Типы интегральных схем

Типы интегральных схем

Дополнительный материал по теме : “ Полупроводники ”

Учитель физики Кюкяйской СОШ Сунтарского улуса

Республики Саха Федоров А . М .

p-n переход

Полупроводники , из которых изготовляют транзисторы и диоды ,

разделяются на полупроводники с электронной - n( negative -

отрицательный) и дырочной – p (positive – положительный) проводимостью . Принцип действия полупроводниковых диодов основан на свойствах p-n перехода , когда в контакте находятся два полупроводника p и n типа . В месте контакта происходит диффузия положительных зарядов (дырок) из области p в область n, а электронов обратно , из n в p. Однако без внешнего воздействия процесс стабилизируется , потому что образуется так называемый запирающий слой .

n

p

__ __ __ __ __ __ __ __

_ _ _ _ _ _

+ + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + +

При подключении к области p “ плюса “ источника электрического тока , а к n “ минуса ”, запирающий слой разрушится , такой диод будет проводить ток . Если осуществить подключение источника питания наоборот , т . е . к p – “ минус ”, а к n – “ плюс ”, то ток будет фактически равен нулю . Это основное

свойство полупроводниковых диодов позволяет применять их в качестве выпрямителей тока . Большинство полупроводников делается из кремния и германия с различными добавками , из оксидов некоторых металлов . В зависимости от добавок они имеют n- или p- тип .

прямое вкл

обратное вкл

Транзистор

Транзистор представляет собой трехслойную структуру из таких же полупроводниковых материалов , однако в основе его работы лежит не один , а два p-n перехода . Внешние слои называют эмиттером и коллектором , а средний (обычно очень тонкий , порядка нескольких микрон) слой – базой .

Тип n – p – n

Тип p – n – p

n

p

n

p

n

p

Основной недостаток биполярного транзистора – большое потребление энергии и выделение тепла .

В качестве альтернативы был разработан полевой транзистор . Он представляет собой однополярный полупроводниковый прибор , выводы которого называются и ст ок , сток , затво р . При подаче напряжения на затвор и сток( или соответственно исток) носители заряда , электроны в областях с проводимостью n- типа (или дырки в областях с проводимостью p- типа) , проходят через возникающий под затвором тонкий проводящий канал .

МОП - транзисторы

Полевые транзисторы с изолированным затвором – МДМ(металл –

диэлектрик – полупроводник) . МОП- транзисторы более экономичны .

Транзистор , изобретенный в 1948 г ., лежит в основе всех современных микросхем и микропроцессоров . Его авторы- Уильям Шокли , Уолтер Браттейн , Джон Бардин получили Нобелевскую премию по физике в 1956 г .

Применение транзисторов в вычислительной технике

Состояние транзистора , когда через коллектор течет большой ток , можно условно принять за 1 , а малый – за 0 .

Вначале транзисторы изготовлялись как отдельные элементы и представляли собой цилиндры диаметром в десяток миллиметров с несколькими проволочными выводами .

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

• Полупроводниковая микросхема  — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния , германия , арсенида галлия ).
• Плёночная микросхема  — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

• толстоплёночная интегральная схема; тонкоплёночная интегральная схема.
• толстоплёночная интегральная схема;
• тонкоплёночная интегральная схема.

• Гибридная микросхема  — кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

Классификация микросхем

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):

• Малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле.
• Средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле.
• Большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле.
• Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 1 миллиона элементов в кристалле.
• Ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле.
• Гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле.

В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера ( однокристальный микрокомпьютер ).

Корпуса микросхем

Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескорпусном.

Бескорпусная микросхема — это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку.

Корпус — это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями.

В российских корпусах расстояние между выводами измеряется в миллиметрах и наиболее часто это 2,5 мм или 1,25 мм. У импортных микросхем расстояние измеряют в дюймах, используя величину 1/10 или 1/20 дюйма, что соответствует 2,54 и 1,28 мм. В корпусах до 16 выводов эта разница не значительна, а при больших размерах идентичные корпуса уже несовместимы.

В современных импортных корпусах для поверхностного монтажа применяют и метрические размеры: 0,8 мм; 0,65 мм и другие.

В основу работы цифровых микросхем положена двоичная система счисления. В этой системе используются две цифры: 0 и 1. Цифра 0 соответствует отсутствию напряжения на выходе логического устройства, 1 - наличию напряжения. С помощью нулей и единиц двоичной системы можно записать (закодировать) любое десятичное число. Так, для записи одноразрядного десятичного числа требуются четыре двоичных разряда. Сказанное поясняется табл. 1.

В первом столбце таблицы (ее называют таблицей истинности) записаны десятичные числа от 0 до 9, а в последующих четырех столбцах - разряды двоичного числа. Видно, что число в последующей строке получается в результате прибавления 1 к первому разряду двоичного числа. С помощью четырех разрядов можно записать числа от 0000 до 1111, что соответствует диапазону чисел от 0 до 15 в десятичной системе. Таким образом, если двоичное число содержит N разрядов, то с его помощью можно записать максимальное десятичное число, равное 2^(N-1). По таблице также несложно заметить, как можно перевести число из двоичной системы в десятичную. Для этого достаточно сложить степени числа 2, соответствующие тем разрядам, в которых записаны логические 1. Так, двоичное число 1001 соответствует десятичному числу 9 (2^3 + 2^0).

Двоичную систему счисления используют в большинстве современных цифровых вычислительных машин.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!