Yarim o’tkazgichli mikroelektronikaning fizik asoslari Mikroprosessor turlari

Mikroprosessorli tizimlarning sinflanishi
Reja:

Yarim o’tkazgichli mikroelektronikaning fizik asoslari

Mikroprosessor turlari

Mikroprosessorlarning ishlash va faoliyat ko’rsatish imkoniyatlari

Mikroprosessorning tuzilishi

Xotira va uning ishlash imkoniyatlari

Registrlar va ularning turlari

Ushbu ishda yarim o’tkazgichli mikroelektronikaning fizik asoslari, mikroprosessor turlari, mikroprosessorlarning ishlash va faoliyat ko’rsatish imkoniyatlari, mikroprosessorning tuzilishi, xotira va uning ishlash imkoniyatlari, registrlar va ularning turlari haqidagi asosiy tushinchalar haqida tanishtiriladi.

Yarim o’tkazgichli mikroelektronikaning fizik asoslari

Radioelektron qurilmalar juda ko’p sondagi elektron asboblardan tashkil topadi. Fan va texnikaning rivojlanishi bilan ularning soni va turi yanada ortib bormoqda. Shuning uchun radioelektron qurilmaning mustahkamligi, uzoq, muddat ishonchli hizmat qila olish qobiliyati va boshqa hususiyatlarini oshirgan holda ularning hajmini kichraytirish, og’irligi va sarf qiladigan quvvatini kamaytirish kabi masalalar o’rtaga qo’yilmoqda.
Yarim o’tkazgichlar texnikasining rivojlanishi yarim o’tkazgichli asboblarning ma’lum kombinatsiyadagi sistemasini bir qobiqda joylashtirish imkoniyatini yaratdi. Bunday asboblar modul — sxemalar yoki mikromodullar deb ataladi. Ularda o’ta ixcham qobiqsiz yarim o’tkazgichli asboblap, plyonkali (pardasimon) qarshilik va kondensatorlar ma’lum sxema asosida bir qobiq ichiga yig’iladi va biror elektron qurilmaning to’liq sxemasini tashkil etadi. Shuning uchun ular mikrosxemalar deb ham ataladi.
Mikrosxemalarning 1sm³ hajmida kamida 5 ta element (tranzistor, diod, rezistor, sig’im va induktivlik) qatnashib, ular biror elektron qurilmaning tugallangan sxemasini tashkil etishi lozim. Integral mikrosxema (IMS) deb ataladigan yarim o’tkazgichli asboblar keng qo’llaniladi. Ular qurilmaning umumiy hajmini 20 000 martadan ortiq kichraytirish imkonini beradi. IMS shunday qurilmaki, uning barcha elementlari yoki ularning bir qismi ajralmas qilib bog’langan bo’ladi. Ular bir-biri bilan shunday tutashganki, natijada bir butun qurilma bo’lib hizmat qiladi.
Mikrosxemalarni turlarga ajratish juda ko’p belgilarga asoslanadi: materialining turi, elementlarining soni, funktsional bog’lanishi, qanday maqsadga hizmat qilishi, ishlab chiqarish texnologiyasi, konstruktsiya va boshqalar.
Masalan, bajaradigan ishining turiga qarab — kuchaytirgichlar, generatorlar, mantiqiy elementlar; funktsional maqsadiga qarab— raqamli, qiyosiy
(chiziqli), hissiy— raqamli; ishlab chiqarish texnologiyasi va konstruktsiyasiga qarab — yarim o’tkazgichli, pardasimon (plenkali), gibridli va birlashtirilgan sxemalar mavjud.
IMS ning murakkabligi yarim o’tkazgich kristalida nechta element joylashtirilganligi bilan belgilanadi. Shunga ko’ra mikrosxemalar integrallanish darajasi orqali xarakterlanadi. Masalan, elementlarining soni 10 tagacha bo’lgan mikrosxemalar birinchi darajali integral sxema (IS1) yoki oddiy mikrosxema, elementlarining soni 100 tagacha bo’lganlari—ikkinchi darajali integral sxema (IS2) yoki o’rta (O’IS) mikrosxema deb ataladi.
Elementlarining soni 100-10000 bo’lgan ISlar III darajali, ya’ni katta integral sxema (KIS), 10 000 dan ortiq elementga ega bo’lgan mikrosxemalar esa, o’ta katta (O’KIS), ya’ni yuqori darajada integrallanishli mikrosxemalar hisoblanadi. Oddiy IMSga mantiqiy elementlar, o’rta IMSga esa, kompyuterning xotira qurilmalari, hisoblagichlar, jamlash qurilmalari — summatorlar misol bo’ladi. Arifmetik, mantiqiy va boshqarish qurilmalari katta IMS dir.
Shuni aytish kerakki, mikrosxemalarning integrallanish darajasini orttirish va unga bog’liq elementlar o’lchamini kichraytirishning chegarasi bor. Bir necha o’n ming elementni bir sxemaga birlashtirish (integrallash) texnologik jihatdan juda murakkab bo’lib, iqtisodiy jihatdan maqsadga muvofiq emas. Shuning uchun funktsional mikroelektronikaga o’tilmoqda. Unda qurilmaning biror funktsiyasini bajarish standart elementlar yordamida emas, balki fizik xodisalar asosida bajariladi.
Integral mikrosxemalar funktsional bog’lanishiga qarab 2 hil — impuls — qiyosiy va mantiqiy (logik) bo’ladi. Impuls qiyosiy IMS garmonik yoki impuls tebranishlarni hosil qilish yoki kuchaytirishda, mantiqiy IMS esa, qurilmani elektron kalit rejimida ishlashini ta’minlashda qo’llaniladi.
IMSlarning kichik o’lcham va massaga ega bo’lishi, kam quvvat sarflashi yoki ishonch bilan ishlashi, yuqori tezkorligi, arzonligi va boshqalar ularning afzalliklaridir. IMSning yuqori ishonch bilan ishlashi payvandlanadigan birikmalar sonining kamayishi hisobiga bo’lsa, yuqori tezkorligi — elementlari orasidagi tutashtirish oralig’ining kichikligi bilan xarakterlanadi.
Har bir mikrosxemani ishlatishda tashqi manba kuchlanishi, nagruzkasining kattaligi, ta’sir etuvchi signal xususiyatlari va boshqalar oldindan aniqlangan bo’lishi lozim. Yarim o’tkazgichli, pardasimon, gibridli va birlashtirilgan (qo’shma) IMSlar eng ko’p qo’llaniladigan mikrosxemalardir. Yarim o’tkazgichli IMS yarim o’tkazgich materialidan iborat bo’lib, uning sirtqi qatlamida yoki hajmida elektr sxema elementlariga, tutashtirish simlariga, himoya (izolyatsiya) qatlamlariga ekvivalent bo’lgan sohalar hosil qilingan bo’ladi.
Ko’pincha yarim o’tkazgich sifatida kremniy kristali olinadi. U mikrosxemaning asosini tashkil qiladi va taglik yoki kristall deb ataladi. Kristallda r — n o’tishlar hosil qilish yo’li bilan sxemaning passiv va aktiv elementlari joriy qilinadi. Ular bir-biridan himoyalangan orolchalar deb ataladigan qismlarda tashkil topadi.
Yarim o’tkazgichli IMSlar ko’p to’plamli qilib yasaladi. Har bir to’plamga bir vaktda juda ko’p mikrosxema joylashadi. Masalan, diametri 76 mm bo’lgan bitta plastinkaga 5000 tagacha mikrosxema joylanishi mumkin. Uning har birida 10 tadan 20000 tagacha elektron element qatnashadi. Pardasimon
IMS maxsus taglik sirtida joylashirilgan ko’p qatlamli pardalar to’plamidan iborat. Taglik sifatida shisha, keramika (sopol) kabi materiallar olinadi. Pardasimon IMSlar ikki turga ajratiladi: yupqa (1—2 mkm) pardali va qalin (10— 20 mkm) pardali. Ular faqat qalinliklari bilangina emas, balki taglikka tushirish texnologiyasi bilan ham bir-biridan farq qiladi
Pardasimon IMSdan faqat passiv element — rezistorlar koidensatorlar, induktivlik g’altagi yasaladi. Ulardan RC — filtrlar tuziladi.
Duragay IMS shunday mikrosxemaki, u pardasimon, yarimo’tkazgichli va diskret osma aktiv elementlarning birorta kombinatsiyasini tashkil qiladi. Ular pardasimon IMSning dielektrik tagligiga joylashtiriladi.
Osma element deganda, asosan, ixchamlashtirilgan qobiqsiz diod va tranzistorlar tushuniladi. Ular mustaqil element bo’lib, taglikka yopishtirib (osib) qo’yiladi va parda elementlari bilan ingichka simlar yordamida tutashtiriladi. Duragay IMSda yarim o’tkazgichli IMS ham osma element hisoblanadi. Ayrim hollarda yetarlicha katta sig’im va induktivlik zarur bo’lganda ixchamlashtirilgan kondensator va induktivlik g’altagi ham osma element sifatida joriy qilinadi, chunki pardasimon IMSda katta sig’im va induktivlikka erishish mumkin bo’lmaydi.
Birlashtirilgan IMSda aktiv zlementlar yarim o’tkazgichli mikrosxemadagi, passiv elementlar esa, pardasimon mikrosxemalardagi kabi yasaladi. Ular umumiy taglikka himoyalangan holda joylashtiriladi.
Barcha IMSlar germetik qobiqda o’ralgan bo’lib, undan sxemaga tutashtirish uchlari — elektrodlar chiqariladi.
yarim o’tkazgichli IMSlarning elementlari bilan tanishamiz. Sababi
pardasimon IMSlarda fatsat passiv elementlar — qarshilik, sig’im va induktivlik hosil qilinishi mumkinligi aytilgan edi. Ular taglik sirtiga o’tkazuvchan va himoyalovchi moddalarni purkash yoki pardalar qatlami sifatida joylashtirish yo’li bilan hosil qilinadi. Bunda taglik dielektrik materialdan yasalgani uchun elementlarni bir-biridan himoyalashga xojat qolmaydi. Undan tashqari, taglik yetarlicha qalin va elementlar orasidagi masofa uzoq, bo’lgani uchun ular orasidagi zararli (parazit) sig’imlarni hisobga olmaslik mumkin.
IMSlarning elementlari yarim o’tkazgich kristalining sirti yoki hajmida joylashadi. Ularning har biri yarim o’tkazgichning ma’lum sohasini egallaydi va mustaqil element — diod, tranzistor, rezistor, kondensator va boshqalar bo’lib hizmat qiladi. Bu sohalar bir-biridan yo dielektrik, yoki teskari kuchlanish ulangan r — p o’tishlar yordamida himoya qilinadi. Ular purkash yo’li bilan hosil qilinadigan simchalar yordamida biror elektr sxemani aks ettirgan holda tutashtiriladi. Tutashtirish simchalari metall tarmoqchalar deb ataladi. Ular, asosan, alyuminiydan tayyorlanadi.
Yarim o’tkazgichli IMSlarning elementlarini yasash murakkab texnologik jarayon bo’lib, ularning turlari xilma-xildir. Barcha jarayonlarning negizini tranzistorlar tarkibi tashkil qiladi, ya’ni barcha passiv va aktiv elementlar tranzistor asosida hosil qilinadi. Asos tranzistor vazifasini bipolyar yoki unipolyar tranzistorlar bajaradi.
^: Tranzistorlar. Bipolyar tranzistorlarni yasashda uning har ikki formulasi r — p — r va p — r — p dan foydalaniladi. Ulardan p — r — p turi eng ko’p tarkalgan.
Tranzistorlarni yasashda, asosan, planar va epitaksal — planar deb atalgan texnologik jarayonlar qo’llaniladi. Planar texnologiyada yarim o’tkazgich kristaliga donor va aktseptor moddalar diffuziya usulida kiritiladi. Unda tranzistorlar elektrodlarining tutashtirish uchlari bir tekislikda joylashtiriladi. Bu ularni dielektrik pardasi yordamida tashqi ta’sirlardan himoya qilish imkonini beradi.
Epitaksal planar texnologiya usulida tranzistorlar yupqa monokristallni o’stirish yo’li bilan hosil qilinadi. Planar texnologiya tranzistorlar yasashda eng ko’p tarqalganidir. Lekin bunda IMSda hosil qilinadigan r — p o’tishlar aniq, chegaraga ega bo’lmaydi, chunki diffuziya materialning sirtidan boshlanadi. Shuning uchun qotishmaning atomlari boshlang’ich materialda bir hil taqsimlanmaydi — sirtda ko’p, ichki tarafga esa, kamayib boradi. Bu sxema elementlarining sifatiga katta ta’sir ko’rsatadi. Ikkinchi usulda bu kamchilik yo’qotiladi.
Planer texnologiya asosida yasalgan p — r— p tur-dagi bipolyar tranzistorlarda emitter va kollektor o’tishlaridan utadigan tok vertikal yo’nalishda okadi. Shuning uchun ular vertikal tranzistorlar deb ataladi. Bundan farqlash uchun r — p — r turdagi tranzistorlarda r—p o’tishlardan o’tadigan tok gorizontal yo’nalishda o’tadigan qilinadi va ular gorizontal tranzistorlar deb ataladi.
Shuni aytish kerakki, yarim o’tkazgichli IMSda har doim zararli elementlar ham hosil bo’ladi. Masalan, R — kristall asosida p — r — p turdagi tranzistor yasalganda asos kristall va tranzistorning kollektor va baza sohalari orasida r—p—r turdagi zararli tranzistor hosil bo’ladi. Zararli elementlarning ta’sirini hisobga olish uchun tranzistorning turli xil ekvivalent sxemalaridan foydalaniladi.
Mikroelektronikaning rivojlanishi diskret yarim o’tkazgichlar texnikasida mavjud bo’lmagan yangicha bipolyar tranzistorni yasash imkoniyatini berdi.
Ko’p emitterli yoki ko’p kollektorli tranzistorlar shular jumlasidandir.
Ko’p kollektorli tranzistorlarning tarkibiy kismi ko’p emitterli tranzistorlarnikiga uxshash bo’ladi. Lekin ishlash rejimi farq qiladi.
Unipolyar tranzistorlar ham bipolyar tranzistorlarni yasash texnologiyasi asosida yaratiladi. Lekin ularni yasash osonroq chunki elementlarni himoya qilish talab qilinmaydi va to’plamdagi qo’shni tranzistorlarning istok va stoklari qarama-qarshi yo’nalishda ulangan r — p o’tishlar bilan bir-biridan ajratilgan bo’ladi. Natijada tranzistorlarni o’zaro juda yaqin masofada joylashtirib, sxema elementlari zichligini oshirish imkoni tug’iladi.
— baza o’tishi, kollektor — baza o’tishi va kollektor — taglik («yer») oralig’i. Emitter — baza o’tishi hisobiga hosil qilingan kondensatorning solishtirma sig’imi eng katta (1500 pf/mm² gacha) bo’lib, buzilish kuchlanishi eng kichik (birnecha volt) bo’ladi. Kollektor — baza o’tishidan foydalanilganda esa, kondensatorning SIG’IMI 5— 6 marta kichrayadi, lekin buzilish kuchlanishi shuncha maptaga ortadi. Bu ikki variantda tayyorlangan kondensatorlarning asosiy kamchiligi — kondensator qoplamalari bilan taglik («yer») orasida zararli sig’imning hosil bo’lishidir. Bu kamchilik kondensatorlarning uchinchi turida yo’qotiladi, chunki kondensatorning II koplamasi bo’lib taglik «yer» hizmat qiladi.
Diffuzion kondensatorlar o’zgarmas yoki o’zgaruvchan bo’lishi mumkin. Kondensator sig’imi o’zgarmas bo’lishi uchun r — p o’tishga beriladigan teskari kuchlanish doimiy bo’lishi lozim. Agar bu kuchlanish o’zgaruvchan bo’lsa, sig’im ham o’zgaruvchan bo’ladi. Lekin r—p o’tish sig’im chiziqli bo’lmagan kattalik bo’lgani uchun uning o’zgarishi kuchlanishga mutanosib bo’lmaydi (Teskari kuchlanish 1-10 V oraliqda o’zgarganda kondensator sig’im 2:2,5 marta o’zgaradi).
MOP tarkibli unipolyar tranzistorlarda ham kondensator hosil qilinadi. Lekin ularning sig’im kichik (500 pf gacha) bo’ladi.