Integrert krets

En integrert krets ( IC ), også kjent som en brikke eller mikrobrikke , er en liten struktur av halvledermateriale , vanligvis silisium , med et overflateareal på noen få kvadratmillimeter ( areal ), som elektroniske kretser vanligvis produseres på. ved fotolitografi og som er beskyttet i en plast- eller keramisk innkapsling . [ 1 ]​ Pakken har metalliske lederehensiktsmessig for å opprette forbindelse mellom den integrerte kretsen og en trykt krets .

IC-er ble muliggjort av eksperimentelle funn som viste at halvlederenheter kunne utføre funksjonene til vakuumrør , så vel som vitenskapelige fremskritt innen halvlederproduksjon på midten av 1900-  tallet . Integreringen av et stort antall små transistorer på et lite rom var et stort fremskritt i håndbyggingskretser ved bruk av diskrete elektroniske komponenter . Masseproduksjonskapasiteten til integrerte kretser, samt påliteligheten og tilnærmingen til å bygge et blokkskjema i kretser, sikret rask bruk av standardiserte integrerte kretser i stedet for design som bruker diskrete transistorer.

IC-er har to hovedfordeler fremfor diskrete kretser: kostnad og ytelse. Den lave kostnaden skyldes sjetongene; siden den har alle komponentene trykt i en fotolitografienhet i stedet for å bygge en transistor om gangen. Videre bruker pakkede IC-er mye mindre materiale enn diskrete kretser. Ytelsen er høy siden IC-komponenter endres raskt og bruker lite strøm (sammenlignet med deres diskrete motparter) som et resultat av deres lille størrelse og nærhet til alle komponentene. Fra 2012 er det typiske brikkeområdet fra noen få kvadratmillimeter til rundt 450 mm², med opptil 9 millioner transistorer per mm².

Integrerte kretser brukes i praktisk talt alt elektronisk utstyr i dag, og har revolusjonert elektronikkens verden . Datamaskiner , mobiltelefoner og andre elektroniske enheter som er en uunnværlig del av moderne samfunn er muliggjort av de lave kostnadene ved integrerte kretsløp.

Historikk

Den 15. april 1949 fullfører den tyske ingeniøren Werner Jacobi [ 2 ] (Siemens AG) den første patentsøknaden for integrerte kretser med halvlederforsterkerenheter . Jacobi laget en typisk industriell søknad om patentet sitt, som ikke ble registrert.

Kretsintegrasjon ble senere konseptualisert av radarforsker Geoffrey Dummer (1909-2002), som jobbet for Royal Radar Establishment av det britiske forsvarsdepartementet på slutten av 1940-tallet og begynnelsen av 1950-tallet.

Nyansatt i Texas Instruments , registrerte Jack S. Kilby sine første ideer om den integrerte kretsen i juli 1958, og demonstrerte det første fungerende integrerte eksempelet 12. september 1958. I sin patentsøknad datert 6. februar 1959 beskrev Kilby sin nye enhet som "en kropp av halvledende materiale ... der alle komponentene i den elektroniske kretsen er fullt integrert." Det var en germanium -enhet som integrerte seks transistorer i en enkelt halvlederbase for å danne en faseroterende oscillator . Den første kunden for den nye oppfinnelsen var United States Air Force.

I 2000 ble Kilby tildelt Nobelprisen i fysikk for det enorme bidraget hans oppfinnelse gir til utviklingen av teknologi . [ 3 ]

Robert Noyce utviklet sin egen integrerte krets, som han patenterte omtrent seks måneder senere. I tillegg løste han noen praktiske problemer som Kilby-kretsen hadde, som sammenkobling av alle komponentene; Ved å forenkle brikkestrukturen ved å legge til metall i et siste lag og fjerne noen av forbindelsene, ble den integrerte kretsen mer egnet for masseproduksjon. I tillegg til å være en av pionerene innen den integrerte kretsen, var Robert Noyce også en av medgründerne av Intel Corporation , en av de største produsentene av integrerte kretser i verden. [ 4 ]

Integrerte kretser finnes i alle moderne elektroniske enheter , som klokker, biler, fjernsyn, MP3-spillere, mobiltelefoner, datamaskiner, medisinsk utstyr, etc.

Utviklingen av integrerte kretser ble muliggjort av eksperimentelle funn som viste at halvledere , spesielt transistorer , kan utføre noen av funksjonene til vakuumrør .

Integreringen av et stort antall bittesmå transistorer på små brikker var et stort fremskritt i forhold til manuell montering av vakuumrør (ventiler) og i produksjonen av elektroniske kretser ved bruk av diskrete komponenter .

Masseproduksjonskapasiteten til integrerte kretser, deres pålitelighet og enkle å legge til kompleksitet til dem, førte til standardisering, erstattet hele kretser med design som brukte diskrete transistorer, og også raskt gjort ventiler eller vakuumrør foreldet.

Det er tre hovedfordeler som integrerte kretser har fremfor elektroniske kretser bygget med diskrete komponenter: deres lavere kostnad ; dens større energieffektivitet og dens reduserte størrelse. Den lave kostnaden skyldes det faktum at IC-er produseres ved å bli skrevet ut som et enkelt stykke ved fotolitografi fra en wafer , vanligvis silisium , som tillater masseproduksjon i store mengder, med en veldig lav andel av defekter. Den høye effektiviteten skyldes det faktum at gitt miniatyrisering av alle komponentene, er energiforbruket betydelig lavere, under de samme driftsforholdene som en lignende elektronisk krets laget med diskrete komponenter. Til slutt er den mest bemerkelsesverdige egenskapen dens reduserte størrelse i forhold til diskrete kretser; For å illustrere dette: En integrert krets kan inneholde alt fra tusenvis til flere millioner transistorer på noen få kvadratmillimeter. [ 5 ]

Fremskrittene som gjorde den integrerte kretsen mulig har i bunn og grunn vært utviklingen innen produksjon av halvlederenheter på midten av 1900  -tallet og de eksperimentelle funnene som viste at disse enhetene kunne erstatte funksjonene til ventiler eller vakuumrør, som ble raskt foreldet ved ikke å kunne konkurrere med ICs lille størrelse, moderate strømforbruk, minimale byttetider, pålitelighet, masseproduksjonsevne og allsidighet. [ 6 ]

Blant de mest komplekse og avanserte integrerte kretsene er mikroprosessorer , som kontrollerer en rekke apparater, fra mobiltelefoner og mikrobølgeovner til datamaskiner . Digitale minnebrikker er en annen familie av integrerte kretser, av avgjørende betydning for det moderne informasjonssamfunnet. Selv om kostnadene for å designe og utvikle en kompleks integrert krets er ganske høy, når de er spredt over millioner av produksjonsenheter, er kostnadene for individuelle IC-er generelt minimert. Effektiviteten til IC-er er høy fordi den lille størrelsen på brikkene tillater korte tilkoblinger som tillater bruk av laveffektslogikk (som CMOS ), og med høye byttehastigheter.

Etter hvert som årene går, utvikler integrerte kretser seg: de produseres i mindre og mindre størrelser, med bedre egenskaper og funksjoner, forbedrer effektiviteten og effektiviteten , og lar dermed et større antall elementer pakkes (integreres) i samme brikke ( se Moores lov ). Etter hvert som størrelsen krymper, forbedres også andre kvaliteter (kostnad og strømforbruk reduseres, mens ytelsen øker). Selv om disse gevinstene tilsynelatende er for sluttbrukeren, er det hard konkurranse blant produsenter om å bruke stadig tynnere geometrier. Denne prosessen, og det som forventes for de kommende årene, er meget godt beskrevet av International Technology Roadmap for Semiconductors. [ 7 ]

Mikroprosessorkrise

Den globale innesperringen som følge av COVID-19-pandemien i 2020 har forårsaket en enestående økning i etterspørselen etter mikroprosessorer, som har kollapset den globale industrien. Prisen på mikrobrikker har steget med topper på opptil 30 prosent de siste 12 månedene. Dusinvis av fabrikker som er avhengige av mikroprosessorer har forsinket produksjonen eller midlertidig stengt, inkludert i Spania. Denne krisen truer forbrukerne og fremhever svakhetene ved en teknologi som kunne ha nådd taket. I tillegg representerer det et vendepunkt for Vesten, som til nå dominerte det teknologiske markedet når det gjelder utvikling av mikrobrikker.

Mikrobrikkeindustrien står overfor en annen stor hindring: Moores lov , som ifølge noen spesialister begynner å mislykkes. I 1965 formulerte Gordon Moore, medgründer av Intel , loven som bærer navnet hans, ifølge hvilken antall transistorer som en mikrobrikke kan inneholde dobles hvert annet år. Dette postulatet har tillatt utviklingen av stadig kraftigere datamaskiner til en lavere kostnad. Fra og med 2010 har imidlertid innovasjonstakten begynt å avta. I 2015 innså Intel-sjef Bryant Krzanich at det var en diskontinuitet når det gjaldt å miniatyrisere komponenter lønnsomt. For å produsere en toppmoderne mikrobrikke kreves det en svært kostbar og kompleks teknologi, "ekstrem ultrafiolett litografi".

Popularitet

Bare et halvt århundre har gått siden utviklingen startet og integrerte kretser har blitt nesten allestedsnærværende. Datamaskiner , mobiltelefoner og andre digitale applikasjoner er nå en del av moderne samfunn. Databehandlings- , kommunikasjons- , produksjons- og transportsystemer , inkludert Internett , er alle avhengige av eksistensen av integrerte kretser. Faktisk er den digitale revolusjonen forårsaket av integrerte kretser antatt av mange forskere å være en av de mest betydningsfulle hendelsene i menneskets historie. [ 8 ]

Typer

Det er minst tre typer integrerte kretser:

Klassifisering

Basert på integrasjonsnivået – antall komponenter – kan integrerte kretser klassifiseres som: [ 10 ]

Når det gjelder de integrerte funksjonene, er kretsene klassifisert i to store grupper: [ 11 ]

Analoge integrerte kretser . De kan bestå av enkle transistorer pakket sammen, uten overgang mellom dem, for å fullføre funksjonelle kretser, for eksempel forsterkere , oscillatorer eller til og med komplette radiomottakere . Digitale integrerte kretser . De kan være fra grunnleggende logiske porter (AND, OR, NOT) til de mest kompliserte mikroprosessorene eller mikrokontrollerne .

Noen er designet og produsert for å oppfylle en spesifikk funksjon innenfor et større og mer komplekst system.

Generelt er produksjonen av IC-er komplisert siden de har høy integrering av komponenter på et veldig lite rom, slik at de blir mikroskopiske. De tillater imidlertid store forenklinger i forhold til de gamle kretsene, i tillegg til en mer effektiv og raskere montering.

Begrensninger for integrerte kretser

Det er visse fysiske og økonomiske grenser for utviklingen av integrerte kretser. I utgangspunktet er de barrierer som forsvinner etter hvert som teknologien forbedres , men de forsvinner ikke. De viktigste er:

Effekttap

Elektriske kretser sprer strøm. Når antallet integrerte komponenter i et gitt volum vokser, øker også kravene til spredning av denne kraften, noe som oppvarmer underlaget og forringer enhetens oppførsel . I tillegg er det i mange tilfeller et system med positiv tilbakemelding , slik at jo høyere temperatur , jo mer strøm leder de, et fenomen som vanligvis kalles " termisk runaway ", og hvis det ikke unngås, kan det ødelegge enheten. Lydforsterkere og spenningsregulatorer er utsatt for dette fenomenet, og det er derfor de vanligvis har termisk beskyttelse.

Strømkretsene er åpenbart de som må spre mest energi . For dette inneholder kapselen metalldeler, i kontakt med den nedre delen av brikken, som fungerer som en termisk ledning for å overføre varme fra brikken til kjøleribben eller til miljøet. Den reduserte termiske resistiviteten til denne kanalen, så vel som til de nye silikonkomposittkapslene , [ 12 ] tillater høyere spredning med mindre kapsler.

Digitale kretser løser problemet ved å senke forsyningsspenningen og bruke laveffektteknologier, for eksempel CMOS . Likevel, i kretser med høyere integrasjonstetthet og høye hastigheter, er dissipasjon et av de største problemene, noe som fører til eksperimentell bruk av visse typer kryostater. Nettopp den høye termiske resistiviteten til galliumarsenid er dens akilleshæl for å lage digitale kretser med den.

Evner og parasittiske selvinduksjoner

Denne effekten refererer hovedsakelig til de elektriske forbindelsene mellom brikken, kapselen og kretsen der den er montert, noe som begrenser driftsfrekvensen. Med mindre tabletter reduseres kapasiteten og selvinduksjonen av dem. I digitale bussdriverkretser, klokkegeneratorer , etc., er det viktig å opprettholde linjeimpedansen , og enda mer i radio- og mikrobølgekretser .

Begrensninger for komponenter

Komponentene som er tilgjengelige for integrasjon har visse begrensninger, som skiller seg fra deres diskrete motparter.

Integrasjonstetthet

Under produksjonsprosessen av integrerte kretser akkumuleres defekter, slik at et visst antall komponenter i den endelige kretsen ikke fungerer riktig. Når brikken integrerer et større antall komponenter, reduserer disse defekte komponentene andelen funksjonelle brikker. Det er derfor i minnekretser , for eksempel, der det er millioner av transistorer, mer enn nødvendig produseres, slik at den endelige sammenkoblingen kan varieres for å oppnå den spesifiserte organisasjonen.

Se også

Referanser

  1. ^ a b Fitchen, Franklin C. (1975). Integrerte kretser og systemer . omvendt. ISBN  9788429134254 . Hentet 19. februar 2018 . 
  2. ^ "Integrert krets" . Genialt. 2011. 
  3. ^ "Jack Kilby - Biografi" . Universitetet i Murcia. 
  4. ^ "Historien om den integrerte kretsen på den offisielle siden til Nobelprisene" . Arkivert fra originalen 19. oktober 2012 . Hentet 14. januar 2012 . 
  5. ^ "Crossroads 50 - Fremtidens utfordring" . Nasjonaluniversitetet i Buenos Aires. 
  6. ^ "Historien om den integrerte kretsen" . Nobelprize.org. Arkivert fra originalen 19. oktober 2012 . Hentet 13. april 2011 . 
  7. ^ "Internasjonalt teknologiveikart for halvledere" . URI. Arkivert fra originalen 30. desember 2015. 
  8. ↑ «Digital revolusjon» . Universitetet i Malaga. Arkivert fra originalen 22. juni 2011. 
  9. ↑ Pérez, Enrique Mandado (1998). Digitale elektroniske systemer . Marcombo. ISBN  8426711707 . Hentet 19. februar 2018 . 
  10. ↑ Santamaría, Eduardo (1993). Digital elektronikk og mikroprosessorer . Comillas pavelige universitet. ISBN  9788487840333 . Hentet 19. februar 2018 . 
  11. ↑ Nieves, Antonio Aguilera (26. april 2011). Installasjon og vedlikehold av styrings- og reguleringssystemer for vindparker . Redaksjonelt vertex. ISBN  9788499312934 . Hentet 19. februar 2018 . 
  12. ↑ [1] Interne komponenter (montering og vedlikehold av utstyr) , s. 79. På Google bøker.

Eksterne lenker