Даллас, штат Техас, 10 октября 2000.

Компания «Texas Instruments» комментирует награждение Нобелевской премией в области физики Джека Килби, бывшего директора отдела технологических разработок «TI». Так отмечен его «вклад в изобретение интегральной схемы» (микросхемы), устройства, обычно называемого «чипом»…

 

Премия была разделена между Килби (1/2), российским физиком Жоресом Алферовым (1/4) и немецким ученым Гербертом Кроемом (Herbert Kroeme) (1/4). К сожалению, в российской периодике, не упоминалось имени человека, положившего начало современной микроэлектроники.

 

Это примитивное устройство – один транзистор и несколько пассивных компонентов на кусочке германия – Килби продемонстрировал горстке сотрудников, собравшихся в лаборатории полупроводниковой техники компании «Texas Instruments» почти пол века назад. Никто из присутствующих не предполагал, что «гадкий утенок» размером 11.1х1.6 мм, названный интегральной схемой (ИС) полностью преобразует электронную промышленность.

 

Жарким летом 1958, в пустующей лаборатории полупроводников компании «TI» Джек Килби пребывал в размышлениях над давней и навязчивой идеей. Стоял июль. Все разъехались на традиционные двухнедельные каникулы. Килби был один.

 

Что же натолкнуло ученого на решение, которое в конечном итоге привела к созданию микросхемы? Подобно множеству изобретателей, он хотел решить Проблему. Проблему, которую окрестили «тиранией соединений».

 

Половину века в электронной промышленности безраздельно господствовали лампы. Они были хрупкими, большими, ненадежными, потребляли много энергии и выделяли массу тепла. Но они были, а ничего другого не было.

 

В 1947 в «Bell Labs» родился транзистор. Проблема была частично решена. Транзисторы выглядели лилипутами по сравнению с ламповыми монстрами. Транзисторы были надежны, долговечны, выделяли меньше тепла, потребляли меньше энергии.

 

Транзисторы создали предпосылки к разработке сложных электронных схем, содержащих сотни и тысячи дискретных компонентов: транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов. Но усложнение схемотехники породило Проблему.

 

Для создания законченных изделий электронные компоненты должны соединятся между собой. Ручная пайка тысяч компонентов и отрезков провода обходилась чрезвычайно дорого и отнимало массу времени. Кроме того, повышение количества соединений снижало надежность устройства. Каждое паяное соединение таило в себе повод для дальнейших неприятностей. Был необходим другой, более рентабельный и надежный путь создания электронных компонентов и их соединения.

 

Одним из решений стало создание микромодульной технологии поддерживаемой военным ведомством США. Идея состояла в том, что все компоненты должны иметь одинаковые размеры и форму и содержать выводные контакты для межэлементных соединений. При создании схем модули объединялись в сложные объемные структуры с меньшим количеством проводных соединений.

Д.Килби, 1958.

 

«Texas Instruments» активно разрабатывала микромодульную программу до прихода Килби в 1958. Килби был знаком с проблемой «тирании соединений». Он считал, что микромодуль не сможет решить проблему в сложных схемах. Он стал искать альтернативу и пришел к выводу, что основу должен составлять полупроводниковый материал. В 1976 в статье «Изобретение ИС» Килби писал:

 

Дальнейшие размышления привели меня к заключению, что полупроводники могли быть тем, что требовалось. Резисторы и конденсаторы (пассивные элементы) могли быть сделаны из того же материала, что и активные (транзисторы).

 

Я понял, что если все компоненты сделаны из одного материала, то они могут сразу же и соединяться между собой, чтобы формировать законченную схему.

 

Он начал записывать и зарисовывать свои идеи в июле 1958. В сентябре он продемонстрировал рабочую интегральную схему, сформированную в кусочке полупроводникового материала.

 

12 сентября 1958 представители руководства компании, включая тогдашнего директора «Texas Instruments» Марка Шеферда (Mark Shepherd) увидели наклеенный на стеклянную пластинку кусочек германия с торчащими проводками. Это было грубое изделие. Килби нажал выключатель…

 

Бесконечная синусоида начала свой волнообразный бег по экрану осциллографа. ОНО работало! Килби решил проблему.

 

Только военное ведомство США, в частности воздушные силы, проявили определенный интерес к интегральной схемотехнике. Промышленность отреагировала скептически.

 

Обсуждения достоинств и недостатков интегральных схем, по словам Килби, «стали главным развлечением на технических совещаниях в течение следующих нескольких лет».

Первый электронный
карманный калькулятор.
Размеры 108x156x27 мм.
Основа – полупроводниковая
БИС, выполняющая основные
математические действия
(сложение, вычитание,
умножение и деление).
Создатели Д. Килби, Джерри
Мерриман (Jerry Merryman)
и Джеймс Ван Тассел (James
Van Tassel), 1967.

Д.Килби со «своим»
калькулятором

Внутреннее устройство первого
калькулятора

 

Интегральная схема сначала отвоевала место на рынке военных изделий, благодаря программе создания первого компьютера на полупроводниковых кристаллах для Воздушных сил в 1961 и производству ракет «Минитмен» в 1962. Почин был сделан.

 

Для демонстрации достоинств ИС и ускорения их внедрения, Патрик Хаггерти (Patrick E. Haggerty), тогдашний президент «TI», бросил вызов Килби. Требовался калькулятор по мощности не уступающий настольным моделям, но помещающийся в кармане пальто. Килби построил калькулятор. Началась коммерциализация интегральных схем.

 

Значение крошечного кристалла Килби имело далеко идущие последствия. Микросхемы фактически создали современную компьютерную индустрию, «уменьшив» вчерашние машины размером с большую комнату до настольных персональных компьютеров. Микросхемы изменили мир коммуникаций, создав предпосылки для внедрения новых, доселе невероятных, методов. Миниатюризация, расширение функциональных возможностей, создание новых классов устройств и т.д.

 

Во многом благодаря интегральной технологии оборот электронного рынка вырос с $29 млрд. в 1961, до почти $957 млрд. в 2000.

 

Микросхемотехника продолжает развиваться. Ожидается появление новых удивительных разработок. Представьте миниатюрный сотовый телефон, на экранчике которого во время разговора вы видите улыбающееся лицо любимого человека. Вообразите, что вы переключили автомобиль на «автопилот» и составляете план мероприятий на следующий день. Придя домой вы хотите посмотреть интересный кинофильм и заказываете его с помощью Интернета. Через несколько секунд, удобно расположившись в кресле возле телевизора, вы погружаетесь в мир искусства. Это только некоторые примеры разработок, ведущихся в исследовательских лабораториях мира.

 

И везде, во всех без исключения отраслях электроники, незримо присутствует уродливый кристаллик германия, наклеенный на стеклянную пластинку.

 

 

Первый калькулятор, реализованный на одной интегральной схеме (1967 год).

Нобелевская премия 2000 года – Джек Килби (0.5), Жорес Алферов (0.25), Герберт Кроем (0.25) – за изобретение интегральной схемы.

АЛФЁРОВ, Жорес Иванович

род. 15 марта 1930 г.

Нобелевская премия по физике, 2000 г.
совместно с Хербертом Кроемером и Джеком Килби

До этого дня российским ученым принадлежало восемь Нобелевских премий, столько же, например, сколько и датчанам (Николай Семёнов – премия по химии за 1956 г.; Илья Франк, Игорь Тамм, Павел Черенков – премия по физике за 1958 г.; Лев Ландау – 1962 г.; Александр Прохоров, Николай Басов – 1964 г.; Петр Капица – 1978 г.). И вот – успех Алфёрова.

Правда, и тут не обошлось не то чтобы без ложки дегтя, но не без маленькой психологической занозы: приз в 1 млн долларов Жорес Иванович в паре с Хербертом Кроемером разделит пополам с Джеком Килби. По решению Нобелевского комитета Алфёров и Килби удостоены Нобелевской премии (одной на двоих) за «работы по получению полупроводниковых структур, которые могут быть использованы для сверхбыстрых компьютеров». (Любопытно, что так же пришлось поделить Нобелевскую премию по физике за 1958 г. между советскими физиками Павлом Черенковым и Ильей Франком и за 1964 г. – между опять-таки советскими физиками Александром Прохоровым и Николаем Басовым.) Еще один американец, сотрудник корпорации «Техас Инструментс» Джек Килби, удостоен награды за работы в области интегральных схем.

Итак, кто же он, новый российский нобелевский лауреат?

Жорес Иванович Алфёров родился в белорусском городе Витебске. После 1935 года семья переехала на Урал. В г. Туринске А. учился в школе с пятого по восьмой классы. 9 мая 1945 года его отец, Иван Карпович Алфёров, получил назначение в Минск, где А. окончил мужскую среднюю школу №42 с золотой медалью. Он стал студентом факультета электронной техники (ФЭТ) Ленинградского электротехнического института (ЛЭТИ) им. В.И. Ульянова по совету школьного учителя физики, Якова Борисовича Мельцерзона.

На третьем курсе А. пошел работать в вакуумную лабораторию профессора Б.П. Козырева. Там он начал экспериментальную работу под руководством Наталии Николаевны Созиной. Со студенческих лет А. привлекал к участию в научных исследованиях других студентов. Так, в 1950 году полупроводники стали главным делом его жизни.

В 1953 году, после окончания ЛЭТИ, А. был принят на работу в Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе в лабораторию В.М. Тучкевича. В первой половине 50-х годов перед институтом была поставлена задача создать отечественные полупроводниковые приборы для внедрения в отечественную промышленность. Перед лабораторией стояла задача: получение монокристаллов чистого германия и создание на его основе плоскостных диодов и триодов. При участии А. были разработаны первые отечественные транзисторы и силовые германиевые приборы За комплекс проведенных работ в 1959 году А. получил первую правительственную награду, им была защищена кандидатская диссертация, подводившая черту под десятилетней работой.

После этого перед Ж.И. Алфёровым встал вопрос о выборе дальнейшего направления исследований. Накопленный опыт позволял ему перейти к разработке собственной темы. В те годы была высказана идея использования в полупроводниковой технике гетеропереходов. Создание совершенных структур на их основе могло привести к качественному скачку в физике и технике.

В то время во многих журнальных публикациях и на различных научных конференциях неоднократно говорилось о бесперспективности проведения работ в этом направлении, т.к. многочисленные попытки реализовать приборы на гетеропереходах не приходили к практическим результатам. Причина неудач крылась в трудности создания близкого к идеальному перехода, выявлении и получении необходимых гетеропар.

Но это не остановило Жореса Ивановича. В основу технологических исследований им были положены эпитаксиальные методы, позволяющие управлять такими фундаментальными параметрами полупроводника, как ширина запрещенной зоны, величина электронного сродства, эффективная масса носителей тока, показатель преломления и т.д. внутри единого монокристалла.

Для идеального гетероперехода подходили GaAs и AlAs, но последний почти мгновенно на воздухе окислялся. Значит, следовало подобрать другого партнера. И он нашелся тут же, в институте, в лаборатории, возглавляемой Н.А. Горюновой. Им оказалось тройное соединение AIGaAs. Так определилась широко известная теперь в мире микроэлектроники гетеропара GaAs/AIGaAs. Ж.И. Алфёров с сотрудниками не только создали в системе AlAs – GaAs гетероструктуры, близкие по своим свойствам к идеальной модели, но и первый в мире полупроводниковый гетеролазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Открытие Ж.И. Алфёровым идеальных гетеропереходов и новых физических явлений – «суперинжекции», электронного и оптического ограничения в гетероструктурах – позволило также кардинально улучшить параметры большинства известных полупроводниковых приборов и создать принципиально новые, особенно перспективные для применения в оптической и квантовой электронике. Новый этап исследований гетеропереходов в полупроводниках Жорес Иванович обобщил в докторской диссертации, которую успешно защитил 1970 году.

Работы Ж.И. Алфёрова были по заслугам оценены международной и отечественной наукой. В 1971 году Франклиновский институт (США) присуждает ему престижную медаль Баллантайна, называемую «малой Нобелевской премией» и учрежденную для награждения за лучшие работы в области физики. Затем следует самая высокая награда СССР – Ленинская премия (1972 год).

С использованием разработанной Ж.И. Алфёровым в 70-х годах технологии высокоэффективных, радиационностойких солнечных элементов на основе AIGaAs/GaAs гетероструктур в России (впервые в мире) было организовано крупномасштабное производство гетероструктурных солнечных элементов для космических батарей. Одна из них, установленная в 1986 году на космической станции «Мир», проработала на орбите весь срок эксплуатации без существенного снижения мощности.

На основе предложенных в 1970 году Ж.И. Алфёровым и его сотрудниками идеальных переходов в многокомпонентных соединениях InGaAsP созданы полупроводниковые лазеры, работающие в существенно более широкой спектральной области, чем лазеры в системе AIGaAs. Они нашли широкое применение в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности.

В начале 90-х годов одним из основных направлений работ, проводимых под руководством Ж.И. Алфёрова, становится получение и исследование свойств наноструктур пониженной размерности: квантовых проволок и квантовых точек.

В 1993...1994 годах впервые в мире реализуются гетеролазеры на основе структур с квантовыми точками – «искусственными атомами». В 1995 году Ж.И. Алфёров со своими сотрудниками впервые демонстрирует инжекционный гетеролазер на квантовых точках, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. Принципиально важным стало расширение спектрального диапазона лазеров с использованием квантовых точек на подложках GaAs. Таким образом, исследования Ж.И. Алфёрова заложили основы принципиально новой электроники на основе гетероструктур с очень широким диапазоном применения, известной сегодня как «зонная инженерия».

Награда нашла героя

В одном из своих многочисленных интервью (1984 год) на вопрос корреспондента: «По слухам, Вы нынче были представлены к Нобелевской премии. Не обидно, что не получили?» Жорес Иванович ответил: «Слышал, что представляли уже не раз. Практика показывает – либо ее дают стразу после открытия (в моем случае это середина 70-х годов), либо уже в глубокой старости. Так было с П.Л. Капицей. Значит, у меня еще все впереди».

Здесь Жорес Иванович ошибся. Как говорится, награда нашла героя раньше наступления глубокой старости. 10 октября 2000 года по всем программам российского телевидения сообщили о присуждении Ж.И. Алфёрову Нобелевской премии по физике за 2000 год.

...Современные информационные системы должны отвечать двум простым, но основополагающим требованиям: быть быстрыми, чтобы большой объем информации, можно было передать за короткий промежуток времени, и компактными, чтобы уместиться в офисе, дома, в портфеле или кармане.

Своими открытиями Нобелевские лауреаты по физике за 2000 год создали основу такой современной техники. Жорес И. Алфёров и Герберт Кремер открыли и развили быстрые опто- и микроэлектронные компоненты, которые создаются на базе многослойных полупроводниковых гетероструктур.

Гетеролазеры передают, а гетероприемники принимают информационные потоки по волоконно-оптическим линиям связи. Гетеролазеры можно обнаружить также в проигрывателях CD-дисков, устройствах, декодирующих товарные ярлыки, в лазерных указках и во многих других приборах.

На основе гетероструктур созданы мощные высокоэффективные светоизлучающие диоды, используемые в дисплеях, лампах тормозного освещения в автомобилях и светофорах. В гетероструктурных солнечных батареях, которые широко используются в космической и наземной энергетике, достигнуты рекордные эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.

Джек Килби награжден за свой вклад в открытие и развитие интегральных микросхем, благодаря чему стала быстро развиваться микроэлектроника, являющаяся – наряду с оптоэлектроникой – основой всей современной техники.

Учитель, воспитай ученика...

В 1973 году А., при поддержке ректора ЛЭТИ А.А. Вавилова, организовал базовую кафедру оптоэлектроники (ЭО) на факультете электронной техники Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе.

В невероятно сжатые сроки Ж.И. Алфёров совестно с Б.П. Захарченей и другими учеными Физтеха разработал учебный план подготовки инженеров по новой кафедре. Он предусматривал обучение студентов первого и второго курсов в стенах ЛЭТИ, поскольку уровень физико-математической подготовки на ФЭТ был высоким и создавал хороший фундамент для изучения специальных дисциплин, которые, начиная с третьего курса, читались учеными Физтеха на его территории. Там же с использованием новейшего технологического и аналитического оборудования выполнялись лабораторные практикумы, а также курсовые и дипломные проекты под руководством преподавателей базовой кафедры.

Прием студентов на первый курс в количестве 25 человек осуществлялся через вступительные экзамены, а комплектование групп второго и третьего курсов для обучения по кафедре ОЭ проходило из студентов, обучавшихся на ФЭТ и на кафедре диэлектриков и полупроводников Электрофизического факультета. Комиссию по отбору студентов возглавлял Жорес Иванович. Из примерно 250 студентов, обучавшихся на каждом курсе, было отобрано по 25 лучших. 15 сентября 1973 года начались занятия студентов вторых и третьих курсов. Для этого был подобран прекрасный профессорско-преподавательский состав.

Ж.И. Алфёров очень большое внимание уделял и уделяет формированию контингента студентов первого курса. По его инициативе в первые годы работы кафедры в период весенних школьных каникул проводились ежегодные школы «Физика и жизнь». Ее слушателями были учащиеся выпускных классов школ Ленинграда. По рекомендации учителей физики и математики наиболее одаренным школьникам вручались приглашения принять участие в работе этой школы. Таким образом набиралась группа в количестве 30...40 человек. Они размещались в институтском пионерском лагере «Звездный». Все расходы, связанны с проживанием, питанием и обслуживанием школьников, наш вуз брал на себя.

На открытие школы приезжали все ее лекторы во главе с Ж.И. Алфёровым. Все проходило и торжественно, и очень по-домашнему. Первую лекцию читал Жорес Иванович. Он так увлекательно говорил о физике, электронике, гетероструктурах, что все его слушали как завороженные. Но и после лекции не прекращалось общение Ж.И. Алфёрова с ребятами. Окруженный ими, он ходил по территории лагеря, играл в снежки, дурачился. Насколько не формально он относился к этому «мероприятию», говорит тот факт, что в эти поездки Жорес Иванович брал свою жену Тамару Георгиевну и сына Ваню...

Результаты работы школы не замедлили сказаться. В 1977 году состоялся первый выпуск инженеров по кафедре ОЭ, количество выпускников, получивших дипломы с отличием, на факультете удвоилось. Одна группа студентов этой кафедры дала столько же «красных» дипломов, сколько остальные семь групп.

В 1988 году Ж.И. Алфёров организовал в Политехническом институте физико-технический факультет.

Следующим логическим шагом стало объединение этих структур под одной крышей. К реализации данной идеи Ж.И. Алфёров приступил еще в начале 90-х годов. При этом он не просто строил здание Научно-образовательного центра, он закладывал фундамент будущего возрождения страны... И вот первого сентября 1999 года здание Научно-образовательного центра (НОЦ) вступило в строй.

На том стоит и стоять будет русская земля...

Алфёров всегда остается самим собой. В общении с министрами и студентами, директорами предприятий и простыми людьми он одинаково ровен. Не подстраивается под первых, не возвышается над вторыми, но всегда с убежденностью отстаивает свою точку зрения.

Ж.И. Алфёров всегда занят. Его рабочий график расписан на месяц вперед, а недельный рабочий цикл таков: утро понедельника – Физтех (он его директор), вторая половина дня – Санкт-Петербургский научный центр (он председатель); вторник, среда и четверг – Москва (он член Государственной думы и вице-президент РАН, к тому же нужно решать многочисленные вопросы в министерствах) или Санкт-Петербург (тоже вопросов выше головы); утро пятницы – Физтех, вторая половина дня – Научно-образовательный центр (директор). Это только крупные штрихи, а между ними – научная работа, руководство кафедрой ОЭ в ЭТУ и физико-техническим факультетом в ТУ, чтение лекций, участие в конференциях. Всего не перечесть!

Наш лауреат прекрасный лектор и рассказчик. Неслучайно все информационные агентства мира отметили именно Алфёровскую Нобелевскую лекцию, которую он прочитал на английском языке без конспекта и с присущим ему блеском.

При вручении Нобелевских премий существует традиция, когда на банкете, который устраивает король Швеции в честь Нобелевских лауреатов (на нем присутствуют свыше тысячи гостей), представляется слово только одному лауреату от каждой «номинации». В 2000 году Нобелевской премии по физике были удостоены три человека: Ж.И. Алфёров, Герберт Кремер и Джек Килби. Так вот двое последних уговорили Жореса Ивановича выступить на этом банкете. И он эту просьбу выполнил блестяще, в своем слове удачно обыграв нашу российскую привычку делать «одно любимое дело» на троих.

В своей книге «Физика и жизнь» Ж.И. Алфёров, в частности, пишет: «Все, что создано человечеством, создано благодаря науке. И если уж суждено нашей стране быть великой державой, то она ею будет не благодаря ядерному оружию или западным инвестициям, не благодаря вере в Бога или Президента, а благодаря труду ее народа, вере в знание, в науку, благодаря сохранению и развитию научного потенциала и образования.

...Десятилетним мальчиком я прочитал замечательную книгу Вениамина Каверина «Два капитана». И всю последующую жизнь я следовал принципу ее главного героя Сани Григорьева: «Бороться и искать, найти и не сдаваться». Правда, очень важно при этом понимать, за что ты берешься».

 

 

Увеличение числа элементов интегральной схемы (увеличение степени интеграции).

Интегральная схема

[править]

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Перейти к: навигация, поиск

Запрос «БИС» перенаправляется сюда; см. также другие значения.

Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа

Интегра́льная (микро) схе́ма (ИС, ИМС, м/сх, англ. integrated circuit, IC, microcircuit), чип, микрочи́п (англ. microchip, silicon chip, chip — тонкая пластинка — первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки ^[1].

Бо́льшая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС, чипом) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение чип -компоненты означает «компоненты для поверхностного монтажа» (в отличие от компонентов для пайки в отверстия на плате).

Содержание [убрать] 1 История 2 Уровни проектирования 3 Классификация 3.1 Степень интеграции 3.2 Технология изготовления 3.3 Вид обрабатываемого сигнала 4 Технологии изготовления 4.1 Типы логики 4.2 Технологический процесс 4.3 Контроль качества 5 Назначение 5.1 Аналоговые схемы 5.2 Цифровые схемы 5.3 Аналогово-цифровые схемы 6 Серии микросхем 6.1 Корпуса микросхем 6.2 Специфические названия микросхем 7 Правовая защита 8 Интересные факты 9 См. также 10 Литература 11 Источники 12 Примечания

[править] История

Подробное рассмотрение темы: Изобретение интегральной схемы

7 мая 1952 года британский радиотехник Джеффри Даммер (англ.)русск. впервые выдвинул идею интеграции множества стандартных электронных компонентов в монолитном кристалле полупроводника, а год спустя Харвик Джонсон подал первую в истории патентную заявку на прототип интегральной схемы (ИС) . Реализация этих предложений в те годы не могла состояться из-за недостаточного развития технологий.

В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности состоялся прорыв. Три человека, представлявшие три частные американские корпорации, решили три фундаментальные проблемы, препятствовавшие созданию интегральных схем. Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип интеграции, создал первые, несовершенные, прототипы ИС и довёл их до серийного выпуска . Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированых на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом (англ.)русск.). Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии Жана Эрни (англ.)русск.. 27 сентября 1960 года группа Джея Ласта (англ.)русск. создала на Fairchild Semiconductor первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни. Texas Instruments, владевшая патентом на изобретение Килби, развязала против конкурентов патентную войну, завершившуюся в 1966 году мировым соглашением о перекрёстном лицензировании технологий.

Ранние логические ИС упомянутых серий строились буквально из стандартных компонентов, размеры и конфигурации которых были заданы технологическим процессом. Схемотехники, проектировавшие логические ИС конкретного семейства, оперировали одними и теми же типовыми диодами и транзисторами. В 1961—1962 парадигму проектирования сломал ведущий разработчик Sylvania Том Лонго, впервые использовав в одной ИС различные конфигурации транзисторов в зависимости от их функций в схеме. В конце 1962 Sylvania выпустила в продажу первое семейство разработаной Лонго транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) — исторически первый тип интегральной логики, сумевший надолго закрепиться на рынке. В аналоговой схемотехнике прорыв подобного уровня совершил в 1964—1965 годах разработчик операционных усилителей Fairchild Боб Видлар.

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была создана на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ («Микрон»). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов — эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились в НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским полупроводниковым заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год)^[2].

[править] Уровни проектирования

• Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).
• Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехнические схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.).
• Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.).
• Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.
• Топологический — топологические фотошаблоны для производства.^{[Прим. 1]}
• Программный уровень — позволяет программисту программировать (для ПЛИС, микроконтроллеров и микропроцессоров) разрабатываемую модель используя виртуальную схему.

В настоящее время большая часть интегральных схем проектируется при помощи специализированных САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить производственные процессы, например, получение топологических фотошаблонов.

[править] Классификация

[править] Степень интеграции

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

• малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,
• средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,
• большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле,
• сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тысяч элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле и гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле, но в настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС.

[править] Технология изготовления

Гибридная микросборка STK403-090 извлеченная из корпуса

• Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксид гафния).
• Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:
• толстоплёночная интегральная схема;
• тонкоплёночная интегральная схема.
• Гибридная микросхема (также микросборка) — кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.
• Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.

[править] Вид обрабатываемого сигнала

• Аналоговые.
• Цифровые.
• Аналого-цифровые.

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем типа ТТЛ при напряжении питания +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В — логической единице; а для микросхем ЭСЛ-логики при напряжении питания −5,2 В диапазон −0,8…−1,03 В — логической единице, а −1,6…−1,75 В — логическому нулю.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов.

[править] Технологии изготовления

[править] Типы логики

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

• Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока):
• МОП-логика (металл-оксид-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;
• КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП). Существует также смешанная технология BiCMOS.
• Микросхемы на биполярных транзисторах:
• РТЛ — резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);
• ДТЛ — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);
• ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;
• ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки;
• ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие;
• ИИЛ — интегрально-инжекционная логика.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость к статическому электричеству — достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 — сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но и наиболее энергопотребляющими, и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

[править] Технологический процесс

Основная статья: Технологический процесс в электронной промышленности

См. также: Закон Мура

При изготовлении микросхем используется метод фотолитографии (проекционной, контактной и др.), при этом схему формируют на подложке (обычно из кремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины. Ввиду малости линейных размеров элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолета при засветке отказались.

В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают минимальные контролируемые размеры топологии фотоповторителя (контактные окна в оксиде кремния, ширина затворов в транзисторах и т. д.) и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, од