Лекция конспектісі в06101-«Ақпараттық технологиялар» ббб үшін Шымкент-2020 Әож 681. Ббк 32. 81

(қаралатын сұрақтар тізімі)

1. 
   Цифрлық және сызықтық интегралды сұлбалар. Жіктелінуі, сұлбалары және жұмыс істеу ұстанымдары.
   

Интегралдық сұлбалар бір кристаллда бір технологиялық процесте жасалған өте көп санды өзара байланысқан элементтердің - өте кіші диодтар, транзисторлар, конденсаторлар, резисторлар, байланыстырушы сымдардың жиынтығы болып табылады. Мөлшері 1 см2 болатын микросұлбада бірнеше жүз мың микроэлементтер болуы мүмкін

Микросұлбаларды пайдалану қазіргі заманғы электрондық техниканың көптеген салаларында революциялық өзгерістер әкелді. Бұл әсіресе электронды есептеу техникасында айқын болып табылады. Ондаған мың электрондық шамдардан тұратын және бүкіл ғимаратты алып тұратын өте үлкен ауқымды электронды есептегіш машиналардың (ЭЕМ) орнына дербес компьютерлер келді.

Интегралдық сұлбалар (ИС) қалай жасалады?

Бастапқыда, дұрыс пропорцияда (р типті жартылай өткізгіш) кремний мен алюминий қоспасынан жасалған пластина болып табылатын дайындау, алынады. Пластинаның беттерінің бірін тегістейді және екі тесігі бар жұқа металл пластинкамен – маскамен жабады. Маскамен бірге пластина пеште орналастырылады, ол шамамен 1100 градусқа цельсийге дейін қызады.

Масканың жоғарғы жағынан фосфор буларын өткізеді. Маска тесіктері арқылы жоғары температура әсерінен фосфор атомдары пластинаға енеді (диффузияланады). Осылайша болашақ транзисторлардың төрт n – облысы қалыптасады, бұл жоғарғы бастау және төменгі құйма болып табылады. Пластинаға өткен фосфор саны пластинаның бетінің үстінен фосфор буы өткізілген уақытқа тәуелді болады.

Содан кейін пеш желдетіледі. Пеш арқылы оттегі беріледі. Маскамен жабылмаған облыстарының беті тотығады. Осылай кремний оксидінің оқшаулау қабаттары түзіледі. Екінші масканы үшіншімен ауыстырады. Пластинаның бетінің үстінен алюминий шашады, яғни пластинаның бетінің үстінде қайтадан форфор булары пайда болады. Сұлба дайын.

Ол сұлбаның сыртқы шығыстары ретінде қызмет ететін, электродтарға шығыстарын дәнекерленеді және пластинаның беті лактың қорғаныш қабатымен жабылады.

Бүкіл сұлба бір технологиялық процесте жасалады, кремнийлі пластина тіпті пештен шығарылмайды. Маскалар автоматты манипуляторлар көмегімен ауыстырылады. Сондай-ақ, пешті түрлі заттардың буларымен толтыру автоматты түрде орындалады. Осы мақсат үшін, мысалы ағымдағы фосформен кішкентай тигльдің қыздыру элементіне ток қосылады. Фосфор қызады және буға айналады.

Енді қызықты бөлігі. Егер сіз осы жолмен екі емес, екі мың транзисторлардан тұратын сұлбаны жасағыңыз келсе, технология көп өзгере ме? Өйткені технологиялық процесте іс жүзінде ештеңе өзгертілмейді. Бұрынғыдай бір кремнийлі пластина қажет және бүкіл сұлбаны, пештен пластинаны алмастан, бірақ тек маскасын ауыстыру арқылы жасауға мүмкіндік бар. Әрине, маскалардағы ойықтардың саны әлдеқайда көп болады.

Әрбір жеке транзистор өте кішкентай. Төменде көрсетілген облыстардың сызықтық өлшемдері бірнеше микрон болады. Мөлшері алтыда бес миллиметр және қалыңдығы миллиметрдің оннан екі бөлігі болатын кремний пластиналарында он мыңнан астам электронды компоненттерді: диодтар, транзисторлар, резисторларды, конденсаторларды орналастыруға болады.

Интегралдық сұлбалар (ИС) ондаған компоненттері бар шағын интегралдық сұлбаларға (ШИС), мыңдаған компоненттерге дейін бар орташа интегралдық сұлбаларға (ОИС) және мыңнан астам компоненттерге дейін бар үлкен интегралдық сұлбаларға (ҮИС) бөлінеді. Тіпті үлкен интегралдық сұлбаларда (ҮИС) ток өту мәселесі болмайды, өйткені ең үлкен байланыстыратын тізбектің ұзындығы бірнеше миллиметрден аспайды. Соңғы жылдары компоненттерінің саны бірнеше миллион болатын өте үлкен интегралдық сұлбаларда (ӨҮИС) пайда болды.

Компоненттер арасында байланыстарды жасау өте қарапайым. Кристалдың таңдалған аймағында қоспалардың қажетті мөлшерін енгізу жеткілікті болады. Алайда, интегралдық сұлбаларды жобалауда маңызды шартты сақтау қажет: байланыстар бір бірімен қиылыспауы қажет. Байланысаралық сұлба жазық (планарлы) болуы тиіс дейді. Интеграция дәрежесі үлкен болған сайын, өткізгіштердің бір де бір жұптары қиылыспайтын етіп монтаждау сұлбасын құру соғұрлым қиын болып табылады.

Үлкен интегралдық сұлбаларды (ҮИС) жобалау өте қиын жұмыс. Үлкен ЭЕМ жинау кезінде өте көп нұсқалар көрінеді. Ол барлық тіпті осындай жағдайларда үлкен интегралдық сұлбаларды (ҮИС) жобалау, егер ол мүмкін болса, үлкен ұжымның жұмысының бірнеше айын қажет етеді. Байланыстардың бір бірімен қиылыспауына қойылатын талаптардың қажеттігі, бастапқы принципиалдық электрлік сұлбаға өзгерту енгізуді қажет етеді. Бұл жаңа есептер құру, ал кейде бастапқы жобаға өзгерту енгізу қажеттігіне әкеп соғады.

Маска жасаумен байланысты проблемалар бар. Бірнеше жүз мың кішкентай тесігі бар мөлшері бес-алты миллиметр болатын өте жұқа металл фольга жапырағын жасау шешімі, күрделі жабдықтар мен жоғары өндірістік стандарттарды талап етеді. Оны жасау кезінде кристалдың бетіне түскен шаң, кристалды жұмысқа жарамсыз етеді. Сондықтан, үлкен интегралдық сұлбаларды (ҮИС) өндіру зауыттарының цехтарындағы ауа, мысалы аурухананың операциялық залдарындағыдан әлдеқайда таза болып табылады.

Қорытынды қандай?

Үлкен интегралдық сұлбалардың (ҮИС) бір түріне арналған жобалау және өндірістік жабдықтау өте қымбат. Осы процестердің шығындары ондаған миллионға жетеді, сондай-ақ осы шығындар айтарлықтай жақын арада төмендейді деп ұйғаруға негіз жоқ емес. Біз оны өндіру үшін сұлбалар жобалау мен жабдықтау шығындарын туралы айтып отырмыз. Үлкен интегралдық сұлбаларды (ҮИС) өндіру, жоғары дәрежелі автоматтандыру және технологиялық процестің бірізділігіне байланысты, сондай-ақ шығыс материалдарының саны аз болғандықтан, өте арзан. Жаппай өндіру кезінде бір ғана үлкен интегралдық сұлбаны (ҮИС) жасау бірнеше центті құрайды. Кереғар жағдай бар. Үлкен интегралдық сұлбаларды (ҮИС) жобалау және технологиялық жарақтарды өндіру үшін он миллион доллар қажет делік. Егер сериясы он данада жасалатын болса, онда әрбір көшірмесін өзіндік құны бір миллион доллар. қол жетімді болса. Ал егер сіз миллион көшірмелер сериясын шығарсаңыз? Бұл жағдайда әрбір ҮИС құны - он доллар (екі жағдайда да өндірістік шығындарды елемеуге болады). Сонымен, бір ҮИС құны, жасап шығарылатын берілген типті ҮИС жалпы санына кері пропорционал болады. Миллион дана және одан да көп. Сондықтан, бір типті өте ірі сериялы ҮИС релизі экономикалық тиімді болып табылады.

ИС даму тарихынан.

Жартылай өткізгіштің монолитті кристалында көп түрлі стандартты электрондық компоненттерін біріктіру идеясын бірінші британдық радио инженері Джеффри Даммер 1952 жылы ұсынған. Бір жыл өткен соң, Харвик Джонсон интегралдық сұлбаға (ИС) арналған прототипке тарихта алғашқы патент тапсырысын ұсынды. Сол жылдарда технологияның дамуының болмауынан осы ұсыныстарды іске асыру орын алуы мүмкін емес еді.

Интегралдық сұлба (ИС) өнертапқышы кім екені туралы ешқандай консенсус жоқ. 1960 жылы америкалық баспасөзбен төрт адам интегралдық сұлба (ИС) өнертапқыштары деп танылған: Килби, Леговц, Нойс және Эрни. 1970 жылы өнертапқыштар тізімі екі атқа қысқартылды: Килби және Нойс, ал танымал әдебиет бір атқа қысқартты: Килби. 2000 жылы «интегралдық сұлба бойынша өнертабысқа қосқан жеке үлесі үшін» физика бойынша Килбиге Нобель сыйлығы берілді.

ХХІ ғасырда сала тарихшылары Лесли Берлин, Бо Лоек, Арджун Саксена интегралдық сұлба (ИС) өнертапқыштары ауқымы айтарлықтай кең болды және Килбидің интегралдық сұлба бойынша өнертабысқа қосқан жеке үлес қосқанын қайта қарауға оралды.

Интегралдық сұлба (ИС) құру жолында үш іргелі проблемалар болды. Ең анық, 1958 жылы «функционалдық электроника» жақтаушысы Торкл Уолмарк оларды тұжырымдаған:

1) Интеграция. 1958 жылы, бір өткізгіш кристалында өте көп түрлі электрондық компоненттерін қалыптастыру әдісі жоқ болды. Интегралдық сұлба (ИС) үшін қоспа технологиясы келмеді, жаңа соңғы меза-технологияда сенімділігі бойынша қалпына келтірілмейтін проблемалар болды.

2) Оқшаулау. Интегралдық сұлба (ИС) компоненттерін бір-бірінен электрлік оқшаулаудың тиімді жолы жоқ болды (кристалды жеке құрылғыларына физикалық кесуді есептемегенде).

3) Байланыстар. Интегралдық сұлба (ИС) компоненттері арасында электр байланысын құруға ешқандай тиімді жолы болмады (алтын сыммен бетін монтаждау өте қымбат және көп уақыт алатынын қоспағанда).

Жаппай өндіру үшін қолайлы жолмен осы үш проблеманы шешу, сондайақ өндірістің іске қосылуы және интегралдық сұлба (ИС) құру өнертабысы болды. Барлық үш шешім комбинациясы - интеграция, оқшаулау және байланыстар - жартылай өткізгіш интегралдық сұлба (жазық немесе планарлы және монолитті) ретінде белгілі болған:

Жартылай өткізгіш интегралдық сұлба (ИС) - барлық пассивті және белсенді элементтері (транзисторлар, диодтар, резисторлар, т.б.) ортақ бір кристалды жартылай өткізгіш субстрат қалыптасады. Элементтердің өзара байланысы жартылай өткізгіш бетіне қорғау оқшаулаушы қабаты бар металдандыру қабаты арқылы жасалады. Тұрақты ток бойынша жартылай өткізгіш материалы арқылы өзара байланысты жою үшін сұлбаның барлық элементтері бір-бірінен оқшауланады.

Интеграция, оқшаулау, байланыс компоненттері мен жазық процесі құпияларды ғана иелену, жартылай өткізгіш интегралдық сұлбаның (ИС) толыққанды прототипін құрды. Тарих үш шешімдерді әрбір үш компаниялардың қолында қалдырды, олардың өнертабыстарға оның авторы мен патенттері үш корпорацияда болды. Солардың бірі (Sprague Electric Company) интегралдық сұлба тақырыбын дамытуға шешім жасамады, басқасы (Texas Instruments) толық емес белгілі технологиялар жиынтығын таңдады, тек Fairchild Semiconductor барлық қажетті үйлестіре отырып, монолитті интегралдық сұлбаның (ИС) сериялық өндірісіне жақын келді.

Операция барысында Fairchild компаниясынан Нойс интегралдық сұлба әзірледі. Бірнеше ай бұрын, осы тұжырымдаманы Texas Instruments компаниясынан, Джек Килби Далласта ойлап тапты. 1959 жылдың шілдеде Нойс өзінің интегралдық сұлбалар концепциясы үшін патенттік өтінім берді. Texas Instruments оның патентін бұзғаны үшін Нойсты және Fairchildті сотқа берді, ол іс бірнеше жыл бойы созылды. Қазір интегралдық сұлба өнертабысқа авторлары болып Нойс және Kилби саналады. Дегенмен Өнертапқыштар Даңқ Залында бір ғана Килби алды. Қалай болған күнде де, Нойс еңбегі - тәжірибеде оны пайдалануға мүмкіндік беретін, интегралдық микросұлбаларды жетілдіру болып саналады.
Бақылау сұрақтары:

1. 
   Күшейтілетін сигналдардың диапазонына байланысты күшейткіштерді қалай жіктейміз?
   
2. 
   Жүктеме сипаттамасы бойынша күшейткіштер қалай жіктелінеді?
   
3. 
   Базалық элемент К531 сериялы ТТЛ ИС дұрыс логика үшін қандай функция атқарады?
   
4. 
   Ең көп тараған ТТЛ ИС сериясын көрсетіңіз?
   
5. 
   К155 сериялы ТТЛ ИС қандай бөлшектерден тұрады?
   
6. 
   ЖƏНЕ-ЕМЕС жəне НЕМЕСЕ-ЕМЕС nМДП ЛЭ–де транзисторлар қалай қосылған (теріс логика болған жағдайда)?
   
7. 
   КМОП логикалық элементі мен nМОП логикалық элементтерінің ерекшеліктерін салыстырыңыз?
   
8. 
   Қандай аса үлкен интегралды сұлбалар əмбебапқа жатады жəне оларға неге сипатталады?
   

№ _10__ тақырып