Интегральная схема

Интегра́льнаясхе́ма(ИС); интегра́льная микросхе́ма (ИМС),микросхе́ма—микроэлектронноеустройство—электронная схемапроизвольной сложности (кристалл), изготовленная наполупроводниковойподложке(пластинеили плёнке) ипомещённаявнеразборный корпус или без таковогов случае вхождения в составмикросборки. Микросхемы также часто называют словомчип(англ.chip: «тонкая пластинка»: первоначально термин относился к пластинкекристалла микросхемы).
Бо́льшая часть микросхем изготавливается в корпусах дляповерхностного монтажа.
Часто подинтегральной схемой(ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а подмикросхемой(МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чип-компоненты» означает «компоненты дляповерхностного монтажа» (в отличие от компонентов дляпайки в отверстия на плате).
7 мая 1952 года британский радиотехникДжеффри Даммер(англ.Geoffrey Dummer) впервые выдвинул идею объединения множества стандартныхэлектронных компонентовв монолитномкристаллеполупроводника. 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 КилбиизTexas Instrumentsзапатентовал принцип объединения, создал первые несовершенные прототипы ИС и довёл их до серийного производства.Курт ЛеговецизSprague Electric Companyизобрёл способэлектрической изоляциикомпонентов, сформированных на одномкристалле полупроводника(изоляцию p-n-переходом(англ.P–n junction isolation)).Роберт НойсизFairchild Semiconductorизобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизациюалюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшейпланарной технологииЖана Эрни(англ.Jean Hoerni). 27 сентября 1960 года группаДжея Ласта(англ.Jay Last) создала наFairchild Semiconductorпервую работоспособнуюполупроводниковуюИС по идеям Нойса и Эрни.Texas Instruments, владевшая патентом на изобретение Килби, развязала против конкурентов патентную войну, завершившуюся в 1966 годумировым соглашениемоперекрёстном лицензированиитехнологий.
Ранние логические ИС упомянутых серий строились буквально изстандартныхкомпонентов, 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 разработчикSylvaniaТом Лонго, впервые использовав в одной ИС различныеконфигурации транзисторов в зависимости от их функций в схеме. В конце 1962 г.Sylvaniaвыпустила в продажу первое семейство разработанной Лонготранзисторно-транзисторной логики(ТТЛ) — исторически первый тип интегральной логики, сумевший надолго закрепиться на рынке. Ваналоговой схемотехникепрорыв подобного уровня совершил в 1964—1965 годах разработчикоперационных усилителейFairchildБоб Видлар.
Первая вСССРмикросхема была создана в 1961 году вТРТИ(Таганрогском радиотехническом институте) под руководствомЛ. 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 (нынеНИИ «Аргон»).
Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была создана на основепланарной технологии, разработанной в начале 1960 года вНИИ-35(затем переименован вНИИ «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 сложноститриггера, аналога американских ИС серииSN-51 фирмыTexas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились в НИИ-35 (директор Трутко) иФрязинским полупроводниковым заводом(директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведениябаллистической 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 воФрязине(1967 год).
Параллельно работа по разработке интегральной схемы проводилась в центральном конструкторском бюро при Воронежском заводе полупроводниковых приборов (ныне —ОАО «НИИЭТ»). В 1965 году во время визита на ВЗПП министра электронной промышленностиА. И. Шокиназаводу 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.
В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:
Ранее использовались также теперь уже устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — от 1—10 млн до 1 млрд элементов в кристаллеи, иногда, гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 млрд элементов в кристалле. В настоящее время, с 2010-х, названия «УБИС» и «ГБИС» практически не используются, и все микросхемы с числом элементов более 10 тыс. относят к классу СБИС.
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 типаТТЛпри напряжении питания +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон от 2,4 до 5 В — логической единице; для микросхем ЭСЛ-логики при напряжении питания −5,2 В диапазон от −0,8 до −1,03 В — логической единице, а от −1,6 до −1,75 В — логическому нулю.
Аналого-цифровые микросхемысовмещают в себе формыцифровойианалоговой обработки сигналов, например,усилительсигнала ианалого-цифровой преобразователь.
Интегральная микросхема может обладать законченной, сколь угодно сложной, функциональностью — вплоть до целогомикрокомпьютера(однокристальный микрокомпьютер).
Ана́логовая интегра́льная(микро)схе́ма(АИС,АИМС) — интегральная схема, входные и выходные сигналы которой изменяются по закону непрерывной функции (то есть являютсяаналоговыми сигналами).
Лабораторный образец аналоговой ИС был создан фирмойTexas Instrumentsв США в1958 году. Это был генераторсдвига фаз. В1962 годупоявилась первая серия аналоговых микросхем — SN52. В ней имелись маломощныйусилитель низкой частоты,операционный усилительи видеоусилитель.
В СССР большой ассортимент аналоговых интегральных микросхем был получен к концу 1970-х годов. Их применение позволило увеличить надёжность устройств, упростить наладку оборудования, часто даже исключить необходимость технического обслуживания в процессе эксплуатации.
Ниже представлен неполный список устройств, функции которых могут выполнять аналоговые ИМС. Зачастую одна микросхема заменяет сразу несколько таковых (например, К174ХА42 вмещает в себя все узлысупергетеродинногоЧМрадиоприёмника).
Аналоговые микросхемы применяются в аппаратуре звукоусиления и звуковоспроизведения, ввидеомагнитофонах,телевизорах, технике связи, измерительных приборах,аналоговых вычислительных машинах,вторичных источниках электропитанияи т. д.
Цифровая интегральная микросхема(цифровая микросхема) — интегральная микросхема, предназначенная для преобразования и обработкисигналов, изменяющихся по законудискретнойфункции.
В основе цифровых интегральных микросхем лежаттранзисторные ключи, способные находиться в двух устойчивых состояниях: открытом и закрытом (бинарная система). Использование транзисторных ключей даёт возможность создавать различные логические, триггерные и другие интегральные микросхемы. 
Цифровые интегральные микросхемы применяют в устройствах обработки дискретной информации электронно-вычислительных машин (ЭВМ), системах автоматики и т. п.
Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:
Аналого-цифровая интегральная схема(аналого-цифровая микросхема) — интегральная схема, предназначенная для преобразованиясигналов, изменяющихся по закону дискретной функции, всигналы, изменяющиеся по закону непрерывной функции, и наоборот.
Зачастую одна микросхема выполняет функции сразу нескольких устройств (например, АЦП последовательного приближения содержат в себе ЦАП, поэтому могут выполнять двусторонние преобразования). Список устройств (неполный), функции которых могут выполнять аналого-цифровые ИМС:
Основным элементом аналоговых микросхем являютсятранзисторы(биполярныеилиполевые). 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.
Уровни проектирования:
а также
В настоящее время (2022 г.) большая часть интегральных схем проектируется при помощи специализированныхСАПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускоритьпроизводственные процессы, например, получение топологических фотошаблонов.
В настоящее время аналоговые микросхемы производятся многими фирмами:Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments и др.
Переход к субмикронным размерам интегральных элементов усложняет проектирование АИМС. Например,МОП-транзисторы с малой длинойзатвораимеют ряд особенностей, ограничивающих их применение в аналоговых блоках: 
высокий уровень низкочастотногофликкер-шума; 
сильный разброс порогового напряжения и крутизны, приводящий к появлению большого напряжения смещениядифференциальныхиоперационныхусилителей; 
малая величина выходного малосигнальногосопротивленияиусилениякаскадов сактивной нагрузкой; 
невысокоепробивноенапряжениеp-n-переходови промежуткасток-исток, вызывающее снижение напряжения питания и уменьшение динамического диапазона.
Технологии по типу логики:
Используя один и тот же тип транзисторов, микросхемы могут создаваться по разным методологиям, например, статической илидинамической.
КМОП- и ТТЛ-(ТТЛШ-)технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономии потребляемой мощности — применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость длястатического электричества— 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 СССРсамые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.
Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одномполупроводниковомкристалле (подложке).
Подложка— обычномонокристаллическаяполупроводниковая пластина, предназначенная для создания на нейплёнок,гетероструктури выращиваниямонокристаллическихслоёв с помощью процессаэпитаксии(гетероэпитаксии,гомоэпитаксии,эндотаксии),кристаллизациии т. д.Кремний,германий,арсенид галлия,ситаллы,сапфир— одни из матриалов для подложек микросхем.
При изготовлении микросхем используется методфотолитографии(проекционной, контактной и др.), при этом схему формируют на подложке (обычно изкремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины. Ввиду малости линейных размеров элементов микросхем от использованиявидимого светаи даже ближнегоультрафиолетового излученияпри засветке отказались.
В качестве характеристикитехнологического процессапроизводства 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, однако, находится во взаимозависимости с рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами фотолитографии, методами вытравливания инапыления.
В1970-х годахминимальный контролируемый размер серийно производимых микросхем составлял 2-8мкм, в1980-хон был уменьшен до 0,5-2 мкм.
В1990-х годахиз-за нового витка «войны платформ» стали внедряться в производство и быстро совершенствоваться экспериментальные методы: в начале 1990-х процессоры (например, ранниеPentiumиPentium Pro) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм (500—600 нм), потом технология дошла до 250—350 нм. Следующие процессоры (PentiumII,K6-2+,Athlon) уже делали по технологии 180 нм. В 2002—2004 годах были освоены техпроцессы 90 нм (Winchester AMD 64, Prescott Pentium 4).
Следующие процессоры изготавливали с использованием УФ-излучения (эксимерный лазерArF, длина волны 193 нм). В среднем внедрение лидерами индустрии новыхтехпроцессовпоплану ITRSпроисходило каждые 2 года, при этом обеспечивалось удвоение количества транзисторов на единицу площади: 45 нм (2007), 32 нм (2009), 22 нм (2011), 14-нм (2014), 10-нм (2018), 5-нм (2020), 3-нм (2022).
В 2015 году появились оценки, что внедрение новых техпроцессов будет замедляться.
Дляконтроля качестваинтегральных микросхем широко применяют так называемыетестовые структуры.
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.
Корпус микросхемы— это конструкция, предназначенная для защиты кристалла микросхемы от внешних воздействий, а также для удобства монтажа микросхемы в электронную схему. Содержит собственно корпус из диэлектрического материала (пластмасса, реже керамика), набор проводников дляэлектрическогосоединения кристалла с внешними цепямипосредствомвыводов, маркировку.
Существует множество вариантов корпусов микросхем, различающихся по количеству выводов микросхемы, методу монтажа, условиям эксплуатации. Для упрощения технологии монтажа производители микросхем стараются унифицировать корпуса, разрабатывая международные стандарты.
Иногда микросхемы выпускают в бескорпусном исполнении — то есть кристалл без защиты. Бескорпусные микросхемы обычно предназначены для монтажа в гибридную микросборку. Для массовых дешевых изделий возможеннепосредственный монтажнапечатную плату.
ФирмаIntelпервой изготовила микросхему, которая выполняла функциимикропроцессора(англ.microproccessor) —Intel4004. На базе усовершенствованных микропроцессоров8088и8086фирмаIBMвыпустила свои известныеперсональные компьютеры.
Микропроцессорформирует ядро вычислительной машины, дополнительные функции, типа связи сперифериейвыполнялись с помощью специально разработанных наборов микросхем (чипсет). Для первыхЭВМчисло микросхем в наборах исчислялось десятками и сотнями, в современных системах это набор из одной-двух-трёх микросхем. В последнее время наблюдаются тенденции постепенного переноса функций чипсета (контроллер памяти, контроллер шиныPCI Express) в процессор.
Микропроцессоры со встроеннымиОЗУиПЗУ, контроллерами памяти и ввода-вывода, а также другими дополнительными функциями называютмикроконтроллерами.
В 2017 году мировой рынок интегральных схем оценивался в 700 млрд долл.
Основные производители и экспортёры находятся в Азии: Сингапур (115 млрд долл.), Южная Корея (104 млрд долл.), Китай (80,1 млрд долл.) и Малайзия (55,7 млрд долл.). Крупнейший европейский экспортер — Германия (1,4 млрд долл.), американский — США (28,9 млрд долл.). Крупнейшие импортёры: Китай (207 млрд долл.), Гонконг (168 млрд долл.), Сингапур (57,8 млрд долл.), Южная Корея (38,6 млрд долл.) и Малайзия (37,3 млрд долл.).
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. 1448ГК РФ).
Автору топологии интегральной микросхемы принадлежат следующие интеллектуальные права:
Автору топологии интегральной микросхемы принадлежат также другие права, в том числе право на вознаграждение за использование служебной топологии.
Исключительное право на топологию действует в течение десяти лет. Правообладатель в течение этого срока может по своему желанию зарегистрировать топологию вФедеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.