Вопрос 15 - Понятие интегральной схемы, понятие серии интегральных схем, виды интегральных схем по степени интеграции, по принципу схемотехнического построения, по быстродействию.

ИС представляет собой микроэлектронное устройство, рассматриваемое как единое изделие, содержащее, как правило, большое количество взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов и т.п.), изготовленная в едином технологическом цикле, на одной и той же несущей конструкции (подложке) и выполняющая определенную функцию преобразования информации.

Микросхемы выпускаются сериями. Серия представляет собой совокупность типов микросхем, обладающих конструктивной, электрической, при необходимости информационной совместимостью и предназначенных для совместного применения. Микросхемы одной серии имеют единые напряжения питания и уровни сигналов, одинаково надежные эксплуатационные характеристики, единое конструктивно-техническое исполнение; при совместном применении не нуждаются в дополнительных согласующих устройствах.

Типономинал – ИС конкретного функционального назначения и определенного конструктивно-технологического и схемотехнического решения, имеющая условное обозначение.]

По степени интеграции установлены следующие названия ИС:

Малая ИС (МИС) – до 100 элементов

Средняя ИС (СИС) – от 100 до 1000 элементов для цифровых ИС (до 500 – для аналоговых)

Большая ИС (БИС) – свыше 1000 элементов для ЦИС (больше 500 АИС)

Сверх БИС (СБИС) – свыше 100000 для ИС с регулярной структурой; > 50000 – с нерегулярной; > 10000 – для АИС. (АИС – аналоговые ИС)

По принципу схемотехнического построения ЦИС подразделяют на следующие классы:

1. Эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ)

2. Транзисторно-транзисторной логики с транзистором Шотки (ТТЛШ)

3. Интегрально-инжекционной логики (И²Л)

4. Логики на комплиментарных структурах (КМОП)

5. логики на МОП структурах (p-МОП, n-МОП)

6. на полевых транзисторах с затвором Шотки на GaAs (ПТШ - GaAs)

По быстродействию ЦИС принято классифицировать следующим образом:

1. Сверхвысокого быстродействия – Тзадержки меньше 1 нс

2. Высокого быстродействия – Тзадержки до 10 нс

3. Среднего быстродействия – Тзадержки до 50 нс

4. Низкого быстродействия – Тзадержки больше 50 нс

ЦИС изготавливают по биполярной МОП технологии и смешанной (БИ-КМОП).

Вопрос 16 - Системы элементов, их характеристики. Особенности базовых элементов ттлш, n -моп, кмоп

Система элементов

Серия ИС	Технология	Тзадержки (нс)
К6500	ПТШ-GaAs	0,15
К1500	ЭСЛ	1,4
100, К500	ЭСЛ	22,9
530, К531	ТТЛШ	3
533, К535	ТТЛШ	10
К176	КМОП	250
К561, 564	КМОП	80
К1564	КМОП	10

ИС ТТЛШ среди ТТЛ имеют максимальное быстродействие, которое сочетается с умеренным потреблением мощности. Это достигается за счет введения в схему Металл-полупроводник выпрямляющих контактов, диодов Шоттки.

Вобычных ТТЛ ИС открытые транзисторы находятся в состоянии, при котором ЭП и КП смещены в прямом направлении и инжектируют. Это создает избыточное количество не основных носителей в Б и К областях, которые удлиняют время переключенияp-n перехода.

Когда транзистор заперт или находится в ненасыщенном режиме, потенциал К больше потенциала Б, поэтому диод смещен в обратном направлении и не влияет на работу транзистора. Если в процессе отпирания транзистора потенциал К становится меньше потенциала Б, диод открывается и на нем устанавливается прямое напряжение +0.4В, которое не дает транзистору войти в режим насыщения. Благодаря этому при запирании транзистора исключается задержка, вызываемая рассасыванием избыточного заряда.

Вданной серии потребляемая мощность растет с частотой переключения, причем если в статическом режиме микросхемы данной серии потребляют такую же мощность как аналогичная микросхема ТТЛ, то при частоте переключения 50МГц рассеиваемая мощность удваивается, на 100МГц – утраивается. Поэтому выпускаются серии ИС на транзисторах Шоттки с пониженным энергопотреблением

ИС наn-МОП типа имеют параметры, превосходящие параметры p-структур. 1) в n-каналах носители заряда – электроны, подвижность которых превышает в 2-3 раза подвижность дырок; 2) транзисторы с каналами n-типа выполняются по технологии самосовмещения затворов, обеспечивающей уменьшение паразитных мощностей в 2-3 раза. В итоге быстродействие увеличивается в 5-7 раз. Работают в положительной логике. Базовый элемент ИЛИ-НЕ.

ИС на комплиментарных МОП структурах. Инвертор строится на двух транзисторах с каналами разной проводимости, управляемых одной и той же переменной. Используют положительную логику. Схемы имеют высокую помехоустойчивость, сохраняют работоспособность при изменении питающего напряжения до 5 раз. Базовый элемент ИЛИ-НЕ, И-НЕ.

Если х = 1, то VT1 открыт, VT2 – закрыт. Выходное напряжение отличается от 0 только падением напряжения на проводящем канале запертого VT2. Такой инвертор практически не потребляет тока в статическом режиме. Может быть выполнен на транзисторах с низкоомными каналами, что повышает быстродействие.

Если среди входных переменных имеется хотя бы одна логическая 1, то в верхней группе последовательно включенных транзисторов этот транзистор будет заперт. В нижней группе – открыт. Выходное напряжение в данном случае равно 0. Если нет ни одной 1, то все транзисторы верхней группы проводят, а в нижней группе все заперты. Выходное напряжение близко кUп.

В схеме И-НЕ транзисторы верхней группы параллельно, нижней последовательно.

Затвор МОП транзистора и подложка разделяются слоем диэлектрика и образуют конденсатор. Емкость такого конденсатора невелика, однако, сопротивление утечки R_УТ=10¹²Ом, что создает условия для накапливания статических зарядов. Слой диэлектрика имеет толщину 70-100нм и электрическую прочность 200В. На теле человека и оборудовании накапливаются статические заряды в несколько кВ, способные вызвать необратимый пробой в слое диэлектрика. Для защиты транзисторов каждый вход микросхем КМОП снабжают диодно-резистивной охранной цепью, изготавливаемой в едином технологическом процессе.

Полная схема инвертора (слева).

Из-за защитной цепочки напряжение питания на схему всегда следует подавать раньше любых входных сигналов. Выключать в обратном порядке.

Входы ИС КМОП недопустимо оставлять свободными. Их объединяют с другими задействованными или подают логическую переменную, не меняющую закона работы. При монтаже для исключения случайного пробоя нужно уровнять потенциалы монтируемой платы, паяльника и тела монтажника.