hjem › AV › Historien om opprettelsen av et integrert styre. Serie av mikrokretser. Funksjonell kontroll av ICer og testkretser

Historien om opprettelsen av et integrert styre. Serie av mikrokretser. Funksjonell kontroll av ICer og testkretser

Introduksjon

Siden de første datamaskinene kom, har programvareutviklere drømt om maskinvare designet for å løse akkurat deres problem. Derfor har ideen om å lage spesielle integrerte kretser som kan skreddersys for å effektivt utføre en spesifikk oppgave dukket opp i ganske lang tid. Det er to utviklingsveier her:

Bruken av såkalte spesialiserte tilpassede integrerte kretser (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). Som navnet antyder, er slike brikker laget av produsenter maskinvare skreddersydd for effektivt å utføre en spesifikk oppgave eller rekke oppgaver. De har ikke allsidigheten til konvensjonelle mikrokretser, men de løser oppgavene som er tildelt dem mange ganger raskere, noen ganger i størrelsesordener.
Oppretting av mikrokretser med rekonfigurerbar arkitektur. Tanken er at slike brikker kommer til utvikleren eller programvarebrukeren i en uprogrammert tilstand, og han kan implementere den arkitekturen som passer ham best på dem. La oss se nærmere på dannelsesprosessen deres.

Over tid dukket det opp et stort antall forskjellige brikker med rekonfigurerbar arkitektur (fig. 1).

Fig. 1 Variasjon av brikker med rekonfigurerbar arkitektur

I ganske lang tid eksisterte bare PLD-enheter (Programmable Logic Device) på markedet. Denne klassen inkluderer enheter som implementerer funksjonene som er nødvendige for å løse de tildelte problemene i form av en perfekt disjunktiv normal form(perfekt DNF). De første som dukket opp i 1970 var EEPROM-brikker, som spesifikt tilhører klassen PLD-enheter. Hver krets hadde en fast rekke AND-logiske funksjoner koblet til et programmerbart sett med ELLER-logiske funksjoner. Tenk for eksempel på en PROM med 3 innganger (a, b og c) og 3 utganger (w, x og y) (fig. 2).

Ris. 2. PROM-brikke

Ved å bruke en forhåndsdefinert AND-matrise implementeres alle mulige konjunksjoner over inngangsvariabler, som deretter kan kombineres vilkårlig ved hjelp av OR-elementer. Dermed kan du ved utgangen implementere hvilken som helst funksjon av tre variabler i form av en perfekt DNF. For eksempel, hvis du programmerer de ELLER-elementene som er ringt inn med rødt i figur 2, vil utgangene produsere funksjonene w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

I utgangspunktet var PROM-brikker ment å lagre programinstruksjoner og konstante verdier, dvs. for å utføre datamaskinens minnefunksjoner. Utviklere bruker dem imidlertid også til å implementere enkle logiske funksjoner. Faktisk kan brikkens PROM brukes til å implementere enhver logisk blokk, forutsatt at den har et lite antall innganger. Denne betingelsen følger av det faktum at i EEPROM-mikrokretser er matrisen av OG-elementer strengt definert - alle mulige konjunksjoner fra inngangene er implementert i den, det vil si at antallet OG-elementer er lik 2 * 2 n, hvor n er antall innganger. Det er klart at når tallet n øker, vokser størrelsen på matrisen veldig raskt.

Deretter, i 1975, dukket de såkalte programmerbare logiske arrayene (PLMs) opp. De er en fortsettelse av ideen om PROM-er for mikrokretser - PLM-er består også av AND- og OR-matriser, men i motsetning til PROM-er er begge matrisene programmerbare. Dette gir større fleksibilitet for slike brikker, men de har aldri vært vanlige fordi signaler tar mye lengre tid å reise gjennom programmerbare forbindelser enn gjennom deres forhåndsdefinerte motparter.

For å løse hastighetsproblemet som ligger i PLM-er, dukket det opp en ytterligere klasse enheter kalt programmerbar array-logikk (PAL) på slutten av 1970-tallet. En videreutvikling av ideen om PAL-brikker var fremveksten av GAL-enheter (Generic Array Logic) - mer komplekse varianter av PAL som bruker CMOS-transistorer. Ideen som brukes her er nøyaktig det motsatte av ideen om PROM-brikker - en programmerbar rekke AND-elementer er koblet til en forhåndsdefinert rekke OR-elementer (fig. 3).

Ris. 3. Uprogrammert PAL-enhet

Dette pålegger en begrensning på funksjonalitet, men slike enheter krever betydelig mindre arrays enn i EPROM-brikker.

En logisk fortsettelse av enkle PLD-er var fremveksten av såkalte komplekse PLD-er, bestående av flere blokker med enkle PLD-er (vanligvis PAL-enheter brukes som enkle PLD-er), forent av en programmerbar svitsjematrise. I tillegg til selve PLD-blokkene var det også mulig å programmere forbindelsene mellom dem ved hjelp av denne brytermatrisen. De første komplekse PLD-ene dukket opp på slutten av 70-tallet og begynnelsen av 80-tallet av det 20. århundre, men hovedutviklingen av dette området skjedde i 1984, da Altera introduserte en kompleks PLD basert på en kombinasjon av CMOS- og EPROM-teknologier.

Fremkomsten av FPGA

På begynnelsen av 1980-tallet, i det digitale ASIC-miljøet, åpnet det seg et gap mellom hovedtypene enheter. På den ene siden var det PLD-er, som kan programmeres for hver spesifikke oppgave og er ganske enkle å produsere, men de kan ikke brukes til å implementere komplekse funksjoner. På den annen side er det ASIC-er som kan implementere ekstremt komplekse funksjoner, men som har en stivt fast arkitektur og er tidkrevende og kostbare å produsere. En mellomkobling var nødvendig, og FPGA-enheter (Field Programmable Gate Arrays) ble en slik kobling.

FPGA-er, som PLD-er, er programmerbare enheter. Den viktigste grunnleggende forskjellen mellom FPGA og PLD er at funksjoner i FPGA implementeres ikke ved hjelp av DNF, men ved bruk av programmerbare oppslagstabeller (LUT). I disse tabellene er funksjonsverdiene spesifisert ved hjelp av en sannhetstabell, hvorfra det nødvendige resultatet velges ved hjelp av en multiplekser (fig. 4):

Ris. 4. Korrespondansetabell

Hver FPGA-enhet består av programmerbare logiske blokker (Configurable Logic Blocks - CLBs), som er sammenkoblet av tilkoblinger som også er programmerbare. Hver slik blokk er ment for programmering av en bestemt funksjon eller del av den, men kan brukes til andre formål, for eksempel som minne.

I de første FPGA-enhetene, utviklet på midten av 80-tallet, var den logiske blokken veldig enkel og inneholdt en 3-inngang LUT, en flip-flop og et lite antall hjelpeelementer. Moderne FPGA-enheter er mye mer komplekse: hver CLB-blokk består av 1-4 "skiver", som hver inneholder flere LUT-tabeller (vanligvis 6-innganger), flere triggere og et stort antall tjenesteelementer. Her er et eksempel på en moderne "slice":

Ris. 5. Enheten til en moderne "cut"

Konklusjon

Siden PLD-enheter ikke kan implementere komplekse funksjoner, fortsetter de å brukes til å implementere enkle funksjoner i mobile enheter og kommunikasjon, mens FPGA-enheter varierer fra 1000 portstørrelser (den første FPGAen utviklet i 1985) dette øyeblikket overskredet grensen på 10 millioner gate (Virtex-6-familien). De utvikler aktivt og erstatter allerede ASIC-brikker, noe som tillater implementering av en rekke ekstremt komplekse funksjoner uten å miste muligheten til å omprogrammere.

Nå, enda mer eller mindre avansert Mobil kan ikke klare seg uten en mikroprosessor, enn si nettbrett, bærbare og stasjonære personlige datamaskiner. Hva er en mikroprosessor og hvordan utviklet historien til dens opprettelse? For å si det enkelt, er en mikroprosessor en mer kompleks og multifunksjonell integrert krets.

Historien til mikrokretsen (integrert krets) begynner siden 1958, da en ansatt i det amerikanske selskapet Texas Instruments, Jack Kilby, oppfant en viss halvlederenhet som inneholder flere transistorer i ett tilfelle, forbundet med ledere. Den første mikrokretsen - mikroprosessorens stamfar - inneholdt bare 6 transistorer og var en tynn plate av germanium med spor laget av gull påført. Alt dette var plassert på et glasssubstrat. Til sammenligning er det i dag enheter og til og med titalls millioner halvlederelementer.

Innen 1970 ganske mange produsenter var engasjert i utvikling og etablering av integrerte kretser med forskjellige kapasiteter og forskjellige funksjonsområder. Men dette året kan betraktes som fødselsdatoen til den første mikroprosessoren. Det var i år at Intel skapte en minnebrikke med en kapasitet på kun 1 Kbit – ubetydelig for moderne prosessorer, men utrolig stor for den tiden. På den tiden var dette en stor prestasjon - minnebrikken var i stand til å lagre opptil 128 byte med informasjon - mye høyere enn tilsvarende analoger. I tillegg, omtrent på samme tid, bestilte den japanske kalkulatorprodusenten Busicom de samme Intel 12-mikrokretsene med forskjellige funksjonsområder. Intel-spesialister klarte å implementere alle de 12 funksjonsområdene i én brikke. Dessuten viste den opprettede mikrokretsen seg å være multifunksjonell, siden den gjorde det mulig å programmere endre funksjonene uten å endre den fysiske strukturen. Mikrokretsen utførte visse funksjoner avhengig av kommandoene som ble sendt til kontrollpinnene.

Innen ett år i 1971 Intel slipper den første 4-bits mikroprosessoren, kodenavnet 4004. Sammenlignet med den første mikrokretsen med 6 transistorer, inneholdt den så mange som 2,3 tusen halvlederelementer og utførte 60 tusen operasjoner per sekund. På den tiden var dette et stort gjennombrudd innen mikroelektronikk. 4-bit betydde at 4004 kunne behandle 4-bits data på en gang. Om to år til i 1973 Selskapet produserer en 8-bits prosessor 8008, som allerede jobbet med 8-bits data. Begynnelse siden 1976, begynner selskapet å utvikle en 16-bits versjon av mikroprosessoren 8086. Det var han som begynte å bli brukt i de første IBM personlige datamaskiner og faktisk la en av byggesteinene i

Analoge og digitale mikrokretser produseres i serie. En serie er en gruppe mikrokretser som har en enkelt design og teknologisk design og er beregnet for felles bruk. Mikrokretser av samme serie har som regel de samme strømforsyningsspenningene og er tilpasset når det gjelder inngangs- og utgangsmotstander og signalnivåer.

Boliger

Mikrokretser er tilgjengelige i to designalternativer - pakket og ukapslet.

Mikrokretshuset er et støttesystem og en del av strukturen designet for å beskytte mot ytre påvirkninger og for elektrisk tilkobling med eksterne kretser gjennom pinner. Sakene er standardisert for å forenkle produksjonsteknologien til ferdige produkter.

En pakkeløs mikrokrets er en halvlederkrystall beregnet for installasjon i en hybrid mikrokrets eller mikroenhet (direkte montering på et trykt kretskort er mulig).

Spesifikke navn

Intel var den første som produserte en brikke som utførte funksjonene til en mikroprosessor (engelsk mikroprosessor) - Intel 4004. Basert på de forbedrede mikroprosessorene 8088 og 8086, ga IBM ut sine berømte personlige datamaskiner)

Mikroprosessoren utgjør kjernen i datamaskinen; tilleggsfunksjoner, som kommunikasjon med periferiutstyr, ble utført ved hjelp av spesialdesignede brikkesett (brikkesett). For de første datamaskinene var antallet mikrokretser i sett i titalls og hundrevis, i moderne systemer Dette er et sett med en, to eller tre mikrokretser. I det siste har det vært en tendens til gradvis å overføre brikkesettfunksjoner (minnekontroller, PSI Express busskontroller) til prosessoren.

Mikroprosessorer med innebygd RAM og ROM, minne- og I/O-kontrollere og andre tilleggsfunksjoner kalles mikrokontrollere.

Rettsvern

Russisk lovgivning gir juridisk beskyttelse til integrerte kretstopologier. Topologi integrert krets er det romlig-geometriske arrangementet av settet med elementer i en integrert krets og forbindelsene mellom dem registrert på et materiell medium (artikkel 1448 i den russiske føderasjonens sivilkode).

Eneretten til topologien er gyldig i ti år. I løpet av denne perioden kan rettighetshaveren, etter eget skjønn, registrere topologien hos Federal Service for Intellectual Property, Patents and Trademarks.

skapelseshistorie

Den 7. mai 1952 foreslo den britiske radioingeniøren Geoffrey Dummer først ideen om å integrere flere standard elektroniske komponenter i en monolitisk halvlederbrikke, og et år senere sendte Harwick Johnson inn den første patentsøknaden noensinne for en prototype integrert krets (IC) . Gjennomføringen av disse forslagene i disse årene kunne ikke finne sted på grunn av utilstrekkelig utvikling av teknologi.

På slutten av 1958 og i første halvdel av 1959 skjedde et gjennombrudd i halvlederindustrien. Tre menn, som representerte tre private amerikanske selskaper, løste tre grunnleggende problemer som hindret opprettelsen av integrerte kretser. Jack Kilby fra Texas Instruments patenterte integrasjonsprinsippet, skapte de første, ufullkomne prototypene av IC og brakte dem til masseproduksjon. Kurt Legowec fra Sprague Electric Company oppfant en metode for elektrisk isolering av komponenter dannet på en enkelt halvlederbrikke (p-n junction isolation). Robert Noyce fra Fairchild Semiconductor oppfant en metode for elektrisk sammenkobling av IC-komponenter (aluminiummetallisering) og foreslo en forbedret versjon av komponentisolasjon basert på den nyeste planteknologien til Jean Erny. Den 27. september 1960 opprettet Jay Lasts gruppe den første brukbare halvleder IP basert på ideene til Noyce og Ernie. Texas Instruments, som eide patentet for Kilbys oppfinnelse, startet en patentkrig mot sine konkurrenter, som endte i 1966 med en forliksavtale om krysslisensieringsteknologier.

Tidlige logiske IC-er i den nevnte serien ble bokstavelig talt bygget fra standard komponenter, hvis størrelser og konfigurasjoner ble spesifisert av den teknologiske prosessen. Kretsdesignere som designet logiske IC-er fra en bestemt familie opererte med de samme standard diodene og transistorene. I 1961-1962 brøt den ledende Sylvania-utvikleren Tom Longo designparadigmet ved å bruke det for første gang i en enkelt IC. diverse konfigurasjoner av transistorer avhengig av deres funksjoner i kretsen. På slutten av 1962 ga Sylvania ut den første familien av transistor-transistor-logikk (TTL) utviklet av Longo – historisk sett den første typen integrert logikk som klarte å få et langsiktig fotfeste i markedet. I analoge kretser ble et gjennombrudd av dette nivået gjort i 1964-1965 av Fairchild operasjonsforsterkerdesigner Bob Widlar.

Den første integrerte halvlederkretsen i USSR ble opprettet på grunnlag av planteknologi utviklet tidlig i 1960 ved NII-35 (den gang omdøpt til Pulsar Research Institute) av et team som senere ble overført til NIIME (Mikron). Opprettelsen av den første innenlandske integrerte silisiumkretsen var konsentrert om utvikling og produksjon med militær aksept av TC-100-serien med integrerte silisiumkretser (37 elementer - tilsvarende kretskompleksiteten til en flip-flop, en analog av den amerikanske SN-51-serien IC fra Texas Instruments). Prototypeprøver og produksjonsprøver av integrerte silisiumkretser for reproduksjon ble hentet fra USA. Arbeidet ble utført ved NII-35 (direktør Trutko) og Fryazino Semiconductor Plant (direktør Kolmogorov) for en forsvarsordre for bruk i en autonom høydemåler for et ballistisk missilstyringssystem. Utviklingen inkluderte seks standard integrerte silisiumplankretser i TS-100-serien, og, med organisering av pilotproduksjon, tok tre år ved NII-35 (fra 1962 til 1965). Det tok ytterligere to år å utvikle fabrikkproduksjon med militær aksept i Fryazino (1967)

Første integrerte kretser

Dedikert til 50-årsjubileet for den offisielle datoen

B. Malasjevitsj

Den 12. september 1958 demonstrerte Texas Instruments (TI)-ansatt Jack Kilby for ledelsen tre merkelige enheter – enheter laget av to silisiumstykker på 11,1 x 1,6 mm limt sammen med bivoks på et glassunderlag (fig. 1). Dette var tredimensjonale mock-ups - prototyper av en integrert krets (IC) av generatoren, som beviser muligheten for å produsere alle kretselementer basert på ett halvledermateriale. Denne datoen feires i elektronikkens historie som fødselsdagen til integrerte kretser. Men er det det?

Ris. 1. Layout av første IP av J. Kilby. Bilde fra nettstedet http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

På slutten av 1950-tallet hadde teknologien for å sette sammen elektronisk utstyr (REA) fra diskrete elementer uttømt sine evner. Verden hadde kommet til en akutt REA-krise; radikale tiltak var påkrevd. På dette tidspunktet var integrerte teknologier for produksjon av både halvlederenheter og tykkfilm- og tynnfilmkeramiske kretskort allerede blitt industrielt mestret i USA og USSR, det vil si at forutsetningene var modne for å overvinne denne krisen ved å lage multielement standard produkter - integrerte kretser.

Integrerte kretser (brikker, IC-er) inkluderer elektroniske enheter av varierende kompleksitet, der alle lignende elementer produseres samtidig i en enkelt teknologisk syklus, dvs. ved hjelp av integrert teknologi. I motsetning til trykte kretskort (der alle koblingsledere er produsert samtidig i en enkelt syklus ved bruk av integrert teknologi), er motstander, kondensatorer og (i halvleder-IC-er) dioder og transistorer på samme måte dannet i IC-er. I tillegg produseres mange IC-er samtidig, fra titalls til tusenvis.

IC-er utvikles og produseres av industrien i form av serier, som kombinerer en rekke mikrokretser for ulike funksjonelle formål, beregnet for felles bruk i elektronisk utstyr. Serien IC-er har en standard design og et enhetlig system av elektriske og andre egenskaper. IC-er leveres av produsenten til ulike forbrukere som uavhengige kommersielle produkter som oppfyller et visst system med standardiserte krav. IC-er er ikke-reparerbare produkter; ved reparasjon av elektronisk utstyr erstattes mislykkede IC-er.

Det er to hovedgrupper av ICer: hybrid og halvleder.

I hybride IC-er (HIC-er) er alle ledere og passive elementer dannet på overflaten av et mikrokretssubstrat (vanligvis keramisk) ved bruk av integrert teknologi. Aktive elementer i form av pakkeløse dioder, transistorer og halvleder-IC-krystaller installeres på underlaget individuelt, manuelt eller automatisk.

I halvleder-ICer dannes koblende, passive og aktive elementer i en enkelt teknologisk syklus på overflaten av et halvledermateriale (vanligvis silisium) med delvis invasjon av volumet ved bruk av diffusjonsmetoder. På samme tid, på en halvlederwafer, avhengig av kompleksiteten til enheten og størrelsen på dens krystall og wafer, produseres fra flere titalls til flere tusen IC-er. Industrien produserer halvleder-ICer i standardpakker, i form av individuelle brikker eller i form av udelte wafere.

Introduksjonen av hybrid (GIS) og halvleder-ICer til verden skjedde på forskjellige måter. GIS er et produkt av den evolusjonære utviklingen av mikromoduler og keramisk platemonteringsteknologi. Derfor virket de ubemerket; det er ingen generelt akseptert fødselsdato for GIS og ingen generelt anerkjent forfatter. Halvleder-ICer var et naturlig og uunngåelig resultat av utviklingen av halvlederteknologi, men de krevde generering av nye ideer og etablering av ny teknologi, som har sine egne fødselsdatoer og sine egne forfattere. De første hybrid- og halvleder-IC-ene dukket opp i USSR og USA nesten samtidig og uavhengig av hverandre.

De første hybride IC-ene

Hybride IC-er inkluderer IC-er, hvis produksjon kombinerer den integrerte teknologien for produksjon av passive elementer med individuell (manuell eller automatisert) teknologi for installasjon og montering av aktive elementer.

Tilbake på slutten av 1940-tallet utviklet Centralab-selskapet i USA de grunnleggende prinsippene for produksjon av tykkfilm-keramikkbaserte trykte kretskort, som deretter ble utviklet av andre selskaper. Grunnlaget var produksjonsteknologien til trykte kretskort og keramiske kondensatorer. Fra trykte kretskort tok vi en integrert teknologi for å danne topologien til koblingsledere - silketrykk. Fra kondensatorer - substratmaterialet (keramikk, ofte sital), samt materialene til pastaene og den termiske teknologien for deres fiksering på underlaget.

Og på begynnelsen av 1950-tallet oppfant RCA-selskapet tynnfilmteknologi: ved å spraye forskjellige materialer i et vakuum og deponere dem gjennom en maske på spesielle underlag, lærte de hvordan de samtidig produsere mange miniatyrfilm som forbinder ledere, motstander og kondensatorer på en enkelt keramisk underlag.

Sammenlignet med tykkfilmteknologi ga tynnfilmteknologi muligheten for mer presis produksjon av topologielementer i mindre størrelse, men krevde mer komplekst og kostbart utstyr. Enheter produsert på keramiske kretskort ved bruk av tykkfilm- eller tynnfilmteknologi kalles "hybridkretser". Hybridkretser ble produsert som komponenter av produkter av egen produksjon; hver produsent hadde sin egen design, dimensjoner og funksjonelle formål; de kom ikke inn på det frie markedet, og er derfor lite kjent.

Hybridkretser har også invadert mikromoduler. Til å begynne med brukte de diskrete passive og aktive miniatyrelementer, forent av tradisjonelle trykte ledninger. Monteringsteknologien var kompleks, med en stor andel manuelt arbeid. Derfor var mikromoduler svært kostbare, og bruken var begrenset til utstyr om bord. Deretter ble det brukt tykkfilm miniatyr keramiske skjerf. Deretter begynte motstander å bli produsert ved hjelp av tykkfilmteknologi. Men diodene og transistorene som ble brukt var fortsatt diskrete, individuelt pakket.

Mikromodulen ble en hybrid integrert krets i det øyeblikket uemballerte transistorer og dioder ble brukt i den og strukturen ble forseglet i et felles hus. Dette gjorde det mulig å automatisere monteringsprosessen betydelig, redusere prisene kraftig og utvide anvendelsesområdet. Basert på metoden for å danne passive elementer, skilles tykkfilm og tynnfilm GIS.

Den første GIS i USSR

De første GIS-modulene (moduler av typen "Kvant", senere betegnet IS-serien 116) i USSR ble utviklet i 1963 ved NIIRE (senere NPO Leninets, Leningrad) og samme år begynte pilotanlegget deres serieproduksjon. I disse GIS-ene ble halvleder-IC-er "R12-2", utviklet i 1962 av Riga Semiconductor Devices Plant, brukt som aktive elementer. På grunn av uløseligheten til historiene om opprettelsen av disse IC-ene og deres egenskaper, vil vi vurdere dem sammen i avsnittet viet til P12-2.

Kvant-modulene var utvilsomt de første i GIS-verdenen med to-nivå integrasjon - de brukte halvleder-ICer i stedet for diskrete pakket transistorer som aktive elementer. Det er sannsynlig at de også var de første i GIS-verdenen - strukturelt og funksjonelt komplette multielementprodukter, levert til forbrukeren som et uavhengig kommersielt produkt. De tidligste utenlandske lignende produktene identifisert av forfatteren er IBM Corporation SLT-modulene beskrevet nedenfor, men de ble annonsert året etter, 1964.

Den første GIS i USA

Utseendet til tykkfilm-GIS som hovedelementbasen til den nye IBM System /360-datamaskinen ble først annonsert av IBM i 1964. Det ser ut til at dette var den første bruken av GIS utenfor Sovjetunionen; forfatteren klarte ikke å finne tidligere eksempler .

Allerede kjent på den tiden i spesialistkretser, var halvleder IC-serien "Micrologic" fra Fairchild og "SN-51" fra TI (vi vil snakke om dem nedenfor) fortsatt utilgjengelig sjeldne og uoverkommelig dyre for kommersielle applikasjoner, som konstruksjon av en stor datamaskin. Derfor utviklet IBM-selskapet, med utformingen av en flat mikromodul som grunnlag, sin serie med tykkfilm-GIS, annonsert under det generelle navnet (i motsetning til "mikromoduler") - "SLT-moduler" (Solid Logic Technology - solid logisk teknologi. Vanligvis er ordet "solid" oversatt til russisk som "solid", noe som er helt ulogisk. Begrepet "SLT-moduler" ble faktisk introdusert av IBM i motsetning til begrepet "mikromodul" og burde gjenspeile forskjellen deres. Men begge deler moduler er "solid", dvs. denne oversettelsen er ikke Ordet "solid" har andre betydninger - "solid", "hele", som med hell understreker forskjellen mellom "SLT-moduler" og "mikromoduler" - SLT-moduler er udelelige, kan ikke repareres, det vil si "helt." Vi brukte ikke den generelt aksepterte oversettelsen til russisk: Solid Logic Technology - teknologi for solid logikk).

SLT-modulen var en halv-tommers firkantet keramisk tykkfilm-mikroplate med innpressede vertikale pinner. Koblingsledere og motstander ble påført overflaten ved hjelp av silketrykk (i henhold til diagrammet over enheten som ble implementert), og uemballerte transistorer ble installert. Kondensatorer, om nødvendig, ble installert ved siden av SLT-modulen på enhetskortet. Mens utvendig nesten identiske (mikromoduler er litt høyere, fig. 2.), skilte SLT-moduler seg fra flate mikromoduler i deres høyere tetthet av elementer, lavt strømforbruk, høy ytelse og høy pålitelighet. I tillegg var SLT-teknologien ganske enkel å automatisere, derfor kunne de produseres i store mengder til en pris lav nok for bruk i kommersielt utstyr. Dette er akkurat det IBM trengte. Selskapet bygget et automatisert anlegg i East Fishkill nær New York for produksjon av SLT-moduler, som produserte dem i millioner av eksemplarer.

Ris. 2. USSR mikromodul og SLT-modul f. IBM. Foto STL fra nettstedet http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum/pictures/display/3-1.htm

Etter IBM begynte andre selskaper å produsere GIS, som GIS ble et kommersielt produkt for. Standarddesignet til flate mikromoduler og SLT-moduler fra IBM har blitt en av standardene for hybride ICer.

De første halvleder-IC-ene

På slutten av 1950-tallet hadde industrien alle muligheter til å produsere billige deler av elektronisk utstyr. Men hvis transistorer eller dioder var laget av germanium og silisium, ble motstander og kondensatorer laget av andre materialer. Mange trodde da at når man lager hybridkretser, ville det ikke være noen problemer med å sette sammen disse elementene, produsert separat. Og hvis det er mulig å produsere alle elementene i en standard størrelse og form og dermed automatisere monteringsprosessen, vil kostnadene for utstyret bli betydelig redusert. Basert på slike resonnement betraktet tilhengere av hybridteknologi det som den generelle retningen for utvikling av mikroelektronikk.

Men ikke alle delte denne oppfatningen. Faktum er at mesa-transistorer, og spesielt plane transistorer, allerede opprettet i den perioden, ble tilpasset for gruppebehandling, der en rekke operasjoner for fremstilling av mange transistorer på en substratplate ble utført samtidig. Det vil si at mange transistorer ble produsert på en halvlederplate på en gang. Deretter ble platen kuttet i individuelle transistorer, som ble plassert i individuelle tilfeller. Og så kombinerte utstyrsprodusenten transistorene på én kretskort. Det var folk som syntes denne tilnærmingen var latterlig - hvorfor skille transistorene og deretter koble dem til igjen. Er det mulig å kombinere dem umiddelbart på en halvlederwafer? Bli kvitt flere komplekse og dyre operasjoner samtidig! Disse menneskene kom opp med halvleder-ICer.

Ideen er ekstremt enkel og helt åpenbar. Men, som ofte skjer, først etter at noen først annonserte det og beviste det. Han beviste at bare å kunngjøre det ofte, som i dette tilfellet, ikke er nok. Ideen om en IC ble kunngjort tilbake i 1952, før bruken av gruppemetoder for produksjon av halvlederenheter. På årlig konferanse om elektroniske komponenter, holdt i Washington, presenterte en ansatt ved British Royal Radar Office i Malvern, Jeffrey Dummer, en rapport om påliteligheten til radarutstyrskomponenter. I rapporten kom han med en profetisk uttalelse: " Med fremkomsten av transistoren og arbeid innen halvlederteknologi, er det generelt mulig å forestille seg elektronisk utstyr i form av en solid blokk som ikke inneholder noen forbindelsesledninger. Enheten kan bestå av lag med isolerende, ledende, rettende og forsterkende materialer hvor visse områder er kuttet ut slik at de direkte kan utføre elektriske funksjoner.». Men denne prognosen gikk upåaktet hen av eksperter. De husket det først etter utseendet til de første halvleder-IC-ene, det vil si etter det praktiske beviset på en lenge publisert idé. Noen måtte være den første til å gjenoppfinne og implementere halvleder-IC-ideen.

Som i tilfellet med transistoren, hadde de generelt anerkjente skaperne av halvleder-ICer mer eller mindre vellykkede forgjengere. Dammer selv gjorde et forsøk på å realisere ideen sin i 1956, men mislyktes. I 1953 mottok Harvick Johnson fra RCA patent på en enkeltbrikkeoscillator, og i 1958 kunngjorde han, sammen med Torkel Wallmark, konseptet med en "halvlederintegrert enhet." I 1956 produserte Bell Labs-ansatt Ross en binær tellerkrets basert på n-p-n-p basis strukturer i en enkelt krystall. I 1957 fikk Yasuro Taru fra det japanske selskapet MITI patent på å kombinere ulike transistorer i en krystall. Men alle disse og andre lignende utviklinger var av privat karakter, ble ikke brakt til produksjon og ble ikke grunnlaget for utviklingen av integrert elektronikk. Kun tre prosjekter bidro til utviklingen av IP i industriell produksjon.

De heldige var de allerede nevnte Jack Kilby fra Texas Instruments (TI), Robert Noyce fra Fairchild (begge fra USA) og Yuri Valentinovich Osokin fra designbyrået til Riga Semiconductor Device Plant (USSR). Amerikanerne laget eksperimentelle prøver av integrerte kretser: J. Kilby - en prototype av en IC-generator (1958), og deretter en trigger på mesa-transistorer (1961), R. Noyce - en trigger ved bruk av planteknologi (1961), og Yu. Osokin - den logiske IC "2NOT-OR" gikk umiddelbart i masseproduksjon i Tyskland (1962). Disse selskapene begynte serieproduksjon av IP nesten samtidig, i 1962.

Første halvleder-IC-er i USA

IP av Jack Kilby. IS-serien SN - 51"

I 1958 ble J. Kilby (en pioner innen bruk av transistorer i Høreapparat) flyttet til Texas Instruments. Nykommeren Kilby, som kretsdesigner, ble "kastet" inn i å forbedre den mikromodulære fyllingen av raketter ved å lage et alternativ til mikromoduler. Muligheten for å sette sammen blokker fra deler ble vurdert standard skjema, som ligner på å sette sammen leketøysmodeller fra LEGO-figurer. Kilby var imidlertid fascinert av noe annet. Den avgjørende rollen ble spilt av effekten av et "frisk utseende": For det første uttalte han umiddelbart at mikromoduler er en blindvei, og for det andre, etter å ha beundret mesa-strukturene, kom han til ideen om at kretsen burde (og kan) være implementert fra ett materiale - en halvleder. Kilby visste om Dummers idé og hans mislykkede forsøk på å implementere den i 1956. Etter å ha analysert, forsto han årsaken til feilen og fant en måte å overvinne den. " Min ære er at jeg tok denne ideen og gjorde den til virkelighet.”, sa J. Kilby senere i sin Nobeltale.

Etter å ikke ha opptjent rett til permisjon ennå, jobbet han i laboratoriet uten innblanding mens alle hvilte. Den 24. juli 1958 formulerte Kilby et konsept i et laboratorietidsskrift kalt Monolithic Idea. Essensen var at ". ..kretselementer som motstander, kondensatorer, distribuerte kondensatorer og transistorer kan integreres i en enkelt brikke - forutsatt at de er laget av samme materiale... I en flip-flop-kretsdesign må alle elementer være laget av silisium, med motstander, bruk volummotstanden til silisium, og kondensatorer - kapasitansen til p-n-kryss". "Monolitt-ideen" møtte en nedlatende og ironisk holdning fra ledelsen til Texas Instruments, som krevde bevis på muligheten for å produsere transistorer, motstander og kondensatorer fra en halvleder og driften til en krets satt sammen av slike elementer.

I september 1958 realiserte Kilby ideen sin – han laget en generator av to stykker germanium på 11,1 x 1,6 mm, limt sammen med bivoks på et glasssubstrat, inneholdende to typer diffusjonsområder (fig. 1). Han brukte disse områdene og de eksisterende kontaktene til å lage en generatorkrets, og koblet elementene med tynne gulltråder med en diameter på 100 mikron ved hjelp av termokompresjonssveising. En mesatransistor ble opprettet fra ett område, og en RC-krets ble opprettet fra det andre. De sammensatte tre generatorene ble demonstrert for bedriftsledelsen. Da strømmen ble koblet til begynte de å jobbe med en frekvens på 1,3 MHz. Dette skjedde 12. september 1958. En uke senere laget Kilby en forsterker på lignende måte. Men disse var ennå ikke integrerte strukturer, disse var tredimensjonale modeller av halvleder-ICer, som beviser ideen om å produsere alle kretselementer fra ett materiale - en halvleder.

Ris. 3. Trigger Type 502 J. Kilby. Bilde fra nettstedet http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

Kilbys første virkelig integrerte krets, laget i et enkelt stykke monolitisk germanium, var den eksperimentelle Type 502 trigger IC (fig. 3). Den brukte både volummotstanden til germanium og kapasitansen til p-n-krysset. Presentasjonen fant sted i mars 1959. Et lite antall slike IC-er ble produsert i laboratorieforhold og solgt til en liten krets for $450. IC-en inneholdt seks elementer: fire mesa-transistorer og to motstander, plassert på en silisiumplate med en diameter på 1 cm. Men Kilbys IC hadde en alvorlig ulempe - mesa-transistorer, som i form av mikroskopiske "aktive" kolonner ruvet over resten , "passiv" del av krystallen. Koblingen av mesa-søyler til hverandre i Kilby IS ble utført ved å koke tynne gulltråder - den "hårete teknologien" hatet av alle. Det ble klart at med slike sammenkoblinger ikke kan lages en mikrokrets med et stort antall elementer - ledningsnettet vil bryte eller koble til igjen. Og germanium på den tiden ble allerede ansett som et ikke-lovende materiale. Det ble ikke noe gjennombrudd.

På dette tidspunktet hadde Fairchild utviklet plan silisiumteknologi. Gitt alt dette måtte Texas Instruments legge alt Kilby hadde gjort til side og begynne, uten Kilby, å utvikle en serie IC-er basert på plan silisiumteknologi. I oktober 1961 kunngjorde selskapet opprettelsen av en serie IC-er av typen SN-51, og i 1962 begynte det masseproduksjon og leveranser i interessene til det amerikanske forsvarsdepartementet og NASA.

IP av Robert Noyce. IS-serienMikrologikk”

I 1957, av flere grunner, forlot W. Shockley, oppfinneren av plantransistoren, en gruppe på åtte unge ingeniører som ønsket å prøve å implementere sine egne ideer. «De åtte forræderne», som Shockley kalte dem, hvis ledere var R. Noyce og G. Moore, grunnla selskapet Fairchild Semiconductor («vakkert barn»). Selskapet ble ledet av Robert Noyce, han var da 23 år gammel.

På slutten av 1958 utviklet fysiker D. Horney, som jobbet ved Fairchild Semiconductor, planteknologi for produksjon av transistorer. Og den tsjekkiskfødte fysikeren Kurt Lehovec, som jobbet hos Sprague Electric, utviklet en teknikk for å bruke et omvendt koblet n-p-kryss for å isolere komponenter elektrisk. I 1959 bestemte Robert Noyce, etter å ha hørt om Kilbys IC-design, å prøve å lage en integrert krets ved å kombinere prosessene foreslått av Horney og Lehovec. Og i stedet for "hårete teknologi" av sammenkoblinger, foreslo Noyce selektiv avsetning av et tynt lag av metall på toppen av silisiumdioksyd-isolerte halvlederstrukturer med forbindelse til kontaktene til elementene gjennom hull igjen i det isolerende laget. Dette gjorde det mulig å "senke" de aktive elementene i halvlederkroppen, isolere dem med silisiumoksid, og deretter koble disse elementene med sputterte spor av aluminium eller gull, som er laget ved hjelp av prosessene fotolitografi, metallisering og etsing ved den siste fasen av produktproduksjonen. Dermed ble en virkelig "monolittisk" versjon av å kombinere komponenter i en enkelt krets oppnådd, og den nye teknologien ble kalt "plan". Men først måtte ideen testes.

Ris. 4. Eksperimentell utløser av R. Noyce. Bilde fra nettstedet http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

Ris. 5. Bilde av Micrologic IC i magasinet Life. Bilde fra nettstedet http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

I august 1959 ga R. Noyce Joy Last i oppdrag å utvikle en versjon av IC basert på planteknologi. Først, i likhet med Kilby, laget de en prototype av en trigger på flere silisiumkrystaller, hvor det ble laget 4 transistorer og 5 motstander. Så, 26. mai 1960, ble den første enkeltbrikke-utløseren produsert. For å isolere elementene i den med motsatt side Silisiumplaten ble etset med dype riller fylt med epoksyharpiks. Den 27. september 1960 ble en tredje versjon av avtrekkeren produsert (fig. 4), der elementene ble isolert av et omvendt koblet p-n-kryss.

Inntil den tiden var Fairchild Semiconductor bare involvert i transistorer; den hadde ikke kretsdesignere for å lage halvleder-ICer. Derfor ble Robert Norman fra Sperry Gyroscope invitert som kretsdesigner. Norman var kjent med resistor-transistor-logikk, som selskapet, etter hans forslag, valgte som grunnlag for sin fremtidige "Micrologic"-serie med IC-er, som fant sin første anvendelse i utstyret til Minuteman-raketten. I mars 1961 kunngjorde Fairchild den første eksperimentelle IC i denne serien (F-flip-flop som inneholder seks elementer: fire bipolare transistorer og to motstander plassert på en plate med en diameter på 1 cm) med publisering av fotografiet (fig. 5) ) i bladet Liv(datert 10. mars 1961). Ytterligere 5 IP-er ble annonsert i oktober. Og fra begynnelsen av 1962 lanserte Fairchild masseproduksjon av IC-er og deres forsyning også i interessen til det amerikanske forsvarsdepartementet og NASA.

Kilby og Noyce måtte lytte til mye kritikk om innovasjonene deres. Det ble antatt at det praktiske utbyttet av passende integrerte kretser ville være svært lavt. Det er klart at den bør være lavere enn for transistorer (siden den inneholder flere transistorer), som den da ikke var høyere enn 15%. For det andre mente mange at upassende materialer ble brukt i integrerte kretser, siden motstander og kondensatorer ikke var laget av halvledere på den tiden. For det tredje kunne mange ikke akseptere ideen om ikke-reparerbarhet av IP. Det virket blasfemisk for dem å kaste et produkt der bare ett av mange elementer hadde feilet. All tvil ble gradvis kastet til side da integrerte kretser ble vellykket brukt i det amerikanske militæret og romfartsprogrammer.

En av grunnleggerne av Fairchild Semiconductor, G. Moore, formulerte den grunnleggende loven for utviklingen av silisiummikroelektronikk, ifølge hvilken antall transistorer i en integrert kretskrystall dobles hvert år. Denne loven, kalt "Moores lov", fungerte ganske tydelig de første 15 årene (startet i 1959), og så skjedde denne doblingen på omtrent halvannet år.

Videre begynte IP-industrien i USA å utvikle seg i et raskt tempo. I USA begynte en skredlignende prosess med fremveksten av virksomheter orientert utelukkende "for planar", noen ganger nådde det punktet at et dusin selskaper ble registrert per uke. Etterstreber veteraner (firmaene W. Shockley og R. Noyce), så vel som takket være skatteinsentiver og tjenester levert av Stanford University, samlet «nykommerne» seg hovedsakelig i Santa Clara Valley (California). Derfor er det ikke overraskende at i 1971, med den lette hånden til journalisten og popularisereren av tekniske nyvinninger Don Hofler, kom det romantisk-teknologiske bildet av "Silicon Valley" i omløp, og ble for alltid synonymt med Mekkaet til den teknologiske halvlederrevolusjonen. Forresten, i det området er det virkelig en dal som tidligere var kjent for sine tallrike aprikos-, kirsebær- og plommehager, som før Shockley-selskapet dukket opp hadde et annet, mer behagelig navn - Valley of Heart's Delight, nå, dessverre. , nesten glemt.

I 1962 begynte masseproduksjonen av integrerte kretser i USA, selv om volumet av leveranser til kunder utgjorde bare noen få tusen. Det sterkeste insentivet for utvikling av instrumentproduksjon og elektronikkindustrien på et nytt grunnlag var rakett- og romteknologi. USA hadde da ikke de samme kraftige interkontinentale ballistiske missilene som de sovjetiske, og for å øke ladningen ble de tvunget til å minimere massen til transportøren, inkludert kontrollsystemer, gjennom innføringen av de siste fremskrittene innen elektronisk teknologi. . Texas Instrument og Fairchild Semiconductor har inngått store kontrakter for design og produksjon av integrerte kretser med det amerikanske forsvarsdepartementet og NASA.

De første halvleder-IC-ene i USSR

På slutten av 1950-tallet var sovjetisk industri så desperat etter halvlederdioder og transistorer at radikale tiltak var påkrevd. I 1959 ble halvlederenhetsfabrikker grunnlagt i Aleksandrov, Bryansk, Voronezh, Riga, etc. I januar 1961 vedtok CPSU sentralkomité og USSR Ministerråd en annen resolusjon "Om utviklingen av halvlederindustrien", som sørget for bygging av fabrikker og forskningsinstitutter i Kiev, Minsk, Jerevan, Nalchik og andre byer.

Vi vil være interessert i en av de nye fabrikkene - det ovennevnte Riga Semiconductor Devices Plant (RZPP, det skiftet navn flere ganger, for enkelhets skyld bruker vi den mest kjente, som fortsatt er i drift i dag). Bygget til den samvirke tekniske skolen under bygging med et areal på 5300 m2 ble tildelt som utskytningsrampe for det nye anlegget, og samtidig startet byggingen av et spesielt bygg. I februar 1960 hadde anlegget allerede opprettet 32 tjenester, 11 laboratorier og pilotproduksjon, som begynte i april for å forberede produksjonen av de første enhetene. Anlegget sysselsatte allerede 350 personer, hvorav 260 ble sendt for å studere ved Moskva Research Institute-35 (senere Pulsar Research Institute) og Leningrad Svetlana-anlegget i løpet av året. Og ved utgangen av 1960 nådde antallet ansatte 1900 personer. I utgangspunktet lå de teknologiske linjene i den ombygde idrettshallen til samvirketeknisk skolebygg, og OKB-laboratoriene var plassert i de tidligere klasserommene. Anlegget produserte de første enhetene (legeringsdiffusjons- og koP-401, P-403, P-601 og P-602 utviklet av NII-35) 9 måneder etter at ordren om opprettelsen ble signert, i mars 1960. Og i slutten av juli produserte han de første tusen P-401-transistorene. Så mestret han produksjonen av mange andre transistorer og dioder. I juni 1961 ble byggingen av en spesiell bygning fullført, der masseproduksjon av halvlederenheter begynte.

Siden 1961 startet anlegget uavhengig teknologisk og utviklingsarbeid, inkludert mekanisering og automatisering av produksjonen av transistorer basert på fotolitografi. For dette formålet ble den første innenlandske fotorepeateren (fotostempel) utviklet - en installasjon for kombinering og kontaktfotoutskrift (utviklet av A.S. Gotman). Stor hjelp til finansiering og produksjon av unikt utstyr ble gitt av bedrifter i departementet for radioindustri, inkludert KB-1 (senere NPO Almaz, Moskva) og NIIRE. På den tiden lette de mest aktive utviklerne av radioutstyr i liten størrelse, som ikke hadde sin egen teknologiske halvlederbase, etter måter å kreativt samhandle med nyopprettede halvlederfabrikker.

Ved RZPP ble det utført aktivt arbeid for å automatisere produksjonen av germaniumtransistorer av typene P401 og P403 basert på Ausma-produksjonslinjen laget av anlegget. Dens sjefdesigner (GC) A.S. Gottman foreslo å lage strømførende baner på overflaten av germanium fra elektrodene til transistoren til periferien av krystallen for å gjøre det lettere å sveise transistorledningene i huset. Men viktigst av alt, disse sporene kunne brukes som eksterne terminaler på transistoren når de ble satt sammen til kort (som inneholdt koblingselementer og passive elementer) uten emballasje, loddet dem direkte til de tilsvarende kontaktputene (faktisk var teknologien for å lage hybride ICer foreslått). Den foreslåtte metoden, der de strømførende banene til krystallen ser ut til å kysse kontaktputene til brettet, fikk det opprinnelige navnet - "kysseteknologi". Men på grunn av en rekke teknologiske problemer som viste seg å være uløselige på den tiden, hovedsakelig relatert til problemer med nøyaktigheten av å få kontakter på et trykt kretskort, var det ikke mulig å praktisk talt implementere "kyss-teknologien". Noen år senere ble en lignende idé implementert i USA og USSR og fant bred anvendelse i såkalte "ball leads" og i "chip-to-board" teknologi.

Imidlertid håpet maskinvareselskaper som samarbeider med RZPP, inkludert NIIRE, på "kyssteknologi" og planla bruken. Våren 1962, da det ble klart at implementeringen ble utsatt på ubestemt tid, ble sjefingeniør ved NIIRE V.I. Smirnov spurte direktøren for RZPP S.A. Bergman for å finne en annen måte å implementere en multi-element 2NOR-krets, universell for å bygge digitale enheter.

Ris. 7. Ekvivalent krets av IC R12-2 (1LB021). Tegning fra 1965 IP-prospektet.

Den første IS og GIS av Yuri Osokin. Solid opplegg R12-2(IS-serien 102 Og 116 )

Direktøren for RZPP betrodde denne oppgaven til den unge ingeniøren Yuri Valentinovich Osokin. Vi organiserte en avdeling bestående av et teknologilaboratorium, et laboratorium for utvikling og produksjon av fotomasker, et målelaboratorium og en pilotproduksjonslinje. På den tiden ble teknologien for produksjon av germaniumdioder og transistorer levert til RZPP, og den ble tatt som grunnlag for den nye utviklingen. Og allerede høsten 1962 ble de første prototypene av germanium solid-kretsen 2NOT-OR oppnådd (siden begrepet IS ikke eksisterte da, av respekt for datidens anliggender, vil vi beholde navnet "hard circuit" - TS), som fikk fabrikkbetegnelsen "P12-2". Et annonsehefte fra 1965 på P12-2 har overlevd (fig. 6), informasjon og illustrasjoner som vi skal bruke. TS R12-2 inneholdt to germanium p - n - p -transistorer (modifiserte transistorer av type P401 og P403) med en felles belastning i form av en distribuert germanium p-type motstand (fig. 7).

Ris. 8. Struktur av IC R12-2. Tegning fra 1965 IP-prospektet.

Ris. 9. Målskisse av kjøretøy R12-2. Tegning fra 1965 IP-prospektet.

Eksterne ledninger dannes ved termokompresjonssveising mellom germaniumområdene i TC-strukturen og gullet til blylederne. Dette sikrer stabil drift av kretsene under ytre påvirkning i tropiske og sjøtåkeforhold, noe som er spesielt viktig for drift i marine kvasi-elektroniske automatiske telefonsentraler produsert av Riga VEF-anlegget, som også var interessert i denne utviklingen.

Strukturelt ble R12-2 TS (og den påfølgende R12-5) laget i form av en "nettbrett" (fig. 9) fra en rund metallkopp med en diameter på 3 mm og en høyde på 0,8 mm. TC-krystallen ble plassert i den og fylt med en polymerforbindelse, hvorfra kom de korte ytre endene av ledningene laget av myk gulltråd med en diameter på 50 mikron, sveiset til krystallen. Massen til P12-2 oversteg ikke 25 mg. I denne utformingen var kjøretøyene motstandsdyktige mot en relativ fuktighet på 80 % ved en omgivelsestemperatur på 40 ° C og mot sykliske temperaturendringer fra -60 ° til 60 ° C.

Ved slutten av 1962 produserte pilotproduksjonen av RZPP rundt 5 tusen R12-2-kjøretøyer, og i 1963 ble flere titusenvis av dem laget. Dermed ble 1962 fødselsåret for den mikroelektroniske industrien i USA og USSR.

Ris. 10. Grupper TS R12-2

Ris. 11. Grunnleggende elektriske egenskaper til R12-2

Halvlederteknologi var da i sin spede begynnelse og garanterte ennå ikke streng repeterbarhet av parametere. Derfor ble operative enheter sortert i grupper av parametere (dette gjøres ofte i vår tid). Innbyggerne i Riga gjorde det samme, og installerte 8 standardklassifiseringer for kjøretøyet R12-2 (fig. 10). Alle andre elektriske og andre egenskaper er de samme for alle standardklassifiseringer (fig. 11).

Produksjonen av TS R12-2 begynte samtidig med R&D "Hardness", som ble avsluttet i 1964 (GK Yu.V. Osokin). Som en del av dette arbeidet ble en forbedret gruppeteknologi for serieproduksjon av germaniumkjøretøyer utviklet basert på fotolitografi og galvanisk avsetning av legeringer gjennom en fotomaske. De viktigste tekniske løsningene er registrert som en oppfinnelse av Yu.V. Osokin. og Mikhalovich D.L. (A.S.-nr. 36845). Flere artikler av Yu.V. ble publisert i det klassifiserte tidsskriftet Spetsradioelectronics. Osokina i samarbeid med KB-1 spesialister I.V. Ingenting, G.G. Smolko og Yu.E. Naumov med en beskrivelse av designen og egenskapene til R12-2-kjøretøyet (og det påfølgende R12-5-kjøretøyet).

Designet til P12-2 var bra i alt, bortsett fra én ting - forbrukerne visste ikke hvordan de skulle bruke så små produkter med de tynneste ledningene. Som regel hadde maskinvarebedrifter verken teknologien eller utstyret til dette. I løpet av hele produksjonsperioden av R12-2 og R12-5 ble bruken deres mestret av NIIRE, Zhigulevsky Radio Plant of the Ministry of Radio Industry, VEF, NIIP (siden 1978 NPO Radiopribor) og noen få andre bedrifter. For å forstå problemet, tenkte TS-utviklerne sammen med NIIRE umiddelbart på et andre designnivå, som samtidig økte tettheten til utstyrslayouten.

Ris. 12. Modul med 4 kjøretøy R12-2

I 1963, ved NIIRE, innenfor rammen av Kvant-design- og utviklingsarbeidet (GK A.N. Pelipenko, med deltakelse av E.M. Lyakhovich), ble det utviklet en moduldesign som kombinerte fire R12-2-kjøretøyer (fig. 12). Fra to til fire R12-2 TC-er (i et hus) ble plassert på et mikrobrett laget av tynt glassfiber, som samlet implementerte en viss funksjonell enhet. Opptil 17 pinner (antallet varierte for en spesifikk modul) med en lengde på 4 mm ble presset på brettet. Mikrobrettet ble plassert i en stemplet metallkopp som målte 21,6 ? 6,6 mm og 3,1 mm dyp og fylt med en polymerblanding. Resultatet er en hybrid integrert krets (HIC) med dobbel forsegling av elementer. Og, som vi allerede sa, var det verdens første GIS med to-nivå integrasjon, og kanskje den første GIS generelt. Åtte typer moduler ble utviklet med det generelle navnet "Quantum", som utførte forskjellige logiske funksjoner. Som en del av slike moduler forble R12-2-kjøretøyene i drift når de ble utsatt for konstante akselerasjoner på opptil 150 g og vibrasjonsbelastninger i frekvensområdet 5–2000 Hz med akselerasjon opp til 15 g.

Kvant-modulene ble først produsert av pilotproduksjonen til NIIRE, og deretter ble de overført til Zhigulevsky Radio Plant i USSR Ministry of Radio Industry, som leverte dem til forskjellige forbrukere, inkludert VEF-anlegget.

TS R12-2 og "Kvant"-moduler basert på dem har vist seg godt og er mye brukt. I 1968 ble det gitt ut en standard som etablerte et enhetlig betegnelsessystem for integrerte kretser i landet, og i 1969 - Generelle tekniske spesifikasjoner for halvleder (NP0.073.004TU) og hybrid (NP0.073.003TU) ICer med enhetlig system krav. I samsvar med disse kravene godkjente Central Bureau for Application of Integrated Circuits (TsBPIMS, senere CDB Dayton, Zelenograd) 6. februar 1969 nye tekniske spesifikasjoner ShT3.369.001-1TU for kjøretøyet. Samtidig dukket begrepet "integrert krets" av 102-serien opp for første gang i betegnelsen på produktet. TS R12-2 begynte å bli kalt IS: 1LB021V, 1LB021G, 1LB021Zh, 1LB021I. Faktisk var det én IC, sortert i fire grupper i henhold til utgangsspenning og belastningskapasitet.

Ris. 13. IC-er i 116- og 117-serien

Og 19. september 1970 godkjente TsBPIMS de tekniske spesifikasjonene AB0.308.014TU for Kvant-modulene, betegnet IS serie 116 (fig. 13). Serien inkluderte ni IC-er: 1ХЛ161, 1ХЛ162 og 1ХЛ163 – multifunksjonelle digitale kretser; 1LE161 og 1LE162 – to og fire logiske elementer 2NOR; 1TP161 og 1TP1162 – en og to utløsere; 1UP161 – effektforsterker, samt 1LP161 – logisk element"forbud" på 4 innganger og 4 utganger. Hver av disse IC-ene hadde fra fire til syv designalternativer, forskjellig i utgangssignalspenning og belastningskapasitet, for totalt 58 IC-typer. Designene ble merket med en bokstav etter den digitale delen av IS-betegnelsen, for eksempel 1ХЛ161ж. Deretter utvidet utvalget av moduler. IC-ene til 116-serien var faktisk hybride, men på forespørsel fra RZPP ble de merket som halvledere (det første sifferet i betegnelsen er "1", hybride skal ha "2").

I 1972, ved en felles beslutning fra departementet for elektronikkindustri og departementet for radioindustri, ble produksjonen av moduler overført fra Zhigulevsky Radio Plant til RZPP. Dette eliminerte muligheten for å transportere IC-ene i 102-serien over lange avstander, så de forlot behovet for å forsegle formen til hver IC. Som et resultat ble utformingen av både 102- og 116-seriens IC-er forenklet: det var ikke nødvendig å pakke 102-seriens IC-er i en metallkopp fylt med blanding. Uemballerte IC-er av 102-serien i teknologiske beholdere ble levert til et nærliggende verksted for montering av IC-er i 116-serien, montert direkte på mikrokortet og forseglet i modulhuset.

På midten av 1970-tallet ble en ny standard for IP-betegnelsessystemet utgitt. Etter dette fikk for eksempel IS 1LB021V betegnelsen 102LB1V.

Andre IS og GIS av Yuri Osokin. Solid opplegg R12-5(IS-serien 103 Og 117 )

I begynnelsen av 1963, som et resultat av seriøst arbeid med utviklingen av høyfrekvente n - p - n-transistorer, ble teamet til Yu.V. Osokina har akkumulert lang erfaring med å jobbe med p-lag på den originale n-germanium waferen. Dette og tilstedeværelsen av alle nødvendige teknologiske komponenter tillot Osokin i 1963 å begynne å utvikle ny teknologi og utformingen av en raskere versjon av kjøretøyet. I 1964, etter ordre fra NIIRE, ble utviklingen av R12-5-kjøretøyet og moduler basert på det fullført. Basert på resultatene ble Palanga R&D åpnet i 1965 (GK Yu.V. Osokin, hans stedfortreder - D.L. Mikhalovich, fullført i 1966). Moduler basert på R12-5 ble utviklet innenfor rammen av det samme FoU-prosjektet «Kvant» som modulene basert på R12-2. Samtidig med de tekniske spesifikasjonene for 102- og 116-seriene, ble de tekniske spesifikasjonene ShT3.369.002-2TU for 103-seriens IC (R12-5) og AV0.308.016TU for 117-seriens IC (moduler basert på 103-seriens IC) godkjent. Nomenklaturen for typer og standardklassifiseringer for TS R12-2, moduler på dem og IS-seriene 102 og 116 var identiske med nomenklaturen til henholdsvis TS R12-5 og IS-seriene 103 og 117. De skilte seg bare i hastighet og produksjonsteknologi for IC-krystallen. Den typiske forplantningsforsinkelsestiden for 117-serien var 55 ns mot 200 ns for 116-serien.

Strukturelt sett var R12-5 TS en fire-lags halvlederstruktur (fig. 14), hvor n-type substrat og p + -type emittere var koblet til en felles jordbuss. De viktigste tekniske løsningene for å konstruere R12-5-kjøretøyet er registrert som oppfinnelsen til Yu.V. Osokin, D.L. Mikhalovich. Kaydalova Zh.A og Akmensa Ya.P. (A.S.-nr. 248847). Ved produksjon av firelagsstrukturen til TC R12-5 var en viktig kunnskap dannelsen av et n-type p-lag i den originale germaniumplaten. Dette ble oppnådd ved diffusjon av sink i en forseglet kvartsampull, hvor platene er plassert ved en temperatur på ca. 900 ° C, og sink er plassert i den andre enden av ampullen ved en temperatur på ca. 500 ° C. Den videre dannelsen av TS-strukturen i det opprettede p-laget er lik P12-2 TS. Ny teknologi har gjort det mulig å unngå den komplekse formen til TS-krystallen. Wafere med P12-5 ble også malt fra baksiden til en tykkelse på ca. 150 mikron, og bevarte en del av den originale waferen, og deretter ble de skrevet inn i individuelle rektangulære IC-brikker.

Ris. 14. Struktur av TS R12-5 krystall fra AS nr. 248847. 1 og 2 – jord, 3 og 4 – innganger, 5 – utgang, 6 – strøm

Etter den første positive resultater produksjon av eksperimentelle R12-5-kjøretøyer, etter ordre fra KB-1, ble forskningsprosjektet Mezon-2 åpnet, med sikte på å lage et kjøretøy med fire R12-5-er. I 1965 ble det oppnådd arbeidsprøver i en flat metall-keramikkkasse. Men P12-5 viste seg å være vanskelig å produsere, hovedsakelig på grunn av vanskeligheten med å danne et sink-dopet p-lag på den originale n-Ge waferen. Krystallen viste seg å være arbeidskrevende å produsere, utbytteprosenten er lav, og kostnaden for kjøretøyet er høy. Av samme grunner ble R12-5 TC produsert i små volumer og kunne ikke fortrenge den langsommere, men mer teknologisk avanserte R12-2. Og forskningsprosjektet Mezon-2 ble ikke videreført i det hele tatt, inkludert på grunn av sammenkoblingsproblemer.

På dette tidspunktet utførte Pulsar Research Institute og NIIME allerede omfattende arbeid med utviklingen av plan silisiumteknologi, som har en rekke fordeler i forhold til germaniumteknologi, hvorav den viktigste er et høyere driftstemperaturområde (+150°C). for silisium og +70°C for germanium) og tilstedeværelsen av naturlig silisium beskyttelsesfilm SiO2. Og spesialiseringen til RZPP ble reorientert til etableringen av analoge IC-er. Derfor anså RZPP-spesialister utviklingen av germaniumteknologi for produksjon av IC-er som upassende. Imidlertid, i produksjonen av transistorer og dioder, mistet ikke germanium sin posisjon på en stund. I avdelingen til Yu.V. Osokin, etter 1966, ble utviklet og produsert RZPP germanium plane lavstøy mikrobølgetransistorer GT329, GT341, GT 383, etc.. Opprettelsen deres ble tildelt statens pris for den latviske USSR.

applikasjon

Ris. 15. Aritmetisk enhet på solid-circuit moduler. Foto fra TS-heftet datert 1965.

Ris. 16. Sammenlignende dimensjoner av den automatiske telefonsentralen, laget på et relé og et kjøretøy. Foto fra TS-heftet datert 1965.

Kundene og de første forbrukerne av R12-2 TS og moduler var skaperne av spesifikke systemer: Gnome-datamaskinen (fig. 15) for Kupol-flysystemet ombord (NIIRE, GK Lyakhovich E.M.) og marine og sivile automatiske telefonsentraler (anlegg VEF, GK Misulovin L.Ya.). Deltok aktivt i alle stadier av opprettelsen av R12-2, R12-5 kjøretøyer og moduler på dem og KB-1, hovedkuratoren for dette samarbeidet fra KB-1 var N.A. Barkanov. De hjalp til med finansiering, produksjon av utstyr og forskning av kjøretøy og moduler i ulike moduser og driftsforhold.

TS R12-2 og "Kvant" moduler basert på den var de første mikrokretsene i landet. Og i verden var de blant de første - bare i USA begynte Texas Instruments og Fairchild Semiconductor å produsere sine første halvleder-IC-er, og i 1964 begynte IBM Corporation å produsere hybrid-IC-er med tykk film for sine datamaskiner. I andre land har man ennå ikke tenkt på IP. Derfor var integrerte kretser en nysgjerrighet for publikum; effektiviteten av deres bruk gjorde et slående inntrykk og ble spilt opp i reklame. Det overlevende heftet om R12-2 kjøretøyet fra 1965 (basert på faktiske bruksområder) sier: " Bruken av solid-state P12-2-kretser i dataenheter om bord gjør det mulig å redusere vekten og dimensjonene til disse enhetene med 10–20 ganger, redusere strømforbruket og øke driftssikkerheten. ... Bruken av solide P12-2-kretser i kontrollsystemer og veksling av informasjonsoverføringsveier til automatiske telefonsentraler gjør det mulig å redusere volumet av kontrollenheter med omtrent 300 ganger, samt redusere strømforbruket betydelig (30-50 ganger)". Disse utsagnene ble illustrert av fotografier av den aritmetiske enheten til Gnome-datamaskinen (fig. 15) og en sammenligning av det relébaserte ATS-stativet produsert av VEF-anlegget på den tiden med en liten blokk på jentas håndflate (fig. 16). . Det var andre mange bruksområder for de første Riga IC-ene.

Produksjon

Nå er det vanskelig å gjenopprette et fullstendig bilde av produksjonsvolumene til IC-seriene 102 og 103 etter år (i dag har RZPP blitt fra et stort anlegg til en liten produksjon og mange arkiver har gått tapt). Men ifølge memoarene til Yu.V. Osokin, i andre halvdel av 1960-tallet utgjorde produksjonen mange hundre tusen per år, på 1970-tallet - millioner. I følge hans etterlatte personlige notater ble det i 1985 produsert IC-er i 102-serien - 4.100.000 stk., moduler i 116-serien - 1.025.000 stk., IC-er i 103-serien - 700.000 stk., moduler av 01757-seriene - 01157 stk. .

På slutten av 1989 ble Yu.V. Osokin, den gang generaldirektøren for Alpha Production Association, henvendte seg til ledelsen av Military-Industrial Commission under USSR Council of Ministers (MIC) med en forespørsel om å fjerne seriene 102, 103, 116 og 117 fra produksjonen på grunn av deres foreldelse og høy arbeidsintensitet (om 25 år er mikroelektronikk langt fra gått videre), men fikk et kategorisk avslag. Nestleder i det militær-industrielle komplekset V.L. Koblov fortalte ham at flyene flyr pålitelig, erstatning er utelukket. Etter sammenbruddet av Sovjetunionen ble IC-seriene 102, 103, 116 og 117 produsert frem til midten av 1990-tallet, det vil si i mer enn 30 år. Gnome-datamaskinene er fortsatt installert i navigasjonskabinen til Il-76 og noen andre fly. "Dette er en superdatamaskin," våre piloter er ikke rådvill når deres utenlandske kolleger blir overrasket over deres interesse for denne enestående enheten.

Om prioriteringer

Til tross for at J. Kilby og R. Noyce hadde forgjengere, er de anerkjent av verdenssamfunnet som oppfinnerne av den integrerte kretsen.

R. Kilby og J. Noyce, gjennom sine firmaer, sendte inn søknader om patent for oppfinnelsen av en integrert krets. Texas Instruments søkte om patent tidligere, i februar 1959, og Fairchild gjorde det ikke før i juli samme år. Men patentnummer 2981877 ble utstedt i april 1961 til R. Noyce. J. Kilby saksøkte og mottok først i juni 1964 sitt patentnummer 3138743. Så var det en ti-års krig om prioriteringer, som et resultat av at (i et sjeldent tilfelle) «vant vennskap». Til syvende og sist opprettholdt lagmannsretten Noyces krav om teknologisk forrang, men avgjorde at J. Kilby skulle krediteres med å lage den første fungerende mikrokretsen. Og Texas Instruments og Fairchild Semiconductor signerte en avtale om krysslisensieringsteknologier.

I USSR ga patentering av oppfinnelser ikke forfattere annet enn problemer, en ubetydelig engangsbetaling og moralsk tilfredsstillelse, så mange oppfinnelser ble ikke registrert i det hele tatt. Og Osokin hadde ikke hastverk heller. Men for bedrifter var antall oppfinnelser en av indikatorene, så de måtte fortsatt registreres. Derfor mottok Yu. Osokina og D. Mikhalovich USSRs forfattersertifikat nr. 36845 for oppfinnelsen av kjøretøyet R12-2 først 28. juni 1966.

Og J. Kilby ble i 2000 en av nobelprisvinnerne for oppfinnelsen av IP. R. Noyce fikk ikke verdensanerkjennelse, han døde i 1990, og i følge regelverket deles ikke Nobelprisen ut posthumt. Noe som i dette tilfellet ikke er helt rettferdig, siden all mikroelektronikk fulgte veien startet av R. Noyce. Noyces autoritet blant spesialister var så høy at han til og med fikk kallenavnet «borgermester i Silicon Valley», siden han da var den mest populære av forskerne som jobbet i den delen av California, som fikk det uoffisielle navnet Silicon Valley (V. Shockley ble kalt). "Moses fra Silicon Valley"). Men veien til J. Kilby ("hårete" germanium) viste seg å være en blindvei, og ble ikke implementert selv i hans selskap. Men livet er ikke alltid rettferdig.

Nobelprisen ble tildelt tre forskere. Halvparten av det ble mottatt av 77 år gamle Jack Kilby, og den andre halvparten ble delt mellom akademiker ved det russiske vitenskapsakademi Zhores Alferov og professor ved University of California i Santa Barbara, tysk-amerikanske Herbert Kremer, for "den utvikling av halvlederheterostrukturer brukt i høyhastighetsoptoelektronikk."

Ved å evaluere disse arbeidene bemerket eksperter at "integrerte kretsløp er selvfølgelig århundrets oppdagelse, som har hatt en dyp innvirkning på samfunnet og verdensøkonomien." For den glemte J. Kilby var Nobelprisen en overraskelse. I et intervju med bladet Europhysics News Han innrømmet: " På den tiden tenkte jeg kun på hva som ville være viktig for utviklingen av elektronikk fra et økonomisk synspunkt. Men jeg forsto ikke da at reduksjonen i kostnadene for elektroniske produkter ville føre til et skred av vekst i elektronisk teknologi.».

Og verkene til Yu. Osokin blir ikke verdsatt, ikke bare av Nobelkomiteen. De er også glemt i vårt land; landets prioritet i å lage mikroelektronikk er ikke beskyttet. Og det var han utvilsomt.

På 1950-tallet ble det materielle grunnlaget skapt for dannelsen av multi-element produkter - integrerte kretser - i en monolittisk krystall eller på ett keramisk substrat. Derfor er det ikke overraskende at ideen om IP uavhengig dukket opp i hodet til mange spesialister nesten samtidig. Og hastigheten på implementeringen av en ny idé var avhengig av forfatterens teknologiske evner og produsentens interesse, det vil si tilstedeværelsen til den første forbrukeren. I denne forbindelse befant Yu. Osokin seg i en bedre posisjon enn sine amerikanske kolleger. Kilby var ny for TI, han måtte til og med bevise overfor selskapets ledelse den grunnleggende muligheten for å implementere en monolittisk krets ved å lage dens layout. Faktisk kommer rollen til J. Kilby i opprettelsen av IP-en ned på å reutdanne ledelsen til TI og provosere R. Noyce til å ta aktiv handling med layouten hans. Kilbys oppfinnelse gikk ikke i masseproduksjon. R. Noyce, i sitt unge og ennå ikke sterke selskap, gikk for å lage en ny planteknologi, som faktisk ble grunnlaget for påfølgende mikroelektronikk, men som ikke umiddelbart ga etter for forfatteren. I forbindelse med ovenstående måtte både de og deres bedrifter bruke mye krefter og tid på å praktisk implementere ideene deres for å bygge masseproduserte IC-er. De første prøvene deres forble eksperimentelle, men andre mikrokretser, ikke engang utviklet av dem, gikk i masseproduksjon. I motsetning til Kilby og Noyce, som var langt fra produksjon, stolte fabrikkeier Yu. Osokin på industrielt utviklet RZPP-teknologi for halvledere, og han hadde garantert forbrukerne av de første kjøretøyene i form av initiativtakeren til utviklingen av NIIRE og det nærliggende VEF-anlegget, som hjalp i dette arbeidet. Av disse grunnene gikk den første versjonen av kjøretøyet hans umiddelbart i eksperimentell produksjon, som jevnt gikk over til masseproduksjon, som fortsatte kontinuerlig i mer enn 30 år. Etter å ha begynt å utvikle TS senere enn Kilby og Noyce, tok Yu. Osokin (uten å vite om denne konkurransen) raskt opp med dem. Dessuten er verkene til Yu. Osokin på ingen måte forbundet med verkene til amerikanerne, bevis på dette er den absolutte ulikheten mellom kjøretøyet hans og løsningene implementert i det fra Kilby og Noyce mikrokretser. Texas Instruments (ikke Kilbys oppfinnelse), Fairchild og RZPP begynte produksjonen av sine IC-er nesten samtidig, i 1962. Dette gir all rett til å betrakte Yu. Osokin som en av oppfinnerne av den integrerte kretsen på linje med R. Noyce og mer enn J. Kilby, og det ville være rettferdig å dele en del av Nobelprisen for J. Kilby med Yu. Osokin. Når det gjelder oppfinnelsen av den første GIS med to-nivå integrasjon (og muligens GIS generelt), her prioritet A. Pelipenko fra NIIRE er absolutt udiskutabel.

Dessverre var det ikke mulig å finne prøver av kjøretøy og enheter basert på dem, nødvendig for museer. Forfatteren ville være veldig takknemlig for slike prøver eller fotografier av dem.

Integrert krets (IC, mikrokrets), brikke, mikrobrikke (engelsk mikrobrikke, silisiumbrikke, brikke - tynn plate - opprinnelig refererte begrepet til en plate av en mikrokretskrystall) - mikroelektronisk enhet - elektronisk krets av vilkårlig kompleksitet (krystall), produsert på et halvledersubstrat (wafer eller film) og plassert i et ikke-separerbart hus, eller uten en, hvis inkludert i en mikromontering.

Mikroelektronikk er den viktigste og, som mange tror, den viktigste vitenskapelige og tekniske prestasjonen i vår tid. Det kan sammenlignes med slike vendepunkter i teknologihistorien som oppfinnelsen av trykkeri på 1500-tallet, opprettelsen av dampmaskinen på 1700-tallet og utviklingen av elektroteknikk på 1800-tallet. Og når vi i dag snakker om den vitenskapelige og teknologiske revolusjonen, mener vi først og fremst mikroelektronikk. Som ingen annen teknisk prestasjon i våre dager, gjennomsyrer den alle livets sfærer og gjør virkeligheten til det som rett og slett var utenkelig i går. For å bli overbevist om dette er det nok å huske lommekalkulatorer, miniatyrradioer, elektroniske kontrollenheter i husholdningsapparater, klokker, datamaskiner og programmerbare datamaskiner. Og dette er bare en liten del av bruksområdet!

Mikroelektronikk skylder sin fremvekst og selve eksistens til etableringen av et nytt subminiatyr elektronisk element - en integrert krets. Utseendet til disse kretsene var faktisk ikke en slags fundamentalt ny oppfinnelse - det fulgte direkte av logikken i utviklingen av halvlederenheter. Til å begynne med, da halvlederelementer bare ble tatt i bruk, ble hver transistor, motstand eller diode brukt separat, det vil si at den ble innelukket i sitt eget individuelle tilfelle og inkludert i kretsen ved hjelp av sine individuelle kontakter. Dette ble gjort selv i tilfeller hvor det var nødvendig å sette sammen mange like kretser fra de samme elementene.

Gradvis kom forståelsen av at det var mer rasjonelt ikke å sette sammen slike enheter fra individuelle elementer, men å umiddelbart produsere dem på en felles krystall, spesielt siden halvlederelektronikk skapte alle forutsetningene for dette. Faktisk er alle halvlederelementer veldig like hverandre i sin struktur, har samme operasjonsprinsipp og skiller seg bare i den relative posisjonen til p-n-regionene.

Disse p-n regioner, som vi husker, skapes ved å introdusere urenheter av samme type i overflatelaget til en halvlederkrystall. Dessuten sikres pålitelig og fra alle synspunkter tilfredsstillende drift av det store flertallet av halvlederelementer med en tykkelse på overflatearbeidslaget på tusendeler av en millimeter. De minste transistorene bruker vanligvis bare det øverste laget av halvlederbrikken, som bare er 1 % av tykkelsen. De resterende 99% fungerer som en bærer eller et substrat, siden uten et substrat kan transistoren ganske enkelt kollapse ved den minste berøring. Følgelig, ved å bruke teknologien som brukes til fremstilling av individuelle elektroniske komponenter, er det mulig å umiddelbart lage en komplett krets med flere titalls, hundrevis eller til og med tusenvis av slike komponenter på en enkelt brikke.

Fordelene ved dette vil være enorme. For det første vil kostnadene umiddelbart reduseres (kostnaden for en mikrokrets er vanligvis hundrevis av ganger mindre enn den totale kostnaden for alle de elektroniske elementene i komponentene). For det andre vil en slik enhet være mye mer pålitelig (som erfaring viser, tusenvis og titusenvis av ganger), og dette er av enorm betydning, siden det å finne en feil i en krets bestående av titalls eller hundretusener av elektroniske komponenter blir til et ekstremt komplekst problem. For det tredje, på grunn av det faktum at alle de elektroniske elementene i en integrert krets er hundrevis og tusenvis av ganger mindre enn deres kolleger i en konvensjonell krets, er energiforbruket deres mye lavere og ytelsen deres er mye høyere.

Den viktigste begivenheten som varslet ankomsten av integrering i elektronikk var forslaget fra den amerikanske ingeniøren J. Kilby fra Texas Instruments om å skaffe tilsvarende elementer for hele kretsen, som registre, kondensatorer, transistorer og dioder, i et monolittisk stykke rent silisium . Kilby opprettet den første integrerte halvlederkretsen sommeren 1958. Og allerede i 1961 ga Fairchild Semiconductor Corporation ut de første serielle brikkene for datamaskiner: en tilfeldighetskrets, et halvskiftregister og en trigger. I samme år, produksjon av halvledere integrert logiske kretser mestret av Texas-selskapet.

Året etter dukket det opp integrerte kretser fra andre selskaper. I en kort tid i integrert design ble opprettet Forskjellige typer forsterkere. I 1962 utviklet RCA integrerte minnematrisebrikker for datamaskinlagringsenheter. Gradvis ble produksjonen av mikrokretser etablert i alle land - epoken med mikroelektronikk begynte.

Utgangsmaterialet for en integrert krets er vanligvis en rå skive av rent silisium. Den har en relativt stor størrelse, siden flere hundre av samme type mikrokretser produseres samtidig på den. Den første operasjonen er at under påvirkning av oksygen ved en temperatur på 1000 grader, dannes et lag med silisiumdioksid på overflaten av denne platen. Silisiumoksid er preget av stor kjemisk og mekanisk motstand og har egenskapene til et utmerket dielektrikum som gir pålitelig isolasjon til silisiumet som ligger under.

Det neste trinnet er introduksjonen av urenheter for å lage p eller n ledningsbånd. For å gjøre dette fjernes oksidfilmen fra de stedene på platen som tilsvarer individuelle elektroniske komponenter. Valget av de ønskede områdene skjer ved hjelp av en prosess som kalles fotolitografi. Først er hele oksidlaget belagt med en fotosensitiv forbindelse (fotoresist), som spiller rollen som fotografisk film - den kan eksponeres og fremkalles. Etter dette, gjennom en spesiell fotomaske som inneholder et mønster av overflaten til halvlederkrystallen, blir platen opplyst med ultrafiolette stråler.

Under påvirkning av lys dannes et flatt mønster på oksidlaget, med ueksponerte områder forblir lyse og alle andre mørkere. På stedet hvor fotomotstanden utsettes for lys, dannes det uløselige områder av filmen som er motstandsdyktige mot syre. Waferen behandles deretter med et løsemiddel, som fjerner fotoresisten fra de eksponerte områdene. Fra de utsatte områdene (og bare fra dem) etses silisiumoksidlaget bort ved hjelp av syre.

Som et resultat løses silisiumoksid på de riktige stedene og "vinduer" av rent silisium åpnes, klare for innføring av urenheter (ligering). For å gjøre dette blir overflaten av underlaget ved en temperatur på 900-1200 grader utsatt for ønsket urenhet, for eksempel fosfor eller arsen, for å oppnå n-type ledningsevne. Urenhetsatomer trenger dypt inn i rent silisium, men frastøtes av dets oksid. Etter å ha behandlet waferen med en type urenhet, er den klargjort for ligering med en annen type - overflaten av waferen er igjen dekket med et lag med oksid, ny fotolitografi og etsing utføres, som et resultat av nye "vinduer" av silisium åpnes.

Dette etterfølges av en ny ligering, for eksempel med bor, for å oppnå p-type ledningsevne. Så p- og n-regioner dannes på hele overflaten av krystallen på de riktige stedene. Isolasjon mellom enkeltelementer kan lages på flere måter: et lag med silisiumoksid kan tjene som slik isolasjon, eller blokkerende p-n-kryss kan også lages på de riktige stedene.

Det neste trinnet i behandlingen er forbundet med anvendelsen av ledende forbindelser (ledende linjer) mellom elementene i den integrerte kretsen, så vel som mellom disse elementene og kontaktene for tilkobling av eksterne kretser. For å gjøre dette sprayes et tynt lag aluminium på underlaget, som legger seg i form av en tynn film. Den utsettes for fotolitografisk behandling og etsing som ligner på de som er beskrevet ovenfor. Som et resultat gjenstår bare tynne ledende linjer og kontaktputer fra hele metalllaget.

Til slutt er hele overflaten av halvlederbrikken dekket med et beskyttende lag (oftest silikatglass), som deretter fjernes fra kontaktputene. Alle produserte mikrokretser utsettes for den strengeste testing på en kontroll- og testbenk. Defekte kretser er merket med en rød prikk. Til slutt kuttes krystallen i individuelle brikkeplater, som hver er innelukket i et slitesterkt hus med ledninger for tilkobling til eksterne kretser.

Kompleksiteten til en integrert krets er preget av en indikator som kalles graden av integrasjon. Integrerte kretser med mer enn 100 elementer kalles lavintegrasjonskretser; kretser som inneholder opptil 1000 elementer - integrerte kretser med middels grad av integrasjon; kretser som inneholder opptil titusenvis av elementer kalles store integrerte kretser. Kretser som inneholder opptil en million elementer er allerede under produksjon (de kalles ultra-large). Den gradvise økningen i integrering har ført til at ordningene hvert år blir mer og mer miniatyr og følgelig mer og mer komplekse.

Stor mengde elektroniske enheter, som tidligere hadde store dimensjoner, passer nå på en bitteliten silisiumplate. En ekstremt viktig begivenhet på denne veien var opprettelsen i 1971 av det amerikanske selskapet Intel av en enkelt integrert krets for å utføre aritmetiske og logiske operasjoner - en mikroprosessor. Dette innebar et storslått gjennombrudd av mikroelektronikk inn i datateknologifeltet.

Lese og skrive nyttig

Populært i kategorien: