Wie funktionieren integrierte Schaltkreise physikalisch?

Integrierte Schaltkreise sind definiert als die Schaltung, die Elemente umfasst, die untrennbar sind und elektrisch so miteinander verbunden sind, dass der IC aus Handels- und Konstruktionsgründen nicht getrennt werden kann. Es können unzählige Technologien verwendet werden, um eine solche Schaltung aufzubauen. Was wir heute als IC bezeichnen, war ursprünglich als monolithische integrierte Schaltung bekannt. Es wird angenommen, dass Kilby 1958 den ersten funktionierenden IC schuf und 2000 für seine harte Arbeit den Nobelpreis für Physik erhielt. Der erste Käufer für diese Erfindung war die US Air Force.

Was ist eine integrierte Schaltung?

Die integrierte Schaltung (IC), manchmal auch als Chip oder Mikrochip bezeichnet, ist ein Halbleiterwafer, auf dem tausend oder Millionen winziger Widerstände, Kondensatoren und Transistoren hergestellt werden. Ein IC kann eine Funktion als Verstärker, Oszillator, Timer, Zähler, Computerspeicher oder Mikroprozessor sein. Ein exakter IC wird je nach zukünftiger Anwendung entweder als linear (analog) oder digital eingestuft. Integrierte Schaltkreise haben das alles verzerrt. Die Grundidee war, eine vollständige Schaltung mit vielen Komponenten und den Verbindungen zwischen ihnen zu erhalten und das Ganze in mikroskopisch winziger Form auf der Oberfläche eines Siliziumstücks zu rekonstruieren. Es war eine unglaublich clevere Idee und hat alle Arten von „mikroelektronischen“ Geräten ermöglicht, von Digitaluhren und Taschenrechnern bis hin zu Raketen und Waffen zur Mondlandung mit integrierter Satellitennavigation.

Wie werden integrierte Schaltkreise hergestellt?

Wie bauen wir einen Speicher- oder Prozessorchip für einen Computer? Alles beginnt mit einem rohen Verbindungselement wie Silizium, das chemisch behandelt oder dotiert wird, um es zu erzeugen, und das unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweist.

Symbol für integrierte Schaltkreise

Dotierung von Halbleitern

Herkömmlicherweise denken die Menschen über Geräte nach, die in zwei ordentliche Kategorien eingeteilt werden: solche, durch die Strom leicht fließen kann (Leiter) und solche, die dies nicht tun (Isolatoren). Metalle machen den größten Teil der Leiter aus, während Nichtmetalle wie Kunststoffe, Holz und Glas die Isolatoren sind. Tatsächlich sind die Auswirkungen weitaus komplexer, insbesondere wenn es darum geht, Elemente in der Mitte des Periodensystems (in den Gruppen 14 und 15) zu definieren, insbesondere Silizium und Germanium. Normalerweise sind Isolatoren die Elemente, die bereit sind, sich eher wie Leiter zu verhalten, wenn wir ihnen in einem als Dotierung bekannten Verfahren kleine Mengen an Verunreinigungen hinzufügen.

Design integrierter Schaltungen

Wenn Sie Silizium Antimon hinzufügen, stellen Sie ihm etwas mehr Elektronen zur Verfügung, als es normalerweise die Energie zum Leiten von Elektrizität enthält. Auf diese Weise „dotiertes“ Silizium wird als Silizium vom n-Typ bezeichnet. Wenn Sie Bor anstelle von Antimon hinzufügen, entfernen Sie einige der Elektronen des Siliziums und hinterlassen „Löcher“, die als „negative Elektronen“ wirken. Als nächstes transportieren Sie einen positiven elektrischen Strom auf die entgegengesetzte Weise. Ein solcher Siliziumtyp wird als p-Typ bezeichnet. Wenn wir Bereiche aus Silizium vom n-Typ und p-Typ nebeneinander platzieren, um Übergänge zu erzeugen, in denen Elektronen auf sehr attraktive Weise wirken, erzeugen wir elektronisch. Halbleiterbauelemente wie Dioden, Transistoren und Speicher.

In einer Chipanlage

Das Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung beginnt mit einem großen Einkristall aus Silizium, der wie ein langes festes Rohr geformt ist und in dünne Scheiben (etwa so groß wie eine CD) geschnitten wird, die als Wafer bezeichnet werden. Die Wafer sind in vielen identischen quadratischen oder rechteckigen Bereichen markiert, von denen jeder einen einzelnen Siliziumchip (manchmal auch als Mikrochip bezeichnet) bildet. Tausende, Millionen oder Milliarden von Vorrichtungen werden dann auf jedem Chip hergestellt, indem unterschiedliche Bereiche der Oberfläche dotiert werden, um sie in Silizium vom n-Typ oder p-Typ umzuwandeln.

Inside Chip Working

Das Dotieren wird durch eine Vielzahl verschiedener Prozesse vervollständigt. In einem von ihnen, bekannt als Sputtern, werden Ionen des Dotierungsmaterials wie Kugeln aus einer Pistole auf den Siliziumwafer abgefeuert. Ein weiteres Verfahren, das als Aufdampfen bezeichnet wird, besteht darin, das Dotierungsmaterial als Gas einzuführen und es so konzentrieren zu lassen, dass die Verunreinigungsatome einen dünnen Film auf der Oberfläche des Siliziumwafers erzeugen. Molekularstrahlepitaxie ist eine viel genauere Form der Aussage.

Natürlich ist es etwas schwieriger, integrierte Schaltkreise zu bauen, die Hunderte, Millionen oder Milliarden von Geräten auf einen fingernagelgroßen Siliziumchip packen, als es sich anhört. Stellen Sie sich das Chaos vor, wenn ein Punkt Schmutz bei der Arbeit im mikroskopischen (oder manchmal sogar im nanoskopischen) Maßstab auftreten kann. Aus diesem Grund werden Halbleiter in makellosen Laborumgebungen, sogenannten Reinräumen, hergestellt, in denen die Luft gewissenhaft gefiltert wird und die Mitarbeiter durch Luftschleusen ein- und aussteigen müssen, um alle Arten von Schutzkleidung zu erschöpfen.

Arten von integrierten Schaltkreisen

Die verschiedenen Arten einer integrierten Schaltung umfassen Folgendes

Digitale integrierte Schaltungen

Diese Art von IC hat zwei definierte Ebenen: 1 und 0, was bedeutet, dass sie in der binären Mathematik arbeiten, wobei 1 für Ein und 0 für Aus steht. Solche ICs werden sorgfältig ausgeführt, da sie mehr als Millionen von Flip-Flops, Logikgattern und so weiter enthalten, die alle in einem einzigen Chip enthalten sind. Beispiele für digitale ICs umfassen Mikrocontroller und Mikroprozessoren .

Arten von integrierten Schaltkreisen

• Logik-ICs
• Speicher Chips,
• Schnittstellen-ICs (Pegelumsetzer, Serializer / De-Serializer usw.)
• Power Management ICs
• Programmierbare Geräte

Analoge integrierte Schaltkreise

Das analoge integrierte Schaltkreise arbeitet mit kontinuierlichen Signalen und ist in der Lage, Aufgaben wie Filtern, Verstärken, Demodulieren und Modulieren usw. auszuführen. OP-AMPs sind im Wesentlichen analoge ICs .

• Lineare ICs
• RF-ICs

Gemischtes Signal

Wenn die digitalen und analogen ICs auf einem einzelnen Chip verwendet werden, wird der resultierende IC als integrierte Mischsignalschaltungen bezeichnet.

• Datenerfassungs-ICs (einschließlich A / D-Wandler, D / A-Wandler, digitale Potentiometer)
• Takt- / Zeitsteuerungs-ICs

Verwendung von integrierten Schaltkreisen

Die integrierte Schaltung verwendet ein Halbleitermaterial (Lesechips) als Arbeitstisch und häufig wird Silizium für die Aufgabe ausgewählt. Danach, elektrische Bauteile wie Dioden, Transistoren und Widerstände usw. werden diesem Chip in minimierter Form hinzugefügt. Elektrische Komponenten werden so miteinander verbunden, dass sie mehrere Aufgaben und Berechnungen ausführen können. Das Silizium ist in dieser Anordnung als Wafer bekannt.

Anwendungen integrierter Schaltungen

Die Anwendungen eines ICs umfassen Folgendes

• Radar
• Armbanduhren
• Fernseher
• Saftmacher
• Pc
• Videoprozessoren
• Audioverstärker
• Speichergeräte
• Logikgeräte
• Radiofrequenz Encoder und Decoder

In diesem Artikel haben wir kurz über die integrierte Schaltung gesprochen, einschließlich dessen, was eine integrierte Schaltung ist, wie integrierte Schaltungen hergestellt werden und so weiter. Zwei Arten von Verfahren wurden verwendet, um integrierte Schaltkreise mit Hilfe eines Dotierungshalbleiters innerhalb einer Chipanlage aufzubauen. Wir haben uns mit den verschiedenen Arten von integrierten Schaltkreisen wie digitalen integrierten Schaltkreisen, analogen integrierten Schaltkreisen und schließlich gemischten Signalen anhand von Beispielen befasst. Zusätzlich wurden Verwendungen von integrierten Schaltkreisen und Anwendungen von integrierten Schaltkreisen diskutiert.

Darüber hinaus bei Fragen zu diesem Konzept oder die Elektro- und Elektronikprojekte umzusetzen Bitte geben Sie Ihre wertvollen Vorschläge, indem Sie im Kommentarbereich unten einen Kommentar abgeben. Hier ist eine Frage an Sie, Was ist die Hauptfunktion eines IC?