10.3.  Особенности интегральных схем как нового типа электронных приборов

Поскольку ИС, подобно транзистору, представляет собой кон­структивное единое целое, выполняет определенную функцию и должна удовлетворять определенным требованиям при испыта­ниях, поставках и эксплуатации, она относится к разряду элект­ронных приборов. Однако по сравнению с диодом, транзистором и т.п. ИС является качественно новым типом прибора.

Первая – главная особенность ИС как электронного прибо­ра состоит в том, что она самостоятельно выполняет закончен­ную, часто весьма сложную функцию, тогда как элементарные электронные приборы выполняют аналогичную функцию толь­ко в ансамбле с другими компонентами. Например, отдельный транзистор не может обеспечить усиление сигнала или запоми­нание информации. Для этого нужно из нескольких транзисто­ров, резисторов и других компонентов собрать (спаять) соответ­ствующую схему. В микроэлектронике же указанные функции выполняются одним прибором – интегральной схемой. Она мо­жет быть усилителем, запоминающим устройством и т.п.

Второй важной особенностью ИС является то, что повыше­ние функциональной сложности этого прибора по сравнению с элементарными не сопровождается ухудшением какого-либо из основных показателей (надежности, стоимости и т.п.). Более того, все эти показатели улучшаются.

Поскольку габариты и масса простых и средних ИС близки к габаритам и массе дискретных транзисторов, то можно считать, что в первом приближении выигрыш по этим показателям при переходе от дискретных схем к интегральным определяется степенью интеграции и может достигать сотен и тысяч раз.

Поскольку надежность работы полупроводникового прибора в аппаратуре определяется, прежде всего, количеством паяных и (в меньшей степени) сварных соединений, то ИС, у которых межсоединения элементов осуществляются путем металлиза­ции (т.е. без пайки и сварки), обладают заведомо повышенной надежностью по сравнению с дискретными схемами, выполня­ющими ту же функцию. По мере увеличения степени интегра­ции этот выигрыш возрастает.

Поскольку все элементы ИС изготавливаются в едином тех­нологическом цикле, то количество технологических операций по их изготовлению не намного превышает количество опера­ций по изготовлению отдельного транзистора. Поэтому стои­мость ИС при прочих равных условиях близка к стоимости од­ного транзистора. Значит, в зависимости от степени интегра­ции (или, точнее, от плотности упаковки), стоимость одного элемента ИС по сравнению со стоимостью аналогичного диск­ретного компонента может быть в сотни раз меньше. Такое же соотношение существует между стоимостью ИС и стоимостью аналогичной схемы, выполненной на дискретных компонентах.

Третья особенность ИС состоит в предпочтительности актив­ных элементов перед пассивными – принцип, диаметрально противоположный тому, который свойствен дискретной транзи­сторной технике. В последней активные компоненты, особенно транзисторы, наиболее дорогие, и потому оптимизация схемы при прочих равных условиях состоит в уменьшении количества активных компонентов. В ИС дело обстоит иначе: у них задана стоимость не элемента, а кристалла; поэтому целесообразно раз­мещать на кристалле как можно больше элементов с минималь­ной площадью. Минимальную площадь имеют активные элемен­ты – транзисторы и диоды, а максимальную – пассивные. Сле­довательно, оптимальная ИС – это ИС, у которой сведены к минимуму количество и номиналы резисторов и, особенно, кон­денсаторов.

Точный выигрыш в габаритах и массе трудно оценить теоретическим расче­том, так как ИС имеют другие типоразмеры корпусов и большее число выво­дов, чем элементарные компоненты.

Четвертая особенность ИС связана с тем, что смежные эле­менты расположены друг от друга на расстоянии, измеряемом в микрометрах или долях микрометра. На таких малых расстояниях различие электрофизических свойств материала маловероятно, а, следова­тельно, маловероятен и значительный разброс параметров у смежных элементов. Иначе говоря, параметры смежных элемен­тов взаимосвязаны (коррелированы). Эта корреляция сохраня­ется и при изменении температуры: у смежных элементов тем­пературные коэффициенты параметров практически одинаковы. Корреляция между параметрами смежных элем