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 multicsip modulok is, melyek egyetlen tokban több csipet is tartalmazó áramkörök.

Multiplexelt 4 sztereó csatornás analóg-digitális átalakító IC

Integrált áramkör nagyított belső képe

Története

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

Előnyei

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

Technológia

A félvezető lapkák alapanyaga 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 vegyület-félvezetőket 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 integrálják, inkább a lapkán kívül kerül az áramkörbe. Bizonyos megszorítások mellett az ellenállás és kondenzátor funkciója kiváltható tranzisztorokkal a logikai áramkörökben, így a lapkán ilyenkor csak tranzisztorok találhatók.

Alkotóelemek

• 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 áramkörök

EPROM belső magja a memóriablokkokkal, vezérlő 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): nagyon nagy integráltságú elemek; Jellemzőjük, hogy univerzálisan alkalmazhatóra tervezték őket, azaz nem egyetlen részfeladat elvégzésére. Tipikus képviselője: mikroprocesszor

Méretcsökkenés

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.

Fajták

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

Források

• A jövő anyaga: a szilícium.