Circuite Integrate

1. Circuite integrate. Generalităţi

În electronică, un circuit integrat (de asemenea cunoscut şi ca IC, microcircuit,micro-chip, silicon chip sau chip) este un circuit electronic în miniatura (constând în principal în dispozitive semiconductoare, dar şi în componente pasive) care au fost introduse în suprafaţa unui strat subţire de material semiconductor. Circuitele integrate sunt folosite aproape în toate echipamentele electronice din ziua de azi şi au revoluţionat electronica.

Un circuit integrat hybrid este un circuit electronic miniaturizat construit din materiale semiconductoare individuale, dar şi componente pasive implementate pe un substrat sau pe o placă de circuit.

Circuitele integrate au fost făcute posibile datorită descoperirilor experimentale care au arătat ca dispozitivele semiconductoare au aceleaşi funcţii precum tuburile cu vid, şi până la mijlocul secolului 20 tehnologia a avansat în fabricarea dispozitivelor semiconductoare.

Integrarea unui număr mare de tranzistori intr-un cip mic a fost o îmbunătăţire enormă faţă de asamblarea manuală a circuitelor folosind componente electronice discrete. Capacitate de a produce în masa circuitele, capacitate de reproducere a parametrilor în numeroase rânduri şi designul asemănător a asigurat adoptarea circuitelor integrate standardizate în locul celor făcute cu tranzistori discrete.

Sunt 2 mari avantaje ale IC fata de circuitele discrete: costul si performanta. Costul este scăzut pentru ca cipurile chiar daca au multe component ele sunt introduse ca o unitate folosind fotolitografia, nu sunt asamblaţi cate un transistor pe rând. Pe lângă asta este folosit si mult mai puţin material pentru un pachet de circuite integrate decât pentru cele discrete. Performanta este mare din moment ce componentele se schimba uşor si consuma putina energie electrica, pentru ca ele sunt mici si apropiate una de alta. Din 2006 aria cipurilor este de la câţiva milimetri la 350 mm2 cu pana ala 1 milion de tranzistori pe mm2.

Ideea de circuite integrate a fost concepută de un specialist în radare angajat al companiei Royal Radar Establishment al Ministerului Apărării Britanice, Geoffrey W.A. Dummer (1909-2002), care a prezentat ideea la un simpozion de progrese în calitatea componentelor electronice în Washington, D.C. pe 7 mai 1952. El a făcut multă publicitate la simpozioane pentru a-şi prezenta ideea.

Dummer a încercat să construiască un astfel de circuit in 1956 însă fără succes.

Circuitele integrate au fost create de către inventatorii Jack Kilby şi Robert Noyce care au lucrat independent. Kilby a înregistrat ideile lui iniţiale privind circuitele integrate în iulie 1958 şi a demonstrat cu succes funcţionarea primului circuit integrat pe 12 septembrie 1958. În lucrarea sa din 6 februarie 1959 el a descris noul sau dispozitiv precum “un corp din material semiconductor” in care toate componentele electronice sunt complet integrate.

Kilby a castigat premiul Nobel in 2000 in fizica pentru munca depusa in descoperirea circuitelor integrate. Robert Noyce a venit cu o ideie proprie a circuitelor integrate cu jumătate de an după Kilby. Cipul lui Noyce a rezolvat multe probleme practice pe care cipul lui Kilby nu a reusit. Circuitul lui Noyce, facut la Fairchild era alcătuit din silicon, pe când cel al lui Kilby din germanium.

Evoluţia timpurie a circuitelor integrate datează din 1949, când inginerul german Werner Jacobi a depus un brevet pentru un circuit integrat ca fiind un semiconductor amplificator arătând 5 tranzistori pe un substrat comun amenajat in 2 etape de aranjamente amplificate. Jacobi a scos in evident dispozitive mici si ieftine ca fiind aplicaţii industrial tipice ale lucrării lui. O utilizare comercială a brevetelor sale nu a fost înregistrată.

Ideia precedent legata de CI a fost de a crea patrate mici ceramic, fiecare continand un singur component miniaturizat. Componentele pot fi integrate si legate intre ele apoi intr-o retea compacta bidimensonala sau tridimensionala. Aceasta ideie ce parea promitatoare in 1957 a fost propusa armatei US de catre Jack Kilby si a dus la un program de scurta durata (similar proiectului Tinkertoy din 1951). Insa pe parcursul dezvoltarii acestuia Kilby a venit cu o noua ideie revolutionara: circuitul integrat.

Primele circuite integrate contineau doar cativa tranzistori. Numit "la scară mică de integrare" (SSI), circuite digitale care conţin zeci de tranzistori de numerotare au oferit exemple logice, în timp ce circuitele integrate liniare timpurii, cum ar fi Plessey SL201 sau TAA320 Philips a avut doar doi tranzistori. Termenul pe scară largă de integrare a fost folosit prima data de omul de ştiinţă IBM Rolf Landauer atunci când descrie conceptul teoretic, de acolo a venit termeni pentru SSI, MSI, VLSI, şi ULSI.

Progresele în circuite integrate

Printre cele mai avansate circuite integrate sunt microprocesoarele sau "miezuri", care controleaza tot de la computere la telefoane celulare la cuptoare cu microunde digitale. Cipuri de memorie digitală şi ASIC sunt exemple de alte familii de circuite integrate care sunt importante pentru societatea informaţională modernă. În timp ce costul de proiectare si dezvoltare al uni circuit integrat complex este destul de mare, de obicei, atunci când sunt împrăştiate în întreaga lume in milioane de unităţi de producţie individuale costul este redus la minimum. Performanţa C.I. este ridicata, deoarece dimensiunile mici permit urme scurte , care la rândul lor permit logica redus de energie (cum ar fi CMOS) să fie folosite la viteze mari de comutare.

C.I. au migrat în mod constant la dimensiuni mai mici de-a lungul anilor, permitand mai multor circuite să fie asamblate pe fiecare cip. Această capacitate crescuta pe unitate de suprafaţă poate fi utilizata pentru scăderea costurilor şi / sau creşterea funcţionalităţii, care, în interpretarea modernă, afirmă că numărul de tranzistori într-un circuit integrat se dublează la fiecare doi ani. În general, după cum se micsoreaza dimensiunea caracteristică, aproape totul se imbunătăţeşte –costul pe unitate şi consumul de putere scad, iar viteza creste. Cu toate acestea, C.I. cu dispozitive de nanometri-scară nu sunt fără probleme lor, principala fiind pierderile de curent, cu toate că aceste probleme nu sunt insurmontabile, vor fi probabil rezolvate sau, cel puţin ameliorate. Desi aceste câştiguri de viteză şi consumul de energie sunt vizibile pentru utilizatorul final, există o concurenţă acerbă în rândul producătorilor de a utiliza geometrii fine. Acest proces, precum şi progresele aşteptate în următorii câţiva ani, este bine descris de Institutul de Tehnologie Internaţional Roadmap pentru Semiconductori.

Producerea circuitelor

Semiconductorii tabelului periodic al elementelor chimice au fost identificaţi ca fiind materialele cele mai potrivite pentru a crea un tub solid de vid de către cercetători precum William Shockley la Bell Laboratories începând din anii 1930. Începând cu oxid de cupru, trecând la germaniu, apoi siliciu, materialele au fost sistematic studiat în anii 1940 şi 1950. Astăzi, monocristale de siliciu sunt principale substraturi utilizate pentru circuitele integrate, deşi unii compuşi III-V din tabelul periodic, cum ar fi arseniură de galiu sunt folosite pentru aplicaţii specializate cum ar fi LED-uri, lasere, celule solare şi a circuitelor integrate de mare viteză. A fost nevoie de decenii pentru a perfecţiona metodele de a crea cristale fără defecte în structura cristalină a materialului semiconductor.

Wolframul (numit şi Tungsten) este un element chimic din grupa metalelor situat în poziţia 74 în tabelul periodic al elementelor. Simbolul chimic este "W". Wolfram este un metal cu luciu alb, casant în stare pură, dur, şi de mare densitate. Din toate metalele pure, punctul lui de topire este cel mai ridicat, iar punctul lui de fierbere este al doilea ca mărime (după carbon). Utilitatea lui cea mai cunoscută este ca filament în becuri electrice.

UNIVERSITATEA TEHNICĂ “Gh. ASACHI” IAŞI

FACULTATEA “ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR” CATEDRA DE STIINTA MATERIALELOR –