浅谈集成电路应用

2012-12-17河北省地矿中心实验室杨红国徐崇颖

电子世界 2012年7期

河北省地矿中心实验室杨红国徐崇颖

一、引言

集成电路技术作为微电子技术的一个重要门类和组成部分，其技术发展遵循着著名的摩尔定律，仅仅需要1.5年的时间就能够将相同性能的电路压缩到原有体积的一半，而进40年来，集成电路的体积几乎缩小了30000倍。当前，顶尖的集成电路研发技术掌握在少数几个发达国家的研究机构手中，而与集成电路息息相关的IC产业已经被高度整合，从设计，到制造，到封装再到测试，已经形成了一条完整的产业链，集成电路的广泛应用不断地推动着科技的进步，也不断地改变着人类的生活。本文将讨论集成电路的原理，分析集成电路的发展，最后讨论集成电路的应用。

二、集成电路概述

微电子学是一种结合了电子学以及材料物理学的综合学科，该学科的主要研究认为是将半导体材料进行适当处理，制造出微型电子电路、微型电子系统以满足各种应用需要。基于微电子技术发展起来的集成电路技术主要囊括了材料技术、电路技术、集成封装技术等几个门类，主要通过将晶体管器件、电阻器件、电容器件等按照电路原理高度集成在一起，从而实现电路的某种功能，从集成电路输入输出关系来看，集成电路一般可以分为模拟集成电路和数字集成电路两种。

三、常见集成电路举例

1.7 4LS138译码器

74LS139集成电路是常见的两个2线－4线译码器，共有54/74S139和54/74LS139两种线路结构型式，当选通端（G1）为高电平，可将地址端（A、B）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。若将选通端（G1）作为数据输入端时，74LS139还可作数据分配器。A、B译码地址输入端，高电平触发；芯片的G1、G2为选通端，低电平触发有效；Y0～Y3为译码输出端。

2.7 4ls244缓冲器

74LS244是一种3态8位缓冲器，一般用作总线驱动器。74LS244芯片没有锁存的功能，地址锁存器就是一个暂存器，74LS244根据控制信号的状态，将总线上地址代码暂存起来。8086/8088数据和地址总线采用分时复用操作方法，即用同一总线既传输数据又传输地址。

当微处理器与存储器交换信号时，首先由CPU发出存储器地址，同时发出允许锁存信号ALE给锁存器，当锁存器接到该信号后将地址/数据总线上的地址锁存在总线上，随后才能传输数据。

3.5 55定时器

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，是最常见的定时器集成电路。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V～16V工作，7555可在3～18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。一般来说，555定时器的功能实现由比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。

555的应用：

（1）构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路等；

（2）构成多谐振荡器，组成信号产生电路，振荡周期：T=0.7（R1+2R2）C；

（3）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。

555应用电路采用以上三种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。

四、集成电路发展

电路工艺是集成电路技术中最为基础的部分，主要涉及到扩散技术、氧化技术、光刻腐蚀技术以及薄膜再生技术等方面。上世纪六十年代末，微电子研究人员充分研究了氧化二硅系统的电性质，完成了界面物理研究的理论储备，紧接着科学家通过控制钠离子玷污的手法，配合使用高纯度的材料，成功实现了MOS集成电路的生产，由于MOS电路在工艺上易于控制、功耗很低、集成度高、可裁剪性强等优点，当前半导体工业中，绝大多数的集成电路有使用MOS或者CMOS结构。

制版技术方面的关键技术的光刻技术，光刻技术最初被使用在照相术上面，上世纪五十年代末被应用到半导体技术中，仙童公司巧妙地使用光刻技术实现了集成电路的图形结构。使用光刻技术制造的器件相互连接时可以不使用手工焊接技术，而是采用真空金属蒸发技术，使用光刻技术实现电路的绘制。近年来，随着光刻技术的发展，光刻技术的加工精度已经达到超深亚微米数量级。

电路设计方面。1971年，Intel公司第一台微处理器的发明是集成电路技术对人类做出的最大贡献之一，微处理器的发明开辟了计算机时代的新纪元。微处理器的发明带动了以CMOS为基础的超大规模集成电路系统的发展，也带动了智能化电子产品的飞速发展，是信息技术的基础原件和实物载体。近年来，随着集成电路技术的发展，科学家将量子隧穿效应技术应用到集成电路领域，推动了信息化社会的进程。

工艺材料方面。随着材料科学的不断发展，很多新材料技术和新物力技术不断地被应用到集成电路领域当中，铁电存储器和磁阻随机存储器就是其中的代表。当前集成电路技术的发展突显出一些新的特征，主要表现在从一维向多维发展，向材料技术、微电子技术、器件技术以及物理技术提出了更高的要求，集成电路的发展也正因为如此遭遇瓶颈，物理规律的限制、材料科学的限制、技术手法的限制。不过与此同时，宽禁带的SiC、GaN以及AIN等材料击穿电压值高、禁带值高、抗辐射性能好，应经被广泛应用，所制造器件在高频工作状态、高温状态以及大功率状态下性能优异，是集成电路的发展方向。