Файл: Атамалян Э.Г. Методы и средства измерения электрических величин учеб. пособие.pdf

Глава 10

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

§ 10-1. Общие сведения

Развитие современных ЭВМ основывается на прогрессе электрон­ ной техники; так, на смену первому поколению ЭВМ (ламповым ЭВМ) с появлением транзисторов пришло второе поколение, полупроводни­ ковые элементы которого работают с меньшим потреблением мощности и превосходят ламповые элементы по быстродействию в 10 раз, а по надежности в 100 раз (это позволило расширить функциональные за­ дачи ЭВМ). Расширение функциональных задач ЭВМ привело к рез­ кому усложнению аппаратуры, увеличению ее веса и габаритов, росту стоимости и значительному снижению надежности. Решение возник­ шей на пути развития ЭВМ «проблемы больших количеств» элементов потребовало создания групповых технологических методов производ­ ства радиоэлектронной аппаратуры. Работы по микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры привели в начале 60-х годов к появле­ нию нового направления — микроэлектроники, занимающейся со­ зданием функционально законченных элементов радиоэлектронной аппаратуры в виде интегральных схем (ИС).

Интегральной схемой (микросхемой) называют микроминиатюр­ ный функциональный узел радиоэлектронной аппаратуры, в котором элементы и соединительные проводники, входящие в схему узла, изготовляются в едином технологическом цикле на поверхности (или в объеме) материала основания (подложки) и имеют общую гермети­ зацию и защиту от механических воздействий. Первые ИС были при­ менены в ЭВМ. Опыт показал, что использование ИС в ЭВМ влечет за собой не только уменьшение веса и габаритов последних, но и резко улучшает их основные параметры: надежность, быстродействие, стои­ мость. С созданием ИС связано появление третьего поколения ЭВМ.

§ 10-2. Классификация интегральных схем

Интегральные схемы классифицируют по методу изготовления (тех­ нологии); степени интеграции элементов; характеру применения.

Классификация интегральных схем по методу изготовления. Су­ ществуют два основных технологических метода изготовления ИС: пленочный и полупроводниковый. Используя различные сочетания базовых технологических методов, реализуют следующие виды ИС

(рис. 10-1).

Полупроводниковой интегральной схемой называют микросхему,

элементы которой выполнены в объеме или на поверхности полупро­ водниковой подложки методами полупроводниковой технологии. По­ лупроводниковые ИС дают возможность реализовать схемы с повы­ шенным’ количеством активных элементов и эффективно защищать их от влияния внешней среды; являются наиболее перспективными для цифровой аппаратуры (на их основе в настоящее время создаются

178

большие интегральные схемы, которые характеризуются высокой плотностью упаковки: свыше 100 элементов в одном монокристалле).

Пленочной интегральной схемой называют микросхему, элементы и соединения которой выполнены в виде пленок различных материа­ лов, нанесенных на диэлектрическую подложку в определенной по­ следовательности. Пленочные ИС применяют в:

а) схемах, где пассивных элементов (резисторов, конденсаторов и т. п.) значительно больше, чем активных;

б) устройствах, где требуется высокая точность изготовления пас­ сивных элементов (генераторах, фазочувствительных схемах и т. п.).

Тонкопленочной интегральной схемой называют пленочную микро­ схему с толщиной пленок до 1 •10~в м.

Рис. 10-1. Классификация интегральных схем по ме­ тоду технологии

Толстопленочной интегральной схемой называют пленочную микро­ схему с толщиной пленок свыше 1 -1(Г6 м.

Гибридной интегральной схемой называют микросхему, часть элементов которой имеет самостоятельное -конструктивное оформле­ ние. Пассивные элементы и соединения гибридной ИС реализуют методами пленочной технологии, а в качестве активных элементов используют навесные бескорпусные полупроводниковые приборы.

Классификация интегральных схем по степени интеграции элемен­ тов. Со времени своего появления ИС прошли путь от схем с малым уровнем интеграции (1—2 транзистора и 2—3 резистора в корпусе) до схем, включающих в себя многоразрядные регистры, счетчики, запоминающие устройства. Подобная эволюция стала возможной благодаря резко возросшему уровню технологии и производства ИС.

Именно многообразие различных по функциональной насыщен­ ности ИС требует проведения классификации по степени интеграции элементов в пределах корпуса.

Если степень интеграции не превышает 20—40 элементов, то схема является малой, маломасштабной интегральной схемой (МИС).

Микросхемы со степенью интеграции около 50—100 элементов от­ носят к средним, среднемасштабным интегральным схемам (СИС).

179

Схемы, имеющие степень интеграции порядка сотни и более элемен­ тов, соединенных между собой многослойной коммутацией, называют

большими интегральными схемами (БИС) или субсистемами.

Развитие в последние годы технологии униполярных транзисторов со структурой металл — диэлектрик (окисел) — полупроводник (МДП или МОП-транзнсторы) позволяет качественно повысить степень ин­ теграции ИС. Сравнительная простота технологии изготовления, малое потребление мощности, низкая стоимость, а также ряд ценных схемо­ технических свойств МДП-транзисторов, позволяет строить на их ос­ нове устройства, начиная от настольных клавишных ЭВМ до косми­ ческих приборов.

Неограниченные возможности БИС позволили перейти к проекти­ рованию на их основе ЭВМ четвертого поколения.

Классификация интегральных схем по характеру применения. При анализе элементов ЭВМ, автоматизированных систем управления

Рис. 10-2. Логический элемент И

назначению и характеру выполняемых функций их можно разделить на цифровые (логические) и линейные (аналоговые).

Цифровые элементы — элементы, выполняющие различные логи­ ческие функции алгебры: логики, обработки, хранения и передачи данных. Эти элементы используют в устройстве управления, логиче­ ских и арифметических узлах ЦВМ и АСУ.

ствах запоминающих,ввода-вывода ЦВМ, а также в аппаратуре связи. По характеру применения ИС делят также на цифровые и линей­

ные ИС.

Цифровые ИС используют в качестве инверторов, клапанов и дру­ гих логических схем в устройствах обработки и передачи информа­ ции; триггеров в регистрах ЦВМ. В цифровой аппаратуре информация имеет двоичный вид и представляется двумя уровнями напряжения: логического нуля «0» и логической единицы «1» (для определенности можно считать, что «0» соответствует низкий уровень напряжения, а' «1» — высокий).

Все арифметические и логические устройства ЦВМ основаны на использовании трех основных логических элементов: И — схемы совпадения, ИЛИ — собирательной схемы и НЕ — схемы инвертора. На рис, 10-2 приведены электрическая эквивалентная схема элемента И

180