集成电路(ICs)是电子学的同义词。只要有电子产品,肯定就有一个或多个集成电路。没有集成电路就没有电子产品。电子学变得如此流行,被广泛接受,并无处不在地适用,这都归功于集成电路的发明。集成电路是将完整的电子电路微型化地集成在单个半导体芯片上。集成电路的制造过程严格而复杂。这就是为什么,集成电路是高度可靠的,适合大规模生产,具有大电路,占用极小的空间,功耗更低,可以在高频率和高速度下运行。
集成电路的想法最初是在晶体管发明时提出的。传统上,电子电路是通过组装不同的分立元件并将它们互连在原型或印刷电路板上而产生的。随着晶体管的引入,半导体技术实现了一次全面的飞跃,研究人员开始寻找不仅在单个硅片上获得晶体管,而且在单个硅片上获得完整电子电路的方法。这只是一个开始。
在单个硅晶片上可以制造和互连的晶体管和其他电子元件的数量开始迅速增加,每两年几乎加倍。这是普遍称为摩尔定律的法律。自1965年以来,当预测Moore的定律时,今天仍适用于2021年。目前,集成电路是集成在单个半导体芯片上的微观或纳米电路。任何IC的心脏都是模具,在此,制造完整的功能大规模电子电路。作为IC包装的一部分,在坐在紧凑型芯片上的这种微观电路之外,连接的连接是带来的。
与离散电路不同,在IC中制造的组件不能被拆卸或更换。该电路保持为单个单元,无法修改。这就是为什么微小骰子上的这些微观电路称为集成电路。
集成电路的类型
集成电路是一种复杂的电子学形式。它们有各种各样的特性、包装、应用和复杂性。尽管如此,还是有可能根据一些广泛的分类因素对各种集成电路进行分类。
任何集成电路基本上都是集成电子电路的小型化。因此,实现小型化的规模是IC芯片分类的一个标准。这取决于单个IC中集成了多少晶体管或逻辑门。根据芯片尺寸,集成电路分类如下-
- 小规模集成
- 中规模集成
- 大规模集成
- 超大规模集成
- 超大规模集成
集成电路被分类的另一个因素是它们的电路类型。毕竟,电子产品就是信号。根据信号类型,集成电路分为-
- 数字集成电路
- 模拟集成电路
- 混合信号集成电路
分类IC的第三种方法是通过其制造技术。在此基础上,集成电路归类为以下 -
- 薄而厚的薄膜IC
- 单片集成电路
- 混合动力/多片ICs
基于芯片尺寸的IC分类
整合规模始终是半导体行业的灵感和愿望。积分标度表示集成在单个芯片上的晶体管或门的数量。在此基础上,集成电路具有以下类型:
小规模集成–在1961-1965年集成电路技术发展初期,集成电路只有少数几个组件集成在一个芯片上,通常是2到10个晶体管。目前,在一个芯片上有10到100个晶体管,在芯片上有3到30个门的集成电路被归类为小型集成电路。这些集成电路用于制作触发器和逻辑门集成电路。
中规模集成- 下一个更高级别的IC集成是中等规模,其中,通常在单个芯片上制造每芯片30至300次逻辑门的100到1000个晶体管。中型集成技术在1966年和1971年之间突出。该技术用于制作多路复用器,解码器,计数器和寄存器。
大规模集成—从1971年到1979年,大规模集成电路(LSI)技术取代了MSI技术。在大规模集成中,在一块芯片上制造数千个晶体管——通常是1000到20000个晶体管,每个芯片产生300到3000个门。这种技术被用于制造RAM、ROM和微处理器。
超大规模集成–从1980年到1984年,实现了超大规模集成(VLSI)。在超大规模集成电路(VLSI)技术中,数万个晶体管——通常为20000到50000个晶体管,每个芯片有3000个门——在一个芯片上制造。该技术用于设计数字信号处理器(DSP)、RISC处理器、16位和32位微处理器以及微控制器。
超大规模集成–1984年后至今,已实现超大规模集成(ULSI)。在ULSI技术中,在单个芯片上制造了50000到数十亿个晶体管。ULSI技术主要用于设计64位及以上微处理器和控制器。
集成电路集成规模的未来在于纳米技术。尽管研发成本不断上升,摩尔定律仍然有效。半导体制造商仍然,并且可能总是期望实现更高水平的集成。现代电子应用(人工智能、机器学习、深度学习、云计算、物联网、AIoT、增强现实、混合现实、全息现实、超级计算、科学计算等)对内存和计算能力的要求越来越高。半导体行业可能永远不会达到饱和点,集成度也可能永远不会结束。
基于信号类型的分类–
电子器件是关于处理信号的。因此,所有电子电路以及集成电路也被分类为以下类型:
模拟/线性集成电路-这些集成电路设计用于处理连续信号。在这些集成电路中,输入和输出具有线性关系。这些集成电路被设计用于操作放大器、差分放大器、计时器、传感器、电压稳压器、模拟乘法器、锁相环、调制器、解调器、音频滤波器等应用。模拟集成电路的基本组成部分是运算放大器。
数字IC.–这些集成电路设计用于处理数字信号,即0或1、高或低、开或关。这些IC具有逻辑输入,并输出一个或另一个逻辑功能。数字集成电路是半导体行业的旗舰产品。这些IC设计用于触发器、逻辑门、计数器、寄存器、多路复用器、解码器、编码器、微处理器和微控制器等应用。
混合信号集成电路-这些集成电路设计用于处理模拟和数字信号的组合。这是设计起来最复杂的电路,因为模拟电路和数字电路都有不同的功率要求、信号电平和功能。这些集成电路是为模数转换、数模转换、以太网、无线电和电源管理等应用而设计的。
基于制造的分类
集成电路技术是电子技术的核心。集成电路通过各种严格的制造工艺得以实现。根据制造技术,集成电路的类型如下:
薄膜和厚薄膜集成电路- 在这些类型的集成电路中,在片上制造无源部件,而晶体管和二极管作为单独的部件连接以形成单个完整的电子电路。这些IC基本上基本上是一个包装中的集成和离散组件的组合,提供统一功能。在薄膜技术中,通过在玻璃或陶瓷基板上沉积导电材料薄膜,在IC上制造电阻器和电容器等电阻器和电容器。通过改变导电材料的厚度,控制电阻率和电容的被动电性能。在厚膜技术中,通过在陶瓷基板上使用丝印技术沉积导电材料来制造所需的无源部件。在该技术中,电路连接由导电或电介质浆料制成,并且使用不锈钢线的网作为屏幕。在陶瓷基板上印刷电路后,将其在高温下烧制,以将电路注入模具上。
单片集成电路-在单片集成电路中,所有无源、有源和分立元件都在单晶硅上制造。这些是目前最常用的集成电路类型。生产方便,运行可靠。虽然这是目前应用最广泛的集成电路制造技术,但它仍然面临着许多实际挑战。这些挑战中最显著的是绝缘性能差、额定功率有限和信号噪声。
混合动力/ Multi-Chip ICs- 在这些类型的IC中,多个单独的芯片在单个包中互连。像电阻器和电容器等晶体管和二极管和无源元件等有源部件在芯片上扩散并使用金属连接互连。这些IC主要用于大功率应用(5W至50W)或高性能应用。与单片IC相比,混合动力IC在技术和设计方面更好。
结论
集成电路是电子设备的核心。在本文中,我们只涵盖了现代IC的简单分类。这只是一个小型帝国IC技术的小绦虫。IC设计和制造过程,两者都是无尽主题。关于IC的了解更多信息。集成电路的未来位于纳米电子中。这是另一个巨大而令人迷人的话题。
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