Circuit integrat

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - „Microcip” se referă aici. Dacă sunteți în căutarea altor semnificații, consultați Microchip (dezambiguizare) .
Trei circuite integrate în pachetele DIP din plastic respective cu diferiți pini de ieșire

Un circuit integrat ( IC , din circuitul integrat englez ), în electronică digitală , este un circuit electronic miniaturizat în care diferiții tranzistori au fost formați în același timp datorită unui singur proces fizico-chimic.

Un cip (lit. „piesa“) este componenta electronică compusă dintr - o placă mică din siliciu plachetei ( die ), din care este construit circuitul integrat; în practică, cipul este suportul care conține elementele (active sau pasive) care alcătuiesc circuitul. Uneori, termenul cip este folosit pentru a indica cipul integrat ca întreg.

Circuitul integrat este utilizat, sub forma unei rețele logice digitale sau analogice , pentru prelucrarea funcțiilor sau prelucrarea intrărilor exprimate sub formă de semnale electrice , în scopul obținerii datelor de ieșire. Proiectarea circuitului integrat se datorează lui Jack St. Clair Kilby , care în 1958 a construit primul exemplu format din aproximativ zece componente elementare, pentru care a câștigatPremiul Nobel pentru fizică în 2000 .

Istorie

Robert Noyce a inventat prima monolitic IC în 1959, realizat din siliciu și fabricate cu ajutorul lui Jean Hoerni lui proces planare și Mohamed M. Atalla lui pasivizare proces

Primul concept de „circuit integrat” datează din 1949, când fizicianul german Werner Jacobi [1] de la Siemens AG [2] a brevetat un circuit amplificator asemănător [3] care conținea cinci tranzistoare pe un singur substrat cu trei trepte. Jacobi a brevetat sistemul pentru utilizare ca aparat auditiv , ca uz industrial tipic. Următoarea idee originală a fost prezentată de britanicul Geoffrey Dummer (1909-2002), un om de știință care a lucrat la Royal Radar Establishment în numele Ministerului Apărării . Dummer a prezentat public ideea la „Simpozionul privind progresul componentelor electronice de calitate” din Washington DC la 7 mai 1952. [4] El a realizat mai multe publicații pentru ideea sa, dar nu a reușit să o pună în aplicare concret chiar și în 1956. Între 1953 și 1957, Sidney Darlington și Yasuro Tarui de la Electrotechnical Laboratory (acum Institutul Național de Științe și Tehnologii Industriale Avansate ) au propus un cip în care mai mulți tranzistori erau împărțiți pe un monolit, dar nu exista o izolație a joncțiunii p - n care să le separe. [1]

Crearea circuitelor integrate monolitice (cipuri) a fost posibilă prin procesul de pasivare a suprafeței, care a stabilizat electric siliciul prin oxidare termică , făcând posibilă fabricarea dispozitivelor. Pasivizarea suprafeței a fost inventată de Mohamed M. Atalla la Bell Labs în 1957. Acest lucru a făcut posibil procesul plan , dezvoltat de Jean Hoerni la Fairchild Semiconductor la începutul anului 1959. [5] [6] [7] Un concept cheie care stă în spatele realizării circuitelor integrate semiconductoare este principiul izolației joncțiunii pn , care permite fiecărui tranzistor să funcționeze independent chiar dacă sunt prezenți pe aceeași suprafață de siliciu. Atalla cu procesul său a permis izolarea electrică a diodelor și tranzistoarelor, [8] permițând crearea unor astfel de dispozitive lui Kurt Lehovec la Sprague Electric în 1959, [9] și Robert Noyce de la Fairchild în același an, câteva luni mai târziu. [10] [11]

Descriere

Aceste sisteme sunt componentele hardware esențiale ale sistemelor de procesare a datelor, cum ar fi computerele (de exemplu, procesor sau CPU , microcontrolere etc.). Circuitul electronic este realizat pe un substrat din material semiconductor (în general siliciu, dar și arsenidă de galiu sau altul) numit matriță și poate consta din câteva unități până la câteva sute de milioane de componente electronice elementare ( tranzistoare , diode , condensatori și rezistențe ). Termenul integrat se referă tocmai la prezența unei concentrații mari și adesea ridicate, ca o funcție a așa-numitei scale de integrare și într-o zonă mică, a componentelor electronice de bază utile procesării semnalului de intrare.

Costul fabricării unui circuit integrat variază foarte puțin (sau rămâne constant) pe măsură ce complexitatea acestuia crește, deci este mult mai ieftin să dezvolți circuite complexe, compuse dintr-o serie de etape interne interconectate între ele și cu exteriorul, care centralizează toate funcții necesare pentru un anumit aparat. Ca atare, industria microelectronicii oferă relativ puține tipuri de circuite integrate de uz general , dar zeci de mii de circuite integrate specializate ( cu scop special ), fiecare conceput pentru un scop specific.

Costul de vânzare cu amănuntul pentru public este destul de mic, variind între 2 și 8 în funcție de tip, în timp ce creșterea în timp a numărului de componente electronice integrate pe cip urmează faimoasa lege a lui Moore .

Tipologie

În interiorul unui circuit integrat numit matriță

Circuitele integrate sunt împărțite în principal în două mari categorii: analogice și digitale. Există tipuri de circuite care nu se încadrează în aceste două: au funcții speciale, mai puțin utilizate, cum ar fi, de exemplu, filtre active sau eșantionare și menținere . Producătorii le grupează în subcategorii specializate.

Cele analogice sunt proiectate pentru a procesa semnale analogice (adică pot varia în mod continuu în timp într-un mod arbitrar), în timp ce cele digitale sunt concepute pentru a face față semnalelor digitale binare, care pot lua doar două valori „legitime” diferite. Un exemplu de IC analogic generic este amplificatorul operațional , în timp ce exemple de circuite integrate digitale sunt porțile logice , multiplexoare și contoare .

Mor dintr-un microprocesor și o memorie în comparație

Din punct de vedere istoric, primele circuite integrate erau digitale, dezvoltate pentru primele computere . Aceste circuite integrate au adoptat scheme electrice RTL interne (de la R esistor T ransistor L ogic), adică au integrat o serie de rezistențe pe semiconductor pentru polarizările interne: ulterior rezistențele au fost înlocuite cu diode , obținându-se DTL ( D iode T ransistor L ogic), și acum aproximativ 30 de ani, diodele au fost înlocuite cu tranzistoare, iar astăzi majoritatea digitalelor integrate în comerț sunt TTL ( ransistor T ransistor L OGIC).

Există o familie numită ECL ( E mitter C oupled L ogic) al cărui principiu de funcționare a fost realizat în 1956 în laboratoarele IBM ; mai puțin răspândită decât celelalte, dar încă folosită astăzi, se caracterizează printr-o viteză de comutare extrem de rapidă, în detrimentul consumului de curent foarte mare.

În funcție de tipul de tranzistor folosit, circuitele integrate sunt apoi divizate în continuare , dacă utilizează bipolari tranzistori bipolară clasic sau CMOS (C M omplementary O etal xide S emiconductor) dacă utilizează tranzistori MOSFET . În anii 1990, Intel a dezvoltat o nouă tehnologie hibridă pentru microprocesoare, numită BiCMOS , care permite utilizarea ambelor tipuri de tranzistoare pe același cip.

Scara de integrare

Scara de integrare a unui circuit integrat oferă o indicație a complexității sale, indicând aproximativ câte tranzistoare sunt conținute în acesta. În funcție de scara de integrare, circuitele pot fi clasificate în:

  • SSI ( Small Scale Integration ): mai puțin de 10 tranzistori.
  • MSI ( Integrare la scară medie ): 10 până la 100 de tranzistori.
  • LSI ( Large Scale Integration ): 100 - 10000 tranzistori.
  • VLSI ( Integrare la scară foarte mare ): 10000 la 100000 tranzistori.
  • ULSI ( Ultra Large Scale Integration ) (nu este utilizat pe scară largă): până la 10 milioane de tranzistoare.

Pentru un număr mai mare de tranzistoare prezente, integrarea este definită ca WSI ( Wafer Scale Integration ), putând conține un computer întreg.

Legată de scara de integrare este capacitatea de procesare a circuitului integrat, care crește cu numărul de tranzistoare în conformitate cu legea lui Moore .

Realizare

Desenarea unui circuit integrat ipotetic
Circuit integrat la microscop

Materialul de pornire este o plachetă circulară de semiconductor, numită substrat , acest material, în general deja ușor dopat , este dopat în continuare prin implantare de ioni sau prin difuzie termică pentru a crea zonele active ale diferitelor dispozitive (de exemplu, p și n în tranzistoare); apoi se depun o serie de straturi subțiri din diferite materiale, crescute prin epitaxie sau termic:

  • Straturi de semiconductor policristalin (definite ca electronice EGS, E lectronic G rade S ilicon , adică siliciu cu mai puțin de o impuritate per miliard de atomi și, prin urmare, foarte pur);
  • Straturi izolante subțiri;
  • Straturi izolante de oxid, mult mai groase;
  • Straturi metalice ( silicide sau metale precum aluminiu , tungsten sau mai rar cupru ) pentru conexiuni electrice.

Geometria zonelor care trebuie să primească dopajul și cea a diferitelor straturi este imprimată pe substrat cu un proces de fotolitografie : de fiecare dată când circuitul integrat procesat trebuie să primească un nou strat sau o nouă implantare de dopanți, este acoperit cu un peliculă subțire fotosensibilă, care este impresionată printr-un negativ fotografic de înaltă definiție (numit „mască” sau „aspect”).

Zonele iluminate ale filmului devin solubile și sunt îndepărtate prin spălare, lăsând cipul subiacent descoperit, gata pentru următoarea fază de procesare, îndepărtare selectivă sau dopare a zonelor fără filmul fotosensibil.

Stație de lipire manuală a firelor subțiri dintre tampoanele matriței și știfturile pachetului . În prezent, procedura este automatizată

Odată finalizată crearea cipurilor pe substrat, acestea sunt testate, substratul este tăiat și cipurile încapsulate în pachete cu care vor fi montate pe circuitele imprimate prin conexiuni sau pini numiți pini .

Selecţie

La fel ca în cazul multor componente electronice, inclusiv diode și tranzistoare, circuitele integrate sunt de asemenea comercializate în două sau mai multe versiuni, fiecare având performanțe electrice și termice diferite. Deoarece cipurile nu au toate caracteristici electrice perfect identice, producătorul face o selecție, împărțind același circuit în două sau mai multe benzi de performanță. Pachetul poate fi, de asemenea, diferit.

Parametrii pe care se face selecția pot fi cei mai variați: temperatura de lucru garantată, procentul de eroare în conversie în cazul unui convertor A / D, gradul de liniaritate al unui senzor de temperatură, tensiunea de lucru garantată și multe altele. De exemplu, amplificatorul operațional LM108 este comercializat și în versiunile LM208 și LM308; primul are performanțe mai bune decât al doilea, inclusiv tensiunea de lucru, avantajul de a putea alimenta operaționalul cu 18 volți speculari în loc de 15, vă permite să aveți un semnal de ieșire cu un nivel de tensiune mai mare sau, alimentat cu un tensiune, garantând o fiabilitate mai mare în timp pentru circuitul în care este utilizat.

În general, intervalele de temperatură de funcționare care pot fi garantate pentru cele mai comune familii de circuite integrate sunt patru:

  • gama „ consumatorului ” (TV, hi-fi etc.) 0 ÷ 75 ° C
  • gama „ industrială ” ( robotică , automatizare , echipamente industriale) -25 ÷ 85 ° C
  • gama „ auto ” (aplicații în domeniul auto) -40 ÷ 85 ° C (care tinde să înlocuiască gama „industrială”)
  • gama „ militară ” (echipament medical, militar, satelit) -55 ÷ 125 ° C

evident că și prețul dispozitivului variază considerabil de la o gamă la alta. Pachetul dispozitivelor din gama militară este aproape exclusiv din ceramică.

Un circuit integrat SMT montat pe o placă de circuite imprimate

În unele cazuri, el însuși producătorul unui dispozitiv electronic face o selecție suplimentară, care vizează obținerea componentei cu caracteristici chiar mai ridicate, necesară utilizării prevăzute în circuitul din proiect.

În cazuri extreme, atunci când niciun circuit de pe piață nu posedă caracteristicile necesare pentru proiectul curent, producătorul proiectează și fabrică el însuși componenta sau încredințează realizarea altora; componenta va purta o abreviere necomercială și poate avea caracteristici nestandardizate. Va fi un obicei .

Componente integrate

Într-un circuit integrat, tranzistoarele și diodele pot fi ușor integrate: este posibil să se creeze chiar și rezistențe mici și condensatoare în substratul semiconductor, dar, în general, ultimele componente ocupă mult spațiu pe cip și tind să evite utilizarea lor, înlocuind atunci când este posibil cu rețele de tranzistor. De asemenea, este posibil să se integreze inductoare , dar valoarea inductanțelor obținute este foarte mică (în ordinea nano henry (nH)): utilizarea lor este foarte limitată datorită ocupării enorme a suprafeței de care au nevoie și ele, chiar dacă numai pentru a face inductori de foarte mică valoare. Mai mult, tehnologia de fabricație a circuitelor integrate (care nu sunt dedicate frecvențelor foarte mari) și, prin urmare, efectele parazitare considerabile limitează semnificativ performanța acestora, mai ales în comparație cu inductoarele clasice care nu sunt pe circuite integrate. Astfel de inductoare integrate sunt de obicei utilizate în circuite integrate cu frecvență radio (LNA [12] , mixer etc.), de exemplu la frecvențe în jurul giga hertz (GHz) [13] . Condensatoarele de capacitate medie și mare nu pot fi deloc integrate. Pe de altă parte, sunt disponibile diferite tipuri de circuite integrate cu funcția de releu , adică dispozitive echipate cu intrări logice, prin intermediul cărora întrerup sau deviază chiar și mai multe semnale analogice.

Pachet

Modul de memorie SO-DIMM în container BGA (emisferele care alcătuiesc contactele pot fi văzute sub cipuri)

Un circuit integrat poate fi realizat cu diferite tipuri de pachete :

  • DIL sau DIP (pachet dual in-line)
  • QFP (pachet plat cu patru tăișuri)
    • HQFP (Pachet Quad Flat cu radiere termică): QFP cu disipare termică ridicată
    • VQFP (foarte mic Quad Flat Package): QFP din plastic ultra-subțire
  • BGA (Ball Grid Array)
    • μBGA (micro Ball Grid Array): BGA cu pas redus
    • FF896 : Flip-chip BGA cu pas redus și 896 contacte
    • FF1152 : Flip-chip BGA cu pas redus și 1152 contacte
  • PLCC (suport de cipuri din plastic)

Pachetul poate fi din metal, rășini din plastic sau ceramică. Categoria circuitelor personalizate include pachete atât în ​​format standard, cât și non-standard, acesta din urmă având o formă și un pinout unic, iar producătorii de instrumente electronice de măsurare de înaltă clasă sunt folosiți pe scară largă. Producătorii folosesc de ceva timp pentru a marca componenta (cel puțin cele mai populare), data producției constând dintr-un număr din 4 cifre, primele două indicând anul, săptămâna următoare.

În ultimii zece ani, producătorii au stabilit utilizarea versiunilor SMD ale componentelor electronice și ale circuitelor integrate, deoarece acestea sunt mai mici și economisesc necesitatea găuririi suportului pentru componente, simplificând foarte mult operațiunile de asamblare efectuate pe liniile de producție robotizate.

Cost

Costurile de fabricație ale circuitelor integrate s-au redus considerabil în timp datorită tehnologiilor din ce în ce mai eficiente și automatizate și economiei puternice de scară și au devenit acum componente ale circuitelor electronice la un cost relativ scăzut.

Reciclează

IBM a dezvoltat în 2007 o metodă de reciclare a siliciului conținut în cipuri și de a putea fi reutilizat pentru sisteme fotovoltaice [14] . Procesul a câștigat „Premiul pentru cea mai valoroasă prevenire a poluării ” în 2007.

Notă

  1. ^ a b Cine a inventat IC? - @CHM Blog - Computer History Museum , la www.computerhistory.org , 20 august 2014.
  2. ^ Circuitele integrate ajută invenția [ link rupt ] , pe integratedcircuithelp.com . Adus la 13 august 2012 .
  3. ^ {{{CountryCode}}} {{{PublicationNumber}}}   W. Jacobi / SIEMENS AG: Depunere prioritară "Halbleiterverstärker" la 14 aprilie 1949, publicată la 15 mai 1952.
  4. ^ "The Hapless Tale of Geoffrey Dummer" Arhivat la 11 mai 2013 Data la adresa URL nepotrivită: 11 mai 2013 la Internet Archive ., (Nd), (HTML), Electronic Product News , accesat la 8 iulie 2008.
  5. ^ Bo Lojek, History of Semiconductor Engineering , Springer Science & Business Media , 2007, pp. 120 & 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, p. 46, ISBN 978-0-8018-8639-3 .
  7. ^ Chih-Tang Sah , Evoluția tranzistorului MOS-de la concepție la VLSI ( PDF ), în Proceedings of the IEEE , vol. 76, nr. 10, octombrie 1988, pp. 1280-1326 (1290), bibcode : 1988IEEEP..76.1280S , DOI : 10.1109 / 5.16328 , ISSN 0018-9219 ( WC ACNP ).
    „Cei dintre noi activi în cercetarea materialelor și dispozitivelor de siliciu în perioada 1956–1960 au considerat acest efort de succes al grupului Bell Labs condus de Atalla de a stabiliza suprafața de siliciu cel mai important și semnificativ avans tehnologic, care a aruncat traseul care a dus la circuitul integrat de siliciu evoluțiile tehnologice în a doua fază și producția de volum în a treia fază. " .
  8. ^ Stanley Wolf, A review of IC izolation technologies , în Solid State Technology , martie 1992, p. 63.
  9. ^ Brevetul lui Kurt Lehovec privind joncțiunea de izolare p - n: ( EN ) US3029366 , United States Patent and Trademark Office , SUA. acordat la 10 aprilie 1962, depus la 22 aprilie 1959. Robert Noyce recunoaște Lehovec în articolul său - „Microelectronică”, Scientific American , septembrie 1977, volumul 23, numărul 3, pp. 63-69.
  10. ^ Interviu cu Robert Noyce, 1975–1976 , pe ieeeghn.org , IEEE. Adus la 22 aprilie 2012 (arhivat din original la 19 septembrie 2012) .
  11. ^ D. Brock și C. Lécuyer, Makers of the Microchip: A Documentary History of Fairchild Semiconductor , editat de Lécuyer, C., MIT Press, 2010, p. 158, ISBN 978-0-262-01424-3 .
  12. ^ Amplificator cu zgomot redus, amplificator cu zgomot redus
  13. ^ Este posibil să simulați un inductor într-un circuit integrat utilizând un condensator cu un Gyrator (și în unele circuite integrate este realizat), dar trebuie luate în considerare limitările posibilităților de simulare (frecvență maximă, curent etc.). Alți producători sunt capabili să simuleze un inductor cu un circuit care utilizează componente active: de exemplu, circuitul integrat LM2677 al National Semiconductor unde într-o comutare integrată este simulat un inductor cu inductanță de mare valoare (20 mH) (Active Inductor Patent Number 5514947) Filed 22 noiembrie 2008 în Arhiva de Internet .)
  14. ^ Reuters UK: „IBM va recicla napolitele de siliciu pentru industria solară”, marți, 30 octombrie 2007

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 5148 · LCCN (EN) sh85067117 · GND (DE) 4027242-4 · BNF (FR) cb11931204n (data) · NDL (EN, JA) 00.572.448
Electronică Portal electronic : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de electronică