3.2. Современные цифровые интегральные микросхемы Общие сведения

Основной элементной базой современной дискретной техники является интегральная микроэлектроника. Огромные успехи, достигнутые интегральной полупроводниковой микроэлектронной технологией, позволили создать приборы, по всем параметрам превосходящие изделия сходного назначения, собранные на отдельных компонентах. Переход к интегральным микросхемам существенно изменил способы построения электронной аппаратуры, поскольку изделия микросхемотехники представляют собой законченные функциональные узлы, будь то логические элементы для выполнения простейших операций или процессоры вычислительных машин, состоящие из многих тысяч элементов.

Показателем сложности микросхемы с точки зрения числа входящих в нее элементов служит степень интеграции. Степень интеграции интегральной микросхемы определяется формулой , гдеN- число элементов и компонентов, образующих данную микросхему. Значение К, полученное расчетным путем, округляют до ближайшего большего целого числа. В настоящее время промышленным путем производятся микросхемы от 1-й степени интеграции (до 10 элементов включительно) до 5-й (микросхемы, содержащие от 10.000 до 100.000 элементов и компонентов).

На практике сложность микросхем часто оценивают качественными критериями: микросхемами малой степени интеграции (МИС) считают изделия, содержащие до 10 элементов, средней (СИС) — до 100, большой (БИС) — от 100 до 1000 и сверхбольшой (СБИС) — свыше тысячи элементов.

Современный этап развития микроэлектронной техники характеризуется широким применением изделий средней и большой степеней интеграции. Преимущество цифровых систем на интегральных схемах СИС по сравнению с устройствами, реализованными на приборах МИС, не только в меньшем числе корпусов. С помощью СИС достигается более высокое быстродействие, поскольку задержка импульсов в объеме кристалла меньше задержек во внешних соединениях. Кроме того, элементы, образующие СИС, для уменьшения времени переключения используются, где это допустимо, в ненасыщенном режиме. Функциональные устройства СИС расходуют меньше энергии, поскольку мощность, потребляемая внутренним элементом для переключения конкретной нагрузки, наперед известна, тогда как изделия МИС рассчитываются на максимально возможную нагрузку, которая в большинстве случаев используется не полностью. Помехоустойчивость СИС также выше, если учесть, что соединения внутри кристалла менее подвержены действию наводок, чем соединения между отдельными интегральными схемами и платами.

Изделия МИС используют по преимуществу как связующие звенья между устройствами СИС и БИС, а также во вспомогательных устройствах (генераторах, формирователях и т. п.). В качестве активных элементов цифровых микросхем сейчас применяются два типа транзисторов: биполярные и полевые (униполярные). Последние имеют структуру металл - окисел - полупроводник (МОП) или, как ее еще называют, металл - диэлектрик - полупроводник (МДП) . Цифровые микросхемы на биполярных и полевых транзисторах существенно различаются по многим показателям, и развитие их идет самостоятельными путями. Биполярные транзисторы интегральных микросхем по принципу действия и свойствам подобны высокочастотным кремниевым n-p-n- дискретным транзисторам. Полевые транзисторы в микросхемах, напротив, обладают специфическими свойствами и будут подробно рассмотрены.

Способ соединения транзисторов между собой в пределах одного элемента определяет их логический базис или, проще, логику. Из логических интегральных схем на биполярных транзисторах в настоящее время наибольшее распространение имеют: транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) в нескольких модификациях, эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), или, как ее еще называют, логика на переключателях тока (ПТТЛ), и в меньшей мере диодно-транзисторная логика (ДТЛ). Логические элементы на биполярных транзисторах, применявшиеся на ранних этапах развития микросхемотехники: с непосредственной связью (НСТЛ), резисторно-транзисторная логика (РТЛ), резисторно-емкостная логика (РЕЛ) - сейчас морально устарели и в новых разработках не используются. Из новых направлений следует отметить инжекционно-интегральную логику (ИИЛ, или И²Л), на основе которой создаются микросхемы большой степени интеграции высокого быстродействия и с малым потреблением энергии.

Микросхемы на основе полевых транзисторов также широко используются в настоящее время. Наиболее распространены и перспективны схемы, основанные на совместном включении пары транзисторов с каналами разных видов проводимости, так называемые комплементарные структуры (КМОП-структуры) .

Для удобства разработчиков аппаратуры и по технологическим признакам цифровые интегральные схемы выпускают сериями. Серией называют совокупность микросхем различного функционального назначения, которые имеют согласованные электрические и временные параметры для совместного использования. Микросхемы одной серии изготавливают по единой технологии, и они имеют сходное конструктивное исполнение. В состав современных развитых серий входят десятки типов микросхем — от логических элементов до функционально законченных узлов: счетчиков, регистров, сумматоров, запоминающих устройств, арифметико-логических узлов, микропроцессоров и других.