الدائرة المتكاملة (الشريحة)- جهاز إلكتروني مصغر يتكون من عدد كبير من العناصر الإلكترونية الراديوية المترابطة هيكلياً وكهربائياً. عادةً ما يتم تصميم الدائرة المتكاملة لأداء وظيفة محددة. في الأساس، تجمع الدائرة الدقيقة بين نوع ما من الدوائر الإلكترونية، حيث يتم تصنيع جميع العناصر (الترانزستورات والثنائيات والمقاومات والمكثفات) والوصلات الكهربائية بينها بشكل هيكلي على شريحة واحدة. وبما أن أحجام المكونات الفردية صغيرة جدًا (ميكرو ونانومتر)، ومع تطور التكنولوجيا الحديثة، يمكن وضع أكثر من مليون مكون إلكتروني على شريحة واحدة.

لمفهوم الدائرة المتكاملة عدة مرادفات: الدائرة الدقيقة، والرقاقة الدقيقة، والرقاقة. على الرغم من بعض الخصائص في تعريف هذه المصطلحات والاختلاف بينها، إلا أنها تستخدم جميعها في الحياة اليومية للإشارة إلى الدائرة المتكاملة. في الأجهزة الإلكترونية الحديثة بمختلف مجالات تطبيقها، بدءاً من الأجهزة المنزلية إلى الأجهزة الكهربائية الطبية والعلمية المعقدة، من الصعب العثور على جهاز لا يستخدم الدوائر المتكاملة. في بعض الأحيان تؤدي شريحة واحدة جميع الوظائف تقريبًا في جهاز إلكتروني.

يتم تقسيم الدوائر المتكاملة إلى مجموعات وفقا لعدة معايير. حسب درجة التكامل - عدد العناصر الموضوعة على الشريحة. حسب نوع الإشارة التي تتم معالجتها: رقمية وتناظرية وتناظرية إلى رقمية. وفقًا لتكنولوجيا إنتاجها والمواد المستخدمة - أشباه الموصلات والأفلام وما إلى ذلك.

اليوم، مستوى التطور التكنولوجي في إنتاج الدوائر المتكاملة على مستوى عال جدا. إن زيادة درجة التكامل وتحسين معلمات الدوائر المتكاملة لا تعوقه القيود التكنولوجية، ولكن العمليات التي تحدث على المستوى الجزيئي في المواد المستخدمة في الإنتاج (عادة أشباه الموصلات). لذلك، يتم إجراء الأبحاث من قبل مصنعي ومطوري الرقائق الدقيقة في اتجاه البحث عن مواد جديدة يمكن أن تحل محلها

فارادي ج.ك. 404 فصيلة.

دوائر متكاملة.

يخطط:

1) مقدمة (المفهوم، الجهاز).

2) أنواع الملكية الفكرية.

3) إيجابيات وسلبيات الملكية الفكرية.

4) إنتاج.

5) طلب.

مقدمة.

(من اللات. اندماج- "اتصال").

الدائرة المتكاملة عبارة عن دائرة إلكترونية دقيقة تتكون من رقاقة صغيرة (بلورة أو "رقاقة") من مادة شبه موصلة، عادةً ما تكون السيليكون، تُستخدم للتحكم في التيار الكهربائي وتضخيمه. تتكون الدائرة المتكاملة النموذجية من العديد من المكونات الإلكترونية الدقيقة المترابطة، مثل الترانزستورات والمقاومات والمكثفات والثنائيات، المصنعة في الطبقة السطحية للرقاقة. تتراوح أبعاد بلورات السيليكون من 1.3 × 1.3 ملم تقريبًا إلى 13 × 13 ملم. أدى التقدم في الدوائر المتكاملة إلى تطوير تقنيات الدوائر المتكاملة واسعة النطاق وواسعة النطاق (LSI وVLSI).

تصنيف.

اعتمادًا على درجة التكامل (عدد عناصر الدوائر الرقمية)، يتم استخدام أسماء الدوائر المتكاملة التالية:

دائرة متكاملة صغيرة (MIS) - ما يصل إلى 100 عنصر لكل شريحة،

دائرة متكاملة متوسطة (SIS) - ما يصل إلى 1000 عنصر لكل شريحة،

دائرة متكاملة كبيرة (LSI) - ما يصل إلى 10 آلاف عنصر لكل شريحة،

دائرة متكاملة واسعة النطاق (VLSI) - أكثر من 10 آلاف عنصر في البلورة.

في السابق، تم استخدام الأسماء القديمة أيضًا: الدائرة المتكاملة واسعة النطاق (ULIS) - من 1-10 مليون إلى 1 مليار عنصر في الدائرة المتكاملة البلورية، وأحيانًا جيجا واسعة النطاق (GBIC) - أكثر من 1 مليار عنصر في البلورة. حاليًا، في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، لم يتم استخدام الأسماء "UBIS" و"GBIS" عمليًا، وتم تصنيف جميع الدوائر الدقيقة التي تحتوي على أكثر من 10 آلاف عنصر على أنها VLSI.

إيجابيات وسلبيات الملكية الفكرية.

تتمتع الدوائر المتكاملة بعدد من المزايا مقارنة بأسلافها، الدوائر التناظرية، التي تم تجميعها من مكونات فردية مثبتة على هيكل. الدوائر المتكاملة أصغر حجمًا وأسرع وأكثر موثوقية؛ كما أنها أرخص وأقل عرضة للفشل الناجم عن الاهتزاز والرطوبة والشيخوخة. أصبح تصغير الدوائر الإلكترونية ممكنًا بفضل الخصائص الخاصة لأشباه الموصلات. تعتبر مزاياها الرئيسية:

انخفاض استهلاك الطاقة المرتبطة باستخدام الإشارات الكهربائية النبضية في الإلكترونيات الرقمية. عند استقبال وتحويل مثل هذه الإشارات، تعمل العناصر النشطة للأجهزة الإلكترونية (الترانزستورات) في وضع "المفتاح"، أي أن الترانزستور إما "مفتوح" - وهو ما يتوافق مع إشارة عالية المستوى (1)، أو "مغلق" " - (0) ، في الحالة الأولى لا يوجد انخفاض في الجهد في الترانزستور ، في الحالة الثانية لا يوجد انخفاض في الجهد من خلاله حاضِر. في كلتا الحالتين، يكون استهلاك الطاقة قريبًا من 0، على عكس الأجهزة التناظرية، حيث تكون الترانزستورات في معظم الأوقات في حالة متوسطة (نشطة).

مناعة عالية للضوضاءترتبط الأجهزة الرقمية بفارق كبير بين إشارات المستوى العالي (على سبيل المثال، 2.5-5 فولت) والمنخفضة (0-0.5 فولت). من الممكن حدوث خطأ في الحالة عند هذا المستوى من التداخل بحيث يتم تفسير المستوى العالي على أنه مستوى منخفض، والعكس صحيح، وهو أمر غير مرجح. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للأجهزة الرقمية استخدام رموز خاصة لتصحيح الأخطاء.

اختلاف كبير في مستويات حالة الإشارةالمستويات العالية والمنخفضة (المنطقية "0" و "1") ومجموعة واسعة إلى حد ما من التغييرات المسموح بها تجعل التكنولوجيا الرقمية غير حساسة للتشتت الحتمي لمعلمات العناصر في التكنولوجيا المتكاملة، مما يلغي الحاجة إلى تحديد المكونات وتكوين عناصر الضبط في التكنولوجيا الرقمية الأجهزة.

مصداقية.موثوقية الدائرة المتكاملة هي تقريبًا نفس موثوقية ترانزستور السيليكون الفردي، المكافئ في الشكل والحجم. من الناحية النظرية، يمكن للترانزستورات أن تستمر لآلاف السنين دون فشل - وهو عامل حاسم لتطبيقات مثل الصواريخ وتكنولوجيا الفضاء، حيث يمكن أن يعني فشل واحد فشلًا كاملاً للمشروع.

إنتاج.

يمكن أن يستغرق تصنيع دائرة متكاملة ما يصل إلى شهرين لأن مناطق معينة من أشباه الموصلات يجب أن تكون مخدرة بدقة. في عملية تسمى زراعة البلورات، أو سحب البلورات، يتم لأول مرة إنتاج لوح أسطواني من السيليكون عالي النقاء. من هذه الاسطوانة يتم قطع الألواح بسمك 0.5 مم على سبيل المثال. يتم تقطيع الرقاقة في النهاية إلى مئات القطع الصغيرة التي تسمى الرقائق، ويتم تحويل كل منها إلى دائرة متكاملة من خلال العملية الموضحة أدناه. تبدأ عملية معالجة الرقاقة بإنتاج أقنعة لكل طبقة من طبقات الدائرة المتكاملة. يتم عمل استنسل واسع النطاق على شكل مربع بمساحة تقريبية. 0.1 م2. تحتوي مجموعة من هذه الأقنعة على جميع مكونات الدائرة المتكاملة: مستويات الانتشار، ومستويات التوصيل البيني، وما إلى ذلك. يتم تقليل حجم الهيكل الناتج بالكامل فوتوغرافيًا. طبقة بلورية ومستنسخة بطبقة على لوح زجاجي. يتم زراعة طبقة رقيقة من ثاني أكسيد السيليكون على سطح رقاقة السيليكون. كل لوحة مغلفة بمادة حساسة للضوء (مقاومة للضوء) ومعرضة للضوء الذي ينتقل عبر الأقنعة. تتم إزالة المناطق غير المكشوفة من الطلاء الحساس باستخدام مذيب، وبمساعدة كاشف كيميائي آخر يذيب ثاني أكسيد السيليكون، يتم حفر الأخير من تلك المناطق التي لم يعد فيها محميًا بالطلاء الحساس. تُستخدم الأشكال المختلفة لتقنية العملية الأساسية هذه في تصنيع نوعين رئيسيين من هياكل الترانزستور: ثنائي القطب والتأثير الميداني (MOS).

طلب. محلي/عالمي.

محلي.

مباشرة في تصميم الدوائر، يمكن للدائرة المتكاملة أن تتولى عددًا كبيرًا من المهام. من بينها قد يكون:

العناصر المنطقية، المشغلات، العدادات، السجلات، محولات المخزن المؤقت، التشفير، أجهزة فك التشفير، المقارنة الرقمية، معددات الإرسال، مزيلات تعدد الإرسال، الإضافات، نصف الأعداد، المفاتيح، وحدات التحكم الدقيقة، المعالجات (الدقيقة) (بما في ذلك وحدات المعالجة المركزية لأجهزة الكمبيوتر)، الحواسيب الصغيرة ذات الشريحة الواحدة، الدوائر الدقيقة و وحدات الذاكرة، FPGAs (الدوائر المتكاملة المنطقية القابلة للبرمجة).

عالمي.

المعالجات الدقيقة والحواسيب الصغيرة. تم تقديم المعالجات الدقيقة لأول مرة علنًا في عام 1971، وكانت تؤدي معظم الوظائف الأساسية للكمبيوتر على دائرة متكاملة من السيليكون واحدة، يتم تنفيذها على شريحة مقاس 5 × 5 مم. بفضل الدوائر المتكاملةأصبح من الممكن إنشاء أجهزة كمبيوتر صغيرة - أجهزة كمبيوتر صغيرة، حيث يتم تنفيذ جميع الوظائف على واحدة أو أكثر من الدوائر المتكاملة الكبيرة. وقد أدى هذا التصغير المثير للإعجاب إلى انخفاض كبير في تكلفة الحوسبة. إن أجهزة الكمبيوتر الصغيرة المنتجة حاليًا، والتي يقل سعرها عن 1000 دولار، تعادل قوة أجهزة الكمبيوتر الكبيرة جدًا الأولى، والتي بلغت تكلفتها ما يصل إلى 20 مليون دولار في أوائل الستينيات. وتستخدم المعالجات الدقيقة في معدات الاتصالات، وآلات حاسبة الجيب، وساعات اليد، ومحددات القنوات التلفزيونية والألعاب الإلكترونية ومعدات المطبخ والبنوك الآلية والتحكم الآلي في الوقود ومعالجة غازات العادم في سيارات الركاب، بالإضافة إلى العديد من الأجهزة الأخرى. تعتمد معظم صناعة الإلكترونيات العالمية، التي يتجاوز حجم مبيعاتها 795 مليار روبل، بطريقة أو بأخرى على الدوائر المتكاملة. في جميع أنحاء العالم، يتم استخدام الدوائر المتكاملة في المعدات التي تصل تكلفتها الإجمالية إلى مئات المليارات من الروبلات.

الأدب.

ميزدا ف. الدوائر المتكاملة: التكنولوجيا والتطبيقات. M.، 1981 Zi S. فيزياء أجهزة أشباه الموصلات. م.، 1984 تقنية VLSI. M.، 1986 Maller R.، Keimin S. عناصر الدوائر المتكاملة. م.، 1989 شور م.س. فيزياء أجهزة أشباه الموصلات. م، 1992

دوائر متكاملة كبيرة

من أهم الطرق لتحسين تكنولوجيا الكمبيوتر هو الاستخدام الواسع النطاق لإنجازات الإلكترونيات الدقيقة الحديثة. أدت نجاحات الإلكترونيات المتكاملة لأشباه الموصلات إلى إنشاء فئة جديدة من المنتجات الإلكترونية الوظيفية المعقدة - الدوائر المتكاملة الكبيرة، التي أصبحت قاعدة العناصر الرئيسية لأجهزة كمبيوتر الجيل الرابع (أواخر السبعينيات).

في أحد هذه المخططات، بحجم جزء من السنتيمتر المكعب فقط، يتم وضع كتلة تشغل خزانة كاملة في أجهزة كمبيوتر الجيل الأول. ونتيجة لذلك، تم تحقيق زيادة كبيرة في أداء الكمبيوتر.

إذا كان الأداء في أجهزة كمبيوتر الجيل الثالث يصل إلى 20-30 مليون عملية في الثانية، فإن الأداء في أجهزة الجيل الرابع يصل إلى مئات الملايين من العمليات في الثانية. وتزداد سعة الذاكرة وفقًا لذلك. إلى جانب تحسين أجهزة الذاكرة التقليدية، تعمل الأقراص والأشرطة المغناطيسية على إنشاء ذاكرة دون أجزاء متحركة. يتجاوز إجمالي حجم الذاكرة الخارجية في أجهزة الجيل الرابع الكبيرة 10 14 حرفًا، وهو ما يعادل مكتبة تتكون من عدة ملايين من المجلدات الضخمة.

يتم إنشاء LSIs نتيجة للتطور الطبيعي للدوائر المتكاملة. الشرط الأساسي لظهورها هو اعتماد صناعة الإلكترونيات للتكنولوجيا المستوية لتصنيع أجهزة أشباه الموصلات السيليكونية. والحداثة الأساسية لهذه التكنولوجيا هي أنها تجعل من الممكن استبدال المكونات المنفصلة التقليدية بمكونات الانتشار أو الأغشية الرقيقة.

تم تضمين الموثوقية العالية للكمبيوتر في عملية إنتاجه. يؤدي الانتقال إلى قاعدة عناصر جديدة - الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (VLSI) - إلى تقليل عدد الدوائر المتكاملة المستخدمة بشكل حاد، وبالتالي عدد اتصالاتها مع بعضها البعض. إن تخطيط الكمبيوتر وتوفير أوضاع التشغيل المطلوبة (التبريد والحماية من الغبار) مدروس جيدًا.

جميع أجهزة الكمبيوتر الحديثة مبنية على مجمعات (أنظمة) الدوائر المتكاملة (IC). تسمى الدائرة الإلكترونية الدقيقة متكاملة إذا كانت مكوناتها والوصلات بينها مصنوعة في دورة تكنولوجية واحدة، على قاعدة واحدة ولها ختم مشترك وحماية من التأثيرات الميكانيكية. كل دائرة دقيقة عبارة عن دائرة إلكترونية مصغرة تتشكل طبقة بعد طبقة في بلورة شبه موصلة: السيليكون، والجرمانيوم، وما إلى ذلك. تتضمن مجموعات المعالجات الدقيقة أنواعًا مختلفة من الدوائر الدقيقة، ولكن يجب أن تحتوي جميعها على نوع واحد من التوصيلات البينية، بناءً على توحيد معلمات إشارة التفاعل (السعة، القطبية، مدة النبضة، وما إلى ذلك). أساس المجموعة هو عادةً الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (LSI) والدوائر المتكاملة واسعة النطاق جدًا (VLSI). في المستقبل القريب، ينبغي لنا أن نتوقع ظهور دوائر متكاملة واسعة النطاق (ULSIs). بالإضافة إلى ذلك، عادة ما يتم استخدام الدوائر الدقيقة ذات درجة التكامل المنخفضة والمتوسطة (SIS). من الناحية الوظيفية، يمكن أن تتوافق الدوائر الدقيقة مع جهاز أو عقدة أو كتلة، ولكن كل منها يتكون من مجموعة من العناصر المنطقية البسيطة التي تنفذ وظائف توليد الإشارات وتحويلها وتخزينها، وما إلى ذلك.

جميع أجهزة الكمبيوتر الحديثة مبنية على مجموعات المعالجات الدقيقة، والتي تعتمد على الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (LSI) والدوائر المتكاملة واسعة النطاق جدًا (VLSI). إن المبدأ التكنولوجي لتطوير وإنتاج الدوائر المتكاملة ساري المفعول منذ أكثر من ربع قرن. وتتكون من إنتاج أجزاء من الدوائر الإلكترونية طبقة تلو الأخرى وفقًا لدورة "البرنامج - الرسم - الدائرة". وفقا للبرامج، يتم تطبيق نمط الطبقة المستقبلية من الدائرة الدقيقة على طبقة المقاوم الضوئي المتربة. يتم بعد ذلك حفر التصميم وتثبيته وتأمينه وعزله عن الطبقات الجديدة.

وعلى هذا الأساس يتم إنشاء بنية مكانية صلبة. على سبيل المثال، تشتمل دائرة VLSI من نوع Pentium على حوالي ثلاثة ملايين ونصف ترانزستور موضوعة في هيكل مكون من خمس طبقات. يتم تحديد درجة التصغير الدقيق وحجم قالب IC والأداء وتكلفة التكنولوجيا بشكل مباشر حسب نوع الطباعة الحجرية. حتى الآن، ظلت الطباعة الحجرية الضوئية هي المهيمنة، أي. تم تطبيق أنماط طبقة تلو الأخرى على المقاوم الضوئي للدوائر الدقيقة باستخدام شعاع الضوء. حاليًا، تبيع شركات الرقائق الرائدة شرائح بأبعاد 400-600 مم تقريبًا للمعالجات (على سبيل المثال، Pentium) و200-400 مم2 لدوائر الذاكرة. الحد الأدنى للحجم الطوبولوجي (سمك الخط) هو 0.25-0.135 ميكرون. وللمقارنة يمكننا أن نعطي المثال التالي. يبلغ سمك شعرة الإنسان حوالي 100 ميكرون. وهذا يعني أنه مع مثل هذا القرار، يجب رسم أكثر من مائتي خط بسماكة 100 ميكرون.

ترتبط التطورات الإضافية في الإلكترونيات الدقيقة بالإلكترون (الليزر)، والطباعة الحجرية الأيونية والأشعة السينية. وهذا يسمح لك بالوصول إلى أحجام 0.13؛ 0.10 وحتى 0.08 ميكرون. بدلا من موصلات الألومنيوم المستخدمة سابقا، يتم استخدام وصلات النحاس على نطاق واسع في الدوائر الدقيقة، مما يجعل من الممكن زيادة وتيرة التشغيل.

مثل هذه التقنيات العالية تؤدي إلى عدد من المشاكل. يتطلب السمك المجهري للخطوط، الذي يضاهي قطر الجزيئات، درجة نقاء عالية للمواد المستخدمة والرش، واستخدام وحدات التفريغ ودرجات حرارة تشغيل منخفضة. في الواقع، كل ما يتطلبه الأمر هو أصغر ذرة من الغبار أثناء تصنيع الدائرة الدقيقة - وتصبح معيبة. ولذلك، فإن مصانع الرقائق الجديدة عبارة عن معدات فريدة من نوعها تقع في "غرف نظيفة من الفئة 1"، حيث يتم نقل الرقائق من معدات إلى معدات في أجواء صغيرة مغلقة وفائقة النظافة من الفئة 1000، ويتم إنشاء الغلاف الجوي المصغر، على سبيل المثال، بواسطة تقنية فائقة -النيتروجين النقي أو أي غاز خامل آخر عند الضغط KG4 Torr.

في الوقت الحالي، كان الأساس لبناء جميع الدوائر الدقيقة هو تقنية CMOS (الدوائر التكميلية، أي مشاركة الوصلات p وp في الترانزستورات ذات بنية "أشباه الموصلات من أكسيد المعدن").

ومع ذلك، فإن ظهور LSI أدى إلى ظهور مشكلة خطيرة للغاية - "ما الذي يجب وضعه على الركيزة" أو، بمعنى آخر، كيفية تنفيذ الجهاز على دوائر تحتوي على هذا العدد الهائل من العناصر.

كان الحل الأول والطبيعي لهذه المشكلة هو إنتاج ما يسمى بالدوائر المخصصة، والتي تم تطويرها في كل مرة خصيصًا للاستخدام في معدات معينة. وفي الوقت نفسه، يعد تصميم LSIs المخصص عملية طويلة للغاية وتتطلب عمالة مكثفة وتستخدم أنظمة تصميم معقدة بمساعدة الكمبيوتر. لذلك، لا يمكن تبرير تطوير وإنتاج LSIs المخصصة اقتصاديًا إلا من خلال الإنتاج الضخم للمعدات التي تستخدم فيها هذه الدوائر.

من البدائل الجيدة لـ LSIs المخصصة مجموعات المعالجات الدقيقة - وهي مجموعة من الدوائر المتكاملة الكبيرة التي تنفذ وظائف معقدة للمعدات الرقمية. من هذه "الطوب" يتم بناء الحواسيب الصغيرة (الحواسيب الصغيرة) بكل بساطة، والتي تلقت تطورًا استثنائيًا وتستخدم على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من أنظمة التحكم.

المعالج الدقيق هو جهاز عالمي قادر على تنفيذ أي وظيفة منطقية. ومع ذلك، فإن تنفيذ البرمجيات لمنطق التحكم بطيء نسبيًا، وغالبًا ما يكون المعالج الدقيق غير قادر على توفير السرعة المطلوبة. في هذا الصدد، أصبحت LSIs القابلة للبرمجة ذات بنية المصفوفة منتشرة على نطاق واسع حاليًا، ومن بينها مكان خاص تشغله المصفوفات المنطقية القابلة للبرمجة (PLAs) - دوائر متكاملة كبيرة تجمع بين انتظام هيكل جهاز ذاكرة أشباه الموصلات (SRAM) وتعدد الاستخدامات من المعالج الدقيق. تتمتع PLM بمزايا كبيرة مقارنة بالمعالج الدقيق عند تنفيذ خوارزميات التحكم المعقدة.

يتم استخدام ما يسمى بدوائر المصفوفة على نطاق واسع كوحدات وظيفية لـ LSIs تهدف إلى تنفيذ الوظائف المنطقية.

دائرة المصفوفة عبارة عن شبكة من الموصلات المتعامدة، عند التقاطعات التي يمكن تركيب عناصر أشباه الموصلات ذات الموصلية أحادية الاتجاه (IEC) - الثنائيات أو الترانزستورات.

النظر في المصفوفات M1 و M2 في الشكل 1. تتيح لك طريقة تشغيل مُكثف الصورة عند تقاطع ناقلات مصفوفة M1 إمكانية تنفيذ أي اقتران لمتغيرات الإدخال الخاصة بها، مأخوذة بعلامة الانعكاس أو بدونها، عند أي من مخرجاتها.

الشكل رقم 1

تحتوي مصفوفة M2 على 4 حافلات رأسية و2 أفقية. إن طريقة تشغيل أنبوب تكثيف الصورة عند تقاطع حافلات M2 تجعل من الممكن تنفيذ أي فصل لمتغيرات المدخلات عند أي من مخرجاتها.

إذا قمت بدمج هذه المصفوفات كما هو موضح في الشكل 2، ستلاحظ أن أي نظام من الأنظمة البوليانية يعمل على y1. yn متغيرات المياه x1. يمكن تنفيذ xn من خلال مخطط مصفوفة من مستويين، في المستوى الأول يتم تشكيل أدوات العطف الأولية المختلفة، وفي المستوى الثاني - انفصالات الاقترانات المقابلة (y1...yn).

نتيجة لذلك، يتم تقليل بناء الدوائر ذات هيكل المصفوفة إلى تحديد نقاط تقاطع الحافلات حيث يجب تشغيل أنابيب تكثيف الصورة.

الشكل رقم 2

بناءً على طريقة البرمجة، يتم التمييز بين المصفوفات القابلة للتخصيص (القابلة للبرمجة) في الشركة المصنعة، من قبل المستخدم، والقابلة لإعادة البرمجة (قابلة للتخصيص المتعدد).

في مصفوفات النوع الأول يتم توصيل أنبوب تكثيف الصورة بالنواقل مرة واحدة باستخدام أقنعة خاصة تستخدم لتمعدن مناطق معينة من بلورة LSI. بمجرد تصنيع LSI، لا يمكن تغيير الاتصالات الناتجة.

يتم تسليم مصفوفات النوع الثاني إلى المستهلك بدون تكوين وتحتوي على أنبوب تكثيف الصورة عند كل نقطة تقاطع لحافلاته. يأتي الإعداد لإزالة (تعطيل) بعض أنابيب تكثيف الصورة غير الضرورية. ماديًا، يتم تنفيذ عملية الضبط بطرق مختلفة، على سبيل المثال، عن طريق تمرير سلسلة من النبضات الحالية ذات سعة كبيرة بما فيه الكفاية من خلال أنبوب تكثيف الصورة المقابل وتدمير وصلة وصل قابلة للانصهار متصلة على التوالي بأنبوب تكثيف الصورة هذا وتوصيله بأحدها. من الحافلات عند نقطة تقاطعها.

تسمح مصفوفات النوع الثالث بتنفيذ البرمجة بشكل متكرر. تتم إعادة البرمجة كهربائياً بعد مسح محتويات المصفوفات تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية (أحياناً الأشعة السينية) أو كهربائياً بشكل منفصل لكل أنبوب مكثف للصورة.

ومن الضروري أيضًا أن نقول بضع كلمات حول ما يسمى بالمصفوفات القابلة للبرمجة.

المصفوفة المنطقية القابلة للبرمجة (PLA) عبارة عن كتلة وظيفية تم إنشاؤها على أساس تكنولوجيا أشباه الموصلات ومصممة لتنفيذ الدوائر المنطقية للأنظمة الرقمية. اعتمادًا على التنظيم الداخلي، يمكن تقسيم المصفوفات المنطقية القابلة للبرمجة إلى PLMs المنطقية التوافقية وPLMs ذات الذاكرة.

تجدر الإشارة إلى أن شريحة LSI PLM تحتوي على نظام ناقل خاص يسمح لك بتوصيل مخرجات المصفوفة السفلية بمدخلات أخرى. يتم إجراء قطع قضبان التوصيل وتنظيم التوصيلات اللازمة بين مدخلات ومخرجات المصفوفات المختلفة في مرحلة إعداد PLM لدى الشركة المصنعة.

دارة متكاملة(أو ببساطة دائرة متكاملة) هي مجموعة من، كقاعدة عامة، عدد كبير من المكونات المترابطة (الترانزستورات، الثنائيات، المكثفات، المقاومات، وما إلى ذلك)، المصنعة في دورة تكنولوجية واحدة (أي في وقت واحد)، على نفس الناقل تصميمات - المادة المتفاعلة- وأداء وظيفة معينة لتحويل المعلومات.

يعكس مصطلح "الدائرة المتكاملة" (IC) حقيقة دمج (دمج) الأجزاء الفردية - المكونات - في جهاز موحد هيكليًا، كما يعكس حقيقة أن الوظائف التي يؤديها هذا الجهاز أكثر تعقيدًا مقارنة بوظائف المكونات الفردية .

تسمى المكونات التي تشكل جزءًا من IP وبالتالي لا يمكن فصلها عنه كمنتجات مستقلة عناصرإب أو عناصر متكاملة.لديهم بعض الميزات مقارنة بالترانزستورات، وما إلى ذلك، والتي يتم تصنيعها كوحدات منفصلة هيكليًا ومتصلة بدائرة عن طريق اللحام.

يعتمد تطوير الإلكترونيات على التعقيد المستمر للوظائف التي تؤديها المعدات الإلكترونية. في مراحل معينة، يصبح من المستحيل حل المشكلات الجديدة باستخدام الوسائل القديمة، أو كما يقولون، على أساس القديم قاعدة العنصر,على سبيل المثال، استخدام الأنابيب المفرغة أو الترانزستورات المنفصلة. العوامل الرئيسية الكامنة وراء التغيير في قاعدة العنصر هي: الموثوقية والأبعاد والوزن والتكلفة والقوة.

من مميزات منتجات الإلكترونيات الدقيقة الدرجة العالية من التعقيد للوظائف التي تؤديها، والتي يتم من أجلها إنشاء دوائر يصل عدد مكوناتها إلى الملايين. يتضح من هذا أن ضمان التشغيل الموثوق عند توصيل المكونات يدويًا يعد مهمة مستحيلة. الطريقة الوحيدة لحلها هي استخدام تقنيات عالية جديدة نوعيًا.

لتصنيع الدوائر المتكاملة، يتم استخدام طريقة الإنتاج الجماعي والتكنولوجيا المستوية.

طريقة المجموعةالإنتاج هو، أولاً، أنه يتم تصنيع عدد كبير من الدوائر المتكاملة في وقت واحد على رقاقة واحدة من مادة أشباه الموصلات؛ ثانيا، إذا سمحت العملية التكنولوجية، تتم معالجة العشرات من هذه اللوحات في وقت واحد. بعد الانتهاء من دورة تصنيع IC، يتم قطع الرقاقة في اتجاهين متعامدين بشكل متبادل إلى بلورات فردية، كل منها يمثل IC.

التكنولوجيا المستوية- هذا تنظيم للعملية التكنولوجية حيث يتم إنشاء جميع العناصر ومكوناتها في دائرة متكاملة من خلال تشكيلها من خلال المستوى.

تتضمن واحدة أو أكثر من العمليات التكنولوجية في تصنيع الدوائر المتكاملة توصيل العناصر الفردية في دائرة وتوصيلها بمنصات اتصال خاصة. لذلك، من الضروري أن تكون أطراف جميع العناصر ومنصات الاتصال في نفس المستوى. يتم توفير هذا الاحتمال من خلال التكنولوجيا المستوية.

العملية النهائية - التعبئة والتغليف- يتم وضع IC في مبيت مزود بوسادات توصيل بأرجل IC (الشكل 2.20).

سعر ديمكن تبسيط IC واحد (شريحة واحدة) على النحو التالي:

أين أ- تكاليف أعمال البحث والتطوير لخلق الملكية الفكرية؛ في- تكاليف المعدات التكنولوجية والمباني وما إلى ذلك؛ مع- التكاليف الحالية للمواد والكهرباء والأجور، وتحسب لكل لوحة؛ ز- عدد اللوحات المنتجة قبل استهلاك أصول الإنتاج الثابتة؛ X- عدد البلورات على اللوحة؛ ي- نسبة الملكية الفكرية المناسبة إلى الكمية المستخدمة في الإنتاج في بدايته.

وإلى جانب التعليقات الواضحة بشأن التكاليف، تجدر الإشارة إلى ما يلي. يزيد ييتم تحقيق ذلك من خلال إنشاء تكنولوجيا حديثة بشكل متزايد، وربما تكون الأكثر تعقيدًا ونظافة بين العديد من أحدث الصناعات. زيادة في عدد البلورات Xيمكن تحقيق ذلك على طبق بطريقتين: زيادة حجم اللوحة وتقليل حجم العناصر الفردية. يتم استخدام كلا الاتجاهين من قبل المطورين.

في الختام، نلاحظ أن جميع الثوابت المتضمنة في الصيغة ليست ثابتة ولا تعتمد على بعضها البعض، وبالتالي فإن تحليل الحد الأدنى للتكلفة هو في الواقع معقد ومتعدد العوامل.

تصنيف الملكية الفكرية.يمكن تصنيف الملكية الفكرية وفقًا لمعايير مختلفة، وسنقتصر هنا على معيار واحد فقط. بناءً على طريقة التصنيع والبنية الناتجة، يتم التمييز بين نوعين مختلفين بشكل أساسي من الدوائر المتكاملة: أشباه الموصلات والأفلام.

إيك أشباه الموصلاتعبارة عن دائرة كهربائية دقيقة يتم تصنيع عناصرها في الطبقة القريبة من السطح من ركيزة أشباه الموصلات (الشكل 2.21). تشكل هذه المرحلية أساس الإلكترونيات الدقيقة الحديثة.

فيلم اي سيعبارة عن دائرة كهربائية صغيرة يتم تصنيع عناصرها على شكل أنواع مختلفة من الأفلام المترسبة على سطح الركيزة العازلة (الشكل 2.22). يتم تمييزها اعتمادًا على طريقة تطبيق الأفلام والسمك المرتبط بها رقيقة IC (سمك الفيلم يصل إلى 1-2 ميكرون) و فيلم سميكة IC (سمك الفيلم من 10-20 ميكرون وما فوق). نظرًا لعدم وجود مجموعة من الأفلام المتناثرة حتى الآن تجعل من الممكن الحصول على عناصر نشطة مثل الترانزستورات، فإن الدوائر المتكاملة للأفلام تحتوي فقط على عناصر سلبية (المقاومات والمكثفات وما إلى ذلك). ولذلك، فإن الوظائف التي تؤديها الدوائر المتكاملة للفيلم النقي محدودة للغاية. للتغلب على هذه القيود، يتم استكمال شريحة IC للفيلم بمكونات نشطة (ترانزستورات فردية أو دوائر متكاملة) موضوعة على نفس الركيزة ومتصلة بعناصر الفيلم. ثم نحصل على IC يسمى الهجين.

آي سي هجين(أو GIS) عبارة عن دائرة كهربائية صغيرة عبارة عن مزيج من العناصر السلبية للفيلم والمكونات النشطة الموجودة على ركيزة عازلة مشتركة. تسمى المكونات المنفصلة التي تشكل IC الهجين المركبة،مما يؤكد عزلتها عن الدورة التكنولوجية الرئيسية لإنتاج الجزء السينمائي من الدائرة.

نوع آخر من الدوائر المتكاملة "المختلطة"، والذي يجمع بين عناصر أشباه الموصلات والعناصر المتكاملة للفيلم، يسمى مجتمعة.

الملكية الفكرية مجتمعة- هذه عبارة عن دائرة دقيقة يتم فيها تصنيع العناصر النشطة في الطبقة القريبة من السطح من بلورة أشباه الموصلات (مثل IC شبه الموصل)، ويتم تطبيق العناصر المنفعلة في شكل أفلام على سطح معزول مسبقًا من نفس البلورة (مثل فيلم IC).

تعتبر الدوائر المرحلية المركبة مفيدة عندما تكون هناك حاجة إلى قيم عالية وثبات عالي للمقاومات والسعات؛ من الأسهل تلبية هذه المتطلبات مع عناصر الفيلم مقارنةً بعناصر أشباه الموصلات.

في جميع أنواع الدوائر المتكاملة، يتم إجراء توصيلات العناصر باستخدام شرائح معدنية رفيعة يتم رشها أو ترسيبها على سطح الركيزة وفي الأماكن الصحيحة الملامسة للعناصر المراد توصيلها. تسمى عملية تطبيق شرائط التوصيل هذه تعدين,و"نمط" الترابط نفسه هو الأسلاك المعدنية.

أشباه الموصلاتل المرحلية الجديدة. حاليًا، يتم تمييز المرحلية التالية لأشباه الموصلات: ثنائي القطب، MOS (أشباه الموصلات بأكسيد المعدن) وBIMOS. والأخيرة عبارة عن مزيج من الأولين، وهي تجمع بين صفاتها الإيجابية.

تعتمد تقنية أشباه الموصلات IC على تطعيم رقاقة أشباه الموصلات (السيليكون) بالتناوب مع الشوائب المانحة والمستقبلة، مما يؤدي إلى تكوين طبقات رقيقة ذات أنواع مختلفة من الموصلية تحت السطح ص-ن- التحولات على حدود الطبقة. يتم استخدام الطبقات الفردية كمقاومات، و ص-ن- التحولات - في هياكل الصمام الثنائي والترانزستور.

يجب أن يتم تصنيع السبائك للوحة محليًا، أي. في مناطق منفصلة تفصلها مسافات كبيرة إلى حد ما. يتم تنفيذ صناعة السبائك المحلية باستخدام خاص أقنعةذات فتحات تخترق من خلالها ذرات الشوائب إلى اللوحة في المناطق المرغوبة. في صناعة الدوائر المرحلية لأشباه الموصلات، عادةً ما يتم لعب دور القناع بواسطة طبقة من ثاني أكسيد السيليكون، SiO 2، تغطي سطح رقاقة السيليكون. في هذا الفيلم يتم نقش مجموعة الثقوب المطلوبة بمختلف الأشكال باستخدام طرق خاصة أو كما يقولون اللازمة رسم(أرز. 2.22). تسمى الثقوب الموجودة في الأقنعة، وخاصة في فيلم الأكسيد شبابيك.

الآن دعونا نصف بإيجاز مكونات (عناصر) المرحلية لأشباه الموصلات. العنصر الرئيسي في المرحلية ثنائية القطب هو ن-ن-ن-الترانزستور: الدورة التكنولوجية بأكملها موجهة نحو إنتاجه. وينبغي تصنيع جميع العناصر الأخرى، إن أمكن، في وقت واحد مع هذا الترانزستور، دون عمليات تكنولوجية إضافية.

العنصر الرئيسي في MIS IC هو ترانزستور MOS. يتم أيضًا ضبط إنتاج العناصر الأخرى على الترانزستور الأساسي.

يجب أن تكون عناصر الدائرة المتكاملة ثنائية القطب معزولة عن بعضها البعض بطريقة أو بأخرى حتى لا تتفاعل من خلال الشريحة.

لا تتطلب عناصر الدوائر المتكاملة MOS عزلًا خاصًا عن بعضها البعض نظرًا لعدم وجود تفاعل بين الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) المتجاورة. هذه هي إحدى المزايا الرئيسية لدوائر MOS المرحلية مقارنة بالدوائر ثنائية القطب.

من السمات المميزة للدوائر المرحلية لأشباه الموصلات أنه من بين عناصرها لا توجد محاثات وخاصة المحولات. ويفسر ذلك أنه لم يكن من الممكن حتى الآن استخدام أي ظاهرة فيزيائية تعادل الحث الكهرومغناطيسي في جسم صلب. لذلك، عند تطوير الدوائر المتكاملة، يحاولون تنفيذ الوظيفة المطلوبة دون استخدام المحاثات، وهو أمر ممكن في معظم الحالات. إذا كان المحث أو المحول ضروريًا بشكل أساسي، فيجب استخدامه في شكل مكونات خارجية.

تصل الأبعاد البلورية للدوائر المرحلية الحديثة لأشباه الموصلات إلى 20 × 20 مم 2. كلما كانت مساحة الشريحة أكبر، كلما كان من الممكن وضع IC أكثر تعقيدًا ومتعددة العناصر عليها. وبنفس المساحة البلورية، يمكنك زيادة عدد العناصر عن طريق تقليل أحجامها والمسافات بينها.

عادة ما يتميز التعقيد الوظيفي لـ IS درجة التكامل،أولئك. عدد العناصر (غالبًا الترانزستورات) الموجودة على الشريحة. الحد الأقصى لدرجة التكامل هو 10 عناصر ب على الشريحة. تعد زيادة درجة التكامل (ومعها تعقيد الوظائف التي يؤديها نظام المعلومات) أحد الاتجاهات الرئيسية في مجال الإلكترونيات الدقيقة.

ولتحديد درجة التكامل، يتم استخدام المعامل الشرطي ك= سجل ن.اعتمادًا على معناها، تُسمى المخططات البينية بشكل مختلف:

ك ≥ 2 (ن ≥ 100) - الدائرة المتكاملة (IC)؛

2 ≥ ك ≥ 3 (ن ≥ 1000) - دائرة متكاملة متوسطة الدرجة من التكامل (SIS)؛

3 ≥ ك ≥ 5 (ن ≥ 10 5) - دائرة متكاملة كبيرة (LSI)؛
ك> 5 (N>10 5) - دائرة متكاملة واسعة النطاق (VLSI).

فيما يلي الرموز الإنجليزية وتفسيراتها:

IC - الدوائر المتكاملة؛

MSI - التكامل متوسط ​​النطاق؛

LSI - التكامل واسع النطاق؛

VLSI - تكامل واسع النطاق جدًا.

بالإضافة إلى درجة التكامل، يستخدمون أيضا مثل هذا المؤشر كثافة التعبئة- عدد العناصر (غالبًا الترانزستورات) لكل وحدة مساحة من البلورة. ويبلغ هذا المؤشر، الذي يميز المستوى التكنولوجي بشكل رئيسي، حاليا 500-1000 عنصر/مم2.

المرحلية الهجينة.يتم تقسيم الأفلام، وبالتالي الدوائر المتكاملة الهجينة، اعتمادًا على تكنولوجيا التصنيع، إلى أفلام سميكة ورقيقة.

يتم تصنيع نظم المعلومات الجغرافية ذات الأغشية السميكة (دعنا نشير إليها بـ TsGIS) بكل بساطة. تنطبق على لوحة الركيزة العازلة المعاجينذات تركيبة مختلفة. توفر المعاجين الموصلة الترابط بين العناصر وألواح المكثفات وتؤدي إلى دبابيس الإسكان؛ مقاوم - الحصول على المقاومات. عازل - العزل بين لوحات المكثفات والحماية العامة لسطح نظام المعلومات الجغرافية النهائي. يجب أن يكون لكل طبقة تكوينها الخاص ونمطها الخاص. لذلك، عند عمل كل طبقة، يتم تطبيق المعجون من خلال قناع خاص بها - مرسام- مع النوافذ في تلك الأماكن التي يجب أن تصل إليها عجينة هذه الطبقة. بعد ذلك، يتم لصق المكونات المرفقة وتوصيل أطرافها منصات الاتصال.

يتم تصنيع نظم المعلومات الجغرافية ذات الأغشية الرقيقة (دعنا نشير إليها بـ TkGIS) باستخدام تقنية أكثر تعقيدًا من تقنية TsGIS. تتميز تقنية الأغشية الرقيقة الكلاسيكية بحقيقة أن الأفلام تترسب على الركيزة من الطور الغازي. وبعد إنتاج الفيلم التالي، يغيرون التركيب الكيميائي للغاز وبالتالي الخصائص الكهربية الفيزيائية للفيلم التالي. وبهذه الطريقة يتم الحصول على طبقات موصلة ومقاومة وعازلة بالتناوب. يتم تحديد التكوين (النمط) لكل طبقة إما عن طريق الاستنسل، كما في حالة TsGIS، أو عن طريق قناع، مثل قناع الأكسيد في المرحلية لأشباه الموصلات (انظر الشكل 1.4).

يتم لصق عناصر المرفقات في TkGIS، كما هو الحال في TsGIS، على سطح جزء الفيلم النهائي من الدائرة وتوصيلها بلوحات الاتصال المقابلة للعناصر.

لا يمكن تقييم درجة تكامل نظم المعلومات الجغرافية بنفس الطريقة كما في حالة الدوائر المرحلية لأشباه الموصلات. ومع ذلك، هناك مصطلح نظم المعلومات الجغرافية الكبيرة(أو BGIS)، وهو ما يعني أن نظام المعلومات الجغرافية لا يتضمن ترانزستورات فردية، بل دوائر متكاملة لأشباه الموصلات كمكونات مرفقة.

قاعدة عنصرية للجميع الأجهزة الرقمية(نسخة) [ الأجهزة الرقمية] ماكياج دوائر متكاملة (يكون) [ دارة متكاملة (إيك)]، والتي تسمى أيضًا الدوائر الدقيقة (م.س) أو رقائق (الرقائق الدقيقة ) [رقاقة (رقاقة)].

دوائر متكاملة- هي الأجهزة الإلكترونية المصنوعة على رقائق رقيقة من شبه الموصلات، تحتوي على عناصر إلكترونية، وتصنع داخل مبيت من نوع معين.

منذ اختراعها في الولايات المتحدة عام 1959، تطورت الملكية الفكرية باستمرار وأصبحت أكثر تعقيدًا. أدى التقدم السريع في مجال تصنيع الدوائر المتكاملة إلى زيادة حادة في حجم إنتاجها وانخفاض في التكلفة. ونتيجة لاستخدام مرض التصلب العصبي المتعدد، أصبح من الممكن ليس فقط في الأجهزة المتخصصة المعقدة (مثل أجهزة الكمبيوتر)، ولكن أيضًا في مجموعة متنوعة من أدوات القياس وأنظمة التحكم والمراقبة. تتوسع دائرة مستهلكي MS باستمرار.

ومن سمات تعقيد IS مستوى التكامل، تم تقييمه أيضًا عدد العناصر المنطقية الأساسية(جنيه) [ منطق(آل)عنصر/عنصر/بوابة/وحدة]، أو عدد الترانزستورات، والتي تقع على الشريحة.

اعتمادًا على مستوى التكامل، يتم تقسيم الشهادات المرحلية إلى عدة فئات: MIS، وSIS، وLSI، وVLSI، وUBIS (دوائر متكاملة صغيرة، ومتوسطة، وكبيرة، وكبيرة جدًا، وكبيرة جدًا، على التوالي).

سوء [مباحث أمن الدولة = صغير/التكامل على نطاق قياسي– درجة (مستوى) التكامل الصغيرة/القياسية] عبارة عن MS تحتوي على عدد صغير جدًا من العناصر (عدة عشرات). تنفذ MIS أبسط التحولات المنطقية وتتمتع بتنوع كبير جدًا - حتى بمساعدة نوع واحد من LE (على سبيل المثال، NAND)، يمكنك بناء أي مركز تحكم.

SIS [إم إس آي = التكامل على نطاق متوسط– متوسط ​​درجة (مستوى) التكامل] هو MS بدرجة تكامل من 300 إلى عدة آلاف من الترانزستورات (عادةً ما يصل إلى 3000). في شكل SIS، يتم إنتاج الدوائر مثل مسجلات البتات المنخفضة، والعدادات، وأجهزة فك التشفير، والمجمعات، وما إلى ذلك في شكل نهائي. وينبغي أن يكون نطاق SIS أوسع وأكثر تنوعًا، حيث يتم تقليل تعدد استخداماتها مقارنة بـ MIC. هناك المئات من أنواع SIS في السلسلة المطورة من المرحلية القياسية.

مكررا [إل إس آي = التكامل على نطاق واسع– درجة (عالية) كبيرة (مستوى) من التكامل] – MS مع عدد البوابات المنطقية من 1000 إلى 5000 (في بعض التصنيفات – من 500 إلى 10000). تم تطوير أول LSIs في أوائل السبعينيات من القرن الماضي.

VLSI [VLSI = تكامل واسع النطاق جدًا– درجة (مستوى) كبيرة جدًا (عالية) من التكامل أو جي إس آي = التكامل على نطاق عملاق- درجة (مستوى) تكامل عملاقة (كبيرة جدًا وعالية جدًا)] - وهي MS تحتوي على شريحة من 100000 إلى 10 ملايين ( VLSI) أوأكثر من 10 مليون ( جي إس آي) الترانزستورات أو البوابات المنطقية.

يوبيس [أولسي = تكامل واسع النطاق للغاية- درجة (مستوى) تكامل كبيرة جدًا (عالية جدًا)] - وهي وحدات MS حيث يتراوح عدد الترانزستورات الموجودة على الشريحة من 10 ملايين إلى 1 مليار. تشتمل هذه الدوائر على معالجات حديثة.

تم تلخيص البيانات المذكورة أعلاه حول مرض التصلب العصبي المتعدد بدرجات متفاوتة من التكامل في الجدول 1 من أجل الوضوح. 1.