Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...

Реферат

на тему

Интегральные схемы микроэлектроники

ПЛАН

Вступление

1. Понятие и особенности открытия интегральных схем

2. Уровне проектирования

3. Классификация интегральных схем, технология изготовления

4. Назначение

5. Аналогово-цифровые схемы

Список использованной литературы

Вступление

интегральные схемы - электронный прибор, который со-дается из многих миниатюрных транзисто-ров и других элементов схемы, объединенных в моноблок (чип).

Роберт Нойс (1927-1990) и Джек С. Килби (1923) в равной степени считаются авторами главного изобретения века информационных технологий. Не зная друг друга, они решили проблему минимизации дискретных элементов монтажной платы комп Компьютеры и переноса их на пластину из кремния (Нойс) и германия (Килби). Это значительно увеличило производительность компьютера ютера и одновременно сократило его стоимость. Интегральная схема, как и раньше, остается ключевым достижением эры электроники.

В 2000 году Нобелевскую премию получили авторы работ по двум основным направлениям электронной полупроводниковой компонентной базы информационных технологий. Джек Килби за изобретение интегральных схем. Я не буду говорить об этом много, поскольку интегральные кремниевые схемы, кремниевая микроэлектроника столбовая дорога развития современной микроэлектроники. Это был важный шаг. Ведь создание транзистора означало появление прибора, энергетически более выгодного, чем вакуумные лампы, прибора, который сделал возможной миниатюризации. Килби первым догадался, что надо принципиально иначе решать эту задачу. Когда мы в кристалле транзисторных структур на основе р-n-переходов, то можем их использовать как элементы емкости и рабочее тело полупроводника, создавая таким образом интегральные R-C-цепи. И то, что кажется сегодня тривиальным, на самом деле было нетривиальной и непростой идеей, когда Килби ее предложил.

Конечно, за это время микроэлектроника одолела гигантскийпуть развития. Первые интегральные схемы, сделанные Килби на основе германия и только потом реализованы им на основе кремния (бывший сотрудник Килби Нойс, который умер в 1990г. И поэтому не смог разделить успех своего коллеги, почти сразу предложены вал схемы на основе уникальных свойств двуокиси кремния) , имели два транзистора и два RC-цепи, а их площадь составляла несколько квадратных сантиметров. Сегодняшние же интегральные схемы это 10 млн. транзисторов на той же площади. В течение длительного времени ежегодно удваивалась количество компонентов интегральных схем. Сегодня этот промежуток времени немного удлинился: количество компонентов интегральных схем удваивается каждые полтора года.

1. Понятие и особенности открытия интегральных схем

Интегральная (микро) схема (ИС, ИМС, МС), чип, микрочип (англ. Chip треска, обломок, фишка) микроэлектронное устройство электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещенная в неразборный корпус.

Часто под интегральной схеме (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) ИС, вложенную в корпус.

В то же время выражение «чип компоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа» в отличии от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате.

Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. В данный момент (2006 год) большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

В 1958 году двое ученых, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был владельцем компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor Corporation. Оба объединило вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах окрэмо, и ученые решили попробовать их объединить в один монолитный кристалл из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочел кремния.

В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения началось противостояние двух компаний, закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пустила чипы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.

2. Уровне проектирования

· Физический методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.

· Электрический принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т.п..).

· Логический логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т.п.).

· схемо- и системотехнический уровень схемо- и системотехнических схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т.п.).

· Топологический топологические фотошаблоны для производства.

· Программное уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) команды ассемблера для программиста.

В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается с помощью САПР, позволяющих автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

3. Классификация интегральных схем, технология изготовления

Степень интеграции

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (в скобках количество элементов для цифровых схем):

· МИС имела интегральная схема (до 100 элементов в кристалле);

· СИС средняя интегральная схема (до 1000);

· БИС большая интегральная схема (до 10 000);

· СБИС сверхбольшой интегральная схема (до 1 миллиона);

· УБИС ультравелика интегральная схема (до 1 миллиарда);

· ГБИС гигавелики (более 1 миллиарда).

В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающих 10000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом. < / p>

Технология изготовления

· Полупроводниковая микросхема все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).

· Пленочный микросхема все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде пленок:

o толстоплёночная интегральная схема;

o тонкопленочная интегральная схема.

· Гибридная микросхема кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и (или) других электронных компонентов, помещенных в один корпус.

Вид обрабатываемого сигнала

· Аналоговые

· Цифровые

· Аналого-цифровые

Аналоговые микросхемы входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определенный диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ-логики при питании +5 В диапазон напряжения 0 ... 0,8 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4 ... 5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании? 5,2 В: логическая единица это? 0,8 ...? 1,03 В, а логический ноль это? 1,6 ...? 1,75 В.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают все большее распространение.

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет нахарактеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях сочетают технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

· Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах самые экономичные (по потреблению тока):

o МОП-логика (металл-окисел-полупроводник логика) микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;

o КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).

· Микросхемы на биполярных транзисторах:

o РТЛ резисторно-транзисторная логика (устаревшее, заменена на ТТЛ);

o ДТЛ диод-транзисторная логика (устаревшее, заменена на ТТЛ);

o ТТЛ транзисторно-транзисторная логика микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с багатоемитернимы транзисторами на входе;

o ТТЛШ транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки.

o ЭСЛ эмиттерный-связана логика на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, что существенно повышает быстродействие.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространенными логиками микросхем. Где небходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не нужно экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и ее целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и как следствие, например, серия микросхем 1564 сделана по технологией КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как в ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии являются самыми быстрыми, но больше всего энергопотребляющими и применялась при производстве вычислительной техники, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

4. Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, как угодно сложным, функционалом до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

· Операционные усилители

· Генераторы сигналов

· Фильтры (в том числе на пьезоэффекте)

· Аналоговые умножители

· Стабилизаторы источников питания

· Микросхемы управления импульсных блоков питания

· Преобразователи сигналов

Цифровые схемы

· Логические элементы

· Триггеры

· Регистры

· Буферные преобразователи

· Модули памяти

· Микроконтроллеры

· (Микро) процессоры (в том числе ЦПУ в компьютере)

· Однокристальные микрокомпьютеры

5. Аналогово-цифровые схемы

· ЦАП и АЦП

В электронике цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, что напряжение заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между абстрактным цифровым миром и реальными аналоговыми сигналами.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) делает обратную операцию.

Конечно ЦАП получает на вход цифровой сигнал в импульсно-кодовой модуляции (PCM pulse-code modulation). Задача преобразования различных сжатых форматов в PCM выполняется соответствующими кодеками.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется с помощью ЦАП (цифро-аналогового преобразователя).

Как правило, АЦБ электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичное цифровой код. Однако, некоторые неэлектронные устройства, такие как преобразователь угол-код, следует также относить к АЦП.

Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованные по входным и выходным опорах, уровням сигналов.

Корпуса микросхем

Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах корпусном и бескорпусном.

Бескорпускная микросхема это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную или микросхему микросборку.

Корпус это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями с помощью выводов. Корпуса стандартизированы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из различных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями!

В российских корпусах растояние между выводами измеряется в милиметра и наиболее часто это 2,5 мм или 1,25 мм. В импортных микросхем растояние измеряют в дюймах, используя величину 1/10 или 1/20 дюйма, соответствует 2,54 и 1,28 мм. В корпусах до 16 выводов эта разница незначительна, а при больших размерах идеинтичние корпуса уже несовместимы.

В современных импортных корпусах для поверхностного монтажа применяют и метрические размеры: 0,8 мм; 0,65 мм и другие.

Специфические названия микросхем

Из большого количества цифровых микросхем изготавливались процессоры. Фирма Intel первой изготовила микросхему Intel 4004, которая выполняла функции процессора. Такие микросхемы получили название микропроцессор. Микропроцессоры фирмы Intel совершенствовались: Intel 8008, Intel 8080, Intel 8086, Intel 8088 (на основе двух последних микропроцессоров, фирмой IBM, были выпущены первые персональные комтер).

Микропроцессор выполняет в основном функции АЛУ (арифметико-логическое устройство), а дополнительные функции связи с периферией выполнялись с помощью специально для этого изготовленных наборов микросхем. Для первых микропроцессоров число микросхем в наборах исчислялось десятками, а сейчас это набор из двух-трех микросхем, получил срок чипсет.

Микропроцессоры со встроенными контроллерами памяти и ввода-вывода, ОЗУ и ПЗУ, а также другими дополнительными функциями называют микроконтроллерами.

Список использованной литературы

Абрамов И.И. Лекции по моделированию элементов интегральных схем. М., 2002.

Мазор Ю., Мачуський Е. Радиотехника. Энциклопедический учебный справочник. К., 2001.

Прищепа М.М., Погребняк В.П. Микроэлектроника: В 3 ч. Ч. 2. Элементы микросхемотехники. К., 2006.

Загрузка...