Integrovaný obvod
Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Integrovaný obvod (IO) je moderní elektronická součástka. Jedná se o spojení (integraci) mnoha jednoduchých elektrických součástek, které společně tvoří elektrický obvod vykonávající nějakou složitější funkci. Integrované obvody dělíme na monolitické a hybridní.
Monolitické IO dnes jasně převažují. Jejich jednotlivé součástky jsou vytvořeny a vzájemně spojeny (s pomocí difuze a epitaxe) na jediné polovodičové, nejčastěji křemíkové, destičce.
Na obrázku je křemíková destička paměti EPROM o kapacitě 256 x 8 bitů ze 70. let, kterou bylo možno mazat ultrafialovým zářením (proto měla paměť průhledné okénko). Matice paměťových buněk jsou dvě iobdélníkové pravidelně mřížované části v horní polovině destičky. Celkově byl tento obvod složen z necelých 5000 součástek.
Pro srovnání procesor Intel Pentium 4 se skládá z cca 42 milionů tranzistorů a nejtenčí spoje na destičce jsou široké 0,18 μm (lidský vlas má průměr cca 100 μm).
Hybridní IO se skládají z několika součástek (zpravidla některé z nich bývají monolitické IO), které jsou přilepeny a pospojovány na malé destičce (zpravidla keramické).
Obsah |
[editovat] Historie
První integrovaný obvod zkonstruoval Jack St. Clair Kilby z firmy Texas Instruments již v roce 1958. Obvod byl na destičce o velikosti 11 × 1,6 mm z germánia a obsahoval jediný tranzistor s pouze několika pasivními součástkami. Svůj vynález si nechal v roce 1964 patentovat pod číslem 3 138 743. V roce 1966 sestrojil také první kapesní kalkulačku založenou právě na integrovaném obvodu umějícím sčítat, odčítat, násobit a dělit. V roce 2000 získal Nobelovu cenu za fyziku.
[editovat] Výroba
[editovat] Monolitické obvody
Základem pro výrobu moderních monolitických IO je monokrystal z velmi čistého polovodiče. Takový monokrystal má doutníkovitý tvar a materiál pro jeho výrobu musí být předem velmi dokonale vyčištěn. Samotný monokrystal musí být také velmi dokonalý, pokud možno prostý jakýchkoliv poruch v krystalové mřížce. Čištění materiálu a tažení takového monokrystalu se provádí za vysokých teplot v ochranné atmosféře, a je proto energeticky, ale i časově velmi náročné. Náročnost procesu je tím větší, čím větší průměr má výsledný monokrystal mít.
Hotový monokrystal se nařeže na velmi tenké plátky (tloušťka je v řádu desetin milimetru), které se dále dokonale vyleští.
Na těchto plátcích se pak vytvářejí důmyslnými postupy miniaturní masky a na nezamaskovaná místa se difuzí přidávají různé příměsi, které v daných místech přetvářejí záladní polovodičový materiál na materiál typu P nebo N, takže vznikají tzv. PN přechody.
Další často používanou metodou je iontová epitaxe, která spočívá v přímém „nastřelování“ iontů patřičných příměsí do určených míst polovodiče.
Po vytvoření struktury obvodu se na povrch vakuově napaří tenká vrstvička kovu (nejčastěji hliníku). Ta se poté opět za pomoci masky odleptá, takže na určených místech destičky vzniknou hliníkové kontakty.
Na jednom plátku je takto vytvořeno zpravidla několik řad a slupců stejných obvodů. Ty se nejprve elektricky otestují pomocí jemných hrotů dotýkajících se vytvořených hliníkových kontaktů. Vadné součástky jsou označeny a celá destička je pak rozřezána na jednotlivé integrované obvody. U těch, které v předchozím kroku prošly testem, jsou ke kontaktům přivařeny miniaturní zlaté drátky, které jsou vyvedeny na nožičky IO.
Celý obvod je pak zapouzdřen do (většinou plastového) pouzdra. Některé náročnější součástky (například výkonné mikroprocesory) mají ovšem pouzdra ze speciální keramické hmoty často kombinované s kovovými destičkami kvůli odvodu tepla ze součástky, jiné součástky (v minulosti třeba paměti EPROM, dnes například prvky CCD) mají části pouzder skleněné, takže je vidět na vlastní křemíkovou destičku.
V některých masově vyráběných produktech spotřební elektroniky se z důvodů snížení ceny a miniaturizace lepí křemíkové destičky obvodů bez pouzdra přímo na desku s plošnými spoji. Po připojení kontaktů jsou pouze zakápnuty vytvrditelnou pryskyřicí.
[editovat] Hybridní integrované obvody
Hybridní integrované obvody se zpravidla skládají z tenké keramické destičky, na kterou jsou metodou sítotisku naneseny vodivé spoje, rezistory a přilepeny křemíkové destičky s diskrétními polovodičovými součástkami nebo jednoduššími monolitickými integrovanými obvody. Případně mohou být na tutéž destičku přilepeny i další součástky jako například kondenzátory nebo cívky. Hodnoty odporu rezistrů lze na destičkách hybridních obvodů případně pomocí LASERu velmi přesně doladit.
Poté se provede kontaktování polovodičových součástek běžným způsobem a obvod je uzavřen do kovového nebo plastového pouzdra.
[editovat] Rozdělení integrovaných obvodů
Vedle dělení na monolitické a hybridní existuje celá řada dalších kritérií, podle kterých je lze IO dělit. Patří mezi ně například:
- analogové nebo číslicové obvody,
- stupeň integrace,
- unipolární a bipolární obvody,
- programovatelné a neprogramovatelné obvody,
- sériově a zakázkově vyráběné obvody.
[editovat] Výhody a užití integrovaných obvodů
[editovat] Výhody
Mezi hlavní výhody integrovaných obvodů patří zejména:
- miniaturizace,
- stále se zvyšující výkon,
- nižší energetické nároky na provoz,
- spolehlivost,
- hromadná sériová výroba snižuje cenu.
Veškeré tyto výhody se zvětšují s vzrůstající miniaturizací a zvyšováním komplexnosti obvodů.
[editovat] Užití
Integrované obvody se využívají ve veškeré spotřební elektronice, ale i různých věděckých zařízeních, např. na umělých družicích. Některá zařízení obsahující integrované obvody:
- televize, videa, satelitní přijímače, dálková ovládání,
- rádia, CD či MP3 přehrávače,
- digitální hodinky, kalkulačky,
- mobilní telefony, vysílačky, GPS přijímače,
- fotoaparáty, digitální fotoaparáty,
- počítače, tiskárny, monitory, PDAčka,
- automobily, letadla a další dopravní prostředky,
- lékařské, vědecké a měřící přístroje.
