УДК 621.3.049

Интегральные схемы и микросхемы

Киреев Кирилл Александрович – студент Самарского государственного технического университета.

Аннотация: Данная статья обсуждает роль интегральных схем в современных электротехнологиях. Статья описывает различные типы интегральных схем и их применение в различных отраслях, подчеркивая их важность в современном мире электроники и технологий.

Ключевые слова: интегральные схемы, микросхемы, электротехнологии, электроника, устройства, виды ИС.

Интегральные схемы (далее – ИС) используются в различных аспектах нашей повседневной жизни, проникая в сферы от промышленности до потребительской электроники, превращая сложные задачи в выполнимые решения. ИС являются стержнем современной электроники. Они обеспечивают основу для создания компактных и эффективных устройств, которые с каждым годом становятся все более мощными и универсальными. Их функциональность простирается от обработки данных до хранения и передачи информации, делая их неотъемлемой частью устройств, начиная от компьютеров и мобильных телефонов, и заканчивая телевизорами и автомобилями.

ИС (рис 1.) – это электронное устройство, в котором сформировано множество элементов (транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов) на одном кристаллическом подложке из полупроводникового материала (обычно кремния), которые интегрируются на кристалле. Принцип работы ИС основан на комбинации различных электронных компонентов, работающих вместе в соответствии с заданной схемой. Транзисторы, например, могут быть использованы для усиления или переключения сигналов, диоды для ограничения напряжения, а резисторы для управления током. Одним из ключевых процессов производства интегральных схем является литография, создающая микроскопические структуры на поверхности кремниевой подложки, формируя проводящие и изоляционные слои, необходимые для создания транзисторов и других компонентов.

Рисунок 1. Интегральная схема

Где: 1– подложка, 2– кристалл, 3, 6 и 7– внут. и внеш. выводы, 4– корпус, 5– соединение корпуса с крышкой

В основе развития интегральных схем лежат принципы электротехнологии, которые постоянно совершенствуются и приспосабливаются к изменяющимся потребностям рынка. Электротехнологии обеспечивают основу для проектирования, изготовления и тестирования микрочипов, что позволяет создавать более компактные, мощные и энергоэффективные устройства.

С момента появления первых интегральных схем, технологии их производства претерпели революционные изменения. Сегодня уже имеется возможность создавать ИС с миллионами и даже миллиардами транзисторов на одном кристалле, что делает возможным реализацию мощных и сложных функций в одном чипе.

Все интегральные схемы проектируются и производятся в виде серий, которые содержат множество микросхем (далее – ИМС), которые, в свою очередь, подразделяются на различные типы и номиналы, каждый из которых имеет свое уникальное условное обозначение и определенное функциональное, а также схемотехническое решение.

Рисунок 2. Классификация интегральных микросхем

В полупроводниковых ИС все компоненты и соединения между ними созданы в объеме и на поверхности полупроводника. В монолитных полупроводниковых ИС все элементы схемы, такие как диоды, транзисторы, резисторы и другие, произведены на одном кристалле полупроводникового материала, который обычно является монокристаллом кремния. В зависимости от типа активных элементов, применяемых в схеме, можно выделить полупроводниковые ИС на основе МДП-транзисторов или транзисторов с затвором, построенных на основе диода Шотки (полевые транзисторы с управляющим переходом в микроэлектронике применяются редко), а также биполярные полупроводниковые ИС.

В пленочных интегральных схемах все компоненты представлены в виде тонких пленок, которые наносятся на диэлектрическую базу или пассивную подложку. В таких устройствах отдельные элементы и связи между ними создаются на поверхности диэлектрика. Для этого применяется технология нанесения тонких пленок из соответствующих материалов.

Гибридные интегральные схемы , которые создаются на диэлектрической подложке, например, из оксида алюминия, включают в себя изготовление пассивных элементов, таких как резисторы и конденсаторы, в виде пленок, а также установку активных и пассивных компонентов на поверхность с использованием различных технологических методов. Название данного класса ИС происходит от особенности этого процесса.

Цифровые ИС остаются весьма востребованными и широко применяются в современных устройствах, начиная от компьютеров и мобильных гаджетов, и заканчивая Smart TV и другой бытовой техникой. Они функционируют на основе двоичной системы, где 0 обозначает сигнал низкого напряжения, а 1 - высокого. Именно так кодируется информация и происходит взаимодействие с окружающим миром. Примерами таких устройств могут служить ПЛК, ПЛИС, оперативная память, центральный процессор, графический процессор, микроконтроллер и т. д.

Аналоговые схемы, в отличие от цифровых, оперируют непрерывными переменными сигналами напряжения. Благодаря этой особенности они способны решать такие задачи, как фильтрация, усиление сигнала, демодуляция и модуляция. Важно отметить, что многие системы в наше время работают как с аналоговыми, так и с цифровыми схемами, используя для этого специализированные АЦП/ЦАП преобразователи. Аналоговые интегральные схемы можно разделить на две основные категории: линейные и радиочастотные. Они применяются в широком спектре устройств, таких как микросхемы для фильтрации звука, звуковые усилители, системы передачи и приема радиоволн, датчики и многое другое.

Интегральные схемы являются краеугольным камнем в современных электротехнологиях. Их возможности постоянно расширяются, открывая новые горизонты в области электроники, коммуникации, медицины, автомобилестроения и других отраслях. С ростом требований к мощности, энергоэффективности и миниатюризации устройств, роль интегральных схем в электротехнологиях будет продолжать расти, продвигая нас в более цифровое и автоматизированное будущее.

Список литературы

1. Аваев, Н. А. Основы микроэлектроники [Текст]: учеб. пособ. для вузов / Н. А. Аваев, Ю. Е. Наумов, В. Т. Фролкин. - М.: Радио и связь, 1991. - 288 с
2. Жеребцов, И. П. Основы электроники [Текст]: учеб. пособие / И. П. Жеребцов. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 352 с.
3. Степаненко И.П.: Основы микроэлектроники. - М. ; СПб.: Лаборатория Базовых Знаний, 2004
4. Ткаченко, Ф.А. Электронные приборы и устройства: Учебник / Ф.А. Ткаченко. - М.: Инфра-М, 2018. - 156 c.