МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

ФАКУЛЬТЕТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

КАФЕДРА САПР ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ

Конспект лекций по дисциплине

«Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров»

Направление 210200

Очная форма обучения

Рязань 2011

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ И МИКРОПРОЦЕССОРОВ

(7 семестр, 64 часа)

Тема 1: Введение. История развития микроэлектроники

Микроэлектроника – это область электроники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных устройств с высокой степенью миниатюризации. Развитие микроэлектроники в значительной степени связано с появлением и развитием полупроводниковых приборов. Использование этих приборов началось вскоре после изобретения радио в 1885 г. В 1906 г. появились первые точечно-контактные выпрямительные приборы, которые позволяли широко использовать детекторные приемники на основе полупроводниковых кристаллов.

В 1922 г. в Нижегородской лаборатории О.В. Лосевым был открыт эффект отрицательного дифференциального сопротивления в кристаллах и на основе его был разработан сверхгенеративный усилитель радиосигнала с низковольтным питанием. Однако электровакуумные приборы оказались более простыми и надежными и на значительное время задержали развитие полупроводниковой технологии.

Изобретение транзистора в 1948 г. дало новый толчок к развитию полупроводниковой электроники. 50^е гг. – это расцвет микромодулей, которые представляли собой компактные миниатюрные устройства в герметичном корпусе или заливке пластмассой, объединяющие в себе несколько десятков полупроводниковых диодов, транзисторов, резисторов и др. дискретных элементов.

В 1951 г. появились первые толстопленочные интегральные схемы (ИС), изготавливаемые методом трафаретной печати из паст на основе стекла с добавлением различных элементов (серебра, хрома и пр.). В 1958 г. появляются тонкопленочные микросхемы (МС) с напылением в вакууме пассивных элементов (активные элементы были навесными). Тонкопленочная технология отличалась очень высокой точностью изготовления элементов (погрешность составляла сотые доли процента) и являлась самой качественной.

В 1961 г. было начато производство первых полупроводниковых ИС на основе кремния. В течение последующих лет происходило непрерывное совершенствование конструкций и технологий полупроводниковых ИС. В настоящее время это самые массовые микроэлектронные изделия.

В современных ИС кроме электронного эффекта используют оптический, магнитный и акустический эффекты в твердом теле. Кроме этого микроэлектронная технология позволила создать вакуумные ИС, в которых используются вакуумные диоды и триоды.

В соответствии с принятой терминологией ИС называют микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которое с точки зрения испытания, приемки, поставки и эксплуатации рассматривается как единое целое. Часть ИС, которая реализует функцию какого-либо радиоэлемента, выполнена нераздельно от кристалла или подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие, называется элементом. Та часть МС, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации, называется компонентом.

Кроме этого в настоящее время интенсивно развивается направление под названием функциональная микроэлектроника, в котором некоторые устройства не могут быть разделены на отдельные элементы. Функциональная микроэлектроника называется несхемотехнической.

П о конструктивно-технологическому исполнению ИС делятся на три большие группы: полупроводниковые, гибридные и прочие.

Полупроводниковыми называют МС, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла.

Если все элементы и межэлементные соединения МС выполнены в виде пленок, то она называется пленочной. Гибридные МС содержат кроме пленочных элементов еще и компоненты. В зависимости от толщины пленок и способа их получения пленочные и гибридные МС делятся на тонкопленочные и толстопленочные. Основу совмещенных МС представляет полупроводниковый кристалл, в толще которого сформированы активные и пассивные элементы. Пассивные элементы, имеющие высокую точность, выполняются на поверхности кристалла в виде тонких пленок.

ИС принято характеризовать степенью интеграции, под которой понимается некоторая величина , где – оператор округления до большего целого, N – число элементов и компонентов в ИС. По степени интеграции различают малые ИС (МИС), средние ИС (СИС), большие ИС (БИС) и сверхбольшие ИС (СБИС). Наибольшей степенью интеграции обладают полупроводниковые ИС, а наименьшей – толстопленочные ИС, причем понятие уровня интеграции различается для различных видов ИС.

Уровень интеграции	Число элементов и компонентов N
	Цифровые		Аналоговые
	МОП-структуры	биполярные структуры
МИС	 100	 100	 30
СИС	101-1000	101-500	31-100
БИС	1001-10000	501-2000	101-300
СБИС	>10000	>2000	>300

ИМС выпускают в корпусном и бескорпусном исполнении. Корпус необходим для герметизации и защиты МС от внешних воздействий. Бескорпусные ИС предназначены для работы в составе микросборок, других ИС и в составе аппаратуры, имеющей общую герметизацию.

По применению в аппаратуре различают ИС широкого и частного применения. ИС широкого применения – это МС, выпускаемые серийно в виде серий МС. МС частного применения (микросборки) предназначены для использования в конкретной аппаратуре и изготавливается непосредственно на предприятии, изготавливающем эту аппаратуру, или на другом предприятии по заказу. Микросборки разрабатываются для улучшения показателей микроминиатюризации ЭВА. В микросборках разрешено использовать не только бескорпусные, но и корпусные компоненты.

Одной из ветвей полупроводниковых ИС являются БИС и СБИС микропроцессорных комплектов. В этих комплектах удалось увеличить степень интеграции за счет топологической повторяемости элементов. Кроме этого простота проектирования цифровых устройств, простота формализации принципов их работы позволили создать автоматические системы проектирования подобных устройств, которые называется кремниевыми компиляторами. Другим современным направлением развития ИС является производство и применение матричных полузаказных БИС и программируемых логических матриц (ПЛМ). Матричные полузаказные БИС изготавливаются на основе базового матричного кристалла путем нанесения на него тонкопленочных соединений. Сам базовый матричный кристалл представляет собой регулярно расположенные несоединенные между собой элементы. ПЛМ состоит из регулярно расположенных цифровых элементов, соединенных между собой программируемыми ключами по принципу «все со всеми».