Интегральная схема¶

Интегральная схема (ИС, микросхема, чип) — это микроэлектронное изделие, представляющее собой миниатюрный электронный блок, в котором все или большинство активных и пассивных компонентов (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы) и соединяющие их проводники неразрывно связаны конструктивно, технологически и электрически и изготовлены в едином технологическом цикле на поверхности или в объёме полупроводникового материала (обычно кремния). Интегральные схемы являются основой современной электроники, обеспечивая высокую степень миниатюризации, надёжности и производительности устройств при низкой стоимости производства.

¶История

¶Предпосылки и первые разработки

Идея объединения множества электронных компонентов в едином монолитном блоке возникла в середине XX века, когда развитие радиоэлектроники столкнулось с «тиранией чисел» — проблемой возрастающей сложности и ненадёжности соединений между дискретными элементами (лампами, транзисторами, резисторами). В 1958 году инженер компании Texas Instruments Джек Килби продемонстрировал первую гибридную интегральную схему, собранную на пластине германия из отдельных компонентов, соединённых проволочными перемычками. Почти одновременно, в 1959 году, Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor предложил технологию планарного процесса, позволяющую формировать все элементы схемы на поверхности кремниевой пластины с помощью фотолитографии и диффузии, а также использовать алюминиевые дорожки для соединений. Эта технология стала основой для массового производства монолитных интегральных схем.

¶Развитие технологий

Первые коммерческие ИС (логические элементы, триггеры) появились в начале 1960-х годов. В 1965 году Гордон Мур сформулировал эмпирический закон (закон Мура), предсказавший удвоение числа транзисторов на кристалле каждые два года, что стимулировало непрерывное совершенствование технологий. В 1970-е годы были разработаны первые микропроцессоры (Intel 4004, 1971) и микроконтроллеры, что привело к революции в вычислительной технике. С 1980-х годов началось освоение субмикронных технологических норм, а в 1990-е — переход на пластины диаметром 200 и 300 мм. В начале XXI века появились многоядерные процессоры и системы на кристалле (SoC), объединяющие на одном чипе процессор, память, контроллеры периферии и аналоговые блоки.

¶Классификация

¶По степени интеграции

Степень интеграции определяется количеством элементов (транзисторов) на кристалле. Выделяют:

Малые интегральные схемы (МИС, SSI) — до 100 элементов (логические вентили, триггеры).
Средние интегральные схемы (СИС, MSI) — от 100 до 1000 элементов (дешифраторы, счётчики, регистры).
Большие интегральные схемы (БИС, LSI) — от 1000 до 100 000 элементов (микропроцессоры, ПЗУ, ОЗУ).
Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС, VLSI) — от 100 000 до 10 миллионов элементов (современные процессоры, чипсеты).
Ультрабольшие интегральные схемы (УБИС, ULSI) — более 10 миллионов элементов (графические процессоры, системы на кристалле).

¶По функциональному назначению

Цифровые ИС — обрабатывают дискретные сигналы (логические элементы, микропроцессоры, микроконтроллеры, ПЛИС, память).
Аналоговые ИС — обрабатывают непрерывные сигналы (операционные усилители, компараторы, стабилизаторы напряжения, усилители мощности).
Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП, ЦАП) — занимают промежуточное положение.
Смешанные ИС — содержат как цифровые, так и аналоговые блоки (например, SoC с радиотрактом).

¶По технологии изготовления

Полупроводниковые (монолитные) ИС — все элементы формируются в едином кристалле полупроводника (наиболее распространённый тип).
Гибридные ИС — содержат несколько отдельных кристаллов (или пассивные компоненты), смонтированных на общей подложке и соединённых проводниками.
Плёночные ИС — элементы выполнены в виде тонких или толстых плёнок на изолирующей подложке (используются в СВЧ-диапазоне).

¶Устройство и технология производства

¶Структура кристалла

Современная монолитная ИС представляет собой многослойную структуру на кремниевой подложке. Основные слои:

Подложка — монокристаллический кремний (p- или n-типа), служит механической основой.
Активные области — сформированные методом диффузии или ионной имплантации области с различным типом проводимости (истоки, стоки, базы, эмиттеры транзисторов).
Изоляция — диэлектрические слои (например, оксид кремния SiO₂), разделяющие активные элементы.
Металлизация — слои алюминия или меди, образующие соединительные дорожки между элементами (обычно от 1 до 16 и более слоёв).

¶Технологический процесс

Производство ИС включает несколько сотен операций, ключевые из которых:

Эпитаксия — выращивание тонкого монокристаллического слоя кремния на подложке.
Фотолитография — нанесение светочувствительного резиста, экспонирование через фотошаблон и проявление для создания рисунка слоя.
Травление — удаление материала (кремния, оксида, металла) в незащищённых резистом областях.
Легирование — внедрение примесей (бора, фосфора, мышьяка) для создания областей с заданной проводимостью.
Осаждение — нанесение диэлектрических и металлических плёнок (химическое или физическое осаждение из газовой фазы).
Планаризация — выравнивание поверхности для нанесения последующих слоёв (химико-механическая полировка).

После завершения всех операций пластина разрезается на отдельные кристаллы (чипы), которые затем монтируются в корпус (пластиковый, керамический, металлический) с выводами для внешних соединений.

¶Применение

Интегральные схемы используются практически во всех областях современной техники:

Вычислительная техника — процессоры, память (DRAM, SRAM, Flash), чипсеты, видеокарты.
Телекоммуникации — модемы, Wi-Fi/Bluetooth-чипы, базовые станции, оптоволоконные передатчики.
Бытовая электроника — смартфоны, телевизоры, игровые приставки, бытовая техника.
Автомобильная промышленность — блоки управления двигателем, системы ABS, подушки безопасности, навигация.
Медицина — слуховые аппараты, кардиостимуляторы, диагностическое оборудование (МРТ, УЗИ).
Промышленность — программируемые логические контроллеры (ПЛК), датчики, системы управления станками.
Космическая и военная техника — бортовые компьютеры, системы навигации, радиолокаторы (требуются радиационно-стойкие ИС).

¶Критика и ограничения

Несмотря на колоссальные успехи, развитие интегральных схем сталкивается с рядом фундаментальных и практических ограничений:

Физические пределы — при уменьшении размеров транзисторов до единиц нанометров начинают проявляться квантовые эффекты (туннелирование, утечки), что затрудняет дальнейшую миниатюризацию.
Тепловыделение — высокая плотность мощности требует сложных систем охлаждения (радиаторы, тепловые трубки, жидкостное охлаждение).
Энергопотребление — несмотря на снижение напряжений, рост числа транзисторов увеличивает общую потребляемую мощность.
Сложность проектирования — разработка современных СБИС требует многомиллиардных затрат и тысяч инженеров (стоимость разработки 7-нм процессора превышает 300 миллионов долларов).
Экологические проблемы — производство ИС использует токсичные химикаты и требует большого количества воды и энергии; утилизация отходов электроники представляет серьёзную проблему.

¶Интересные факты

Первый коммерческий микропроцессор Intel 4004 (1971) содержал 2300 транзисторов при техпроцессе 10 мкм. Современные процессоры (например, AMD Ryzen 9) содержат более 10 миллиардов транзисторов при техпроцессе 5 нм.
Закон Мура, сформулированный в 1965 году, соблюдался до середины 2010-х годов, после чего темпы удвоения числа транзисторов замедлились из-за физических ограничений.
Крупнейшими производителями ИС являются TSMC (Тайвань), Samsung (Южная Корея), Intel (США), а также компании SMIC (Китай) и GlobalFoundries (США).
В России разработкой и производством интегральных схем занимаются предприятия, такие как «Микрон» (Зеленоград), «Ангстрем» (Зеленоград), НИИМЭ и «Микрон» (в составе АО «Микрон»), а также ряд отраслевых институтов.

¶Источники

Мур, Г. Э. (1965). «Cramming more components onto integrated circuits». Electronics, 38(8).
Килби, Дж. С. (1976). «Invention of the Integrated Circuit». IEEE Transactions on Electron Devices, 23(7).
Нойс, Р. Н. (1961). «Semiconductor device and lead structure». Патент США № 2,981,877.
Брукс, Д. (2008). «The History of the Integrated Circuit». IEEE Solid-State Circuits Society.
Советский энциклопедический словарь (1983). Статья «Интегральная схема».
Малышев, В. А. (2010). «Микроэлектроника: учебное пособие». М.: Высшая школа.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →