интегральная схема

интегра́льная схема

(ИС, интегральная микросхема), микроэлектронное устройство, содержащее большое число объединённых конструктивно и электрически связанных между собой транзисторов, полупроводниковых диодов, конденсаторов, резисторов и др., изготовленных в едином технологическом цикле. Идея создания ИС впервые была выдвинута английским учёным Д. Даммером в 1952 г. Первыми в сер. 1950-х гг. были созданы гибридные схемы. При их изготовлении использовался опыт создания на одной диэлектрической подложке нескольких соединённых между собой конденсаторов. Обкладки конденсаторов и соединительные провода наносились на подложку напылением через трафарет (маску) или методом трафаретной печати. Таким же способом стали создавать резисторы. В результате была освоена технология получения резистивно-ёмкостных схем (RC-схем). Первые гибридные ИС появились, когда на подложку с RC-схемой установили навесные транзисторы, полупроводниковые диоды, конденсаторы и катушки индуктивности. В 1960-х гг. были предприняты попытки создать плёночные транзисторы и диоды, но они оказались неудачными. И поныне активные элементы для гибридных схем изготавливают отдельно, а затем закрепляют на подложке с плёночными пассивными элементами. Наряду с гибридными существуют ИС, у которых все элементы выполнены на основе плёночной технологии, – т. н. плёночные ИС. Они содержат обычно только резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, соединительные проводники; используются как делители напряжения, резистивно-ёмкостные фильтры и др.

В 1959 г. в США была разработана технология создания монолитных, или полупроводниковых, ИС, получившая название планарной. По этой технологии как отдельные полупроводниковые приборы, так и ИС в целом изготавливаются путём формирования в тонком (5—10 мкм) приповерхностном слое полупроводниковой монокристаллической пластины (чаще всего из Si) областей с различным типом проводимости (дырочной и электронной) или с разной концентрацией примесей, в совокупности образующих структуру полупроводникового прибора или ИС. Такие области создаются локальным введением в рабочий слой примесей через маску (трафарет), обычно из оксида кремния (SiО₂), формируемую при помощи фотолитографии. Характерной особенностью планарной технологии является многократное повторение процессов оксидирования (создание изолирующего слоя SiО₂), избирательного травления оксидного слоя (изготовление маски), легирования примесями незащищённых участков поверхности, нанесения токопроводящих металлических дорожек (металлизация). В результате в приповерхностном слое пластины формируется нужное количество граничащих между собой областей любой конфигурации с различными типами проводимости, изолирующих слоёв и межсоединений, образующих активные и пассивные элементы ИС. Все эти элементы имеют выход на одну сторону пластины, что позволяет через окна в SiО₂ соединять их в соответствии с заданной схемой металлическими (обычно Al) проводниками, наносимыми методом осаждения в вакууме. Таким образом на одной полупроводниковой пластине (в виде диска диаметром 120–200 мм и толщиной в несколько сотен микрон) можно создать несколько сотен и даже тысяч ИС, после чего пластину разрезают на отдельные кристаллы – чипы (от английского chip – осколок), каждый из которых содержит одну ИС. Каждый чип заключают в герметичный металлокерамический, керамический, металлостеклянный или пластмассовый корпус; выпускают и бескорпусные ИС с герметизирующим покрытием. Для установки ИС на их корпусах имеются электрические выводы (иногда до нескольких сотен) под пайку или сварку.

Сложность ИС характеризуется её степенью интеграции. Все ИС условно делят на малые (МИС – до 10² элементов на кристалл), средние (СИС – до 103), большие (БИС – до 10⁴), сверхбольшие (СБИС – до 106) и ультрабольшие (УБИС – до 109 элементов на кристалл). Плотность размещения элементов на поверхности кристалла ограничивается возможностью отвода тепла, выделяемого при работе ИС; на 1 смІ полупроводниковой пластины можно разместить до 106 транзисторов.

По выполняемым функциям ИС делятся на два основных класса: аналоговые и цифровые. Аналоговые ИС бывают монолитными и гибридными. На их основе создают операционные усилители, усилители низких, промежуточных и высоких частот, компараторы и стабилизаторы напряжения, ограничители, фильтры частотной селекции, устройства для перемножения, деления, модуляции, калибровки сигналов и др. Цифровые ИС предназначены для преобразования сигналов, выраженных в двоичном и ином цифровом коде. Они представляют собой множество транзисторных ключей, обладающих двумя устойчивыми состояниями (разомкнутым и замкнутым). На основе цифровых ИС строят запоминающие устройства, дешифраторы, мультиплексоры, устройства выборки, интерфейсные и другие устройства вычислительной техники вплоть до микропроцессоров и однокристальных ЭВМ. Особым видом ИС являются аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи, служащие для преобразования аналоговых сигналов в цифровые и наоборот. Такие ИС широко применяют в устройствах обработки информации, автоматического управления, передачи данных, в измерительно-информационных системах, автоматических регистрирующих приборах и др. ИС различного функционального назначения позволяют создавать разнообразную электронную аппаратуру на принципах комплексной миниатюризации с существенным уменьшением массы и энергопотребления, повышением быстродействия, надёжности и качества и увеличением массового промышленного выпуска аппаратуры.