Integrert krets

En integrert krets ( IC , fra engelsk integrert krets ), i digital elektronikk , er en miniatyrisert elektronisk krets der de ulike transistorene alle har blitt dannet samtidig takket være en enkelt fysisk-kjemisk prosess.

En brikke (lit. "piece") er den elektroniske komponenten som består av en bitteliten plate av silisiumplaten ( die ) , som den integrerte kretsen er bygget av; i praksis er brikken støtten som inneholder elementene (aktive eller passive) som utgjør kretsen. Noen ganger brukes begrepet brikke for å indikere den integrerte brikken som en helhet.

Den er laget med utgangspunkt i en dyse av en halvlederwafer ( vanligvis silisium ) gjennom forskjellige mulige integrasjonsskalaer og representerer kjernen eller kjernen eller prosessorenheten til prosessoren . Den integrerte kretsen brukes, i form av et digitalt eller analogt logisk nettverk , for behandling av funksjoner eller behandling av innganger uttrykt i form av elektriske signaler , for å oppnå utgangsdata. Utformingen av den integrerte kretsen skyldes Jack St. Clair Kilby , som i 1958 bygde det første eksemplet bestående av rundt ti elementære komponenter, som han vant Nobelprisen i fysikk for i 2000 .

Historie

Det første konseptet med en "integrert krets" dateres tilbake til 1949 da den tyske fysikeren Werner Jacobi [1] fra Siemens AG [2] patenterte en integrert-lignende forsterkerkrets [3] som inneholdt fem transistorer på et enkelt tre-trinns substrat. Jacobi patenterte systemet for bruk som høreapparat , som typisk industriell bruk. Den neste originale ideen ble presentert av briten Geoffrey Dummer (1909–2002), en vitenskapsmann som jobbet ved Royal Radar Establishment på vegne av Forsvarsdepartementet . Dummer presenterte ideen offentlig på "Symposium on Progress in Quality Electronic Components" i Washington 7. mai 1952. [4] Han laget flere publikasjoner for ideen sin, men klarte ikke å implementere den konkret selv i 1956. Mellom 1953 og 1957, Sidney Darlington og Yasuro Tarui fra Electrotechnical Laboratory (nå National Institute of Advanced Industrial Science and Technology ) foreslo en brikke der flere transistorer ble delt på en monolitt, men det var ingen p-n-kryssisolasjon som skilte dem. [1]

Opprettelsen av monolittiske integrerte kretser (brikker) ble muliggjort av overflatepassiveringsprosessen , som elektrisk stabiliserte silisiumet ved termisk oksidasjon , noe som gjorde det mulig å produsere enhetene. Overflatepassivering ble oppfunnet av Mohamed M. Atalla ved Bell Labs i 1957. Dette muliggjorde den plane prosessen , utviklet av Jean Hoerni ved Fairchild Semiconductor tidlig i 1959. [5] [6] [7] Et nøkkelbegrep som står bak realiseringen av halvlederintegrerte kretser er prinsippet om pn-kryssisolasjon , som gjør at hver transistor kan fungere uavhengig selv om de er tilstede på samme silisiumoverflate. Atalla med sin prosess tillot å elektrisk isolere dioder og transistorer, [8] og tillot opprettelsen av slike enheter til Kurt Lehovec hos Sprague Electric i 1959, [9] og Robert Noyce fra Fairchild samme år, noen måneder senere. [10] [11]

Beskrivelse

Disse systemene er de essensielle maskinvarekomponentene i databehandlingssystemer som datamaskiner (f.eks . prosessor eller CPU ); mikroprosessorer og mikrokontrollere er den integrerte stede på mange elektroniske enheter. Den elektroniske kretsen er laget på et substrat av halvledermateriale ( vanligvis silisium , men også galliumarsenid eller annet) kalt die og kan bestå av noen få enheter opp til noen hundre millioner elementære elektroniske komponenter ( transistorer , dioder , kondensatorer og motstander ). Begrepet integrert refererer nettopp til tilstedeværelsen av en stor og ofte høy konsentrasjon, som en funksjon av den såkalte integrasjonsskalaen og i et lite område, av grunnleggende elektroniske komponenter som er nyttige for å behandle det innkommende signalet.

Kostnaden for å produsere en integrert krets varierer veldig lite (eller forblir konstant) ettersom dens kompleksitet øker, så det er mye billigere å utvikle komplekse kretser, sammensatt av en rekke interne stadier koblet sammen med hverandre og med utsiden, som sentraliserer alle funksjoner som er nødvendige for et bestemt apparat. Som sådan tilbyr mikroelektronikkindustrien relativt få typer generelle IC- er, men titusenvis av spesialiserte ( spesielle formål ) IC-er, hver designet for et bestemt formål.

Utsalgskostnaden for publikum er ganske lav, og varierer mellom 2 og 8 € avhengig av type , mens økningen over tid i antall elektroniske komponenter integrert på brikken følger Moores lov .

Integrerbare komponenter

I en integrert krets kan transistorer og dioder enkelt integreres: det er mulig å lage selv små motstander og kondensatorer i halvledersubstratet , men generelt tar disse sistnevnte komponentene mye plass på brikken og har en tendens til å unngå bruken, og erstatter dem når det er mulig med nettverk av transistorer. Det er også mulig å integrere induktorer , men verdien av induktansene som kan oppnås er svært liten (i størrelsesorden nano Henry (nH)): bruken deres er svært begrenset på grunn av den enorme okkupasjonen av areal som de også krever, selv om bare for å lage induktorer av svært liten verdi. Videre begrenser produksjonsteknologien til integrerte kretser (ikke dedikert til svært høye frekvenser) og derfor de betydelige parasittiske effektene deres ytelse betydelig, spesielt sammenlignet med klassiske induktorer som ikke er på integrerte kretser. Slike integrerte induktorer brukes vanligvis i radiofrekvente integrerte kretser (LNA [12] , mikser , etc.), for eksempel ved frekvenser rundt giga hertz (GHz) [13] . Kondensatorer med middels og stor kapasitet kan ikke integreres i det hele tatt. På den annen side er forskjellige typer IC-er tilgjengelige med reléfunksjonen , dvs. enheter utstyrt med logiske innganger, ved hjelp av for å avbryte eller avlede til og med flere analoge signaler.

Pakken _

En integrert krets kan lages med forskjellige typer pakker :

Pakken kan være i metall , plastharpiks eller keramikk. Kategorien tilpassede kretser inkluderer pakker i både standard og ikke-standard formater, sistnevnte har en unik form og pinout , og produsenter av høyklasses elektroniske måleinstrumenter er mye brukt. Det har vært i bruk i noen tid av produsenter å merke komponenten (i hvert fall de mest populære), med produksjonsdatoen som består av et 4-sifret tall, de to første indikerer året, neste uke.

I løpet av de siste ti årene har produsenter etablert bruken av SMD -versjoner av elektroniske komponenter og integrerte kretser, fordi de er mindre og sparer behovet for å bore komponentholderen, noe som i stor grad forenkler monteringsoperasjoner utført på robotproduksjonslinjer. .

Integrasjonsskala

Integrasjonsskalaen til en integrert krets gir en indikasjon på dens kompleksitet, og angir omtrent hvor mange transistorer som er inneholdt i den. Basert på integrasjonsskalaen kan kretsene klassifiseres i:

For høyere antall transistorer tilstede, er integrasjonen definert som WSI ( Wafer Scale Integration ), som kan inneholde en hel datamaskin.

Koblet til integrasjonsskalaen er ytelseskapasiteten til den integrerte kretsen, som øker med antall transistorer i samsvar med Moores lov .

Fremstillingsprosessen

Utgangsmaterialet er en sirkulær skive av halvleder, kalt substrat , dette materialet, som vanligvis allerede er lett dopet , er ytterligere dopet ved ioneimplantasjon eller ved termisk diffusjon for å skape de aktive sonene til de forskjellige enhetene (f.eks. p og n i transistorer); deretter avsettes en serie tynne lag av forskjellige materialer , dyrket ved epitaksi eller termisk:

Geometrien til områdene som skal motta dopingen og den til de forskjellige lagene er trykt på underlaget med en fotolitografiprosess : hver gang den integrerte kretsen som behandles må motta et nytt lag eller en ny implantasjon av dopingmidler, dekkes den med en tynn film lysfølsom, som imponeres gjennom et fotografisk negativ med svært høy oppløsning (kalt "maske" eller "layout").

Områdene av den opplyste filmen blir løselige og fjernes ved vask, og etterlater den underliggende brikken utildekket, klar for neste fase av prosessering, selektiv fjerning eller doping av områdene uten den lysfølsomme filmen.

Når dannelsen av brikkene på underlaget er ferdig, testes de, underlaget kuttes og brikkene innkapsles i pakker som de skal monteres med på de trykte kretsene gjennom tilkoblinger eller pinner kalt pinner .

Typer

Integrerte kretser er hovedsakelig delt inn i to brede kategorier: analoge og digitale. Det finnes typer kretser som ikke passer inn i disse to: de har spesielle funksjoner, mindre ofte brukt, som for eksempel aktive filtre eller sample and hold . Produsenter grupperer dem i spesialiserte underkategorier.

De analoge er designet for å behandle analoge signaler (det vil si at de kan variere kontinuerlig over tid på en vilkårlig måte), mens de digitale er designet for å håndtere binære digitale signaler, som kun kan få to forskjellige "legitime" verdier. Et eksempel på en generisk analog IC er operasjonsforsterkeren , mens eksempler på digitale ICer er logiske porter , multipleksere og tellere .

Historisk sett var de første integrerte kretsene digitale, utviklet for de første datamaskinene . Disse IC-ene tok i bruk interne RTL -elektriske ordninger (fra R esistor T ransistor L ogic), det vil si at de integrerte en serie motstander på halvledere for de interne polarisasjonene: Deretter ble motstandene erstattet med dioder , og oppnådde DTL ( D iode T ransistor L ogic ), og for rundt tretti år siden ble til og med diodene erstattet med transistorer, og i dag er det meste av de digitale integrerte på markedet TTL ( Transistor Transistor L ogic ) .

Det er en familie kalt ECL ( E mitter C oupled L ogic) hvis driftsprinsipp ble realisert i 1956 i IBM -laboratoriene ; mindre utbredt enn de andre, men fortsatt brukt i dag, kjennetegnes den av en ekstremt rask byttehastighet, på bekostning av det svært høye strømforbruket.

Avhengig av typen transistor som brukes, deles de integrerte kretsene videre inn i Bipolare hvis de bruker klassiske bipolare transistorer eller CMOS ( Comlementary M etal O xide S emiconductor ) hvis de bruker MOSFET -transistorer . På 1990-tallet utviklet Intel en ny hybridteknologi for sine mikroprosessorer, kalt BiCMOS , som gjør at begge typer transistorer kan brukes på samme brikke.

Markedsutgivelser

Som med mange elektroniske komponenter, inkludert dioder og transistorer, markedsføres integrerte kretser også i to eller flere versjoner, som hver har forskjellig elektrisk og termisk ytelse. Siden brikkene ikke alle har helt identiske elektriske egenskaper, gjør produsenten et valg, og deler den samme kretsen i to eller flere ytelsesbånd. Pakken kan også være annerledes .

Parametrene som valget gjøres på kan være de mest varierte: garantert arbeidstemperatur, prosentandel av feil i konverteringen i tilfelle av en A/D-omformer, graden av linearitet til en temperatursensor, garantert arbeidsspenning og mange andre. For eksempel markedsføres operasjonsforsterkeren LM108 også i versjonene LM208 og LM308; den første har bedre ytelse enn den andre, inkludert arbeidsspenningen, fordelen ved å kunne drive operasjonen med 18 speilvolt i stedet for 15, lar deg ha et utgangssignal med et høyere spenningsnivå, eller drevet med et lavere spenning, som garanterer større pålitelighet over tid til kretsen den brukes i.

Generelt er driftstemperaturområdene som kan garanteres for de vanligste familiene av integrerte kretser fire:

åpenbart varierer prisen på enheten også betydelig fra en serie til en annen. Pakken med enhetene i militærserien er nesten utelukkende keramisk.

I noen tilfeller er det produsenten av en elektronisk enhet selv som foretar et ytterligere valg, rettet mot å få komponenten med enda høyere egenskaper, nødvendig for den tiltenkte bruken i kretsen i prosjektet.

I ekstreme tilfeller, når ingen krets på markedet har de egenskapene som er nødvendige for det aktuelle prosjektet, designer og produserer produsenten komponenten selv eller overlater realiseringen til andre; komponenten vil ha en ikke-kommersiell forkortelse og kan ha ikke-standardiserte egenskaper. Det vil være en skikk .

Kostnad

Produksjonskostnadene for integrerte kretser har redusert betraktelig over tid på grunn av stadig mer effektive og automatiserte teknologier og den sterke stordriftsfordelen og har nå blitt elektroniske kretskomponenter til en relativt lav kostnad.

Resirkulering

IBM utviklet i 2007 en metode for å resirkulere silisiumet i brikkene og for å kunne gjenbruke det til solcelleanlegg [14] . Rettssaken vant " Most Valuable Pollution Prevention Award " i 2007.

Merknader

  1. ^ a b Hvem oppfant IC? - @CHM Blog - Computer History Museum , på computerhistory.org , 20. august 2014.
  2. ^ Integrerte kretser hjelper oppfinnelsen , på integrationcircuithelp.com . Arkivert fra originalen 2. august 2020 .
  3. ^ W. Jacobi / SIEMENS AG: "Halbleiterverstärker" prioritetsarkiv 14. april 1949, publisert 15. mai 1952., 833366 , Tyskland.
  4. ^ "The Hapless Tale of Geoffrey Dummer" , på epn-online.com (arkivert fra originalen 11. mai 2013) . , (nd), (HTML), Electronic Product News , åpnet 8. juli 2008.
  5. ^ Bo Lojek, History of Semiconductor Engineering , Springer Science & Business Media , 2007, s. 120 og 321–323, ISBN  978-3-540-34258-8 .
  6. ^ Ross Knox Bassett, To the Digital Age: Research Labs, Start-up Companies, and the Rise of MOS Technology , Johns Hopkins University Press , 2007, s. 46, ISBN  978-0-8018-8639-3 .
  7. ^ Chih-Tang Sah , Evolusjon av MOS-transistoren - fra unnfangelse til VLSI ( PDF ), i Proceedings of the IEEE , vol. 76, n. 10, oktober 1988, s. 1280-1326 (1290), Bibcode : 1988IEEEP..76.1280S , DOI : 10.1109 / , ISSN  0018-9219 .
    "De av oss som var aktive innen forskning på silisiummaterialer og enheter i 1956–1960, betraktet denne vellykkede innsatsen fra Bell Labs-gruppen ledet av Atalla for å stabilisere silisiumoverflaten som det viktigste og mest betydningsfulle teknologifremskrittet, som satte sporet som førte til integrert silisiumkrets. teknologiutvikling i andre fase og volumproduksjon i tredje fase."
  8. ^ Stanley Wolf, En gjennomgang av IC-isolasjonsteknologier , i Solid State Technology , mars 1992, s. 63.
  9. ^ Kurt Lehovecs patent på isolasjonen p – n-kryss: ( EN ) US3029366 , United States Patent and Trademark Office , USA. gitt 10. april 1962, innlevert 22. april 1959. Robert Noyce erkjenner Lehovec i sin artikkel - "Microelectronics", Scientific American , september 1977, bind 23, nummer 3, s. 63–69.
  10. ^ Intervju med Robert Noyce, 1975–1976 , på ieeeghn.org , IEEE. Hentet 22. april 2012 (arkivert fra originalen 19. september 2012) .
  11. ^ D. Brock og C. Lécuyer, Makers of the Microchip: A Documentary History of Fairchild Semiconductor , redigert av Lécuyer, C., MIT Press, 2010, s. 158, ISBN  978-0-262-01424-3 .
  12. ^ Lavstøyforsterker , lavstøyforsterker
  13. ^ Det er mulig å simulere en induktor i en integrert krets ved hjelp av en kondensator med en Gyrator (og i noen integrerte kretser er det laget), men begrensningene ved simuleringsmulighetene (maksimal frekvens, strøm osv.) må tas i betraktning. Andre produsenter er i stand til å simulere en induktor med en krets som bruker aktive komponenter: for eksempel den integrerte kretsen LM2677 fra National Semiconductor hvor i en svitsjintegrert en induktor med høy verdi induktans (20 mH) ( Active Inductor Patent Number 5 514 947 ) simuleres ( PDF ), på cache.national.com (arkivert fra originalen 22. november 2008) . )
  14. ^ Reuters UK: "IBM skal resirkulere silisiumskiver for solenergiindustrien", tirsdag 30. oktober 2007

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Eksterne lenker