Интегральные схемы
проект по физике (8 класс) на тему

Администрация МО «Заиграевский район»

Управление образования   администрации МО «Заиграевский район»

МБОУ  Заиграевская средняя общеобразовательная школа

Интегральные схемы.

История, применение, сборка.

                                                              Выполнил:  ученик 8 класса МБОУ                                                                  Заиграевская  СОШ  Ефимов Николай        

                                                         Руководитель: учитель физики МБОУ                                                                  Заиграевская  СОШ  Буянтуева Л.И.  

Заиграево, 2016 г

Содержание

Введение………………………………………………………………………………..3

Глава 1. История ИС ……………………….………………………….…………....…4

Глава 2. Классификация ИС…………………………………………………………...4

Глава 3. Как делают  ИС…..…………………………………………………………...5

Заключение …………………………………………………………………………..11

Список литературы ……………………………………………………………….…12

Приложения ………………………………………………………………………….13

Введение

Современному человеку сегодня трудно представить свою жизнь без электронно-вычислительной техники. В настоящее время любой желающий может собрать у себя на рабочем столе полноценный вычислительный центр. Но так было не всегда. Как же обходились раньше без современных калькуляторов, машин, быстро производящих сложные вычислительные работы? Когда и благодаря кому появилась на свет вычислительная техника, которой мы так активно пользуемся? Меня очень заинтересовали эти вопросы, и я выбрал данную тему, так как элементную базу всех цифровых устройств (ЦУ) составляют интегральные схемы (ИС), которые также называются микросхемами (МС) или чипами (микрочипами).

Цель моей работы – узнать предысторию создания современных  ИС. Для реализации поставленной цели я ставлю перед собой следующие задачи:

1. Изучить литературу по данной теме.
2. Систематизировать полученные данные.
3. Разработать программу по изучаемой мной теме.

Глава 1. История создания ИС.

Интегральные схемы – это электронные приборы, выполненные на тонких полупроводниковых пластинах, содержащие электронные элементы и выполненные внутри корпуса определённого типа.

ИС со времени изобретения в США в 1959 г. постоянно совершенствуются и усложняются. Быстрый прогресс в области изготовления интегрируемых схем привел к резкому росту объёма их производства и снижению стоимости. В результате использования МС стало возможным не только в сложных специализированных устройствах (таких, как ЭВМ), но и в разнообразных измерительных приборах, управляющих и контролирующих системах. Круг потребителей МС непрерывно расширяется.

Интенсивное производство микропроцессоров не снижает потребности в более простых схемах. Существует очень много приложений, в которых применение микропроцессоров, требующих вспомогательных устройств, является неэффективным. Техническое решение на основе ИМС часто обеспечивает большие быстродействие и надежность. Поэтому ознакомление с методами их использования безусловно необходимо. ИМС распространены сейчас настолько широко, что умение применять их при проектировании различных устройств должно быть обязательным элементом профессиональной грамотности современного инженера.

Глава 2. Классификация ИС.

Характеристикой сложности ИС является уровень интеграции, оцениваемый либо числом базовых логических элементов (ЛЭ), либо числом транзисторов, которые размещены на кристалле.

В зависимости от уровня интеграции ИС делятся на несколько категорий: МИС, СИС, БИС, СБИС, УБИС (соответственно малые, средние, большие, сверхбольшие, ультрабольшие ИС).

МИС – это МС с очень небольшим числом элементов (несколько десятков). МИС реализуют простейшие логические преобразования и обладают очень большой универсальностью – даже с помощью одного типа ЛЭ можно построить любое ЦУ.

СИС– это МС со степенью интеграции от 300 до нескольких тысяч транзисторов (обычно до 3000). В виде СИС выпускаются в готовом виде такие схемы, как малоразрядные регистры, счётчики, дешифраторы, сумматоры и т. п. Номенклатура СИС должна быть более широкой и разнообразной, т. к. их универсальность по сравнению с МИС снижается. В развитых сериях стандартных ИС насчитываются сотни типов СИС.

БИС – МС с числом логических вентилей от 1000 до 5000 (в некоторых классификациях – от 500 до 10000). Первые БИС были разработаны в начале 70-х годов прошлого века.

СБИС – гигантская (сверхбольшая, сверхвысокая) – это МС, содержащие на кристалле от 100000 до 10 млн. или более 10 млн. транзисторов или логических вентилей.

УБИС – ультрабольшая (ультравысокая) – это МС, в которых число транзисторов на кристалле составляет от 10 млн. до 1 млрд. К таким схемам можно отнести современные процессоры.

В настоящее время в радиоэлектронных системах, в средствах вычислительной техники, системах управления и информационно-измерительной технике используется широкий спектр больших (БИС) и сверхбольших интегральных микросхем (СБИС), которые получили в последнее десятилетие прогрессирующее развитие.

К БИС и СБИС можно отнести: микропроцессорные комплекты и микроконтроллеры, программируемые логические матрицы и базовые матричные кристаллы, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, а также запоминающие устройства. Эти сложные в структурном построении и функциональном понимании интегральные компоненты нашли широкое применение в указанных системах и являются основой их построения.

Глава 3. Как делают микросхемы?

Что может быть проще, чем обычный песок, и что может сравниться по сложности с компьютерными микросхемами? Между тем кремний как раз и является исходным материалом для производства интегральных схем, которые сегодня управляют всеми электронными устройствами, начиная от суперкомпьютеров и заканчивая сотовыми телефонами и микроволновыми печами.

Превращение песка в крошечные устройства, включающие в себя миллионы компонентов, — величайшее достижение ученых и инженеров, казавшееся совершенно невозможным всего полвека тому назад, до изобретения в 1947 году сотрудниками лаборатории Bell Labs транзистора. Кремний — естественный полупроводник. При определенных условиях он способен проводить электричество, в других же случаях выступает в роли изолятора. Электрические свойства кремния можно изменять, добавляя в него различные примеси. Этот процесс называется легированием. Подобные добавки превращают кремний в идеальный материал для изготовления транзисторов — простейших устройств, видоизменяющих электрические сигналы. Транзисторы могут также выполнять функции переключателей, комбинация которых позволяет реализовать логические операции «и», «или», «не».

На заводе песок плавится и очищается, превращаясь в однородные слитки кремния с чистотой 99,9999%. Специальные ножи разрезают слитки на пластины толщиной с мелкую монету и диаметром в несколько дюймов. Пластины очищаются и шлифуются. Каждая из них служит для изготовления множества микросхем. Этот и последующий этапы выполняются в так называемой «чистой» комнате, в которой особо тщательно следят за отсутствием пыли и других инородных тел.

Непроводящий слой диоксида кремния на поверхности кремниевой пластины расширяется и покрывается светочувствительным химическим соединением.

Это соединение (фоторезист) подвергается воздействию ультрафиолетового облучения через специальный шаблон, или маску, для закрепления участков, обработанных излучением. Необработанные области протравливаются горячим газом, который обнажает подложку диоксида кремния, находящуюся внизу. Подложка и нижний слой кремния вытравливаются для получения пластины нужной толщины. Электрическую проводимость отдельных компонентов микросхемы также можно изменить за счет легирования их специальным химическим составом при высокой температуре и давлении. Таким образом на каждом этапе мы получаем все более сложную интегральную схему.

Для формирования проводников, которые связывают отдельные компоненты, вытравленные ранее на микросхеме, она покрывается тонким слоем металла (как правило, это алюминий или медь). После этого путем литографии и вытравливания удаляется весь металл, за исключением тоненьких проводников. Иногда на микросхему накладывается несколько слоев проводников, разделенных стеклянными изоляторами.

Первая логическая схема на кристаллах кремния была изобретена 52 года назад и содержала только один транзистор. Один из основателей компании Fairchild Semiconductor Роберт Нойс в 1959 году изобрел устройство, которое затем стало называться интегральной схемой, микросхемой или микрочипом. А почти на полгода раньше похожее устройство придумал инженер из  компании Texas Instruments Джэк Килби. Можно сказать, что эти люди стали изобретателями микросхемы.

Интегральной микросхемой называется система из конструктивно связанных элементов, соединенных между собой электрическими проводниками. Также под интегральной схемой понимают кристалл с электронной схемой. Если интегральная схема заключена в корпус, то это уже микросхема.

Первая действующая интегральная микросхема была представлена Килби 12 сентября 1958. В ней использовалась разработанная им концепция, базирующаяся на принципе изоляции компонентов схемы p-n-переходами, изобретенном Куртом Леховеком.

Внешний вид новинки был немного страшноват, но Килби и не предполагал, что показанное им устройство положит начало всем информационным технологиям, иначе, по его словам, он сделал бы этот прототип покрасивее.

    Своим возникновением и самим существованием микроэлектроника обязана созданию нового сверхминиатюрного электронного элемента — интегральной микросхемы. Появление этих схем, собственно, не было каким-то принципиально новым изобретением — оно прямо вытекало из логики развития полупроводниковых приборов. Поначалу, когда полупроводниковые элементы только входили в жизнь, каждый транзистор, резистор или диод использовался по отдельности, то есть заключался в свой индивидуальный корпус и включался в схему при помощи своих индивидуальных контактов. Так поступали даже в тех случаях, когда приходилось собирать множество однотипных схем из одних и тех же элементов. Но постепенно пришло понимание того, что подобные устройства рациональнее не собирать из отдельных элементов, а сразу изготавливать на одном общем кристалле, тем более что полупроводниковая электроника создавала для этого все предпосылки. В самом деле, все полупроводниковые элементы по своему устройству очень похожи друг на друга, имеют одинаковый принцип действия и различаются только взаиморасположением p-n областей. Эти p-n области, как мы помним, создаются путем внесения однотипных примесей в поверхностный слой полупроводникового кристалла. Причем надежная и со всех точек зрения удовлетворительная работа подавляющего большинства полупроводниковых элементов обеспечивается при толщине поверхностного рабочего слоя в тысячные доли миллиметра. В самых миниатюрных транзисторах обычно используется только верхний слой полупроводникового кристалла, составляющий всего 1% его толщины. Остальные 99% выполняют роль носителя или подложки, так как без подложки транзистор просто мог разрушиться от малейшего прикосновения. Следовательно, используя технологию, применяемую для изготовления отдельных электронных компонентов, можно сразу создать на одном кристалле законченную схему из нескольких десятков, сотен и даже тысяч таких компонентов.

Заключение.

Изучение цифровой электроники представляется сложным начинать с системотехники и микросхемотехники интегральных устройств, а тем более осваивать проектирование систем на их основе. Поэтому необходимо, прежде всего, изучить внутреннее устройство и алгоритмы работы менее сложных функциональных узлов цифровой электроники, таких как ИС.

Микроэлектроника — наиболее значительное и, как считают многие, важнейшее научно-техническое достижение современности. Сравнить ее можно с такими поворотными событиями в истории техники, как изобретение книгопечатания в XVI веке, создание паровой машины в XVIII веке и развитие электротехники в XIX. И когда сегодня речь заходит о научно-технической революции, то в первую очередь имеется в виду именно микроэлектроника. Как ни одно другое техническое достижение наших дней, она пронизывает все сферы жизни и делает реальностью то, что еще вчера было просто невозможно себе представить. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить о карманных микрокалькуляторах, миниатюрных радиоприемниках, электронных управляющих устройствах в бытовых приборах, часах, компьютерах и программируемых ЭВМ. И это лишь небольшая часть области ее применения!

Список литературы

1. Новый справочник школьника. 5-11 класс. Универсальное пособие. Т.2. – СПб.:ИД «ВЕСЬ», 2002

2. http://historyvt.narod.ru/

3. http://sch69.narod.ru/mod/1/6506/hystory.html

4. http://info-cool.ru/kak-lyudi-uchilis-schitat/

5. http://www.referat.ru/referats/view/11384

6. http://v-science.ru/view/439214/

7. http://www.pandia.ru/1912/

Приложения

Приложение 1. Первая действующая интегральная микросхема.

Приложение 2. Интегральная микросхема.