 |
Раздел 9. Электронные устройства автоматики и вычислительной техники
|
|
|
|
*Тема 12.1. Интегральные микросхемы
Гибридные (ГИМС), полупроводниковые(ПИМС), большие (БИС) интегральные схемы. Диффузионная и планарно-диффузионная технологии изготовления микросхем. Функциональное назначение микросхем. Маркировка.
Литература: Л.5 стр. 309 – 319
Методические указания
В теме «Интегральные микросхемы» уместно напомнить студентам, что развитие электроники определяется постоянным совершенствованием характеристик элементной базы и аппаратуры по следующим направлениям:
- уменьшение габаритов и массы (миниатюризация)
- повышение надежности за счет сокращения соединительных линий, совершенствование контактных узлов и взаимного резервирования элементов
- уменьшение потребляемой мощности
- усложнение задач и соответствующих им схемных решений при одновременном удешевлении элементов.
Существенные изменения в полупроводниковой технике связаны, во-первых, с переходом к интегральным микросхемам [ИС], и, во-вторых, с переходом к большим интегральным схемам [БИС].
Интегральная микросхема (ИС) – это законченная электронная цепь в корпусе, не большем, чем стандартный маломощный транзистор. Цепь состоит из диодов, транзисторов, резисторов и конденсаторов. ИС производятся по такой же технологии и из таких же материалов, которые используются при производстве транзисторов и других полупроводниковых устройств.
Наиболее очевидным преимуществом ИС является ее малый размер. Она состоит из кристалла полупроводникового материала, размером примерно в один квадратный сантиметр. Благодаря малым размерам ИС находят широкое применение в военных и космических программах. Использование ИС превратило калькулятор из настольного в ручной инструмент, а компьютерные системы, которые раньше занимали целые комнаты, превратились в портативные модели.
|
|
|
Вследствие малых размеров ИС потребляют меньшую мощность и работают с более высокой скоростью, чем стандартные транзисторные цепи, так как благодаря прямой связи внутренний компонент уменьшается время перемещения электронов.
ИС более надежны, чем непосредственно связанные транзисторные цепи, поскольку в них все внутренние компоненты соединены непрерывно. Все эти компоненты сформированы одновременно, что уменьшает вероятность ошибки. После того как ИС сформирована, она проходит предварительное тестирование перед окончательной сборкой.
ИС уменьшают количество деталей, необходимых для конструирования электронного оборудования. Это уменьшает накладные расходы производителя, что в дальнейшем снижает цену электронного оборудования.
ИС имеют также некоторые недостатки. Они не могут работать при больших значениях токов и напряжений. Большие токи создают избыточное тепло, повреждающее устройство. Высокие напряжения пробивают изоляцию между различными внутренними компонентами. Большинство ИС являются маломощными устройствами, питающимися напряжением от 5 до 15 В и потребляющими ток, измеряющийся миллиамперами. Это приводит к потреблению мощности, меньшей, чем 1 Вт.
ИС содержат компоненты только четырех типов: диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы. Диоды и транзисторы – самые легкие для изготовления компоненты и самые миниатюрные. Резисторы более трудны в изготовлении, к тому же чем больше сопротивление резистора, тем больше он по размерам. Конденсаторы занимают больше места, чем резисторы, и также увеличиваются в размере по мере увеличения емкости.
ИС не могут быть отремонтированы. Это обусловлено тем, что внутренние компоненты не могут быть отделены друг от друга. Следовательно, проблема решается заменой микросхеме, а не заменой отдельных компонентов. Преимущество этого «недостатка» состоит в том, что он сильно упрощает эксплуатацию систем высокой сложности и уменьшает эксплуатацию систем высокой сложности и уменьшает время, необходимое персоналу для сервисного обслуживания оборудования.
|
|
|
ИС классифицируются согласно способу их изготовления. Наиболее широко используются следующие способы изготовления: монолитный, тонкопленочный, толстопленочный и гибридный.
Монолитные ИС изготавливаются так же, как и транзисторы, но включают несколько дополнительных шагов. Изготовление ИС начинается с круглой кремниевой пластины диаметром 8-10 см и около 0,25 мм толщиной. Эта пластина служит основой (подложкой), на которой формируется ИС. На одной подложке одновременно формируется до нескольких сотен ИС. Обычно все микросхемы на подложке одинаковы.
После изготовления ИС тестируются прямо на подложке. После тестирования подложка разрезается на отдельные чипы. Каждый чип представляет собой одну ИС, содержащую все компоненты и соединения между ними. Каждый чип, который проходит тест контроля качества, монтируется в корпус. Несмотря на то, что одновременно изготовляется большое количество ИС, далеко не все из них оказываются пригодными для использования. Эффективность производства характеризуют таким параметром, как выход. Выход – максимальное число пригодных ИС по сравнению с полным числом изготовленных.
Тонкопленочные ИС формируются на поверхности изолирующей подложки из стекла или керамики, обычно размером около 5 см2. Компоненты (резисторы и конденсаторы) формируются с помощью очень тонких пленок металлов и окислов, наносимых на подложку. После этого наносятся тонкие полоски металла для соединения компонентов. Диоды и транзисторы формируются как отдельные полупроводниковые устройства и подсоединяются в соответствующих местах. Резисторы формируются нанесение тантала или нихрома на поверхность подложки в виде тонкой пленки толщиной 0,0025 мм. Величина резистора определяется длиной, шириной и толщиной каждой полоски. Проводники формируются из металла с низким сопротивлением, такого как золото, платина или алюминий.
|
|
|
Тонкопленочные конденсаторы состоят из двух тонких слоев металла, разделенных тонким слоем диэлектрика. Металлический слой нанесен на подложку. После этого на металл наносится слой окисла, образуя диэлектрическую прокладку конденсатора. Она формируется обычно такими изолирующими материалами, как окись тантала, окись кремния или окись алюминия. Верхняя часть конденсатора создается из золота, тантала или платины, нанесенных на диэлектрик. Полученное значение емкости конденсатора зависит от площади электродов, а также от толщины и типа диэлектрика.
Чипы диодов и транзисторов формируются с помощью монолитной техники и устанавливаются на подложке. После этого они электрически соединяются с тонкопленочной цепью, с помощью очень тонких проводников.
Материалы, используемые для компонентов и проводников, наносятся на подложку методом испарения в вакууме или методом напыления. В процессе испарения в вакууме материал достигает предварительно нагретой подложки, помещенной в вакуум, и конденсируются на ней, образуя тонкую пленку.
Процесс напыления происходит в газонаполненной камере при высоком напряжении. Высокое напряжение ионизирует газ, и материал, который должен быть напылен, бомбардируется ионами. Ионы выбивают атомы из напыляемого материала, которые затем дрейфуют по направлению к подложке, где и осаждаются в виде тонкой пленки. Для осаждения пленки нужной формы и в нужном месте используется маска. Другой метод состоит в покрытии всей подложки полностью и вырезании или вытравливании ненужных участков.
При толстопленочном методе резисторы, конденсаторы и проводники формируются на подложке методом трафаретной печати: над подложкой размещается экран из тонкой проволоки, и металлизированные чернила делают сквозь него отпечаток. Экран действует как маска. Подложка и чернила после того нагреваются до температуры свыше 6000С для затвердевания чернил.
Толстопленочные конденсаторы имеют небольшие значения емкости, используются дискретные конденсаторы. Толстопленочные компоненты имеют толщину 0,025 мм. Толстопленочные компоненты похожи на соответствующие дискретные компоненты.
|
|
|
Гибридные ИС формируются с использование монолитных, тонкопленочных, толстопленочных и дискретных компонентов. Это позволяет получать цепи высокой степени сложности, используя монолитные цепи, и в то же самое время использовать преимущества высокой точности и малых допусков, которые дает пленочная техника. Дискретные компоненты используются потому, что они могут работать при относительно высокой мощности.
ИС упаковываются в корпуса, рассчитанные на защиту их от влаги, пыли и других загрязнений. Наиболее популярным является корпус с двухрядным расположением выводов (DIP). Он производится нескольких размеров для того, чтобы соответствовать различным размерам ИС: микросхемам малой и средней степени интеграции, микросхемам большой степени интеграции (БИС) и сверхбольшим интегральным микросхемам (СБИС). Корпуса изготавливаются либо из керамики, либо из пластмассы. Пластмассовые корпуса дешевле и пригодны для большинства применений при рабочей температуре от 00С до 700С. Микросхемы в керамических корпусах дороже, но обеспечивают лучшую защиту от влаги и загрязнений. Кроме того, они работают в более широком диапазоне температур (от –550С до +1250С). Микросхемы в керамических корпусах рекомендуются для использования в военной и аэрокосмической технике, а также в некоторых отраслях промышленности.
Маленький 8-выводный корпус типа DIP используется для устройств с минимальным количеством входов и выходов. В нем располагаются главным образом монолитные интегральные микросхемы.
Плоские корпуса меньше и тоньше, чем корпуса типа DIP, и они используются в случаях, когда пространство ограничено. Они изготовляются из металла или керамики и работают в диапазоне температур от –550С до +1250С.
После того как интегральная микросхема заключена в корпус, ее тестируют, чтобы проверить, удовлетворяет ли она всем требуемым параметрам. Тестирование проводят в широком диапазоне температур.
Вопросы для самоконтроля
1. что такое интегральная микросхема?
2. какие компоненты могут быть включены в интегральные
микросхемы?
3. какие методы используются для изготовления интегральных
микросхем?
4. какие материалы используются для корпусов интегральных
микросхем
*Тема 9.2. Элементы цифровых электронных цепей
Двоичная система счисления. Логические элементы И ИЛИ НЕ, их таблицы истинности. Элементная база. Принцип работы.
Литература: Л.5 стр. 366 – 380
|
|
|
Методические указания
В современной вычислительной технике наряду с десятичной широко
применяются другие системы счисления, обеспечивающие наиболее экономную запись чисел и формализацию арифметических операций. Среди них особое место занимает Двоичная система счисления – это система с наименьшим возможным основание(для записи требуется всего два символа). Двоичная система счисления используется в цифровых цепях благодаря тому, что двоичные цифры легко представить в виде двух напряжений – высокого и низкого. Все цифровое оборудование, от простого до сложного, сконструировано с использованием небольшого количества основных схем. Эти схемы называются логическими элементами. В данной теме необходимо рассмотреть логические элементы И, ИЛИ, НЕ и их таблицы истинности. Триггеры принадлежат к категории цифровых цепей, называемых мультивибраторами. Мультивибраторы могут хранить двоичные числа, импусы счёта, синхронизировать арифметические операции и выполнять другие полезные функции в цифровых системах. Триггер – это бистабильный мультивибратор, на выходе которого может быть либо высокое, либо низкое напряжение, то есть либо 1, либо 0. Обучающимся необходимо рассмотреть типы триггеров, работу этих цепей.
Вопросы для самоконтроля
1. перечислите несколько логических элементов цифровых цепей и укажите, какие функции они выполняют
2. что такое таблица истинности?
3. что такое триггер?
4. какие типы триггеров вы знаете?
5. что такое триггер с синхронизирующим входом?
Примечание: Разделы, темы, дидактические единицы, отмеченные символом*, отводятся на самостоятельное изучение студентами.
|
|
|
