С развитием космических исследований и расширением использования и производства различных счетно-решающих и управляющих цифровых машин возникла проблема миниатюризации полупроводниковых логических элементов с одновременным повышением их надежности. В СССР было создано и освоено серийное производство ряда новых систем потенциальных логических элементов, которые предназначены для работы в электронных цифровых вычислительных машинах (ЭЦВМ) и устройствах дискретной автоматики. К ним относятся так называемые интегральные элементы. Из-за малых размеров их также часто называют микромодульными. Интегральные элементы представляют собой монолитную структуру, внутри или на поверхности которой в едином технологическом процессе формируются все компоненты электрической схемы. В отечественном приборостроении широкое распространение получила гибриднопленочная технология создания микросхем дискретного действия. В качестве активных компонентов в них используются навесные микроминиатюрные полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы), монтируемые на подложке. На подложку нанесены (напылены) пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, монтажные соединения) в виде тонких пленок из различных материалов.
Все большее распространение получают также интегральные микросхемы на основе структуры металл — диэлектрик (окисел) — полупроводник (МДП, МОП). Их перспективность основана на ряде важных особенностей, присущих МДП-транзистору, таких как: 1) совместимость технологии изготовления МДП-транзисторов с процессом изготовления интегральных схем; 2) техническая возможность построения схем на базе одного компонента, а именно МДП-транзистора, что позволяет выполнять все элементы интегральной схемы (резисторы, транзисторы) на единой пластине кремния; 3) высокое входное сопротивление, малая потребляемая мощность, возможность изменения полярности напряжения между затвором и истоком без шунтирования источника; 4) технологическая выполнимость высокой степени интеграции при низкой стоимости, что обусловлено малой площадью, занимаемой МДП-транзистором на поверхности полупроводниковой пластины, и относительной простотой технологии.
Недостатком современных МДП-транзисторов являются сравнительно низкие граничные частоты. Поэтому схемы на основе МДП- транзисторов целесообразно использовать в системах, где не требуется высокого быстродействия, но которые должны обладать высокой надежностью, малой потребляемой мощностью и низкой стоимостью.
Рис. III.10. К объяснению принципа действия МДП-транзистора. а — поперечное сечение МДП-транзистора; вольт-амперные характеристики МДП-транзистора: б — с обогащением, в — с обеднением.
Поперечное сечение МДП-транзистора представлено на рис. III.10, а. Здесь напыленный на поверхность окисного слоя электрод — затвор МДП-транзистора — управляет проводимостью канала, соединяющего две области р+-типа (исток и сток). Причем ток в канале зависит от разности напряжения между затвором и одним из электродов (истоком) и от величины напряжения, приложенного к стоку, по отношению к истоку. В зависимости от типа проводимости и концентрации примеси в канале различают транзисторы с обогащенным и обедненным каналами. Семейство выходных характеристик для таких транзисторов изображено соответственно на рис. 10, б, в. Входное сопротивление МДП-транзистора определяется утечкой диэлектрика и может составлять сотни и тысячи мегом. Таким образом, вход такого транзистора практически не нагружает предыдущий каскад, что позволяет просто согласовывать схемы друг с другом.
В настоящее время номенклатура интегральных элементов довольно широка и они производятся во все возрастающих количествах. В табл. III.4 для ознакомления приведены основные характеристики нескольких серий полупроводниковых микросхем.
Таблица III.4
Технические данные микросхем
Будучи полупроводниковыми, интегральyые элементы обладают практически теми же свойствами, особенностями, достоинствами и недостатками, которые присущи описанным элементам «Логика Т». Вместе с тем, характеризуя микроминиатюрные логические элементы в целом, можно сказать, что по сравнению с элементами «Логика Т» они могут работать в более широком диапазоне температур (от —60 до +70 или даже до +100° С), при больших вибрационных (до 40 g) и ударных (до 150 g) нагрузках, при повышенной влажности (до 98% при 40° С), им не опасны условия большой разреженности и невесомости, так как все элементы в герметичном исполнении.
В заключение следует отметить основные достоинства и недостатки микро модульных элементов, которые проявляются при применении их в схемах промышленной автоматики.
К достоинствам в первую очередь следует отнести:
1) высокую надежность работы (вероятность безотказной работы λ =3-1081/ч); 2) малые потребляемые мощности, что значительно упрощает решение вопросов, связанных с обеспечением питания схем; 3) малые размеры, что упрощает борьбу с помехами в производственных условиях и позволяет строить сложные многоэлементyые схемы, занимающие небольшие объемы. Это обстоятельство имеет значение и при решении вопросов централизованного управления на компрессорной станции.
Из недостатков серий интегральных элементов необходимо указать: 1) отсутствие предназначенных для них типовых усилителей мощности; кроме того, сравнительно низкие напряжения питания элементов большинства серий и малая выходная мощность затрудняют использование тиристорных выходных усилителей; 2) необходимость в ряде случаев связующих элементов между датчиками и логической схемой; 3) усложнение контроля «земли» на шинах питания в связи с малыми токами управления; 4) отсутствие в сериях микромодулей потенциально-импульсных элементов, что приводит к увеличению количества элементов, используемых при построении различных пересчетных схем.
Однако, несмотря на указанные недостатки, использование интегральных элементов для построения схем автоматики представляется перспективным. Это определяется в первую очередь высокой надежностью и малыми размерами интегральных схем, стоимость которых должна в будущем резко снизиться благодаря возможности полной автоматизации их производства, чего нельзя ожидать для элементов, содержащих, например, сердечники с обмотками.
