электрических соединений между ними,

2. большие габариты и вес,

3. возрастание потребляемой мощности,

4. слабые возможности автоматизации производства РЭА,

5. трудность получения одинаковых параметров электронных приборов.

Стремление избавиться от этих недостатков привело к появлению и развитию микроэлектроники.

Микроэлектроника — это область электроники, которая занимается разработкой и применением интегральных микросхем (ИМС) и аппаратуры на основе ИМС.

ИМС — это микроэлектронное, конструктивно законченное, изделие, выполняющее определенную функцию (усиление, генерацию, логическую операцию и др.) преобразования и обработки сигналов и имеющее высокую плотностью упаковки электрически соединенных элементов и кристаллов в единице объема.

При изготовлении ИМС используется групповой метод производства, при котором на одной подложке одновременно изготавливается множество однотипных элементов или целых микросхем, что позволяет получить изделия с одинаковыми параметрами.

Классификация и основные характеристики ИМС

1) Степень интеграции (плотность упаковки) является показателем сложности ИМ.

Степень интеграции - это число простых элементов и компонентов входящих в состав ИМС. Количественно степень интеграции характеризуется числом K = lg N, где K – это степень интеграции, N – это число простых элементов в ИМС.

По степени интеграции ИМС делятся на интегральные схемы:

1^-ой степени: К=1 N<=10 т.е. с числом элементов меньше 10;

2^-ой степени: К=2 N<=100;

3^-ой степени: К=3 N<=10³ – их называют большие ИС т.е. БИС;

4^-ой степени: К=4 N<=10⁴ - их называют большие ИС т.е. БИС;

5^-ой степени: К=>5 N<=10⁵ - их называют сверхбольшие ИС т.е. СБИС.

Сложность ИС характеризуется также плотностью упаковки, т.е числом элементов в единице обьема или на единице площади кристалла.

2) По функциональному назначению ИМС делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые ИС (АИС) это микросхемы, которые предназначены для преобразования и обработки сигнала представленных в аналоговом виде. Это сигналы, которые описываются непрерывными функциями времени. В основе аналоговых схем лежит простейший усилительный каскад на основе которого строят другие устройства. В настоящее время под аналоговыми принято называть следующие операции: усиления, сравнения, ограничение, перемножение, частотная фильтрация.

Цифровые ИС (ЦИС) это микросхемы, которые предназначены для преобразования и обработки сигналов, представленных в двоичном или другом цифровом коде. В основе цифровых схем лежит ключ и переключатель тока.

Как правило, ИС разрабатываются и выпускаются изготовителями сериями.

3) По технологии изготовления: полупроводниковые, гибридные (плёночные), а также совмещённые.

Полупроводниковые ИМС (ПИМС). В них все элементы и межэлементные соединения выполнены в объёме и на поверхности кристалла проводника, т.е. полупроводниковые ИМС представляют собой кристалл полупроводника отдельные области которого выполняют функции транзистора, конденсатора, резистора и диода. Катушки индуктивности и конденсаторы с большой ёмкостью стараются не применять, поскольку они не выполнимы по интегральной технологии.

Транзисторы представляют собой трёхслойную структуру с двумя p-n-переходами обычно применяют n-р-n реже р-n- р транзисторы. Для изоляции транзисторов друг от друга используют два метода: изоляция диэлектриком, и изоляция p-n-переходом.

Диоды в ИМС – это двухслойная структура с одним p-n-переходом, обычно, в качестве диода используют транзистор в диодном включении.

Конденсаторы в ИМС – получают на основе p-n-перехода транзистора смещённого в обратном направлении. Максимально допустимая ёмкость конденсатора, применяемая в ИМС не должна превышать 200 пФ.

Резисторы в ИМС – это участки легированного полупроводника с двумя выводами. Сопротивление диффузионных резисторов зависит от удельного сопротивления полупроводника и геометрических размеров и обычно не превышает единиц килоом. В качестве высокоомных резисторов используют входные сопротивления эмиттерных повторителей, сопротивления которых может достигать сотен килоом.

Поскольку все элементы ИС получают в едином технологическом цикле в кристалле полупроводника, то количество операций на их изготовление не намного превышает количество операций по изготовлению отдельного транзистора. Поэтому стоимость ИС не намного превышает стоимость одного транзистора. Это вносит особенности в схемотехнику ИС – в ИС предпочтительно использовать транзисторы одного вида т.к. это упрощает технологию изготовлния ИС.В зависимости от транзисторов, которые используются в ИС различают целый ряд технологий изготовления ИС: биполярная n-p-n технология, биполярная p-n-р технология, совмещенная биполярная технология, и т.д.

Гибридная ИМС (ГИМС). В гибридной ИМС пассивные элементы выполняют по пленочной технологии, т.е. путем нанесения различных пленок на поверхность диэлектрической подложки из стекла или керамики, а активные элементы – это бескорпусные транзисторы. В зависимости от толщины пленок различают тонкопленочные (<1мкм) и толстопленочные (>1мкм) ГИМС. Помимо количественных различий у них существует и различие по технологии нанесения пленок. Тонкопленочные элементы формируют как правило путем термического вакуумного испарения и ионного распыления, а толстопленочные элементы наносят на подложку методом трафаретной печати с последующим вжиганием. Подложка с расположенными на ней элементами, проводниками и контактными площадками называется платой. Плату помещают в жесткий металлический или пластмассовый корпус, который предназначен для механической прочности и герметизации.

Производство полупроводниковых схем (ПИМС) отличаются большими затратами и сложностью оборудования, и окупается лишь при массовом производстве ИМС. Производство ГИМС отличается малыми затратами на производство и применяется при малосерийном производстве, но плотность упаковки у них значительно ниже.

4) По виду активных элементов различают ИС:

1. на биполярных транзисторах;

2. на полевых МДП-транзисторах (металл диэлектрик проводник);

3. на КМДП-транзисторы (комплиментарных полевых транзисторах со структурой металл-диэлектрик-проводник) – комплиментарные - это транзисторы с одинаковыми параметрами, но имеющие разный тип проводимости канала.

Маркировка ИМС

Промышленность выпускает ИМС сериями. Серия объединяет ряд отдельных схем единых по технологическому признаку, согласованных по напряжения питания, уровням входных и выходных сигналов и конструктивному оформлению. Серии ИМС стремятся разрабатывать так, чтобы из входящих в них схем можно было построить законченное устройство.

Маркировка ИМС по ГОСТ состоит из 4 элементов.

ПРИМЕР: 140 УД 8 А или К 155 ЛА 3

1) Первые три или четыре цифры - номер серии. Он характеризует конструктивно-технологическое деление и состоит из двух частей:

первая цифра дает деление по технологии изготовления: 1, 5, 7 – это полупроводниковые ИМС ( 7 – это бескорпусные ИС); 2, 4, 6, 8 – это ГИМС; 3 – прочие (пленочные) ИМС.

Две или три следующие цифры означают порядковый номер разработки ИМС (от 0 до 999).

2) две буквы – это функциональное назначение ИМС. Например, УД – операционный усилитель; ПС – аналоговый перемножитель; ЛА – логический элемент «И-НЕ»; ЛЕ – логический элемент «ИЛИ-НЕ»; ЕН – линейный стабилизатор напряжения; ЕП – Импульсный стабилизатор напряжения.

3) Третий элемент - две цифры. Это порядковый номер разработки в данной серии.

4) Четвертый элемент и буква. Она характеризует деление по параметрическим группам.

Иногда перед условным обозначением стоит буква «К», это значит микросхема широкого применения, если буквы нет, то это ИС специального назначения.

Иногда перед условным обозначением стоят две буквы – они указывают тип корпуса. Например:

КМ – тип корпуса

КР – пластмассовый корпус

КМ – керамо-металлический

КЕ – металло-полимерный