Integrált áramkör

Az integrált áramkör (röviden IC, az angol Integrated Circuit rövidítéséből) félvezető lapkán (esetleg lapkákon) kialakított nagyon kis méretű áramkör. Tipikus alkatrésze az integrált tranzisztor. Ebbe a kategóriába sorolhatóak a multichip modulok is, melyek egyetlen tokban több chipet is tartalmazó áramkörök.

Integrált áramkör nagyított belső képe

TörténeteSzerkesztés

Az első integrált áramkört Jack Kilby, a Texas Instruments mérnöke készítette 1958-ban.[1]

ElőnyeiSzerkesztés

Egy integrált formában megvalósított áramkör előnyei egy azonos funkciót megvalósító hagyományos áramkörrel szemben:

  • Nagyobb megbízhatóság
  • Kompakt kivitel, nagy funkciósűrűség kis helyen
  • Nagyobb sebesség
  • Kisebb fogyasztás
  • Gazdaságosabb tömeggyártás

TechnológiaSzerkesztés

A félvezető alapanyag legtöbbször szilícium, de hasz­nálnak más félvezetőt (germániumot), ezek keverékét, mint például a szilícium-germánium , SiGe („feszített szilíciumrács”, angolul: strained silicon) és félvezető tulajdonságú vegyületeket is (vegyület félvezetők). Gyakran alkalmazott vegyületfélvezető a gallium-arzenid (GaAs), alumínium-gallium-arzenid (AlGaAs) és az indium-foszfid (InP). A mai napig a szilícium a legelterjedtebb, mivel tömegtermékek esetén ez a legolcsóbb technológia. A vegyületfélvezetőket speciális alkalmazásokban használják, mint például nagyfrekvenciás áramkörök. Az integrált áramkörök napjainkban planár, azaz réteges technológiával készülnek. Tipikus technológiai lépések a rétegleválasztás, fotolitográfia, maratás, a diffúzió és az ionimplantáció. Az integrált áramkör tipikus alkatrésze a tranzisztor. A hagyományos passzív elemek, mint az ellenállás, a kondenzátor és a tekercs a tranzisztor méretéhez képest jóval nagyobb helyet foglalnak el, emiatt ezeket ritkán használják. Logikai áramkörökben gyakran csak tranzisztorok találhatóak. Ellenállások és kondenzátorok bizonyos megszorítások mellett tranzisztorokkal helyettesíthetőek.

AlkotóelemekSzerkesztés

  • Ellenállásokat főként poliszilícium vezetékből (esetleg más ellenállás anyag vezetékéből), illetve diffúzióval állítják elő. A diffúziós ellenállás négyzetes ellenállása általában nagyobb, mint a poliszilíciumból készült társaié. Az ellenállás értéke növelhető ha az ellenállást "megnyomjuk". A diffúzióval előállított ellenállások határfrekvenciája alacsonyabb a rétegellenállásokénál.
  • A kondenzátorokat két nagy felületű vezető réteg alkotja. Ez lehet fém-fém, poli-fém esetleg MOS kapacitás.
  • Tekercseket egy vezeték spirál alakú elrendezésével alakítják ki. Ha lehetőség van rá elkerülik az alkalmazását, mert a jósága kicsi, valamint nagyon nagy felületet foglal. Sokszor egyetlen tekercs nagyobb helyet foglal el, mint az áramkör összes többi része. Csupán nagyfrekvenciás áramkörökben alkalmazható (kb. GHz-es tartományban). Alacsonyabb frekvenciákon girátor segítségével lehet létrehozni induktivitást. (kb. MHz-es tartományig)

Logikai áramkörökSzerkesztés

 
EPROM belső magja a memóriablokkokkal, vezerlő áramkörrel, és a tokozás lábához vezető vezetékekkel. A mag és a vezetékek védelmére a tokozás gyantával van feltöltve

Jelenleg az integrált áramköri piacot a digitális (logikai) áramkörök túlsúlya jellemzi. Ennek alapvető oka, hogy sok feladat kényelmesebben megoldható digitális formában. Analóg jelek esetén a jeleket legtöbbször amint lehet digitalizálják, digitálisan feldolgozzák, majd visszaalakítják analóg jellé. Ennek oka, hogy digitális formában az információveszteség detektálható, illetve könnyebben elkerülhető, mivel a folytonos analóg jelszintből csupán azt kell eldönteni, hogy az egy adott referenciánál alacsonyabb, vagy magasabb. Ezáltal a kis erősségű zavarok szinte teljesen kiküszöbölhetőek.

A technológia fejlődése mindig kisebb tranzisztorok előállítását tette lehetővé. Így több tranzisztor vált integrálhatóvá egyetlen áramkörbe. Ez a komplexitás növekedés több mint 40 éve őrzi exponenciális jellegét (lásd Moore-törvény). Így a történelem folyamán egyre nagyobb bonyolultságú áramkörök kerültek piacra. Az áramköröket bonyolultságuk alapján is szokás osztályozni, bár ez inkább fejlődési történeti ok.

  • SSI (Small-Scale Integration): kisebb integráltságú elemek; egy-egy részfeladatra készülnek. Tipikus képviselője: logikai kapuk
  • MSI (Medium-Scale Integration): közepes integráltságú elemek; bonyolultabb feladatok megoldására készültek. Például Léptető regiszter, multiplexer
  • LSI (Large-Scale Integration): nagy integráltságú elemek; komplex feladatok ellátására készültek; például szorzók
  • VLSI (Very-large-scale integration): nagy integráltságú elemek; Jellemzőjük, hogy univerzálisan alkalmazhatóra tervezték őket, azaz nem egyetlen részfeladat elvégzésére. Tipikus képviselője: mikroprocesszor

MéretcsökkenésSzerkesztés

Az exponenciálisan fejlődő kicsinyítés legfontosabb mozgatórugója az a felismerés volt, hogy az elemek méretének a csökkenésével nő az integrált áramkörök sebessége, az integrált formában megvalósított áramkörök megbízhatósága nőtt és az integrálható alkatrészek számának növekedése lehetővé tette az egyre komplexebb funkciók megvalósítását. Napjainkban a legfejlettebb processzorok több milliárd tranzisztort tartalmaznak.
Ma már a MOS tranzisztorok kicsinyítése fizikai határokat ért el. Belátható időn belül, egy-két évtized után nem folytatható tovább a MOS tranzisztorok kicsinyítése.

FajtákSzerkesztés

  • Monolit:
    • Bipoláris:
      • p-n átmenetes szigetelés
      • dielektrikumos szigetelés
      • légréteges szigetelés
    • Unipoláris:
      • MOS
      • FET
  • Hibrid:
    • Vékonyréteg
    • Vastagréteg

ForrásokSzerkesztés

JegyzetekSzerkesztés

  1. Félmilliárdot érhet az első integrált áramkör. Index.hu. (Hozzáférés: 2017. szeptember 27.)