Стислі теоретичні відомості

Інтегральна мікросхема (ІМС) або інтегральна схема – це мікроелектронний виріб з високою щільністю пакування електрично з'єднаних елементів або елементів і компонентів, який виконує певну функцію перетворення та обробки електричних сигналів і з точки зору конструктивно-технологічних вимог розглядається як одне ціле.

В основу інтегральної схемотехніки покладений груповий метод та планарна технологія, які були освоєні ще в транзисторній електроніці.

Зміст групового методу полягає в тому, що на пластині кремнію (або германію) діаметром 25 – 40 мм та більше одночасно формуються всі елементи, які необхідні для побудови функціонального вузла. Для того, щоб виконати міжз'єднання елементів за допомогою металевих смужок, необхідно, щоб виводи всіх компонентів знаходились в одній площині – на одній поверхні пластини. Це забезпечується планарною технологією. При цьому широко використовується фотолітографія.

За технологією виготовлення розрізнюють напівпровідникові плівкові, гібридні та поєднані інтегральні мікросхеми. Напівпровідникова ІМС – це мікросхема, яка має один кристал напівпровідника, в об’ємі і на поверхні якого спеціальними технологічними методами сформовані всі елементні, міжелементні з’єднання і контактні площинки.

Плівкова ІМС – це мікросхема, елементи якої виконані у вигляді різного роду плівок, які нанесені на поверхню діелектричної підкладки. Залежно від способу нанесення плівок розрізнюють тонкоплівкові ІМС (до 1 – 2 мкм) та товстоплівкові ІМС (товщина плівок 10-20 мкм і більше). Плівкова технологія не дозволяє отримати активні елементи типу транзисторів, тому плівкові ІМС містять в собі тільки пасивні елементи. Такі схеми доповнюють навісними дискретними компонентами та отримують гібридні ІМС (ГІС). Крім діодів та транзисторів навісними елементами можуть бути і напівпровідникові ІМС, тобто компоненти підвищеної функціональної складності.

Використовують також і поєднані ІМС: – це мікросхеми, у яких активні елементи виконані в передповерхневому шарі напівпровідникового кристала (як у напівпровідникової ІМС), а пасивні – нанесені у вигляді плівок на попередньо ізольовану поверхню того ж кристала.

У всіх типах ІМС міжз'єднання елементів здійснюється за допомогою тонких металевих смужок, напилених або нанесених на поверхню підкладки та в потрібних місцях контактуючих із елементами. Процес нанесення цих з'єднувальних смужок називають металізацією, а сам “малюнок” міжз'єднань – металевою розводкою.

Розрізняють два класи напівпровідникових ІМС: біполярні ІМС та МДН ІМС. Характерною особливістю таких схем є відсутність серед елементів котушок індуктивності і тим більше - трансформаторів.

Функціональну складність ІМС характеризують ступенем інтеграції, тобто кількістю елементів (транзисторів) на кристалі. Для кількісної оцінки іноді використовують коефіцієнт де K – ступінь інтеграції, а N – кількість елементів схеми.

Оскільки ІМС, подібно електронній лампі або транзистору, являє собою конструктивно єдине ціле, виконує певну функцію та повинна задовольняти певним вимогам при випробуваннях, поставках та експлуатації, вона відноситься до розряду електронних приладів. Однак ІМС якісно новий тип приладів.

Перша – головна – особливість ІМС як електронного приладу, полягає в тому, що вона самостійно виконує закінчену, часто дуже складну функцію, в той час, коли дискретні електронні прилади виконують аналогічну функцію тільки в ансамблі з іншими компонентами.

Друга важлива особливість ІМС полягає в тому, що підвищення функціональної складності цього приладу в порівнянні з дискретними, не супроводжується погіршенням якогось з основних показників (надійності, вартості та ін.). Більш того, всі ці показники поліпшуються.

Третя особливість полягає в переважному використанні активних елементів. В ІМС задається вартість не елементу, а кристалу. Тому доцільно на кристалі розміщувати якомога більше елементів з мінімальною площею. Мінімальну площу мають активні елементи.

Четверта особливість пов'язана з тим, що сусідні елементи знаходяться один від одного на відстані всього 50 - 100 мкм, а значить забезпечується малий розбіг параметрів у сусідніх елементів.

Залежно від функціонального призначення ІМС поділяються на дві основні категорії – аналогові (АІС) та цифрові (ЦІС).

До АІС відносяться ІМС, призначені для перетворення та обробки сигналів, які змінюються за законом неперервної функції.

До ЦІС відносяться ІМС, за допомогою яких перетворюються та обробляються сигнали, які подані в двійковому або в іншому цифровому коді. До таких схем відносяться також логічні мікросхеми. Такі логічні елементи, або логічні вентилі, виконують найпростіші логічні операції: інверсію, логічне додавання та логічне множення.

Найпростіша логічна функція інверсія (“заперечення” або функція НІ) реалізується за допомогою інвертора (наприклад, транзисторним ключем за схемою із загальним емітером). Умовне позначення логічного елемента НІ зображено на рис. 7.1, а.

Логічне додавання (диз'юнкція, функція АБО) визначається наступним чином: С = 1, якщо А = 1 або В = 1, або А = 1 та В = 1. У даному випадку вихідний сигнал формується при подачі вхідного сигналу на будь-який вхід схеми. Позначення схеми АБО зображено на рис. 7.1, б.

Логічне множення (кон'юнкція або функція І) визначається так: С = 1, якщо одночасно і А = 1, і В = 1. У даному випадку стан схеми змінюється за часом при збіганні сигналів на всіх входах. Позначення схеми І зображено на рис. 7.1, в.

Поєднання функції АБО та інверсії (рис. 7.1, г) забезпечує комбіновану функцію АБО – НІ. Аналогічне поєднання функції І з інверсією (рис. 7.1, д) призводить до комбінованої функції І – НІ. Асоціації таких функцій дозволяють реалізувати будь-яку логічну операцію.

 

Рис. 7.1. Умовне позначення основних логічних елементів

 

У логічних елементах логічні нулі та одиниці фіксуються різними значеннями напруги: низькою напругою або рівнем логічного нуля U ⁰ (лог. 0) та високою напругою або рівнем логічної одиниці U ¹(лог. 1). Перепад рівнів від одиниці до нуля називають логічним перепадом.

Серії біполярних ЦІС, які випускаються електронною промисловістю за типами базових електронних ключів підрозділяються на схеми: резистивно-транзисторної логіки (РТЛ), діодно-транзисторної логіки (ДТЛ), резистивно-ємнісної транзисторної логіки (РЕТЛ), транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ), емітерно-пов'язаної транзисторної логіки (ЕПТЛ). У цих позначеннях словом логіка замінюється поняття електронний ключ.

Поруч з біполярними схемами широке розповсюдження отримали ІМС на МОН-структурах (на транзисторах р -типу із збагаченим каналом, комплементарні МОН-схеми (КМОН) та ін.). Найбільше розповсюдження в сучасній апаратурі отримали серії ІМС: ТТЛ, ТТЛ з бар’єрами Шотткі (ТТЛШ), ЕПТЛ, інжекційно-інтегральної логіки та схеми на МОН-структурах.

Основу схем ТТЛ складають багатоемітерні транзистори (БЕТ), які створюються сукупністю кількох транзисторних структур, що мають спільний колектор. Проста схема І – НІ на базі БЕТ зображена на рис. 7.2.

 

Рис. 7.2. Схема логічного елемента на базі БЕТ

 

Якщо на всі входи БЕТ (VТ1) подана напруга, яка відповідає рівню логічно 0 (U^O_BX) всі переходи база – емітер зміщуються в прямому напрямку. Через резистор R 1 тече великий струм I_B1, потенціал бази зменшується, колекторний перехід БЕТ закривається (І_С1 = І_В2 ≈ 0). Це забезпечує закритий стан транзистора VT2 (І_С2 ≈ 0), на виході якого формується напруга рівня логічної 1 (U ¹_вих). Якщо на один із входів схеми подати напругу, яка відповідає рівню 1, а на решті входів зберегти рівень 0, стан схеми не зміниться, так як відкриті емітерні переходи БЕТ будуть шунтувати закритий. Колекторний перехід багатоемітерного транзистора залишиться в закритому стані.

Сигнал на виході схеми зміниться тільки при одночасній подачі на всі входи рівня логічної 1. При цьому всі емітерні переходи БЕТ закриваються, а колекторний – відкривається (інверсний режим транзистора). Струм, який задається на базу БЕТ через резистор R 1, тече від джерела живлення в коло колектора і далі в базу транзистора VT2, який переходить в режим насичення. Напруга на виході схеми відповідає рівню “0” (U ⁰_ВИХ). Таким чином реалізується логічна операція І - НІ.

Схеми ТТЛ з простим інвертором не знайшли широкого використання через низьку завадостійкість, малу навантажувальну здатність, малу швидкодію однополярного ключа при роботі на ємнісне навантаження та жорстких вимог до параметрів інтегральних елементів. Основою для схем ТТЛ є ключ зі складним інвертором – двополярний ключ, який використовують для побудови ТТЛ стандартної серії К155. Такі логічні елементи досліджуються в даній роботі.

Як елементи електронної апаратури ЦІС характеризуються статичними параметрами. Динамічні параметри досліджуються в лабораторній роботі 8.

Система статичних параметрів ЦІС складається із сукупності параметрів, які характеризуються струмами та напругами на всіх вхідних та вихідних виводах та вводах джерел живлення. Вимірювання параметрів здійснюється для станів лог. 0 та лог. 1 для кожного виводу. Статичні параметри, які характеризуються ЦІС, умовно поділяють на класифікаційні, виміряні та параметри режиму.

До класифікаційних параметрів належать ті, які безпосередньо не вимірюються, а гарантуються системою виміряних параметрів та параметрів режиму або обчислюються з їх використанням. Це – коефіцієнт розгалуження по виходу , коефіцієнт об'єднання по входу , завадостійкість та потужність, яка споживається.

Коефіцієнт розгалуження по виходу (навантажувальна здатність) характеризує кількість входів аналогічних схем, яка може бути підключена до виходу ключа. Коефіцієнт об'єднання по входу визначає максимальну кількість входів ЦІС.

Статична завадостійкість логічних ключових елементів визначає значення напруги, яка може бути подана на вхід ключа відносно рівня “0” або “1”, не викликаючи його помилкового вмикання. Так як логічний елемент в статичному режимі може знаходитись в одному з двох станів (“0” або “1”), розрізняють статичну завадостійкість за рівнем "0" U ^O_ЗАВ та за рівнем “1” U ¹_зав (рис. 7.3), а цією характеристикою визначають також інші параметри.

 

Рис. 7.3. Передавальна характеристика ЦІС

 

До найважливіших статичних параметрів ЦІС відносяться: – потужність споживання в стані логічного нуля ; потужність споживання в стані логічної одиниці ; середня потужність споживання , яка визначається як півсума потужностей, що споживаються мікросхемою від джерела живлення в двох різних стійких станах; вхідна і вихідна напруги логічного нуля; вхідна та вихідна напруги логічної одиниці; вхідний та вихідний струми логічного нуля; вхідний і вихідний струми логічної одиниці; порогові напруги логічної одиниці та логічного нуля (найбільше значення низького рівня та найменше значення високого рівня напруги на вході мікросхеми, при якому ще не відбувається перехід мікросхеми з одного логічного стану в інший).

Вимірювання статичних параметрів ІМС проводиться в певних точках вхідних, вихідних та передавальних характеристик ЦІС, які відповідають логічним рівням 0 та 1. Сукупність контрольних точок на характеристиках та параметри, які є похідними від них, складають систему статичних параметрів конкретної ІМС або серії ІМС.

Методи вимірювання статичних параметрів зводяться до вимірювання напруг та струмів на її виводах за умови, що на всіх виводах схеми встановлені необхідні рівні напруг та струмів, тобто задається потрібний електричний режим схеми.

В умовах виробництва ІМС, а також на підприємствах, які використовують ІМС, широке поширення знаходять автоматизовані системи вимірювання параметрів ЦІС. У даному випадку використовуються програмовані джерела тестів.

Терміни, визначення, літерні позначення електричних параметрів ІМС, а також методи їх вимірювання, які використовуються в науці та техніці, встановлені рядом державних стандартів [11, 12, 13 ].

За прийнятою системою умовних позначень всі вітчизняні ІМС поділяються за конструктивно-технологічним виконанням на три групи: 1, 5, 6, 7 – напівпровідникові; 2, 4, 8 – гібридні; 3 – інші (плівкові, вакуумні, керамічні та ін.). Ці цифри є першими елементами в умовних позначеннях ІМС. Другим елементом є три цифри (від 000 до 999) або дві цифри (від 00 до 99), які вказують порядковий номер серії ІС. Третій елемент – дві літери, які відповідають підгрупі та виду ІМС за функціональним призначенням (генератори гармонійних сигналів – ГС, універсальні тригери ТВ, диференціальні підсилювачі – УД та ін.). Іноді наприкінці умовного позначення додається літера, яка визначає технологічний розбіг електричних параметрів даного типономіналу.

Інтегральні мікросхеми випускають в корпусах та в безкорпусному варіанті.

Література: [1, с.120-124; 130-136]; [2, с. 39-77; 224-234]; [3, с. 143-153], [4, с. 154-163; 204-219]; [6]; [11]; [12]; [13]; [14].