В современном взаимосвязанном мире электроника играет жизненно важную роль практически во всех аспектах нашей жизни. От бытовой техники до спутников связи, электронные устройства стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Даже на наш сон влияют цифровые технологии с такими функциями, как цифровой звук, сенсорная обратная связь и анализ данных. Несмотря на разнообразие функций этих электронных систем, все они опираются на общий основополагающий компонент — интегральную схему.
Что же такое интегральная схема (ИС)? Часто называемая «чипом», ИС изготавливается из полупроводникового материала, известного как кремний. Внутри кремния крохотные электронные компоненты, называемые транзисторами, сложны и соединены между собой с помощью многослойных межсоединений на поверхности кремния.
Интегральные схемы, представляющие собой компактные электронные микросхемы, состоящие из взаимосвязанных компонентов, таких как резисторы, транзисторы и конденсаторы, являются основой многих технологий. Без них наше технологически зависимое общество было бы в растерянности.
Интегральные схемы, построенные на одном куске полупроводникового материала, такого как кремний, могут содержать от сотен до миллиардов компонентов, работающих вместе для питания различных устройств. Их применение разнообразно: от детских игрушек и автомобилей до компьютеров и мобильных телефонов. По сути, любое устройство с выключателем питания, скорее всего, использует интегральную схему для выполнения своих электронных функций, выступая в качестве микропроцессора, усилителя или памяти.
Эти схемы создаются с помощью фотолитографии — процесса, в котором используется ультрафиолет для одновременной печати компонентов на одной подложке. Этот эффективный метод позволяет экономически эффективно и надежно производить интегральные схемы. Некоторые преимущества интегральных схем включают их чрезвычайно малый размер, что позволяет создавать компактные устройства, а также высокую надежность, быстродействие и низкое энергопотребление.
Интегральные схемы (ИС) можно разделить на различные типы в зависимости от их сложности и функций. Распространенные типы ИС включают:
- Цифровые ИС: они используются в таких устройствах, как компьютеры и микропроцессоры. Они используются для памяти, хранения данных или логических операций. Цифровые ИС экономически эффективны и просты в разработке для низкочастотных приложений.
- Аналоговые ИС: эти микросхемы предназначены для обработки непрерывных сигналов, величина которых изменяется от нуля до полного напряжения питания. Они используются для обработки аналоговых сигналов, таких как звук или свет. Аналоговые ИС состоят из меньшего количества транзисторов по сравнению с цифровыми ИС, но их более сложна конструкция. Они находят применение в усилителях, фильтрах, генераторах, регуляторах напряжения и схемах управления питанием и обычно присутствуют в электронных устройствах, таких как аудиооборудование, радиочастотные (РЧ) приемопередатчики, средства связи, датчики и медицинские инструменты.
- ИС смешанного сигнала: эти ИС сочетают в себе как цифровые, так и аналоговые схемы и используются в приложениях, где требуются оба типа обработки, например, в экранах, датчиках и коммуникационных приложениях в мобильных телефонах, автомобилях и портативной электронике.
- ИС памяти: эти микросхемы используются для временного или постоянного хранения данных. Примеры ИС памяти включают оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). ИС памяти являются одними из крупнейших ИС по количеству транзисторов и требуют чрезвычайно мощных и быстрых инструментов моделирования.
- Интегральная схема специального назначения (ASIC): ASIC предназначены для эффективного выполнения конкретной задачи. Это не ИС общего назначения, которые можно реализовать в большинстве приложений, а представляют собой системы на кристалле (SoC), настроенные для выполнения целевой функции.