Интегральная схема. История развития интегральной электроники Самая первая микросхема

Интегральная (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх, англ. integrated circuit, IC, microcircuit), чип, микрочип (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 пленке) и помещенная в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

Микроэлектроника - наиболее значительное и, как считают многие, важнейшее научно-техническое достижение современности. Сравнить ее можно с такими поворотными событиями в истории техники, как изобретение книгопечатания в XVI веке, создание паровой машины в XVIII веке и развитие электротехники в XIX. И когда сегодня речь заходит о научно-технической революции, то в первую очередь имеется в виду именно микроэлектроника. Как ни одно другое техническое достижение наших дней, она пронизывает все сферы жизни и делает реальностью то, что еще вчера было просто невозможно себе представить. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить о карманных микрокалькуляторах, миниатюрных радиоприемниках, электронных управляющих устройствах в бытовых приборах, часах, компьютерах и программируемых ЭВМ. И это лишь небольшая часть области ее применения!

Своим возникновением и самим существованием микроэлектроника обязана созданию нового сверхминиатюрного электронного элемента - интегральной микросхемы. Появление этих схем, собственно, не было каким-то принципиально новым изобретением - оно прямо вытекало из логики развития полупроводниковых приборов. Поначалу, когда полупроводниковые элементы только входили в жизнь, каждый транзистор, резистор или диод использовался по отдельности, то есть заключался в свой индивидуальный корпус и включался в схему при помощи своих индивидуальных контактов. Так поступали даже в тех случаях, когда приходилось собирать множество однотипных схем из одних и тех же элементов.

Постепенно пришло понимание того, что подобные устройства рациональнее не собирать из отдельных элементов, а сразу изготавливать на одном общем кристалле, тем более что полупроводниковая электроника создавала для этого все предпосылки. В самом деле, все полупроводниковые элементы по своему устройству очень похожи друг на друга, имеют одинаковый принцип действия и различаются только взаиморасположением p-n областей.

Эти p-n области, как мы помним, создаются путем внесения однотипных примесей в поверхностный слой полупроводникового кристалла. Причем надежная и со всех точек зрения удовлетворительная работа подавляющего большинства полупроводниковых элементов обеспечивается при толщине поверхностного рабочего слоя в тысячные доли миллиметра. В самых миниатюрных транзисторах обычно используется только верхний слой полупроводникового кристалла, составляющий всего 1% его толщины. Остальные 99% выполняют роль носителя или подложки, так как без подложки транзистор просто мог разрушиться от малейшего прикосновения. Следовательно, используя технологию, применяемую для изготовления отдельных электронных компонентов, можно сразу создать на одном кристалле законченную схему из нескольких десятков, сотен и даже тысяч таких компонентов.

Выигрыш от этого будет огромный. Во-первых, сразу снизятся затраты (стоимость микросхемы обычно в сотни раз меньше, чем совокупная стоимость всех электронных элементов ее составляющих). Во-вторых, такое устройство будет гораздо надежнее (как показывает опыт, в тысячи и десятки тысяч раз), а это имеет колоссальное значение, поскольку поиск неисправности в схеме из десятков или сотен тысяч электронных компонентов превращается в чрезвычайно сложную проблему. В-третьих, из-за того, что все электронные элементы интегральной микросхемы в сотни и тысячи раз меньше своих аналогов в обычной сборной схеме, их энергопотребление намного меньше, а быстродействие - гораздо выше.

Ключевым событием, возвестившем приход интегрализации в электронику, явилось предложение американского инженера Дж. Килби из фирмы "Texas Instruments" получать эквивалентные элементы для всей схемы, такие как регистры, конденсаторы, транзисторы и диоды в монолитном куске чистого кремния. Первую интегральную полупроводниковую схему Килби создал летом 1958 года. А уже в 1961 году фирма "Fairchild Semiconductor Corporation" выпустила первые серийные микросхемы для ЭВМ: схему совпадений, полусдвигающий регистр и триггер. В том же году производство полупроводниковых интегральных логических схем освоила фирма "Texas".

В следующем году появились интегральные схемы других фирм. В короткое время в интегральном исполнении были созданы различные типы усилителей. В 1962 году фирма RCA разработала интегральные микросхемы матриц памяти для запоминающих устройств ЭВМ. Постепенно выпуск микросхем был налажен во всех странах - эра микроэлектроники началась.

Исходным материалом для интегральной микросхемы обычно служит необработанная пластина из чистого кремния. Она имеет сравнительно большие размеры, так как на ней одновременно изготавливают сразу несколько сотен однотипных микросхем. Первая операция состоит в том, что под воздействием кислорода при температуре 1000 градусов на поверхности этой пластины формируют слой двуокиси кремния. Оксид кремния отличается большой химической и механической стойкостью и обладает свойствами прекрасного диэлектрика, обеспечивающего надежную изоляцию расположенному под ним кремнию.

Следующий шаг - внесение примесей для создания зон p или n проводимости. Для этого оксидную пленку удаляют с тех мест пластины, которые соответствуют отдельным электронным компонентам. Выделение нужных участков происходит с помощью процесса, получившего название фотолитографии. Сначала весь слой оксида покрывают светочувствительным составом (фоторезистом), который играет роль фотографической пленки - его можно засвечивать и проявлять. После этого через специальный фотошаблон, содержащий рисунок поверхности полупроводникового кристалла, пластину освещают ультрафиолетовыми лучами.

Под воздействием света на слое оксида формируется плоский рисунок, причем незасвеченные участки остаются светлыми, а все остальные - затемненными. В том месте, где фоторезистор подвергся действию света, образуются нерастворимые участки пленки, стойкие к кислоте. Затем пластину обрабатывают растворителем, который удаляет фоторезист с засвеченных участков. С открывшихся мест (и только с них) слой оксида кремния вытравливают с помощью кислоты.

В результате в нужных местах оксид кремния растворяется и открываются "окна" чистого кремния, готовые к внесению примесей (лигированию). Для этого поверхность подложки при температуре 900-1200 градусов подвергают воздействию нужной примеси, например, фосфора или мышьяка, для получения проводимости n-типа. Атомы примеси проникают в глубь чистого кремния, но отталкиваются его оксидом. Обработав пластину одним видом примеси, готовят ее для лигирования другим видом - поверхность пластины вновь покрывают слоем оксида, проводят новую фотолитографию и травление, в результате чего открываются новые "окошки" кремния.

Вслед за тем следует новое лигирование, например бором, для получения проводимости p-типа. Так на всей поверхности кристалла в нужных местах образуются p и n области. Изоляция между отдельными элементами может создаваться несколькими способами: такой изоляцией может служить слой оксида кремния, можно также создавать в нужных местах запирающие p-n переходы.

Следующий этап обработки связан с нанесением токопроводящих соединений (токопроводящих линий) между элементами интегральной схемы, а также между этими элементами и контактами для подключения внешних цепей. Для этого на подложку напыляют тонкий слой алюминия, который оседает в виде тончайшей пленки. Ее подвергают фотолитографической обработке и травлению, аналогичным описанным выше. В результате от всего слоя металла остаются только тонкие токопроводящие линии и контактные площадки.

В заключение всю поверхность полупроводникового кристалла покрывают защитным слоем (чаще всего, силикатным стеклом), который затем удаляют с контактных площадок. Все изготовленные микросхемы подвергаются строжайшей проверке на контрольно-испытательном стенде. Дефектные схемы помечаются красной точкой. Наконец кристалл разрезается на отдельные пластинки-микросхемы, каждая из которых заключается в прочный корпус с выводами для присоединения к внешним цепям.

Сложность интегральной схемы характеризуется показателем, который получил название степени интеграции. Интегральные схемы, насчитывающие более 100 элементов, называются микросхемами с малой степенью интеграции; схемы, содержащие до 1000 элементов, - интегральными схемами со средней степенью интеграции; схемы, содержащие до десятка тысяч элементов, - большими интегральными схемами. Уже изготавливаются схемы, содержащие до миллиона элементов (они называются сверхбольшими). Постепенное повышение интеграции привело к тому, что схемы с каждым годом становятся все более миниатюрными и соответственно все более сложными.

Огромное количество электронных устройств, имевших раньше большие габариты, умещаются теперь на крошечной кремниевой пластинке. Чрезвычайно важным событием на этом пути стало создание в 1971 году американской фирмой "Интел" единой интегральной схемы для выполнения арифметических и логических операций - микропроцессора. Это повлекло за собой грандиозный прорыв микроэлектроники в сферу вычислительной техники.

Читайте и пишите полезные

Интегральная микросхема (ИС) - это микроэлектронное изделие, выполняющая функции преобразования и обработки сигналов, которое характеризуется плотной упаковкой элементов так, чтобы все связи и соединения между элементами представляли единое целое.

Составной частью ИС являются элементы, которые выполняют роль электрорадиоэлементов (транзисторов, резисторов и др.) и не могут быть выделены как самостоятельные изделия. При этом активными называют элементы ИМС, выполняющие функции усиления или другого преобразования сигналов (диоды, транзисторы и др.), а пассивными - элементы, реализующие линейную передаточную функцию (резисторы, конденсаторы, индуктивности).

Классификация интегральных микросхем:

По способу изготовления:

По степени интеграции.

Степень интеграции ИС является показателем сложности, характеризуемым числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Степень интеграции определяется формулой

где k - коэффициент, определяющий степень интеграции, округляемый до ближайшего большего целого числа, а N - число элементов и компонентов, входящих в ИС.

Для количественной характеристики степени интеграции часто используют такие термины: если k ? 1, ИС называют простой ИС, если 1 < k ? 2 - средней ИС (СИС), если 2 < k ? 4 - большой ИС (БИС), если k ?4 - сверхбольшой ИС (СБИС).

Кроме степени интеграции используют еще такой показатель, как плотность упаковки элементов - количество элементов (чаще всего транзисторов) на единицу площади кристалла. Этот показатель характеризует главным образом уровень технологии, в настоящее время он составляет более 1000 элементов/мм 2 .

Пленочные интегральные схемы - это интегральные схемы, элементы которых нанесены на поверхность диэлектрического основания в виде пленки. Их особенность - в чистом виде не существуют. Служат только для изготовления пассивных элементов - резисторов, конденсаторов, проводников, индуктивностей.

Рис. 1. Структура пленочной гибридной ИС: 1, 2 - нижний и верхний обкладки конденсатора, З - слой диэлектрика, 4 - проволочная соединительная шина, 5 - навесной транзистор, 6 - пленочный резистор, 7 - контактный вывод, 8 - диэлектрическая подложка

Гибридные ИС - это тонкопленочные микросхемы, состоящие из пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, контактных площадок) и дискретных активных элементов (диодов, транзисторов). Гибридная ИС, показанная на рис. 1, представляет собой диэлектрическую подложку с нанесенными на нее пленочными конденсаторами и резисторами и присоединенным навесным транзистором, база которого соединена с верхней обкладкой конденсатора шиной в виде очень тонкой проволочки.

В полупроводниковых ИС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности кристалла полупроводника. Полупроводниковые ИС представляют собой плоский кристалл полупроводника (подложка), в поверхностном слое которого различными технологическими приемами сформированы эквивалентные элементам электрической схемы локальные области (диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы и др.), объединенные по поверхности пленочными металлическими соединениями (межсоединениями).

В качестве подложек полупроводниковых ИС служат круглые пластины кремния, германия или арсенида галлия, имеющие диаметр 60 - 150 мм и толщину 0,2 - 0,4 мм.

Полупроводниковая подложка является групповой заготовкой (рис. 2), на которой одновременно изготовляют большое количество ИС.

Рис. 2. Групповая кремниевая пластина: 1 - базовый срез, 2 - отдельные кристаллы (чипы)

После завершения основных технологических операций ее разрезают на части - кристаллы 2, называемые также чипами. Размеры сторон кристаллов могут быть от З до 10 мм. Базовый срез 1 пластины служит для ее ориентации при различных технологических процессах.

Структуры элементов полупроводниковой ИС - транзистора, диода, резистора и конденсатора, изготовляемых соответствующим легированием локальных участков полупроводника методами планарной технологии, показаны на рис. 3, а-г. Планарная технология характеризуется тем, что все выводы элементов ИС располагаются в одной плоскости на поверхности и одновременно соединяются в электрическую схему тонкопленочными межсоединениями. При планарной технологии проводится групповая обработка, т. е. в течение одного технологического процесса на подложках получают большое количество ИС, что обеспечивает высокие технологичность и экономичность, а также позволяет автоматизировать производство.

Рис. 3. Структуры элементов полупроводниковой ИС: а - транзистора, б - диода, в - резистора, г - конденсатора, 1 - тонкопленочный контакт, 2 - слой диэлектрика, З - эмиттер; 4 - база, 5 - коллектор, 6 - катод, 7 - анод, 8 - изолирующий слой; 9 - резистивный слой, 10 - изолирующий слой, 11 - пластина, 12, 14 - верхний и нижний электроды конденсатора, 13 - слой диэлектрика

В совмещенных ИС (рис. 4), являющихся вариантом полупроводниковых, на кремниевой подложке создают полупроводниковые и тонкопленочные элементы. достоинство этих схем состоит в том, что в твердом теле технологически трудно изготовлять резисторы заданного сопротивления, так как оно зависит не только от толщины легированного слоя полупроводника, но и от распределения удельного сопротивления по толщине. Доводка сопротивления до номинального значения после изготовления резистора также представляет значительные трудности. Полупроводниковые резисторы обладают заметной температурной зависимостью, что осложняет разработку ИС.

Рис. 4. Структура совмещенной ИС: 1 - пленка диоксида кремния, 2 - диод, З - пленочные внутрисхемные соединения, 4 - тонкопленочный резистор, 5, 6, 7 - верхний и нижний электроды тонкопленочного конденсатора и диэлектрик, 8 - тонкопленочные контакты, 9 - транзистор, 10 - кремниевая пластина.

Кроме того, в твердом теле также весьма трудно создавать конденсаторы. Для расширения номинальных значений сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов полупроводниковых ИС, а также улучшения их рабочих характеристик разработана основанная на технологии тонких пленок комбинированная технология, называемая технологией совмещенных схем. В этом случае активные элементы ИС (можно и некоторые некритичные по номинальному сопротивлению резисторы) изготовляют в теле кремниевого кристалла диффузионным методом, а затем вакуумным нанесением пленок (как в пленочных ИС) формируют пассивные элементы - резисторы, конденсаторы и межсоединения.

Элементная база электроники развивается непрерывно возрастающими темпами. Каждое поколений, появившись в определенный момент времени, продолжает совершенствоваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной аппаратуры.

Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Однако по мере развития полупроводниковой электроники выяснились серьезные ограничения применения электронных явлений и систем на их основе. Поэтому микроэлектроника про-должает продвигаться быстрыми темпами как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений. радиоэлектронный интегральный микросхема

Изделия микроэлектроники: интегральные микросхемы различной степеней интеграции, микросборки, микропроцессоры, мини- и микро-ЭВМ - позволили осуществить проектирование и промышленное производство функционально сложной радио- и вычислительной аппаратуры, отличающейся от аппаратуры предыдущих поколений лучшими параметрами, более высокими надежностью и сроком службы, меньшими потребляемой энергией и стоимостью. Аппаратура на базе изделий микроэлектроники находит широкое применение во всех сферах деятельности человека.

Созданию систем автоматического проектирования, промышленных роботов, автоматизированных и автоматических производственных линий, средств связи и многому другому способствует микроэлектроника.

Первый этап

К первому этапу относится изобретение в 1809 году русским инженером Ладыгиным лампы накаливания.

Открытие в 1874 году немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл-полупроводник. Использование этого эффекта русским изобретателем Поповым для детектирования радиосигнала позволило создать ему первый радиоприемник. Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г. когда Попов выступил с докладом и демонстрацией на заседании физического отделения русского физико-химического общества в Петербурге. В разных странах велись разработки и исследования различных типов простых и надежных обнаружителей высокочастотных колебаний - детекторов.

Второй этап

Второй этап развития электроники начался с 1904 г. когда английский ученый Флеминг сконструировал электровакуумный диод. За ним последовало изобретение первой усилительной лампы - триода в 1907 году.

1913 - 1919 годы - период резкого развития электронной техники. В 1913 г. немецкий инженер Мейснер разработал схему лампового регенеративного приемника и с помощью триода получил незатухающие гармонические колебания.

В России первые радиолампы были изготовлены в 1914 году в Санкт-Петербурге консультантом русского общества беспроволочного телеграфирования Николаем Дмитриевичем Папалекси, будущим академиком АН СССР.

Третий этап

Третий период развития электроники - это период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов, начавшийся с изобретения точечного транзистора. В 1946 году при лаборатории "Белл Телефон" была создана группа во главе с Уильямом Шокли, проводившая исследования свойств полупроводников на Кремнии и Германии. Группа проводила как теоретические, так и экспериментальные исследования физических процессов на границе раздела двух полупроводников с различными типами электрической проводимости. В итоге были изобретены: трехэлектродные полупроводниковые приборы - транзисторы. В зависимости от количества носителей заряда транзисторы были разделены на:

• - униполярные (полевые), где использовались однополярные носители.
• - биполярные, где использовались разнополярные носители (электроны и дырки).

Изобретение транзисторов явилось знаменательной вехой в истории развития электроники и поэтому его авторы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли были удостоины нобелевской премии по физике за 1956 г.

Появление микроэлектроники

С появлением биполярных полевых транзисторов начали воплощаться идеи разработки малогабаритных ЭВМ. На их основе стали создавать бортовые электронные системы для авиационной и космической техники. Так как эти устройства содержали тысячи отдельных электрорадиоэлементов и постоянно требовалось все большее и большее их увеличение, появились и технические трудности. С увеличением числа элементов электронных систем практически не удавалось обеспечить их работоспособность сразу же после сборки, и обеспечить, в дальнейшем, надежность функционирования систем. Проблема качества монтажно-сборочных работ стало основной проблемой изготовителей при обеспечении работоспособности и надежности радиоэлектронных устройств. Решение проблемы межсоединений и явилось предпосылкой к появлению микроэлектроники. Прообразом будущих микросхем послужила печатная плата, в которой все одиночные проводники объединены в единое целое и изготавливаются одновременно групповым методом путем стравливания медной фольги с плоскостью фольгированного диэлектрика. Единственным видом интеграции в этом случае являются проводники. Применение печатных плат хотя и не решает проблемы миниатюризации, однако решает проблему повышения надежности межсоединений. Технология изготовления печатных плат не дает возможности изготовить одновременно другие пассивные элементы кроме проводников. Именно поэтому печатные платы не превратились в интегральные микросхемы в современном понимании. Первыми были разработаны в конце 40х годов толстопленочные гибридные схемы, в основу их изготовления была положена уже отработанная технология изготовления керамических конденсаторов, использующая метод нанесения на керамическую подложку через трафареты паст, содержащих порошок серебра и стекла.

Тонкопленочная технология производства интегральных микросхем включает в себя нанесение в вакууме на гладкую поверхность диэлектрических подложек тонких пленок различных материалов (проводящих, диэлектрических, резистивных).

Четвертый этап

В 1960 году Роберт Нойс из фирмы Fairchild предложил и запатентовал идею монолитной интегральной схемы и, применив планарную технологию изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы.

Семейство монолитных транзисторно-транзисторных логических элементов с четырьмя и более биполярными транзисторами на одном кристалле кремния было выпущено фирмой Fairchild уже в феврале 1960 года и получило название "микрологика". Планарная технология Хорни и монолитная технология Нойса заложили в 1960 году фундамент развития интегральных микросхем, сначала на биполярных транзисторах, а затем 1965-85 гг. на полевых транзисторах и комбинациях тех и других.

Два директивных решения принятых в 1961-1962 гг. повлияли на развитие производства кремниевых транзисторов и ИС. Решение фирмы IBM (Нью-Йорк) по разработке для перспективной ЭВМ не ферромагнитных запоминающих устройств, а электронных ЗУ (запоминающих устройств) на базе n-канальных полевых транзисторов (металл-окисел-полупроводник - МОП). Результатом успешного выполнения этого плана был выпуск в 1973г. универсальной ЭВМ с МОП ЗУ - IBM- 370/158. Директивные решения фирмы Fairchild предусматривающие расширение работ в полупроводниковой научно-исследовательской лаборатории по исследованию кремниевых приборов и материалов для них.

Тем временем в июле 1968 г. Гордон Мур и Роберт Нойс уходят из отделения полупроводников фирмы Fairchild и 28 июня 1968 года организуют крохотную фирму Intel из двенадцати человек, которые арендуют комнатку в Калифорнийском городе Маунтин Вью. Задача, которую поставили перед собой Мур, Нойс и примкнувший к ним специалист по химической технологии - Эндрю Гроув, использовать огромный потенциал интеграции большого числа электронных компонентов на одном полупроводниковом кристалле для создания новых видов электронных приборов.

В 1997 году Эндрю Гроув стал "человеком года", а возглавляемая им компания Intel, ставшая одной из ведущих в силиконовой долине в Калифорнии, стала производить микропроцессоры для 90% всех персональных компьютеров планеты. Появление интегральных микросхем сыграла решающую роль в развитие электроники положив начало новому этапу микроэлектроники. Микроэлектронику четвертого периода называют схематической, потому что в составе основных базовых элементов можно выделить элементы эквивалентные дискретным электро-радиоэлементам и каждой интегральной микросхеме соответствует определенная принципиальная электрическая схема, как и для электронных узлов аппаратуры предыдущих поколений.

Интегральные микросхемы стали называться микроэлектронные устройства, рассматриваемые как единое изделие, имеющее высокую плотность расположения элементов эквивалентных элементам обычной схемы. Усложнение, выполняемых микросхемами функций, достигается повышением степени интеграции.

Настоящее электроники

В настоящее время микроэлектроника переходит на качественно новый уровень - наноэлектронику.

Наноэлектроника в первую очередь базируется на результатах фундаментальных исследований атомных процессов в полупроводниковых структурах пониженной размерности. Квантовые точки, или нульмерные системы, представляют собой предельный случай систем с пониженной размерностью, которые состоят из массива атомных кластеров или островков нанометровых размеров в полупроводниковой матрице, проявляющих самоорганизацию в эпитаксиальных гетероструктурах.

Одним из возможных работ связанных с наноэлеткроникой является работы по созданию материалов и элементов ИК-техники. Они востребованы предприятиями отрасли и являются основой для создания в ближайшем будущем систем "искусственного" (технического) зрения с расширенным, по сравнению с биологическим зрением, спектральным диапазоном в ультрафиолетовой и инфра-красной областях спектра. Системы технического зрения и фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой принципиально новых телекоммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга, тепловидения, нанодиагностики, робототехники, высокоточного оружия, средств борьбы с терроризмом и т.д. Применение полупроводниковых наноструктур значительно уменьшит габариты устройств наблюдения и регистрации, уменьшит энергопотребление, улучшит стоимостные характеристики и позволит использовать преимущества массового производства в микро- и наноэлектронике ближайшего будущего.

полупроводника . Осуществление этих предложений в те годы не могло 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 объединения, создал первые, несовершенные, прототипы ИС и довёл их до серийного производства. Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированных на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом (англ. P–n junction isolation )). 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. Jean Hoerni ). 27 сентября 1960 года группа Джея Ласта (англ. Jay Last ) 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 гг. 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 г. Sylvania выпустила в продажу первое семейство разработанной 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 отечественная микросхема была создана в 1961 году в ТРТИ (Таганрогском Радиотехническом Институте) под руководством Л. Н. Колесова . Это событие привлекло внимание научной общественности страны, и ТРТИ был утверждён головным в системе минвуза по проблеме создания микроэлектронной аппаратуры высокой надёжности и автоматизации её производства. Сам же Л. Н. Колесов был назначен Председателем координационного совета по этой проблеме.

Первая в СССР гибридная толстоплёночная интегральная микросхема (серия 201 «Тропа») была разработана в 1963-65 годах в НИИ точной технологии («Ангстрем »), серийное производство с 1965 года. В разработке принимали участие специалисты НИЭМ (ныне НИИ «Аргон») .

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) .

Параллельно работа по разработке интегральной схемы проводилась в центральном конструкторском бюро при Воронежском заводе полупроводниковых приборов (ныне - ). В 1965 году во время визита на ВЗПП министра электронной промышленности А. И. Шокина заводу было поручено провести научно-исследовательскую работу по созданию кремниевой монолитной схемы - НИР «Титан» (приказ министерства от 16.08.1965 г. № 92), которая была досрочно выполнена уже к концу года. Тема была успешно сдана Госкомиссии, и серия 104 микросхем диодно-транзисторной логики стала первым фиксированным достижением в области твердотельной микроэлектроники, что было отражено в приказе МЭП от 30.12.1965 г. № 403.

Уровни проектирования

В настоящее время (2014 г.) большая часть интегральных схем проектируется при помощи специализированных САПР , которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить производственные процессы , например, получение топологических фотошаблонов.

Классификация

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 10 тыс. элементов в кристалле,
• сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - более 10 тыс. элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь уже устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) - от 1-10 млн до 1 млрд элементов в кристалле и, иногда, гигабольшая интегральная схема (ГБИС) - более 1 млрд элементов в кристалле. В настоящее время, в 2010-х, названия «УБИС» и «ГБИС» практически не используются, и все микросхемы с числом элементов более 10 тыс. относят к классу СБИС.

Технология изготовления

• Полупроводниковая микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния , германия , арсенида галлия , оксида гафния).

• Плёночная интегральная микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок :
  • толстоплёночная интегральная схема;
  • тонкоплёночная интегральная схема.
• Гибридная микросхема (часто называемая микросборкой ), содержит несколько бескорпусных диодов, бескорпусных транзисторов и(или) других электронных активных компонентов. Также микросборка может включать в себя бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты микросборки (резисторы , конденсаторы , катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей, обычно керамической подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.
• Смешанная микросхема - кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.

Вид обрабатываемого сигнала

Технологии изготовления

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).
• 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.
• Микросхемы, использующие как полевые, так и биполярные транзисторы:

Используя один и тот же тип транзисторов, микросхемы могут создаваться по разным методологиям, например, статической или динамической .

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.

Технологический процесс

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 ультрафиолетового излучения при засветке отказались.

Следующие процессоры изготавливали с использованием УФ-излучения (эксимерный лазер ArF, длина волны 193 нм). В среднем внедрение лидерами индустрии новых техпроцессов по плану ITRS происходило каждые 2 года, при этом обеспечивалось удвоение количества транзисторов на единицу площади: 45 нм (2007), 32 нм (2009), 22 нм (2011) , производство 14 нм начато в 2014 году , освоение 10 нм процессов ожидается около 2018 года.

В 2015 году появились оценки, что внедрение новых техпроцессов будет замедляться .

Контроль качества

Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры .

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченной, сколь угодно сложной, функциональностью - вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

• Фильтры (в том числе на пьезоэффекте).
• Аналоговые умножители .
• Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители .
• Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока .
• Микросхемы управления импульсных блоков питания.
• Преобразователи сигналов.
• Схемы синхронизации .
• Различные датчики (например, температуры).

Цифровые схемы

• Буферные преобразователи
• (Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)
• Микросхемы и модули памяти
• ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

• Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» - что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» - (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения , во втором - через него не идёт ток . В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (активном) состоянии.
• Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка состояния возможна при таком уровне помех, когда высокий уровень интерпретируется как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов , позволяющих исправлять ошибки.
• Большая разница уровней состояний сигналов высокого и низкого уровня (логических «0» и «1») и достаточно широкий диапазон их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора компонентов и настройки элементами регулировки в цифровых устройствах.

Аналого-цифровые схемы

• цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
• трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet );
• модуляторы и демодуляторы ;
  • радиомодемы
  • декодеры телетекста, УКВ-радио-текста
  • трансиверы Fast Ethernet и оптических линий
  • Dial-Up модемы
  • приёмники цифрового ТВ
  • сенсор оптической «мыши»
• микросхемы питания электронных устройств - стабилизаторы, преобразователи напряжения, силовые ключи и др.;
• цифровые аттенюаторы ;
• схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ);
• генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации;
• базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые схемы;

Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия - это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Корпуса

Специфические названия

Правовая защита

Законодательство России предоставляет правовую охрану топологиям интегральных микросхем. Топологией интегральной микросхемы является зафиксированное на материальном носителе пространственно-геометрическое расположение совокупности элементов интегральной микросхемы и связей между ними (ст. 1448

Когда и кем была создана первая микросхема? а то мне говорят,что оптические приборы не позволяли лазером "нарезать" на монокристал

Еще в конце 40-х годов в Centralab были разработаны основные принципы миниатюризации и созданы ламповые толстопленочные гибридные схемы. Схемы выполнялись на единой подложке, а зоны контактов или сопротивления получались простым нанесением на подложку серебряной или типографской угольной краски. Когда же стала развиваться технология германиевых сплавных транзисторов, в Centralab было предложено монтировать бескорпусные приборы в пластиковую или керамическую оболочку, чем достигалась изоляция транзистора от окружающей среды. На этой основе можно было уже создавать транзисторные гибридные схемы, "печатные платы". Но, по сути дела, это был прообраз современного решения проблемы корпусирования и выводов интегральной схемы.
К середине 50-х годов Texas Instruments имела все возможности для производства дешевых полупроводниковых материалов. Но если транзисторы или диоды изготовлялись из кремния, то резисторы в TI предпочитали делать из нитрида титана, а распределенные емкости - из тефлона. Неудивительно, что многие тогда полагали, что при накопленном опыте создания гибридных схем нет проблем в сборке этих элементов, изготовленных по отдельности. А если удастся изготовить все элементы одинакового размера и формы и тем самым автоматизировать процесс сборки, то стоимость схемы будет значительно снижена. Этот подход очень напоминает предложенный Генри Фордом процесс конвейерной сборки автомашин.
Таким образом, в основе доминировавших тогда схемных решений лежали различные материалы и технологии их изготовления. Но англичанином Джеффом Даммером из Royal Radar Establishment в 1951 году было выдвинуто предположение о создании электроники в виде единого блока при помощи полупроводниковых слоев одного и того же материала, работающих как усилитель, резистор, емкость и соединенных вырезанными в каждом слое контактными площадками. Как это сделать практически, Даммер не указал.
Собственно, отдельные резисторы и емкости можно было делать из того же кремния, однако это было бы довольно дорогое производство. Кроме того, кремниевые резисторы и емкости были бы менее надежны, чем компоненты, изготовленные по стандартным технологиям и из привычных материалов, тех же нитрида титана или тефлона. Но так как все же имелась принципиальная возможность изготовить все компоненты из одного материала, то следовало бы подумать об их соответствующем электрическом соединении в одном образце.
24 июля 1958 года Килби сформулировал в лабораторном журнале концепцию, получившую название Идеи монолит (Monolithic Idea), в которой было указано, что <... p-n-="">Заслуга Килби - в практической реализации идеи Даммера.

Всего лет двадцать пять назад радиолюбителям и специалистам старшего поколения пришлось заниматься изучением новых по тому времени приборов — транзисторов. Нелегко было отказываться от электронных ламп, к которым так привыкли, и переключаться на теснящее и все разрастающееся «семейство» полупроводниковых приборов.

А сейчас это «семейство» все больше и больше стало уступать свое место в радиотехнике и электронике полупроводниковым приборам новейшею поколения — интегральным микросхемам, часто называемым сокращенно ИМС.

Что такое интегральная микросхема

Интегральная микросхема - это миниатюрный электронный блок, содержащий в общем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные-элементы, число которых может достигать нескольких десятков тысяч.

Одна микросхема Может заменить целый блок радиоприемника, электронной вычислительной машины (ЭВМ) и электронного автомата. «Механизм» наручных электронных часов, например, — это всего лишь одна большей микросхема.

По своему функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на две основные группы: аналоговые, или линейно-импульсные, и логические, или цифровые, микросхемы.

Аналоговые микросхемы предназначаются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот, например, для приемников, усилителей, а логические — для использования в устройствах автоматики, в приборах с цифровым отсчетом времени, в ЭВМ.

Этот практикум посвящается знакомству с устройством, принципом работы и возможным применением самых простых аналоговых и логических интегральных микросхем.

На аналоговой микросхеме

Из огромного «семейства» аналоговых самыми простыми являются микросхемы-близнецы» К118УН1А (К1УС181А) и К118УН1Б (К1УС181Б), входящие в серию К118.

Каждая из них представляет собой усилитель, содержащий... Впрочем, об электронной «начинке» лучше поговорить лозже. А пока будем считать их «черными ящичками» с выводами для подключения к ним источников питания, дополнительных деталей, входных и выходных цепей.

Разница же между ними заключается только в их коэффициентах усиления колебаний низких частот: коэффициент усиления микросхемы К118УН1А на частоте 12 кГц составляет 250, а микросхемы К118УН1Б — 400.

На высоких частотах коэффициент усиления этих микросхем одинаков — примерно 50. Так что любая из них может быть использована для усиления колебаний как низких, так и высоких частот, а значит, и для наших опытов. Внешний вид и условное обозначение этих микросхем-усилителей на принципиальных схемах устройств показаны на рис. 88.

Корпус у них пластмассовый прямоугольной формы. Сверху на корпусе — метка, служащая точкой отсчета номеров выводов. Микросхемы рассчитаны на питание от источника постоянного тока напряжением 6,3 В, которое подают через выводы 7 (+Uпит) и 14 (— U пит).

Источником питания может быть сетевой блок питания с регулируемым выходным напряжением или батарея, составленная из четырех элементов 334 и 343.

Первый опыт с микросхемой К118УН1А (или К118УН1Б) проводи по схеме, приведенной на рис. 89. В качестве монтажной платы используй картонную пластинку размерами примерно 50X40 мм.

Микросхему выводами 1, 7, 8 и 14 припаяй к проволочным скобкам, пропущенным через проколы в картоне. Все они будут выполнять роль стоек, удерживающих микросхему на плате, а скобки выводов 7. и 14, кроме того, соединительными контактами с батареей GB 1 (или сетевым блоком питания).

Между ними с обеих сторон от микросхемы укрепи еще по два-три контакта, которые будут промежуточными для дополнительных деталей. Смонтируй на плате конденсаторы С1 (типа К50-6 или К50-3) и С2 (КЯС, БМ, МБМ), подключи к выходу микросхемы головные телефоны В2.

Ко входу микросхемы подключи (через конденсатор С1) электродинамический микрофон В1 любого типа или телефонный капсюль ДЭМ-4м, включи питание и, прижав поплотнее телефоны к ушам, постучи легонько карандашом по микрофону. Если ошибок в монтаже нет, в телефонах должны быть слышны звуки, напоминающие щелчки по барабану.

Попроси товарища сказать что-то перед микрофоном — в телефонах услышишь его голос. Вместо микрофона ко входу микросхемы можешь подключить радиотрансляционный (абонентский) громкоговоритель с его согласующим трансформатором. Эффект будет примерно таким же.

Продолжая опыт с телефонным устройством одностороннего действия, включи между общим (минусовым) проводником цепи питания и выводом 12 микросхемы электролитический конденсатор СЗ, обозначенный на схеме штриховыми линиями. При этом громкость звука в телефонах должна возрасти.

Телефоны станут звучать еще громче, если такой же конденсатор включить в цепь вывода 5 (на рис, 89 — конденсатор С4). Но если при этом усилитель возбудится, то между общим проводом и выводом 11 придется включить электролитический конденсатор емкостью 5 — 10 мкФ на. номинальное напряжение 10 В.

Еще один опыт: включи между выводами 10 и 3 микросхемы керамический или бумажный конденсатор емкостью 5 — 10 тыс. пикофарад. Что получилось? В телефонах появился непрекращающийся -звук средней тональности. С увеличением емкости этого конденсатора тон звука в телефонах должен понижаться, а с уменьшением повышаться. Проверь это.

А теперь раскроем этот «черный ящичек» и рассмотрим его «начинку» (рис. 90). Да, это двухкаскадный усилитель с непосредственной связью между его транзисторами. Транзисторы кремниевые, структуры n-р- n . Низкочастотный сигнал, создаваемый микрофоном, поступает (через конденсатор С1) на вход микросхемы (вывод 3).

Падение напряжения, создающееся на резисторе R 6 в эмиттерной цепи транзистора V 2, через резисторы R 4 и R 5 подается на базу транзистора VI и открывает его. Резистор R 1 — нагрузка этого транзистора. Снимаемый с него усиленный сигнал поступает на базу транзистора V 2 для дополнительного усиления.

В опытном усилителе нагрузкой транзистора V 2 были головные телефоны, включенные в его коллекторную цепь, которые преобразовывали низкочастотный сигнал в звук.

Но его нагрузкой мог бы быть резистор R 5 микросхемы, если соединить вместе выводы 10 и 9. В таком случае телефоны надо включать между общим проводом и точкой соединения этих выводов через электролитический конденсатор емкостью в несколько микрофарад (положительной обкладкой к микросхеме).

При включении конденсатора между общим проводом и выводом 12 микросхемы громкость звука увеличилась, Почему? Потому что он, шунтируя резистор R 6 микросхемы, ослабил действующую в ней отрицательную обратную связь по переменному току.

Отрицательная обратная связь стала еще слабее, когда ты второй конденсатор включил в базовую цепь транзистора V 1. А третий конденсатор, включенный между общим проводом и выводом 11, образовал с резистором R 7 микросхемы развязывающий фильтр, предотвращающий возбуждение усилителя.

Что получилось при включении конденсатора между выводами 10 и 5? Он создал между выходом и входом усилителя положительную обратную связь, которая превратила его в генератор колебаний звуковой частоты.

Итак, как видишь, микросхема К118УН1Б (или К118УН1А) — это усилитель, который может быть низ-кочастотным или высокочастотным, например, в приемнике. Но он может стать и генератором электрических колебаний как низких, так и высоких частот.

Микросхема в радиоприемнике

Предлагаем испытать эту микросхему в высокочастотном тракте приемника, собранного, например, по схеме, приведенной на рис. 91. Входной контур магнитной антенны такого приемника образуют катушка L 1 и конденсатор переменной емкости С1. Высокочастотный сигнал радиостанции, на волну которой контур настроен, через катушку связи L 2 и разделительный конденсатор С2 поступает на вход (вывод 3) микросхемы Л1.

С выхода микросхемы (вывод 10, соединенный с выводом 9) усиленный сигнал подается через конденсатор С4 на детектор, диоды VI и V 2 которого включены по схеме умножения напряжения, а выделенный им низкочастотный сигнал телефоны В1 преобразуют в звук. Приемник питается от батареи GB 1, составленной из четырех элементов 332, 316 или пяти аккумуляторов Д-01.

Во многих транзисторных приемниках усилитель высокочастотного тракта образуют транзисторы, а в этом — микросхема. Только в этом и заключается разница между ними. Имея опыт предыдущих практикумов, ты, надеюсь, сможешь самостоятельно смонтировать иг наладить такой приемник и даже, если пожелаешь, дополнить его усилителем НЧгдля громкоговорящего радиоприема.

На логической микросхеме

Составной частью многих цифровых интегральных микросхем является логический элемент И-НЕ, условное обозначение которого ты видишь на рис. 92, а. Его символом служит знак «&», помещаемый внутри прямоугольника, обычно в верхнем левом углу, заменяющий союз «И» в английском языке. Слева два или больше входов, справа — один выход.

Небольшой кружок, которым начинается линия связи выходного сигнала, символизирует логическое Отрицание «НЕ» на выходе микросхемы. На языке цифровой техники «НЕ» означает, что элемент И-НЕ является инвертором, то есть устройством, выходные параметры которого противоположны входным.

Электрическое состояние и работу логического элемента характеризуют уровнями сигналов на его входах и выходе. Сигнал небольшого (или нулевого) напряжения, уровень которого не превышает 0,3 — 0,4 В, принято (в соответствии с двоичной системой счисления) называть логическим нулем (0), а сигнал более высокого напряжения (по сравнению с логическим 0), уровень которого может быть 2,5 — 3,5 В, — логической единицей (1).

Например, говорят: «на выходе элемента логическая 1». Это значит, что в данный момент на выходе элемента появился сигнал, напряжение которого соответствует уровню логической 1.

Чтобы не углубляться в технологию и устройство элемента И-НЕ, будем рассматривать его как «черный ящичек», у которого для электрического сигнала есть два входа и один выход.

Логика же элемента заключается в том, что при подаче на один из его входов логического О, а на второй вход логической 1, на выходе появляется сигнал логической 1, который исчезает при подаче на оба входа сигналов, соответствующих логической 1.

Для опытов, закрепляющих в памяти это свойство элемента, потребуются наиболее распространенная микросхема К155ЛАЗ, вольтметр постоянного тока, свежая батарея 3336Л и два резистора сопротивлением 1...1,2 кОм.

Микросхема К155ЛАЗ состоит из четырех элементов 2И-НЕ (рис. 92, б), питающихся от одного общего источника постоянного тока напряжением 5 В, но каждый из них работает как самостоятельное логическое устройство. Цифра 2 в названии микросхемы указывает на то, что ее элементы имеют по два входа.

Внешним видом и конструктивно она, как и все микросхемы серии К155, не отличается от уже знакомой тебе аналоговой микросхемы К118УН1, только полярность подключения источника питания иная. Поэтому сделанная ранее тобой картонная плата подойдет и для опытов с этой микросхемой. Источник питания подключают: +5 В — к выводу 7» — 5 В — к выводу 14.

Но эти выводы не принято обозначать на схематическом изображении микросхемы. Объясняется это тем, что на принципиальных электрических схемах элементы, составляющие микросхему, изображают раздельно, например, как на рис. 92, в. Для опытов можно использовать любой из ее четырех элементов.

Микросхему выводами 1, 7, 8 и 14 припаяй к проволочным стойкам на картонной плате (как на рис. 89). Один из входных выводов любого из ее элементов, например, элемента с выводами 1 — 3, соедини через ре-.зистор сопротивлением 1...1.2 кОм с выводом 14, вывод второго входа — непосредственно с общим («заземленным») проводником цепи питания, а к выходу элемента подключи вольтметр постоянного тока (рис. 93, а).

Включии питание. Что показывает вольтметр? Напряжение, равное примерно 3 В. Это напряжение соответствует сигналу логической 1 на выходе элемента. Тем же вольтметром измерь напряжение на выводе первого входа, И здесь, как видишь, тоже логическая 1. Следовательно, когда на одном из входов элемента логическая 1, а на втором логический 0, на выходе будет логическая 1.

Теперь вывод и второго входа соедини через резистор сопротивлением 1...1.2 кОм с выводом 14 и одновременно проволочной перемычкой — с общим проводником, как показано на рис. 93, б.

При этом на выходе, как и в первом опыте, будет логическая 1. Далее, следя за стрелкой вольтметра, удали проволочную перемычку, чтобы и на второй вход подать сигнал, соответствующий логической 1.

Что фиксирует вольтметр? Сигнал на выходе элемента преобразовался в логический 0. Так оно и должно быть! А если любой из входов периодически замыкать на общий провод и тем самым имитировать подачу на него логического 0, то с такой же частотой на выходе элемента станут появляться импульсы тока, о чем будут свидетельствовать колебания стрелки вольтметра. Проверь это опытным путем.

Свойство элемента И-НЕ изменять свое состояние под воздействием входных управляющих сигналов широко используется в различных устройствах цифровой вычислительной техники. Радиолюбители же, особенно начинающие, очень часто используют логический элемент как инвертор — устройство, сигнал на выходе которого противоположен входному сигналу.

Подтвердить такое свойство элемента может следующий опыт. Соедини вместе выводы обоих входов элемента и через резистор сопротивлением 1...1,2 кОм подключи их к выводу 14 (рис. 93, в).

Так ты подашь на общий вход элемента сигнал, соответствующий логической 1, напряжение которого можно измерить вольтметром. Что при этом получается на выходе?

Стрелка вольтметра, подключенного к нему, чуть отклонилась от нулевой отметки шкалы. Здесь, следовательно, как и предполагалось, сигнал соответствует логическому 0.

Затем, не отключая резистор от вывода 14 микросхемы, несколько раз подряд замкни проволочной перемычкой вход элемента на общий проводник (на рис. 93, в показано штриховой линией со стрелками) и одновременно следи за стрелкой вольтметра. Так ты убедишься в том, что когда на входе инвертора логический 0, на выходе в это время логическая 1 и, наоборот, когда на входе логическая 1 — на выходе логический 0.

Так работает инвертор, особенно часто используемый радиолюбителями в конструируемых ими импульсных устройствах.

Примером такого устройства может служить генератор импульсов, собранный по схеме, приведенной на рис. 94. В его работоспособности ты можешь убедиться сейчас же, затратив на это всего несколько минут.

Выход элемента D1.1 соедини с входами элемента D 1.2 той же микросхемы, его выход — с входами элемента DJ .3, а выход этого элемента (вывод 8) — с входом элемента D 1.1 через переменный резистор R1. К выходу элемента D 1.3 (между выводом 8 и общим проводником) подключи головные телефоны B 1, a параллельно элементам D1.1 и D 1.2 электролитический конденсатор С1.

Движок переменного резистора установи в правое (по схеме) положение и включи питание — в телефонах услышишь звук, тональность которого можно изменять переменным резистором.

В этом эксперименте элементы D 1.1, D 1.2 и D 1.3, соединенные между собой последовательно, подобно транзисторам трехкаскадного усилителя, образовали мультивибратор — генератор электрических импульсов прямоугольной формы.

Микросхема стала генератором благодаря конденсатору и резистору, создавшим между выходом и входом элементов частотозависимые цепи обратной связи. Переменным резистором частоту импульсов, генерируемых мультивибратором, можно плавно изменять примерно от 300 Гц до 10 кГц.

Какое практическое применение может найти такое импульсное устройство? Оно может стать, например, квартирным звонком, пробником для проверки работоспособности каскадов приемника и усилителя НЧ, генератором для тренировок по приему на слух телеграфной азбуки.

Самодельный игровой автомат на микросхеме

Подобное устройство можно превратить в игровой автомат «Красный или зеленый?». Схема такого имлульсного устройства приведена на рис. 95. Здесь элементы D 1.1, D 1.2, D 1.3 той же (или такой же) микросхемы К155ЛАЗ и конденсатор С1 образуют аналогичный мультивибратор, импульсы которого управляют транзисторами VI и V 2, включенными по схеме с общим эмиттером.

Элемент D 1.4 работает как инвертор. Благодаря ему импульсы мультивибратора поступают на базы транзисторов в противофазе и открывают их поочередно. Так, например, когда на входе инвертора уровень логической 1, а на выходе уровень логического 0, то в Эти моменты, времени транзистор В1 открыт и лампочка HI в его коллекторной цепи горит, а транзистор V 2 закрыт и его лампочка Н2 не горит.

При следующем импульсе инвертор изменит свое состояние на обратное. Теперь откроется транзистор V 2 и загорится лампочка Н2, а транзистор VI закроется и лампочка H 1 погаснет.

Но частота импульсов, генерируемых мультивибратором, сравнительно высокая (не меньше 15 кГц) и лампочки, естественно, не могут реагировать на каждый импульс.

Поэтому они светятся тускло. Но стоит нажать на кнопку S1, чтобы ее контактами замкнуть накоротко конденсатор С1 и тем самым сорвать генерацию мультивибратора, как тут же ярко загорится лампочка того из транзисторов, на базе которого в этот момент окажется напряжение, соответствующее логической 1, а другая лампочка совсем погаснет.

Заранее невозможно сказать, какая из лампочек после нажатия на кнопку будет продолжать гореть — можно только гадать. В этом смысл игры.

Игровой автомат вместе с батареей питания (3336Л или три элемента 343, соединенные последовательно) можно разместить в коробке небольших размеров, например в корпусе «карманного» приемника.

Лампочки накаливания HI и Н2 (МН2,5-0,068 или МН2,5-0,15) размести под отверстиями в лицевой стенке корпуса и закрой их колпачками или пластинками органического стекла красного и зеленого цветов. Здесь же укрепи выключатель питания (тумблер ТВ-1) и кнопочный выключатель §1 (типа П2К или КМ-Н) остановки мультивибратора.

Налаживание игрового автомата заключается в тщательном подборе резистора R 1. Его сопротивление должно быть таким, чтобы при остановке мультивибратора кнопкой S 1 по крайней мере 80 — 100 раз число загораний каждой из лампочек было примерно одинаково.

Сначала проверь, работает ли мультивибратор. Для этого параллельно конденсатору С1, е,мкость которого может быть 0,1...0,5 мкФ, подключи электролитический конденсатор емкостью 20...30 мкФ, а к выходу мультивибратора головные телефоны — в телефонах должен появиться звук низкой тональности.

Этот звук — признак работы мультивибратора. Затем удали электролитический конденсатор, резистор R 1 замени подстроечным резистором сопротивлением 1,2...1,3 кОм, а между выводами 8 и 11 элементов DI .3 и D 1.4 включи вольтметр постоянного тока. Изменением сопротивления подстро-ечного резистора добейся такого положения, чтобы вольтметр показывал нулевое напряжение между выходами этих элементов микросхемы.

Число играющих может быть любое. Каждый по очереди нажимает на кнопку остановки мультивибратора. Выигрывает тот, кто при равном числе ходов, например двадцати нажатий на кнопку, большее число раз угадает цвета загорающихся лампочек после остановки мультивибратора.

К сожалению, частота мультивибратора описанного здесь простейшего игрового автомата из-за разрядки батареи несколько изменяется, что, конечно, сказывается на равновероятности зажигания разных лампочек, поэтому лучше питать его от источника стабилизированного напряжения 5 В.

Литература: Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. — М.: ДОСААФ, 1984. 144 с., ил. 55к.