Den første integrerte kretsen. Historien om oppfinnelsen av den integrerte kretsen. redusere kostnadene for utstyr

Introduksjon

Siden de første datamaskinene kom, har programvareutviklere drømt om maskinvare designet for å løse deres spesielle problem. Derfor har ideen om å lage spesielle integrerte kretser som kan skjerpes for effektiv implementering av en spesifikk oppgave dukket opp for ganske lenge siden. Det er to utviklingsveier her:

• Bruken av såkalte spesialiserte spesiallagde integrerte kretser (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). Som navnet tilsier, er slike mikrokretser laget av produsenter maskinvare under rekkefølgen for effektiv gjennomføring av en bestemt oppgave eller rekke oppgaver. De har ikke universalitet, som konvensjonelle mikrokretser, men de løser oppgavene som er tildelt dem mange ganger raskere, noen ganger i størrelsesordener.
• Oppretting av brikker med rekonfigurerbar arkitektur. Tanken er at slike brikker kommer til programvareutvikleren eller brukeren i uprogrammert tilstand, og han kan implementere den arkitekturen som passer ham best på dem. La oss se nærmere på utviklingsprosessen deres.

Over tid dukket det opp et stort antall forskjellige mikrokretser 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 oppgavene i form av en perfekt disjunktiv normal form(perfekt DNF). De første som dukket opp i 1970 var PROM-mikrokretser, som 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 hjelp av en forhåndsdefinert array AND implementeres alle mulige konjunksjoner på inngangsvariablene, som deretter kan kombineres vilkårlig ved hjelp av OR-elementer. Dermed, ved utgangen, kan enhver funksjon av tre variabler implementeres som en perfekt DNF. For eksempel, hvis du programmerer de OR-elementene som er ringt inn med rødt i figur 2, vil utgangene være funksjonene w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

I utgangspunktet ble PROM-brikker designet for å lagre programinstruksjoner og konstante verdier, dvs. å utføre funksjonene til datamaskinens minne. Utviklere bruker dem imidlertid også til å implementere enkle logiske funksjoner. Faktisk kan brikkens PROM brukes til å implementere hvilken som helst logikkblokk, så lenge den har et lite antall innganger. Denne tilstanden følger av det faktum at matrisen av elementer OG er stivt definert i EPROM-mikrokretser - alle mulige konjunksjoner fra innganger er realisert i den, det vil si at antall elementer OG er lik 2 * 2 n, hvor n er antallet av innganger. Det er klart at når tallet n øker, vokser størrelsen på matrisen veldig raskt.

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

For å løse hastighetsproblemet som er iboende i PLAer, dukket følgende klasse av enheter opp på slutten av 1970-tallet, kalt Programmerbar Array Logic (PAL - Programmerbar Array Logic). En videreutvikling av ideen om PAL-brikker var fremveksten av GAL-enheter (Generic Array Logic) - mer komplekse varianter av PAL som bruker CMOS-transistorer. Her brukes en idé som er nøyaktig det motsatte av ideen om PROM-mikrokretser - 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 arrays med mye mindre størrelse enn i PROM-mikrokretser.

Den logiske fortsettelsen 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 svitsjematrisen. De første komplekse PLD-ene dukket opp på slutten av 70-tallet og begynnelsen av 80-tallet av det 20. århundre, men hovedutviklingen i denne retningen kom i 1984, da Altera introduserte en kompleks PLD basert på en kombinasjon av CMOS- og EPROM-teknologier.

Fremkomsten av FPGAer

På begynnelsen av 1980-tallet var det et gap mellom hovedtypene enheter i det digitale ASIC-miljøet. På den ene siden var det PLD-er som kan programmeres for hver spesifikk 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, samtidig som de er lange og dyre 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 funksjonene i FPGA implementeres ikke ved hjelp av DNF, men ved hjelp av programmerbare oppslagstabeller (LUT-tabeller). I disse tabellene er funksjonsverdier 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 - CLB), som er sammenkoblet med tilkoblinger, også programmerbare. Hver slik blokk er beregnet på å programmere en funksjon eller en del av den, men den kan brukes til andre formål, for eksempel som et minne.

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

Ris. 5. Enheten til det moderne "kuttet"

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 spenner fra 1000 porter (den første FPGA, utviklet i 1985) til dette øyeblikket overskredet 10 millioner ventiler (Virtex-6-familien). De utvikler aktivt og erstatter allerede ASIC-brikker, slik at du kan implementere en rekke ekstremt komplekse funksjoner, uten å miste muligheten for omprogrammering.

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 personer som representerte tre private amerikanske selskaper løste tre grunnleggende problemer som forhindret opprettelsen av integrerte kretsløp. Jack Kilby av Texas Instruments patenterte prinsippet om forening, skapte de første, ufullkomne IS-prototypene og brakte dem til masseproduksjon. Kurt Lehovec fra Sprague Electric Company oppfunnet en metode for elektrisk isolering av komponenter dannet på en enkelt halvlederkrystall (isolering ved et p-n-kryss (eng. P–n-kryssisolasjon)). Robert Noyce av Fairchild Semiconductor oppfunnet en måte Elektrisk forbindelse IC-komponenter (aluminiumsplettering) og foreslått en forbedret versjon av isolasjonen av komponenter basert på den nyeste planteknologien av Jean Ernie (Eng. Jean Hoerni). 27. september 1960 Jay Last sitt band Jay Last) opprettet på Fairchild Semiconductor først jobber halvleder IP på ideene til Noyce og Ernie. Texas Instruments, som eide patentet for Kilbys oppfinnelse, utløste en patentkrig mot konkurrenter, som endte i 1966 med en forliksavtale om teknologikrysslisensiering.

De tidlige logiske IC-ene i nevnte serie ble bygget bokstavelig talt fra standard komponenter hvis dimensjoner og konfigurasjoner er spesifisert teknologisk prosess. Kretsingeniører som designet logiske IC-er fra en bestemt familie opererte med de samme typiske diodene og transistorene. I 1961-1962 designparadigmet ble brutt av hovedutvikleren Sylvania Tom Longo, for første gang ved hjelp av ulike konfigurasjon av transistorer avhengig av deres funksjoner i kretsen. På slutten av 1962 Sylvania lanserte den første familien av transistor-transistor-logikk (TTL) utviklet av Longo – historisk sett den første typen integrert logikk som klarte å få fotfeste i markedet i lang tid. I analoge kretser ble et gjennombrudd av dette nivået gjort i 1964-1965 av utvikleren av operasjonsforsterkere Fairchild Bob Widlar.

Den første innenlandske mikrokretsen ble opprettet i 1961 ved TRTI (Taganrog Radio Engineering Institute) under ledelse av L. N. Kolesov. Denne begivenheten vakte oppmerksomheten til det vitenskapelige samfunnet i landet, og TRTI ble godkjent som leder i systemet til departementet for høyere utdanning på problemet med å lage høypålitelig mikroelektronisk utstyr og automatisere produksjonen. L. N. Kolesov ble selv utnevnt til formann for koordineringsrådet for dette problemet.

Den første i USSR hybrid tykkfilm integrert krets(serie 201 "Path") ble utviklet i 1963-65 ved Research Institute of Precision Technology ("Angstrem"), serieproduksjon siden 1965. Spesialister fra NIEM (nå Argon Research Institute) deltok i utviklingen.

Den første integrerte halvlederkretsen i Sovjetunionen ble opprettet på grunnlag av planteknologi, utviklet i begynnelsen av 1960 ved NII-35 (da omdøpt til Pulsar Research Institute) av et team, som senere ble overført til NIIME ("Mikron") . Opprettelsen av den første innenlandske integrerte silisiumkretsen var fokusert på utvikling og produksjon med militær aksept av en serie integrerte silisiumkretser TC-100 (37 elementer - tilsvarende kretskompleksiteten til en flip-flop, en analog av den amerikanske IC-serien SN-51 firmaer Texas Instruments). Prototyper og produksjonsprøver av integrerte silisiumkretser for reproduksjon ble hentet fra USA. Arbeidet ble utført ved NII-35 (direktør Trutko) og Fryazinsky Semiconductor Plant (direktør Kolmogorov) under en forsvarsordre for bruk i en autonom høydemåler til et ballistisk missilstyringssystem. Utviklingen inkluderte seks typiske 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 mestre fabrikkproduksjonen med militær aksept i Fryazino (1967).

Parallelt ble arbeidet med utviklingen av en integrert krets utført ved Central Design Bureau ved Voronezh Plant of Semiconductor Devices (nå -). I 1965, under et besøk i VZPP av ministeren for elektronisk industri A. I. Shokin, ble anlegget instruert om å utføre forskningsarbeid på opprettelsen av en monolitisk silisiumkrets - FoU "Titan" (departementets bestilling nr. 92 av 16. august , 1965), som var foran planen ferdigstilt ved slutten av året. Emnet ble vellykket sendt til statskommisjonen, og en serie med 104 diode-transistor logiske kretser ble den første faste prestasjonen innen faststoffmikroelektronikk, noe som ble reflektert i ordren fra departementet for økonomisk utvikling av 30. 1965 nr. 403.

Designnivåer

For øyeblikket (2014) er de fleste av de integrerte kretsene designet ved hjelp av spesialiserte CAD-systemer, som lar deg automatisere og betydelig fremskynde produksjonsprosesser, for eksempel oppnå topologiske fotomasker.

Klassifisering

Grad av integrering

Avhengig av graden av integrasjon, brukes følgende navn på integrerte kretser:

• liten integrert krets (MIS) - opptil 100 elementer i en krystall,
• medium integrert krets (SIS) - opptil 1000 elementer i en krystall,
• stor integrert krets (LSI) - opptil 10 tusen elementer i en krystall,
• veldig stor integrert krets (VLSI) - mer enn 10 tusen elementer i en krystall.

Tidligere ble nå foreldede navn også brukt: en ultra-storskala integrert krets (ULSI) - fra 1-10 millioner til 1 milliard elementer i en krystall og noen ganger en giga-stor integrert krets (GBIS) - mer enn 1 milliarder elementer i en krystall. For tiden, på 2010-tallet, brukes navnene "UBIS" og "GBIS" praktisk talt ikke, og alle mikrokretser med mer enn 10 tusen elementer er klassifisert som VLSI.

Produksjonsteknologi

Hybrid mikromontering STK403-090 fjernet fra dekselet

• Halvledermikrokrets - alle elementer og sammenkoblinger er laget på en enkelt halvlederkrystall (for eksempel silisium, germanium, galliumarsenid).

• Filmintegrert krets - alle elementer og sammenkoblinger er laget i form av filmer:
  • tykk-film integrert krets;
  • tynnfilm integrert krets.
• En hybridbrikke (ofte referert til som mikromontering), inneholder flere bare dioder, bare transistorer og/eller andre elektroniske aktive komponenter. Mikrosammenstillingen kan også inkludere uemballerte integrerte kretser. Passive mikromonteringskomponenter (motstander, kondensatorer, induktorer) produseres vanligvis ved bruk av tynnfilm- eller tykkfilmteknologier på et vanlig, vanligvis keramisk substrat i hybridmikrokretsen. Hele underlaget med komponenter er plassert i et enkelt forseglet hus.
• Blandet mikrokrets - i tillegg til en halvlederkrystall, inneholder den tynnfilm (tykkfilm) passive elementer plassert på overflaten av krystallen.

Type behandlet signal

• Analog-digital.

Produksjonsteknologier

Logikktyper

Hovedelementet i analoge kretser er transistorer (bipolare eller felt). Forskjellen i transistorproduksjonsteknologi påvirker egenskapene til mikrokretser betydelig. Derfor, ofte i beskrivelsen av mikrokretsen, er produksjonsteknologien angitt for å understreke generelle egenskaper egenskaper og muligheter til mikrokretsen. I moderne teknologier kombinere teknologiene til bipolar og felteffekttransistorer for å forbedre ytelsen til sjetongene.

• Mikrokretser på unipolare (felteffekt) transistorer er de mest økonomiske (med tanke på strømforbruk):
  • MOS-logikk (metall-oksid-halvlederlogikk) - mikrokretser dannes fra felteffekttransistorer n-MOS eller s-MOS-type;
  • CMOS-logikk (komplementær MOS-logikk) - hver logisk element mikrokrets består av et par komplementære (komplementære) felteffekttransistorer ( n-MOS og s-MOS).
• Mikrokretser på bipolare transistorer:
  • RTL - motstand-transistor-logikk (foreldet, erstattet av TTL);
  • DTL - diode-transistorlogikk (foreldet, erstattet av TTL);
  • TTL - transistor-transistor logikk - mikrokretser er laget av bipolare transistorer med multi-emitter transistorer ved inngangen;
  • TTLSh - transistor-transistor-logikk med Schottky-dioder - en forbedret TTL som bruker bipolare transistorer med Schottky-effekten;
  • ESL - emitterkoblet logikk - på bipolare transistorer, hvis driftsmodus er valgt slik at de ikke går inn i metningsmodus, noe som øker hastigheten betydelig;
  • IIL - integral-injection logic.
• Mikrokretser som bruker både felteffekt og bipolare transistorer:

Ved å bruke samme type transistorer kan mikrokretser bygges ved hjelp av forskjellige metoder, for eksempel statiske eller dynamiske.

CMOS og TTL (TTLS) teknologier er de vanligste brikkelogikkene. Der det er nødvendig å spare strømforbruk brukes CMOS-teknologi, der hastighet er viktigere og det ikke er nødvendig å spare strømforbruk, brukes TTL-teknologi. Det svake punktet til CMOS-mikrokretser er sårbarheten for statisk elektrisitet - det er nok å berøre utgangen til mikrokretsen med hånden, og integriteten er ikke lenger garantert. Med utviklingen av TTL- og CMOS-teknologier nærmer mikrokretsene seg når det gjelder parametere, og som et resultat er for eksempel 1564-serien med mikrokretser laget ved hjelp av CMOS-teknologi, og funksjonaliteten og plasseringen i kabinettet ligner på TTL. teknologi.

Brikker produsert ved hjelp av ESL-teknologi er de raskeste, men også de mest strømkrevende, og ble brukt i produksjonen av informatikk i tilfeller der den viktigste parameteren var beregningshastigheten. I USSR ble de mest produktive datamaskinene av typen ES106x produsert på ESL-mikrokretser. Nå brukes denne teknologien sjelden.

Teknologisk prosess

Ved fremstilling av mikrokretser brukes metoden for fotolitografi (projeksjon, kontakt, etc.), mens kretsen dannes på et substrat (vanligvis silisium) oppnådd ved å kutte silisiumenkelkrystaller i tynne skiver med diamantskiver. På grunn av de små lineære dimensjonene til mikrokretselementene, ble bruken av synlig lys og til og med nær ultrafiolett stråling under belysning forlatt.

Følgende prosessorer ble produsert ved bruk av UV-lys (ArF excimer laser, bølgelengde 193 nm). I gjennomsnitt skjedde introduksjonen av nye tekniske prosesser av industriledere i henhold til ITRS-planen hvert annet år, mens antall transistorer per arealenhet ble doblet: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011) , 14 nm produksjon startet i 2014 , utvikling av 10 nm prosesser forventes rundt 2018.

I 2015 var det anslag på at innføringen av nye tekniske prosesser vil bremse opp.

Kvalitetskontroll

For å kontrollere kvaliteten på integrerte kretser er de såkalte teststrukturene mye brukt.

Hensikt

En integrert krets kan ha en komplett, vilkårlig kompleks funksjonalitet – opp til en hel mikrodatamaskin (single-chip mikrodatamaskin).

Analoge kretser

Analog integrert (mikro)ordningen (AIS, MÅL) - en integrert krets, hvis inngangs- og utgangssignaler endres i henhold til loven om en kontinuerlig funksjon (det vil si at de er analoge signaler).

En laboratorieprøve av en analog IC ble laget av Texas Instruments i USA i 1958. Det var en faseskiftgenerator. I 1962 dukket den første serien med analoge mikrokretser opp - SN52. Den hadde en lavfrekvent lavfrekvent forsterker, en operasjonsforsterker og en videoforsterker.

I USSR ble et stort utvalg av analoge integrerte kretser oppnådd på slutten av 1970-tallet. Bruken av dem gjorde det mulig å øke påliteligheten til enheter, forenkle utstyrsoppsett og ofte eliminere behovet Vedlikehold under drift.

Nedenfor er en delvis liste over enheter hvis funksjoner kan utføres av analoge IC-er. Ofte erstatter en mikrokrets flere av dem samtidig (for eksempel inneholder K174XA42 alle nodene til en superheterodyne FM-radiomottaker).

• Filtre (inkludert de som er basert på den piezoelektriske effekten).
• analoge multiplikatorer.
• Analoge attenuatorer og variable forsterkere.
• Strømforsyningsstabilisatorer: Spennings- og strømstabilisatorer.
• Kontroller mikrokretser for vekslende strømforsyninger.
• Signalomformere.
• Ulike sensorer.

Analoge mikrokretser brukes i lydforsterkning og lydgjengivelsesutstyr, i videoopptakere, fjernsyn, kommunikasjonsteknologi, måleinstrumenter, analoge datamaskiner, etc.

I analoge datamaskiner

• Operasjonsforsterkere (LM101, μA741).

I strømforsyninger

Spenningsstabilisatorbrikke KR1170EN8

• Lineære spenningsstabilisatorer (KR1170EN12, LM317).
• Byttespenningsstabilisatorer (LM2596, LM2663).

I videokameraer og kameraer

• CCD-sensorer (ICX404AL).
• CCD linjaler (MLX90255BA).

Innen lydforsterkning og lydgjengivelsesutstyr

• Lydfrekvens effektforsterkere (LA4420, K174UN5, K174UN7).
• Dual UMZCH for stereoutstyr (TDA2004, K174UN15, K174UN18).
• Ulike kontroller (K174UN10 - to-kanals UMZCH med elektronisk frekvensresponskontroll, K174UN12 - to-kanals volum- og balansekontroll).

I måleinstrumenter I radiosendere og mottakere

• AM-signaldetektorer (K175DA1).
• FM-signaldetektorer (K174UR7).
• Blandere (K174PS1).
• Høyfrekvente forsterkere (K157XA1).
• Mellomfrekvensforsterkere (K157XA2, K171UR1).
• Enkeltbrikke radiomottakere (K174XA10).

På TV-er

• I radiokanalen (K174UR8 - forsterker med AGC, IF bilde- og lyddetektor, K174UR2 - IF bildespenningsforsterker, synkron detektor, forforsterker videosignal, nøkkel automatisk forsterkningskontrollsystem).
• I fargekanalen (K174AF5 - farge R-, G-, B-signalformer, K174XA8 - elektronisk bryter, begrensende forsterker og demodulator av fargeinformasjonssignaler).
• I skanningens noder (K174GL1 - rammeskanningsgenerator).
• I svitsj-, synkroniserings-, korreksjons- og kontrollkretser (K174AF1 - amplitudevelger for et synkroniseringssignal, horisontal frekvenspulsgenerator, automatisk frekvens- og fasesignaljusteringsenhet, horisontal sveipedriverpulsgenerator, K174UP1 - lysstyrkesignalforsterker, elektronisk regulator utgangssignalsving og svartnivå).

Produksjon

Overgangen til submikronstørrelser av integrerte elementer kompliserer utformingen av AIMS. For eksempel har MOSFET-er med kort gatelengde en rekke funksjoner som begrenser deres bruk i analoge blokker: et høyt nivå av lavfrekvent flimmerstøy; en sterk spredning av terskelspenning og helning, noe som fører til utseendet til en stor offsetspenning av differensial- og operasjonsforsterkere; lav utgangsmotstand med lavt signal og forsterkning av kaskader med aktiv belastning; lav sammenbruddsspenning av p-n-kryss og dren-kildegap, noe som forårsaker en reduksjon i forsyningsspenning og en reduksjon dynamisk rekkevidde.

For tiden produseres analoge mikrokretser av mange selskaper: Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments, etc.

Digitale kretser

Digital integrert krets(digital mikrokrets) er en integrert mikrokrets designet for å konvertere og behandle signaler som endres i henhold til loven om en diskret funksjon.

Digitale integrerte kretser er basert på transistorbrytere som kan være i to stabile tilstander: åpen og lukket. Bruken av transistorbrytere gjør det mulig å lage ulike logikk-, trigger- og andre integrerte kretser. Digitale integrerte kretser brukes i diskrete informasjonsbehandlingsenheter for elektroniske datamaskiner (datamaskiner), automasjonssystemer, etc.

• Bufferomformere
• (mikro)prosessorer (inkludert prosessorer for datamaskiner)
• Brikker og minnemoduler
• FPGA (Programmable Logic Integrated Circuits)

Digitale integrerte kretser har en rekke fordeler fremfor analoge:

• Redusert strømforbruk knyttet til bruk av pulserende elektriske signaler i digital elektronikk. Når du mottar og konverterer slike signaler, fungerer de aktive elementene til elektroniske enheter (transistorer) i "nøkkel"-modus, det vil si at transistoren enten er "åpen" - som tilsvarer et høynivåsignal (1), eller "lukket" - (0), i det første tilfellet på transistoren har ingen spenningsfall, i det andre - ingen strøm flyter gjennom den. I begge tilfeller er strømforbruket nær 0, i motsetning til analoge enheter, der transistorene er i en mellomliggende (aktiv) tilstand det meste av tiden.
• Høy støyimmunitet digitale enheter er forbundet med en stor forskjell mellom signaler med høyt (for eksempel 2,5-5 V) og lavt (0-0,5 V) nivå. En tilstandsfeil er mulig ved et slikt interferensnivå at et høyt nivå tolkes som et lavt nivå og omvendt, noe som er usannsynlig. Dessuten, i digitale enheter det er mulig å bruke spesiell kode som gjør det mulig å rette feil.
• En stor forskjell i nivåene til tilstandene til høy- og lavnivåsignaler (logisk "0" og "1") og et ganske bredt spekter av tillatte endringer gjør digital teknologi ufølsom for den uunngåelige spredningen av elementparametere i integrert teknologi, eliminerer behovet for å velge komponenter og konfigurere justeringselementer i digitale enheter.

Analog-til-digitale kretser

Analog-digital integrert krets(analog-digital mikrokrets) - en integrert krets designet for å konvertere signaler som endres i henhold til loven om en diskret funksjon, til signaler som endres i henhold til loven om en kontinuerlig funksjon, og omvendt.

Ofte utfører en mikrokrets funksjonene til flere enheter samtidig (for eksempel inneholder suksessive tilnærmings-ADC-er en DAC, slik at de kan utføre toveiskonverteringer). Liste over enheter (ufullstendig), hvis funksjoner kan utføres av analog-til-digitale IC-er:

• digital-til-analog (DAC) og analog-til-digital omformere (ADC);
• analoge multipleksere (mens digitale (de)multipleksere er rene digitale IC-er, inneholder analoge multipleksere digitale logiske elementer (vanligvis en dekoder) og kan inneholde analoge kretser);
• transceivere (for eksempel en nettverksgrensesnitt transceiver ethernet);
• modulatorer og demodulatorer;
  • radiomodemer;
  • dekodere for tekst-TV, VHF-radiotekst;
  • Fast Ethernet-sendere og optiske linjer;
  • ringe opp modemer;
  • digitale TV-mottakere;
  • optisk datamaskin mus sensor;
• strømforsyningsbrikker for elektroniske enheter - stabilisatorer, spenningsomformere, strømbrytere, etc.;
• digitale attenuatorer;
• faselåst sløyfe (PLL) kretser;
• klokkegeneratorer og gjenopprettere;
• grunnleggende matrisekrystaller (BMC): inneholder både analoge og digitale kretser.

Chip-serien

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 spenningene til strømforsyninger, matches når det gjelder inngangs- og utgangsmotstander, signalnivåer.

Korps

Pakker med integrerte kretser beregnet for overflatemontering

Mikromontering med en rammeløs mikrokrets sveiset på et trykt kretskort

Spesifikke titler

Verdensmarkedet

I 2017 ble det globale markedet for integrerte kretser anslått til 700 milliarder dollar.

Den 12. september 1958 demonstrerte en ansatt i Texas Instruments (TI) Jack Kilby for ledelsen en merkelig enhet - en enhet limt med bivoks på et glasssubstrat fra to silisiumstykker som måler 11,1x1,6 mm. Det var en tredimensjonal layout - en prototype av en integrert krets (IC) av en generator, som beviser muligheten for å produsere alle kretselementer basert på et enkelt halvledermateriale. Denne datoen feires i elektronikkens historie som fødselsdagen til integrerte kretser.

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

Tidligere ble to grupper av integrerte kretser skilt: hybrid og halvleder

I hybride IC-er (HIC-er) er alle ledere og passive elementer dannet på overflaten av et mikrokretssubstrat (vanligvis laget av keramikk) ved hjelp av integrert teknologi. Aktive elementer i form av pakkeløse dioder, transistorer og halvleder-IC-brikker 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 med en delvis inntrengning i volumet ved diffusjonsmetoder. Samtidig produseres fra flere titalls til flere tusen IC-er på én halvlederskive

De første hybride IC-ene.

GIS er et produkt av den evolusjonære utviklingen av mikromoduler og keramisk plateteknologi. Derfor dukket de opp umerkelig, det er ingen generelt akseptert fødselsdato for GIS og en generelt anerkjent forfatter.

Halvleder-ICer var et naturlig og uunngåelig resultat av utviklingen av halvlederteknologi, men krevde generering av nye ideer og etablering av nye teknologier 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.

Tilbake på slutten av 1940-tallet utviklet Centralab i USA de grunnleggende prinsippene for produksjon av tykkfilm-keramikkbaserte trykte kretskort.

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

Sammenlignet med tykkfilmteknologi ga tynnfilmteknologi muligheten for mer nøyaktig produksjon av mindre topologielementer, men krevde mer komplekst og kostbart utstyr. Enheter produsert på keramiske plater ved bruk av tykkfilm- eller tynnfilmteknologi kalles "hybridkretser"

Men mikromodulen ble en hybrid integrert krets i det øyeblikket da pakkeløse transistorer og dioder ble brukt i den og strukturen ble forseglet i et felles hus

I USSR

De første GIS (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 masseproduksjon. I disse GIS ble halvleder-ICer "P12-2" brukt som aktive elementer, utviklet i 1962 av Riga Plant of Semiconductor Devices

Kvant-modulene var utvilsomt den første GIS-en i verden med to-nivå integrasjon - som aktive elementer brukte de ikke diskrete rammeløse transistorer, men halvleder-ICer

I USA

Utseendet til tykkfilm-GIS som hovedelementbasen til den nye IBM System /360-datamaskinen ble først kunngjort av IBM Corporation i 1964

Halvleder-ICer fra "Micrologic"-serien av Fairchild og "SN-51" av TI var fortsatt utilgjengelig sjeldne og uoverkommelig dyre for kommersiell bruk, og bygde en stormaskin. Derfor utviklet IBM, basert på utformingen av en flat mikromodul, sin egen serie med tykkfilm-GIS, annonsert under vanlig navn (i motsetning til "mikromoduler") - "SLT-moduler" (Solid Logic Technology - solid logic technology. Vanligvis er ordet "solid" oversatt til russisk som "solid" , noe som er helt ulogisk. Faktisk ble begrepet "SLT-moduler " introdusert av IBM som en kontrast til begrepet "mikromodul" og bør gjenspeile deres forskjell. Ordet "solid" har andre betydninger - "solid", "hel" , som med hell understreker forskjellen mellom "SLT-moduler" og "mikromoduler"

SLT-modulen var en firkantet tykkfilm-keramisk mikroplate med innpressede vertikale pinner. Koblingsledere og motstander ble påført overflaten ved silketrykk, og pakkeløse transistorer ble installert. Kondensatorer, om nødvendig, ble installert ved siden av SLT-modulen

Med et nesten identisk utseende (mikromoduler er noe høyere), skilte SLT-moduler seg fra flate mikromoduler ved høyere tetthet av elementer, lavt strømforbruk, høy hastighet og høy pålitelighet.

I tillegg var SLT-teknologien ganske enkel å automatisere, slik at de kunne produseres til en lav nok kostnad til å brukes i kommersielt utstyr. Dette er akkurat det IBM trengte. Etter IBM begynte GIS å bli produsert av andre selskaper som GIS ble et kommersielt produkt for.

I de første dagene av februar 2014 ble 55-årsjubileet for opptredenen i verdenssamfunnet av en så integrert del av moderne kretsløp som en integrert krets.

Vi minner deg om at i 1959 utstedte Federal Patent Office of the United States of America et patent til Texas Instruments for å lage en integrert krets.

Denne begivenheten ble kjent som fødselen til elektronikkens æra og alle fordelene som følger av bruken.

Faktisk er den integrerte kretsen grunnlaget for de fleste elektriske apparater kjent for oss.

For første gang oppsto ideen om å lage en integrert krets på begynnelsen av femtitallet av forrige århundre. Hovedargumentet for utseendet var miniatyrisering og reduksjon i kostnadene for elektriske apparater. I lang tid var tanker om implementeringen ganske enkelt i luften, til tross for at slike kretser som TV og radio, samt datateknologi, aktivt utviklet seg i verden.

Opprettelsen av en integrert krets betydde avvisning av ekstra ledninger, monteringspaneler, isolasjon i produksjonen av kretser basert på dioder og halvledertransistorer. Men i lang tid var ingen i stand til å realisere slike ideer. Først etter det aktive arbeidet til en så talentfull og kjent ingeniør som Jack Kilby (vinner av Nobelprisen i fysikk for oppfinnelsen av den integrerte kretsen i 2000), i 1958, ble den første mikrokretsen introdusert. Nesten seks måneder senere ble oppfinnelsen patentert av selskapet som Kilby jobbet for (Texas Instruments).

Selvfølgelig kan vi nå konstatere at den første mikrokretsen til den tyske forskeren Kilby var helt ubrukelig. Imidlertid ble alle senere integrerte kretser opprettet på grunnlag av det, en av dem var Robert Noyces teknologi - en plan mikrokrets av silisium.

R. Noyce hadde en høy stilling i Fairchald Semiconductor, mer presist, han var en av grunnleggerne. Noyces arbeid ble patentert nesten umiddelbart etter at Kilbys patent ble gitt. Imidlertid, i motsetning til Kilby-brikken, var Noyces design etterspurt blant de viktigste elektriske produsentene. Dette forårsaket en tvist mellom Texas Instruments og Fairchald Semiconductor og påfølgende rettssaker frem til 1969. Som et resultat ble Noyce kåret til den første oppfinneren av mikrokretser. Selv om en slik kombinasjon av omstendigheter ikke opprørte eierne av begge selskapene i det hele tatt. Noen år tidligere kom de til en enstemmig avgjørelse og anerkjente begge forskerne som grunnleggerne av en integrert krets med samme rettigheter, og ga dem de høyeste prisene fra de amerikanske vitenskaps- og ingeniørmiljøene - National Medal of Science og National Medal of Teknologi.

Hvis du graver godt inn i fortiden, kan du med sikkerhet si at før Noyce og Kilby introduserte mikrokretsen for verden, jobbet et ganske stort antall forskere med denne ideen, som tilbød ikke mindre avanserte design. Blant dem er ingeniør Werner Jacobi (Tyskland). Utviklingen hans ble til og med patentert i 1949. I patentet skisserte ingeniøren utformingen av en mikrokrets med 5 transistorer på et felles underlag. Senere, i 1952, ble prinsippet om å integrere kretskomponenter i en enkelt enhet beskrevet av den engelske ingeniøren D. Dummer. Etter ytterligere fem år kunngjorde Jeffrey Dummer den første arbeidsprøven av en integrert flip-flop-krets basert på fire transistorer. Dessverre satte ikke de britiske spesialistene i militærenhetene pris på oppfinnelsene til Dammer, selv om de burde ha gjort det. Som et resultat ble alt arbeidet til forskeren suspendert. Senere ble Dummers oppfinnelse kalt stamfaderen til moderne mikrokretser, og vitenskapsmannen selv ble kalt profeten til den integrerte kretsen.

I 1957, i USA, søkte en annen ingeniør Bernard Oliver om patent på teknologien han beskrev for produksjon av en monolittisk blokk på tre plane transistorer.

Blant navnene på profetene til den moderne mikrokretsen er initialene til ingeniøren Harvick Johnson, som patenterte flere typer elektroniske komponenter av kretser på en enkelt brikke samtidig, men aldri mottok et eneste dokument som tillot å realisere oppdagelsene hans. En av disse metodene ble brukt av Jack Kilby, som fikk alle laurbærene til Johnson.

6. februar 1959, for nøyaktig 55 år siden, US Federal Patent Office ga et patent for oppfinnelsen av en integrert krets til Texas Instruments. Dermed ble teknologiens fødsel offisielt anerkjent, uten hvilken vi i dag ikke ville ha for hånden det store flertallet av elektroniske enheter som er kjent for oss og egenskapene knyttet til dem.

Ideen om en integrert krets på slutten av 50-tallet, som de sier, var i luften. Transistoren er allerede opprettet; de raskt utviklende radio- og fjernsynskretsene, for ikke å snakke om datateknologi, krevde leting etter løsninger for miniatyrisering; forbrukermarkedet trengte billigere utstyr. Ideen om å kaste ut alt overflødig fra kretsen på halvledertransistorer og dioder (monteringspaneler, ledninger, kasser og isolatorer), og samle essensen - n-p-kryss - i en "murstein" - måtte uunngåelig komme til hodet på noen.

Og slik ble det. Kom. Dessuten flere talentfulle ingeniører på en gang, men bare en av dem regnes i dag for å være "faren til den integrerte kretsen" - Jack Kilby, en ansatt i Texas Instruments, som ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 2000 for oppfinnelsen av den integrerte kretsen. 24. juli 1958 skrev han ned ideen om en ny enhet i arbeidsdagboken sin, 12. september demonstrerte han en arbeidsprøve av mikrokretsen, forberedte og sendte inn en patentsøknad, og mottok den 6. februar 1959 .

For å være rettferdig var utformingen av Kilbys germaniummikrokrets praktisk talt uegnet for industriell utvikling, noe som ikke kan sies om den plane silisiummikrokretsen utviklet av Robert Noyce.

Robert Noyce, som jobbet hos Fairchald Semiconductor (han var også en av grunnleggerne av dette selskapet), nesten samtidig og uavhengig av Kilby, utviklet sin egen versjon av utformingen av en integrert krets, patenterte den og ... kastet Texas Instruments og Fairchald Semiconductor inn i en kontinuerlig patentkrig i 10 år, som endte 6. november 1969 ved avgjørelsen fra den amerikanske lagmannsretten for patenter og toll, ifølge hvilken den eneste oppfinneren av mikrokretsen bør betraktes ... Robert Noyce! Den amerikanske høyesterett opprettholdt denne avgjørelsen.

Men selv før rettsdommen, i 1966, ble selskapene enige om å anerkjenne hverandre like rettigheter til den integrerte kretsen, og begge oppfinnerne - Kilby og Noyce ble tildelt de samme høyeste prisene fra de amerikanske vitenskaps- og ingeniørmiljøene: National Medal of Vitenskap og National Medal of Technology.

Men det var andre som mye tidligere enn Kilby og Noyce formulerte designprinsippet og til og med patenterte den integrerte kretsen. Den tyske ingeniøren Werner Jacobi tegner i sitt patent fra 1949 en kretsdesign av 5 transistorer på et felles underlag. Den 7. mai 1952 beskrev den engelske radioingeniøren Jeffrey Dummer prinsippet om å integrere kretskomponenter i en enkelt enhet i sin offentlige tale på et symposium om elektroniske komponenter i Washington (Jack Kilby var forresten også til stede på dette symposiet); i 1957 presenterte han en fungerende prototype av verdens første 4-transistor integrerte flip-flop. Spesialister fra militæravdelingen i England forsto ikke nyheten og satte ikke pris på potensialet. Verkene ble stengt. Deretter, i hjemlandet, ble Dummer kalt "profeten for den integrerte kretsen", han ble invitert til å delta i mange nasjonale og internasjonale prosjekter for utvikling av elektroniske teknologier.

I USA i oktober samme år sendte Bernard Oliver inn en patentsøknad, hvor han beskrev en metode for å produsere en monolittisk blokk med tre plane transistorer. Den 21. mai 1953 sendte ingeniør Harvick Johnson inn en søknad om flere måter å lage en rekke elektroniske kretskomponenter i en enkelt brikke. Det er morsomt at et av alternativene foreslått av Johnson ble uavhengig implementert og patentert av Jack Kilby 6 år senere. Rått!

Detaljerte biografier om alle oppfinnerne av den integrerte kretsen, beskrivelser av hendelser og omstendigheter til de store, jeg er ikke redd for ordet, oppfinnelser i dag kan lett bli funnet av hvem som helst: alt dette er på nettet. Jeg, på fødselsdagen til mikrokretsen, vil gjerne "gi ordet" til alle tre: Jeffrey Dummer, Jack Kilby og Robert Noyce. På ulike tidspunkt i et intervju delte de minnene sine «hvordan det var», tankene og opplevelsene sine. Jeg valgte noen utsagn som virket interessante for meg ...

Geoffrey Dummer:
"Med fremkomsten av transistoren og arbeidet med halvledere generelt, ser det i dag ut som mulig å reise spørsmålet om å lage elektronisk utstyr i form av en solid blokk uten noen tilkoblingsledninger. Denne blokken kan bestå av lag av isolerende, ledende, likeretter og signalforsterkende materialer. Å stille inn de elektroniske funksjonene til komponentene og koble dem riktig kan gjøres ved å kutte ut deler av de individuelle lagene."
"I en av bøkene mine forklarte jeg årsaken til at jeg mislyktes som å være veldig sliten av endeløse byråkratiske kriger, men kanskje dette ikke er det eneste. Faktum er at ingen ønsket å ta risiko. Krigsavdelingen vil ikke inngå kontrakt for et apparat som ikke er brakt til industriell design. Noen utviklere ønsket ikke å ta på seg en sak som var ukjent for dem. Dette er en kylling og egg-situasjon. Amerikanere er økonomiske eventyrere, og i dette landet (som betyr England. - Yu. R.) alt går for sakte.»

Jack Kilby:
«Etter at transistoren kom på banen, var det en fornyet interesse for det som for en tid siden ble kalt «miniatyrisering». Det var aldri et mål i seg selv, men for et stort antall applikasjoner virket det veldig praktisk å samle flere komponenter på ett sted og pakke dem tettere. Og så er det marinen startet et prosjekt om nærsikringer. De trengte virkelig en enhet der alle de elektroniske komponentene er satt sammen på en kvadrattommers plate, ikke mer. De hadde allerede brukt en god del penger, men aldri fått det de ville ... Transistoren løste alle problemene. Generelt, da og nå, hvis du har et nytt produkt og det er av interesse for militæret, eller du kan ordne det på en slik måte at det vil være av interesse for militæret, så vil du som regel jobbe uten problemer, fordi du vil ha finansiering. Det var sant i de fjerne tider, det er sant nå.»

"Hovedmotivet for å jobbe med den integrerte kretsen var å redusere kostnadene for produksjon av utstyr. Riktignok forestilte jeg meg ikke på den tiden omfanget av den mulige reduksjonen i pris og hvor mye billighetsfaktoren ville utvide bruksområdet for elektronikk på helt andre områder. I 1958 kostet en silisiumtransistor, som heller ikke solgte særlig godt, rundt 10 dollar. I dag kan $10 kjøpe over 100 millioner transistorer. Jeg kunne ikke ha forutsett dette. Og jeg er sikker på at ingen forestilte seg muligheten for dette.

«Vi begynte å utvikle den første mikrokalkulatoren (bildet) for å utvide markedet for integrerte kretser: massemarkedet er viktig for dem. Vi solgte de første kalkulatorene for $500, i dag selges de for $4-5 og har blitt et engangsprodukt. Dette handler om spørsmålet om kostnadsreduksjon.

"Er oppfinnelsen av den integrerte kretsen min største prestasjon i livet? Å, definitivt!..."

Robert Noyce:
"Hos Fairchild begynte vi å jobbe med et ingeniørprosjekt som militæret kalte "molekylær ingeniørkunst." Det ble finansiert av Luftforsvaret. Vi skulle lage en slags struktur bygget av molekyl-på-molekyl eller til og med atom-på-atom-konstruksjoner. Og en slik struktur skal utføre funksjonene til en elektronisk enhet. Det var ikke akkurat vår profil, for styrken til elektronikkindustrien har alltid vært å syntetisere noe fra enkle elementer, og ikke prøve å finne opp et komplekst element. Enkle kretselementer lages: kondensatorer, motstander, forsterkerelementer, dioder, etc., og deretter syntetiseres den nødvendige funksjonen fra dem. Generelt gikk noe galt med molekylærteknikk.»

«Du spør om det først og fremst var en markedsføringsbeslutning å gå inn i integrerte kretser. Jeg tror ikke. Jeg tror at de fleste prestasjoner av denne typen ikke ble spådd av markedsførere og ikke bevisst forberedt av dem. De oppsto heller fra logikk teknisk fremgang. Den tiden kan beskrives slik: «Nå kan vi gjøre dette. Hvorfor prøver du ikke å selge den?" Og i dag kommer en fra markedsføring og sier: «Hadde vi hatt denne, så kunne vi solgt den». Kan du føle hvor forskjellen er? Når det gjelder den integrerte kretsen, var det mest spennende følelsen av at det var behov for denne enheten. Alle har. For militæret, for sivile ... Du skjønner, for alle!