Глава 8. Интегральные микросхемы.

8.1 Общие сведения о микросхемах.

8.1.1 Классификация микросхем.

Все выпускаемые отечественные интегральные микросхемы (ММС) подразделяются на группы, подгруппы и виды. В зависимости от конструктивно-технического исполнения ИМС подразделяются на три группы: полупроводниковые, пленочные, гибридные.

Группы ИМС.

Полупроводниковые ИМС. Это микросхемы, все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла. Краткое определение полупроводниковых ИМС, как электронных полупроводниковых приборов данного во введении. Следует добавить, что составляющие полупроводниковую микросхему транзисторы, диоды, резисторы выполняются в приповерхностном слое тонкого полупроводникового кристалла, называется подложкой. Существуют и другие определения ИМС. Например, более общее, охватывающее все типы[1]: ИМС есть совокупность, как правило, большого количества взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т. п.), изготовленных в едином технологическом цикле на одной и той же несущей конструкции - подложке - и выполняющая определенную функцию преобразования сигнала.

Полупроводниковые ИМС составляют основу современной микроэлектроники и будут рассмотрены более подробно.

Пленочные ИМС. Это микросхемы, состоящие только из пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей), выполненных в виде разного рода пленок нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. Различают тонкопленочные (толщина пленок до 1÷2 мкм) и толстопленочные ИМС (толщина до 10÷20 мкм). Из-за отсутствия активных элементов функции пленочных ИС крайне ограничены.

Гибридные ИМС (ГИС). Это комбинация пассивных пленочных элементов и активных дискретных компонентов (транзисторов, диодов), расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные компоненты, входящие в состав ГИС, называют навесными компонентами, подчеркивая этим их обособленность от основного технологического цикла получения ГИС. Кроме транзисторов и диодов, навесными компонентами ГИС могут быть полупроводниковые ИМС.

Принадлежность конкретной ИМС к - соответствующей группе отражается первой цифрой в обозначении ИМС:

• 1,5,6,7 - полупроводниковые;

• 2,4,8 - гибридные;

• 3 - прочие (куда входят пленочные).

Подгруппы и виды ИМС.

Другой классификационный признак ИМС – подгруппы и виды. Ему соответствуют две буквы в обозначении ИМС. Деление на подгруппы и виды осуществляется в зависимости от характера выполняемых ими функций в радиоэлектронной аппаратуре. Например, подгруппы (1-я буква): генераторы, усилители, ключи, преобразователи и т. д. Микросхемы в подгруппе подразделяются на виды (2-я буква), различающиеся по роду тока, частоте, форме сигнала и др. например, подгруппа усилители (У) подразделяется на виды: усилитель низкой частоты (Н), высокой частоты (В), постоянного тока (Т) и т. д. Деление ИМС на подгруппы, виды и их условные обозначения установлены (рекомендованы) ОСТ11073.915 – 80. в таблице 8.1 в качестве примера приведены некоторые подгруппы и виды (наиболее часто применяемые) и их обозначения. Полная таблица всех подгрупп и видов довольно внушительна. Кроме того, по мере развития микроэлектроники ГОСТ периодически изменяется, что, как правило, приводит к появлению в обозначениях. Пользоваться нужно действующим

Аналоговые и цифровые ИМС.

В зависимости от вида обрабатываемого сигнала все микросхемы делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговыми называют микросхемы, предназначенные для обработки и преобразования аналоговых сигналов. К аналоговым сигналам относят сигналы, изменяющиеся по закону непрерывной функции. Например, усилители (У), генераторы (Г) в табл. 8.1 относятся к аналоговым ИМС.

Цифровыми называют микросхемы, предназначенные для обработки и преобразования цифровых сигналов. К цифровым сигналам относят сигналы, изменяющиеся по закону дискретной функции и выраженные в цифровом виде. В наиболее распространенной двоичной системе цифровой сигнал имеет два значения - нуль (0) и единица (1). Например, триггеры (Т), логические элементы (Л) в табл. 8.1 относятся к цифровым ИМС.

Степень интеграции.

Интегральные схемы подразделяют по функциональной сложности ИС. Функциональную сложность характеризуют степенью интеграции N, под которой понимают количество элементов в кристалле (чипе). Обычно N характеризуют количеством транзисторов в чипе. К настоящему времени N достигает 100000 и более. Повышение степени интеграции, а вместе с ней и сложности выполняемых микросхемой функции – одна на главных (объективных) тенденций микроэлектроники. Для количественной оценки введем условный коэффициент К степени интеграции (ГОСТ 17021 - 88):

К=lgN, (8.1)

Таблица 8.1

Подгруппа ИМС (обозначения)	Вид ИМС (обозначения)	Обозначение подгруппы и вида
Генераторы (Г)	Гармонических сигналов (С)	ГС
	Прямоугольных сигналов (Г)	ГГ
	Сигналов специальной формы (Ф)	ГФ
	Линейно-изменяющихся сигналов (Л)	ГЛ
	Шума (М)	ГМ
	Прочие (П)	ГП
Усилители (У)	Низкой частоты (Н)	УН
	Высокой частоты (В)	УВ
	Постоянного тока (Т)	УТ
	Операционные (Д)	УД
	Дифференциальныые (С)	УС
	Прочие (П)	УП
Триггеры (Т)	Универсальные – типа JK (В)	ТВ
	RS – триггеры (Р)	ТР
	Счетные – типа Т (Т)	ТТ
	D – триггеры (М)	ТМ
	Прчие (П)	ТП
Схемы цифровых устройств (И)	Регистры (Р)	ИР
	Сумматоры (М)	ИМ
	Счетчики (Е)	ИЕ
	Шифраторы (В)	ИВ
	Дешифраторы (Д)	ИД
	Прочие (П)	ИП
Логические злементы (Л)	Элемент И (И)	ЛИ
	Элемент НЕ (Н)	ЛН
	Элемент ИЛИ (Л)	ЛЛ
	Элемент И-НЕ (А)	ЛА
	Элемент ИЛИ-НЕ (Е)	ЛЕ
	Элемент И-ИЛИ (С)	ЛС
	Элемент И-ИЛИ-НЕ (Р)	ЛР
	Элемент ИЛИ-НЕ / ИЛИ (М)	ЛМ
	Элемент И-НЕ / ИЛИ-НЕ (Б)	ЛБ

Величину К округляют до ближайшего целого большего числа. В зависимости от величины К различают:

• 1-ю степень интеграции, К=1, (N10);

• 2-ю степень интеграции, К=2, (10<N100);

• 3-ю степень интеграции, К=3, (100<N1000),

и т.д.

Имеется шестая степень интеграции. На очереди ИМС седьмой степени интеграции.

На практике и в литературе, особенно в зарубежной, для оценки для оценки функциональной сложности широко используется другие понятия (термины): малая (МИС) или просто ИС, средняя (СИС), большая (БИС) и сверхбольшая (СБИС) микросхемы. Эти понятия зависят не только от N, но еще от функционального назначения и технологии изготовления (в нашей стране эти понятия также рекомендованы ГОСТ 17021-88). Эти данные приведены в таблице 8.2.

В зарубежной литературе сложность цифровых микросхем часто оценивают количеством эквивалентных вентилей (двухвходовых логических элементов – Usable gates). К настоящему времени количество эквивалентных вентилей в одной ИМС достигает 10000 и более.

Для характеристики уровня технологии производства ИС вводят показатель плотности упаковки, означающий количество транзисторов (элементов) на единицу площади (1мм²) чипа (кристалла). Плотность упаковки достигает 1000 транзисторов на 1мм² и более.

Таблица 8.2

Наименование ИС	Вид ИС	Число элементов N
ИС (IC)	Цифровая	1100
	Аналоговая	1100
СИС (MSI)	Цифровая	1011000
	Аналоговая	101500
БИС (LSI)	Цифровая	1001(0,51)105
	Аналоговая	50110000
СБИС (VLSI)	Цифровая с регулярной структурой	Более 100000
	Цифровая с нерегулярной структурой	Более 50000
	Аналоговая	Более 100000

Ранее, до выхода ГОСТ 17021-88 было иное определение понятий МИС, СИС, БИС, СБИС, которые можно встретить в нашей литературе. В столбце Наименование ИС в скобках приведены английские наименования (аббревиатуры) ИС (IC-Integrated Circuit).