Układy scalone. wstęp

Transkrypt

1 Układy scalone wstęp Ryszard J. Barczyński, 2016 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Układy scalone Układ scalony (ang. intergrated circuit, chip) to zminiaturyzowany układ elektroniczny zawierający w swym wnętrzu od kilku do setek milionów podstawowych elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, rezystory, kondensatory połączonych w pewną całość funkcjonalną.

3 Texas Instruments IC Patent (1964) W. F. Brinkman, et. al., A History of the Invention of the Transistor and Where It Will Lead Us, IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. 32, no. 12, December 1997, pp

4 Układ scalony Jack Kilby (Texas Instruments) 1958 Jack Kilby zbudował pierwszy układ scalony w dzisiejszym tego słowa znaczeniu w sierpniu 1958 roku. Był świeżo zatrudnionym pracownikiem laboratorium badawczego firmy Texas Instruments i nie przysługiwał mu urlop... W 2000 roku dostał za to osiągnięcie Nagrodę Nobla z fizyki.

5 Układ scalony Robert Noyce 1959 Robert Noyce rozwiązał skutecznie problem połączeń wewnętrznych w układach scalonych. Uważa się powszechnie, że niezależnie od Jacka Kilby wpadł na pomysł układu scalonego, ale zrobił to o kilka miesięcy później. Był jednym z założycieli firm Fairchild i Intel.

6 Układy scalone

7

8 Układy scalone Price per Transistor in MPU ($) Dollars to Microcents: Source: DataQuest, Intel

9 Układy scalone

10 Pamięci DRAM sprzedane bity

11 Układy scalone Zwykle układ scalony jest zamknięty w hermetycznej obudowie metalowej, ceramicznej lub wykonanej z tworzywa sztucznego.

12 Układy scalone Zalety scalania: duże upakowanie elementów funkcjonalnych w objętości (miniaturyzacja) duża niezawodność niska cena niskie czasy propagacji sygnału (duża częstotliwość pracy) małe zużycie energii

13 Podział układów scalonych ze względu na typ sygnału Analogowe Cyfrowe Mieszane

14 Podział układów scalonych ze względu na budowę Hybrydowe (grubowarstwowe oraz cienkowarstwowe) Monolityczne

15 Podział układów scalonych ze względu na stopień scalenia małej skali integracji (SSI small scale of integration) średniej skali integracji (MSI medium scale of integration) dużej skali integracji (LSI large scale of integration) wielkiej skali integracji (VLSI very large scale of integration) ultrawielkiej skali integracji (ULSI ultra large scale of integration)

16 Podział układów scalonych układy analogowe Układy analogowe są przystosowane do przetwarzania sygnałów (napięć lub prądów), których wartości zmieniają się w sposób ciągły w pewnym przedziale wartości.

17 Podział układów scalonych układy cyfrowe Roboczymi sygnałami układów cyfrowych są o dwa poziomy napięć (rzadziej prądów): wysoki (H-high) i niski (L-low).

18 Podział układów scalonych układy scalone monolityczne Układy monolityczne to układy scalone, w których wszystkie elementy, zarówno elementy czynne jak i bierne, wykonane są w monokrystalicznej strukturze półprzewodnika. Większość stosowanych obecnie układów scalonych jest wykonana w technologii monolitycznej.

19 Podział układów scalonych układy scalone monolityczne Ze względu na technologię podstawowych elementów: bipolarne PMOS NMOS CMOS Bi-CMOS (Bi-MOS)...

20 Podział układów scalonych hybrydowe układy scalone To płytki wykonane z izolatora z naniesionymi warstwami przewodnika oraz materiału rezystywnego, które tworzą układ połączeń elektrycznych oraz rezystory. Do tak utworzonych połączeń dołącza się indywidualne, miniaturowe elementy elektroniczne (w tym układy monolityczne).

21 Hybrydowe układy scalone

22 Podział układów scalonych grubowarstwowe hybrydowe układy scalone W hybrydowych układach grubowarstwowych rezystory i ścieżki przewodzące wykonywane są metodą sitodruku ze specjalnych past, które są następnie wypalane. Do nich lutowane są pozostałe elementy. Możliwe jest uzyskanie dużej dokładności wartości poszczególnych elementów.

23 Podział układów scalonych cienkowarstwowe hybrydowe układy scalone W hybrydowych układach cienkowarstwowych rezystory i ścieżki przewodzące wykonywane są metodą napylania próżniowego. Do nich lutowane są pozostałe elementy. Niekiedy pokrywa się warstwą metaliczną całą powierzchnię, a ścieżki wykonuje się metodami fotolitograficznymi.

24 Hybrydowe układy scalone Hybrydowe układy scalone są często używane w technice mikrofalowej.

25 Hybrydowe układy scalone Inną dziedziną zastosowań hybrydowe układów scalonych są urządzenia o dużej mocy.

26 Hybrydowe układy scalone Przykład hybrydowego wzmacniacza mocy o dopuszczalnej mocy strat 400W.

27 Hybrydowe układy scalone Przykład hybrydowego wzmacniacza mocy o dopuszczalnym napięciu pracy 450V.

28 Hybrydowe układy scalone Układy optoelektroniczne bywają również realizowane w technice hybrydowych układów scalonych.

29 "Hybrydowe" układy scalone (Photonic Integrated Circuits) Technologia PIC polega na integracji w jednym układzie różnych elementów optycznych laserów, modulatorów, detektorów.

30 Przyszłość?

31 Memrystor Olbrzymie przedsięwzięcie Setka badaczy Zapowiadana komercjalizacja Memrystor jest typem elementu elektronicznego. Przy przepływie ładunku w jednym kierunku, rezystancja memrystora rośnie, a jeśli ładowanie przebiega w przeciwnym kierunku w obwodzie, rezystancja maleje. Jeśli przepływ prądu zostanie zatrzymany (przez wyłączenie przyłożonego napięcia) element będzie "pamiętał" ostatni opór.

32 Memrystor czwarty element... Równania dynamiczne 1. dφ = udt (prawo Faradaya) 2. dq = idt Równania statyczne (materiałowe) 3. du = Rdi rezystor 4. dq = Cdu kondensator 5. dφ = Ldi indukcyjność 6. dφ = Mdq memrystor

33 Memrystor Jak to jest zrobione... Teoretycznie memrystor został pierwotnie zaproponowany przez Leo Chua w W 2008 roku zespół Hewlett Packard Laboratories opracował pierwszy działający model memrystora stosując cienką warstwę dwutlenku tytanu. Urządzenie opracowane przez HP Labs składa się z 50nm warstwy dwutlenku tytanu z dwiema 5nm elektrodami po obu stronach.

34 Memrystor jak to jest zrobione... Wakanse tlenowe działają jako nośniki ładunku. Przy ich unoszeniu na skutek przepływu prądu zmienia się łączny opór obu warstw. Przepływ prądu w przeciwną stronę powoduje, że urządzenie powróci do swojego pierwotnego stanu. Memrystor utrzymuje swoją konfigurację (a więc i opór) gdy przepływ prądu zostaje zatrzymany.

35 Memrystor Zalety memrystora jako elementu pamiętającego Zapewnia dużą gęstość upakowania większą niż konwencjonalna technika na krzemie Zawartość komórki pamięci nie zanika przy wyłączenia zasilania Zużywa niewiele energii, wydziela niewiele ciepła