Integrált áramkör

Multiplexelt 4 sztereó csatornás analóg-digitális átalakító IC

Integrált áramkör nagyított belső képe

Az integrált áramkör (röviden IC, az angol integrated circuit rövidítéséből) félvezető lapkán (esetleg lapkákon) kialakított nagyon kis méretű áramkör, amely különböző elektronikus alkatrészekből – például tranzisztorokból, ellenállásokból és kondenzátorokból – és azok összeköttetéseiből áll. Ezeket az alkatrészeket egy vékony, lapos darab („chip”) félvezető anyagból, leggyakrabban szilíciumból gyártják. Az integrált áramkörök számos elektronikus eszköz – többek között számítógépek, okostelefonok és televíziók – szerves részét képezik, és olyan funkciókat látnak el, mint az adatfeldolgozás, a vezérlés és a tárolás. Az eszközök miniatürizálásának, a teljesítmény javításának és a költségek csökkentésének köszönhetően forradalmasították az elektronika területét.

A diszkrét alkatrészekből épített szerelvényekhez képest az integrált áramkörök nagyságrendekkel kisebbek, gyorsabbak, energiahatékonyabbak és olcsóbbak, ami nagyon magas tranzisztorszámot tesz lehetővé.

Az integrált áramkör tömeggyártásra való alkalmassága, nagy megbízhatósága és az integrált áramkörök tervezésének szabványosított, moduláris megközelítése megkönnyítette a diszkrét tranzisztorokat használó tervezések gyors felváltását. Ma az integrált áramkörök gyakorlatilag minden elektronikus eszközben megtalálhatók, és forradalmasították a modern technológiát. Az olyan termékek, mint a számítógépes processzorok, mikrovezérlők, digitális jelfeldolgozók és a háztartási készülékekbe beépített chipek kis méretük, alacsony költségük és sokoldalúságuk miatt alapvető fontosságúak a mai társadalomban.

A nagy léptékű integráció a félvezető eszközök gyártásának technológiai fejlődése révén vált megvalósíthatóvá. Az 1960-as évekbeli megjelenésük óta a chipek mérete, sebessége és kapacitása hatalmas fejlődésen ment keresztül, amit azok a technikai fejlesztések ösztönöztek, amelyek egyre több tranzisztort tudtak ugyanolyan méretű chipekre helyezni – egy modern chip több milliárd tranzisztort tartalmazhat egy emberi köröm méretű területen. Ezek a fejlesztések, amelyek nagyjából követik Moore-törvényét, azt eredményezik, hogy a mai számítógépes chipek kapacitása több milliószorosa, sebessége pedig több ezerszerese az 1970-es évek eleji számítógépes chipekénak.

Az integrált áramköröknek három fő előnyük van a diszkrét alkatrészekből épített áramkörökkel szemben: méret, költség és teljesítmény. A méret és a költség alacsony, mert a chipeket és azok összes alkatrészét fotolitográfiával nyomtatják egységként, ahelyett, hogy egyenként építenék fel a tranzisztorokat. Ezenkívül a csomagolt integrált áramkörök sokkal kevesebb anyagot használnak, mint a diszkrét áramkörök. A teljesítmény magas, mert az integrált áramkörök alkatrészei gyorsan kapcsolnak, és kis méretük és közelségük miatt viszonylag kevés energiát fogyasztanak. Az integrált áramkörök fő hátránya a tervezésük magas kezdeti költsége és a gyárépítés hatalmas tőkeköltsége. Ez a magas kezdeti költség azt jelenti, hogy az integrált áramkörök csak akkor kereskedelmi szempontból életképesek, ha nagy gyártási volumen várható.

Ebbe a kategóriába sorolhatóak a többcsipes modulok is (multichip module), melyek egyetlen tokban több csipet is tartalmazó áramkörök.

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. Leggyakoribb 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 a 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

További információk

• A jövő anyaga: a szilícium.
• The first monolithic integrated circuits
• A large chart listing ICs by generic number including access to most of the datasheets for the parts.
• The History of the Integrated Circuit

Irodalom

• Veendrick, H.J.M.. Nanometer CMOS ICs, from Basics to ASICs. Springer (2025). ISBN 978-3-031-64248-7. OCLC 1463505655 
• Baker, R.J.. CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation, 3rd, Wiley-IEEE (2010). ISBN 978-0-470-88132-3. OCLC 699889340 
• Marsh, Stephen P.. Practical MMIC design. Artech House (2006). ISBN 978-1-59693-036-0. OCLC 1261968369 
• Designing Analog Chips. Virtual Bookworm (2005. január 22.). ISBN 978-1-58939-718-7. OCLC 926613209 „Hans Camenzind invented the 555 timer” 
• Analysis and Design of Digital Integrated Circuits. McGraw-Hill (2003). ISBN 978-0-07-228365-5. OCLC 840380650 
• Digital Integrated Circuits, 2nd, Pearson (2003). ISBN 978-0-13-090996-1. OCLC 893541089 
• Introduction to VLSI systems. Addison Wesley Publishing Company (1991). ISBN 978-0-201-04358-7. OCLC 634332043