Интегрална схема — какво е, видове и принцип на работа
Интегралната схема (по-често наричана интегрална схема, микрочип, силициев чип, компютърен чип или чип) е парче специално подготвен силиций (или друг полупроводник), в което с помощта на фотолитография е гравирана електронна схема. Силициевите чипове могат да съдържат логически гейтове, компютърни процесори, памет и специални устройства. Чипът е много крехък и затова обикновено е заобиколен от пластмасова опаковка, за да бъде защитен. Електрическият контакт с чипа се осигурява чрез малки проводници, които свързват чипа с по-големи метални щифтове, които стърчат от опаковката.
Една интегрална схема има две основни предимства пред дискретните схеми: цена и производителност. Цената е ниска, тъй като милиони транзистори могат да бъдат поставени на един чип, вместо да се изгражда схема с единични транзистори. Производителността е по-висока, тъй като компонентите могат да работят по-бързо и да използват по-малко енергия.
Интегралните схеми са проектирани за различни цели. Един чип може да е проектиран само за калкулатор, който може да работи само като калкулатор. Интегралните схеми могат да бъдат класифицирани на аналогови, цифрови и със смесен сигнал (едновременно аналогови и цифрови на един и същи чип).
Какво представлява интегралната схема в практиката
На практика интегралната схема е миниатюрна, плътно интегрирана електронна верига, реализирана върху малка пластина от полупроводников материал (обикновено силиций). Вместо куп отделни компоненти, те съчетават транзистори, диоди, резистори и проводници в един единствен кристал. Това позволява намаляване на размерите, по-ниски производствени разходи при масово производство и по-висока надеждност заради липсата на множество външни връзки.
Принцип на работа
Основният активен елемент в повечето интегрални схеми е транзисторът (най-често MOSFET в CMOS технологии). Комбинацията от много транзистори и пасивни елементи формира логически гейтове и аналогови блокове:
- Цифрови схеми: транзисторите се използват като превключватели за представяне на двоични състояния (0 и 1). Логически гейтове (AND, OR, NOT и др.) се комбинират в по-сложни блокове като регистри, мултиплексори, процесорни ядра и контролни логики.
- Аналогови схеми: тук транзисторите и пасивните елементи работят в линейен режим: усилватели, филтри, референции на напрежение и смесители. Тези блокове обработват непрекъснати сигнали.
- Смесени (mixed-signal): комбинират и двете — например ADC (аналогово-цифров преобразувател) и DAC (цифрово-аналогов преобразувател) свързват реалния свят с цифровите блокове на чипа.
Производство
Производственият процес включва множество етапи: чистка на силиция, растеж на оксидни слоеве, фотолитография за пренасяне на шаблони, допинг (ионна имлантация) за създаване на p/n региони, отлагане на метали и изолационни слоеве, и ецване за оформяне на структурите. Всичко това се извършва в чисти помещения (clean rooms) с микроскопична точност.
Връзката между чипа и външните крачета на опаковката се прави чрез:
- wire bonding (малки проводници от злато или алуминий),
- flip-chip (пакетиране с изправени контакти и директен контакт между кристала и платката),
- surface-mount пакети като BGA, QFP, SOIC и други.
Опаковката осигурява механична защита, топлинно отвеждане и електрическа връзка с печатни платки.
Видове интегрални схеми и приложения
- Цифрови: логически микросхеми, микропроцесори (CPU), микроконтролери (MCU), памети (RAM, ROM, Flash), ASIC (application-specific integrated circuit), FPGA (програмируеми логически матрици).
- Аналогови: усилватели, регулатори на напрежение, аналогови комутатори, сензорни интерфейси.
- Смесен сигнал: аудио кодеци, безжични приемо-предаватели, контролери за захранване с вграден ADC/DAC.
Приложения: потребителска електроника, компютри, телекомуникации, автомобилна електроника, медицински уреди, индустриален контрол и космически технологии.
Класификация по интеграция
- SSI (Small-scale integration) — десетки транзистори
- MSI (Medium-scale integration) — стотици транзистори
- LSI (Large-scale integration) — хиляди транзистори
- VLSI (Very-large-scale integration) — милиони транзистори
- ULSI (Ultra-large-scale integration) — стотици милиони и повече
Преимущества и ограничения
- Предимства: компактност, ниска цена при голям обем, висока скорост, ниска консумация при съвременни технологии, висока надеждност.
- Ограничения: начални разходи за проектиране (NRE) при ASIC, топлинно управление (нагреване), чувствителност към статично електричество (ESD), ограничения при миниатюризация и нарастваща утечка на ток при много малки размери.
Тест и надеждност
Чиповете преминават строг контрол: функционално тестване, тестове за издръжливост, температурни цикли и тестове за излъчвания (EMC). Производствената добивка (yield) е ключова — по-сложните дизайни и по-малки технологични норми могат да намалят добива и да увеличат цената на добър чип.
Заключение
Интегралните схеми са основата на съвременната електроника. Те обединяват огромна функционалност в малък форм фактор и позволяват развитието на бързи, енергийно ефективни и евтини устройства. Различните видове (аналогови, цифрови и смесени) покриват широк спектър от приложения — от прости калкулатори до сложни процесорни архитектури и системи в автомобилите и медицината.
Полупроводник
Полупроводник, например силиций, може да се управлява така, че да позволява (или да не позволява) протичането на ток. Това позволява създаването на транзистори, които могат да се контролират взаимно. Те се намират в много предмети от бита като радиоприемници, компютри и телефони, както и в много други. Други полупроводникови устройства включват слънчеви батерии, диоди и светодиоди (светлоизлъчващи диоди).
Страничен изглед на двоен редови пакет (DIP)
Снимка на пластмасова четворна плоска опаковка (PQFP)
Изобретение
През 1958 г. и 1959 г. двама души получават идеята за интегрална схема почти по едно и също време. Транзисторите са се превърнали в ежедневие и се използват в домакински устройства като радиоприемници. Те засягат всичко - от радиоприемници до телефони, а по това време производителите се нуждаят от по-малък заместител на вакуумните лампи. Транзисторите бяха по-малки от вакуумните лампи, но за някои от най-новите електронни устройства, например за насочване на ракети, те не бяха достатъчно малки.
Един ден през юли Джак Килби работи в Texas Instruments, когато му хрумва, че всички части на една верига, а не само транзисторът, могат да бъдат направени от силиций. По онова време никой не поставял кондензатори и резистори в интегралните схеми. Това ще промени бъдещето и ще улесни производството и продажбата на интегрални схеми. Шефът на Килби харесал идеята и му казал да започне работа. До 12 септември Килби построява работещ модел, а на 6 февруари Texas Instruments подава заявка за патент. Тяхната първа "твърда схема" е с размерите на върха на пръста.
Междувременно в Калифорния друг мъж имал същата идея. През януари 1959 г. Робърт Нойс работи в малката стартираща компания Fairchild Semiconductor. Той също осъзнава, че в един чип може да се постави цяла схема. Докато Килби разработвал подробностите по изработването на отделните компоненти, Нойс измислил много по-добър начин за свързване на частите. Конструкцията била наречена "унитарна схема". Всички тези детайли се отплащат, защото на 25 април 1961 г. патентното ведомство издава първия патент за интегрална схема на Робърт Нойс, докато заявката на Килби все още се анализира. Днес се признава, че и двамата мъже са замислили идеята независимо един от друг.
Скоро се появяват два вида интегрални схеми: хибридни (HIC) и монолитни (MIC). Хибридите изчезват в края на XX век.
Поколения
| Име | Период | Брой транзистори на всеки чип (приблизително) |
| SSI (интеграция в малък мащаб) | началото на 60-те години | един чип съдържа само няколко транзистора. |
| MSI (средномащабна интеграция) | края на 60-те години | стотици транзистори във всеки чип |
| LSI (широкомащабна интеграция) | средата на 70-те години | десетки хиляди транзистори на чип |
| VLSI (интегриране в много голям мащаб) | края на 20-те години век | стотици хиляди транзистори |
| ULSI (Ultra-Large Scale Integration) | 21 век | повече от 1 милион транзистора |
※ Разликата между VLSI и ULSI не е добре дефинирана.
Класификация
Интегралните схеми могат да бъдат опаковани като DIP (Dual in-line package), PLCC (Plastic leaded chip carrier), TSOP (Thin small-outline package), PQFP (Plastic Quad Flat Pack) и други видове опаковки за чипове. Някои от тях са опаковани по технологията за повърхностен монтаж. Вътрешните транзистори могат да бъдат биполярни транзистори в необичайни схеми, например такива, които се нуждаят от много високи скорости на превключване. Повечето обаче са MOSFET.
Свързани страници
Въпроси и отговори
В: Какво представлява интегралната схема?
О: Интегралната схема, известна също като интегрална схема или микрочип, представлява парче специално подготвен силиций, върху което с помощта на фотолитография е гравирана електронна схема.
В: Какви са някои примери за устройства, които могат да бъдат включени в силициев чип?
О: Силициевите чипове могат да съдържат логически гейтове, компютърни процесори, памет и специални устройства.
В: Защо се използва пластмасова опаковка, която обгражда чипа?
О: Чипът е много крехък, затова се използва пластмасова опаковка, за да се предпази.
В: Как се осъществява електрическият контакт с чипа?
О: Електрическият контакт с чипа се осъществява чрез малки проводници, които свързват чипа с по-големи метални щифтове, които стърчат от опаковката.
В: Кои са двете предимства на използването на интегрални схеми вместо дискретни схеми?
О: ИС имат две основни предимства пред дискретните схеми: цена и производителност. Разходите са ниски, защото милиони транзистори могат да бъдат поставени на един чип, вместо да се изгражда схема с единични транзистори. Производителността е по-висока, тъй като компонентите могат да работят по-бързо и да използват по-малко енергия.
Въпрос: Какви са различните видове интегрални схеми?
О: Интегралните схеми могат да бъдат класифицирани като аналогови, цифрови и със смесен сигнал (аналогови и цифрови на един и същи чип).
В: Може ли един чип да бъде проектиран за определена цел?
О: Да, един чип може да бъде проектиран за конкретна цел, например чип за калкулатор, който може да работи само като калкулатор.
