Geïntegreerde stroombaan

In elektronika is 'n geïntegreerde stroombaan 'n miniatuur elektroniese stroombaan wat hoofsaaklik bestaan uit halfgeleiertoestelle benewens passiewe komponente wat in die oppervlak van 'n dun halfgeleiersubstraat, tipies van kristallyne silikon gemaak, ingebou word. In praktyk is dit hierdie komponent wat elektroniese items slim maak en hulle in staat stel om 'n verskeidenheid funksies uit te voer. Geheueskyfies, wat data stoor, is relatief eenvoudig van aard en is tans goedkoop kommoditeite. Logika-skyfies, wat programme laat loop en as die brein van 'n toestel optree, is egter meer kompleks en duurder om te vervaardig. Hierdie komponente dra dikwels handelsmerke soos Apple, Qualcomm of Nvidia, maar daardie maatskappye is eintlik net die ontwerpers daarvan, terwyl die vervaardiging aan gespesialiseerde fabrieke, die sogenaamde gieterye uitgekontrakteer word.

Geïntegreerde stroombaan van Atmel Diopsis 740 Stelsel op 'n skyf wat die geheue-, logiese- en toevoer-/afvoerblokke rondom die kante toon

Mikroskywe (EPROM geheue) met 'n deurskynende venster, sodat die geïntegreerde stroombaan binne-in sigbaar is. Let op die fyn silwerkleurige drade wat die geïntegreerde stroombaan aan die penne van die verpakking verbind. Die venster maak dit moontlik om die geheue van die skyf uit te vee deur dit aan sterk ultravioletlig bloot te stel.

Inleiding

Geïntegreerde stroombane is moontlik gemaak deur eksperimentele ontdekkings wat getoon het dat halfgeleiertoestelle die funksies van vakuumbuise kon verrig én wel danksy tegnologiese vooruitgang wat in die middel 20^ste eeu plaasgevind het ten opsigte van die vervaardiging van halfgeleiertoestelle. Die integrasie van groot hoeveelhede klein transistors op 'n klein skyfie was 'n groot verbetering op die bou van stroombane met die hand deur van diskrete elektroniese komponente gebruik te maak. Die vermoë om geïntegreerde stroombane in groot maat te produseer, die betroubaarheid daarvan en die bousteen-benadering tot stroombaanontwerp het verseker dat gestandardiseerde GS'e baie vinnig aanvaarding gevind het in die ontwerp van stroombane in die plek van diskrete transistors.

Daar is twee hoofvoordele van geïntegreerde stroombane bo diskrete stroombane naamlik koste en werkverrigting. Die koste is laag omdat die skywe, met al hul komponente, as 'n eenheid gedruk word deur middel van fotolitografie en nié as een vir een transistor op 'n slag gebou word nie. Werkverrigting is hoog omdat die komponente baie vinnig kan skakel en minder krag verbruik, hoofsaaklik vanweë die feit dat die komponente klein en naby aan mekaar geleë is. Met ingang 2006 wissel skyfoppervlaktes van 'n paar vierkante millimeters tot ongeveer 350 mm², met ongeveer 1 miljoen transistors per mm²

Vooruitgang in geïntegreerde stroombane

Die geïntegreerde stroombaan van die Intel 8742, 'n 8-bis mikrobeheerder wat 'n SVE insluit wat teen 12 MHz werk, 128 grepe RAM, 2048 grepe EPROM en toevoer/afvoer op dieselfde skyf.

Van die gevorderdste geïntegreerde stroombane is die mikroverwerkers of kerne wat alles beheer van rekenaars tot selfone en digitale mikrogolfoonde. Digitale geheueskywe en toepassingspesifieke geïntegreerde stroombane is voorbeelde van groepe GS'e wat belangrik is in die inligtingsamelewing. Terwyl die koste van ontwerp en ontwikkeling van komplekse GS'e nogal hoog is, is die uiteindelike koste baie minder as die GS'e op grootskaal geproduseer kan word. GS'e het oor die jare voortdurend verbeter sodat die komponente daarop kleiner en kleiner geword het sodat meer stroombane op elke GS gebou kon word. Hierdie verhoogde kapasiteit per eenheidsoppervlakte bring ook 'n verlaging in koste mee en/of verhoog die funksionaliteit van die stroombane. Moore se wet stel dit dat die aantal transistors op GS'e elke twee jaar verdubbel en tot dusver was die projeksie nog geldig. Daar bestaan egter struikelblokke wat verdere verhoogde integrasie van nanometer-skaal toestelle in die wiele ry, waarvan een van die belangrikste die voorkoms van lekstrome is. Hierdie probleme is egter nie onoorkombaar nie en daar bestaan 'n sterk moontlikheid dat die probleme oorkom of verminder kan word deur die bekendstelling van nuwe diëlektriese materiale. Daar is strawwe kompetisie onder vervaardigers om GS'e te bou met 'n fyner geometrie. Daar word deur leidende kenners op die gebied verwag dat die vooruitgang in die komende jare sal voortduur.

Klassifikasie

'n CMOS 4000 GS in 'n DIP-verpakking

Geïntegreerde stroombane kan geklassifiseer word as analoog, digitaal en gemengde sein (d.w.s. beide analoog en digitaal op dieselfde skyf).

Digitale geïntegreerde stroombane kan van 'n paar duisend tot miljoene logiese hekke, flip-flops, multipleksers en ander stroombane binne 'n paar vierkante millimeter bevat. Die kleinheid van hierdie stroombane maak hoë spoed, lae kragverlies en verminderde vervaardigingskoste moontlik vergeleke met gedrukte stroombaanvlak integrasie. Hierdie digitale GS'e, tipies mikroverwerkers, digitale seinverwerkers en mikrobeheerders gebruik binêre wiskunde om "een" en "nul" seine te verwerk.

Analoë GS'e, soos sensors, kragbeheerstroombane en operasionele versterkers verwerk kontinue seine. Hulle verrig take soos versterking, aktiewe filtrering, demodulasie, vermenging ens. Analoë GS'e maak stroombaanontwerpers se lewe makliker deurdat dit goedontwerpte analoë stroombane maklik beskikbaar maak eerder as om dit self van meet af aan te moet ontwerp.

GS'e kan ook analoë en digitale stroombane op 'n enkele skyf kombineer om funksies soos analoog-tot-digitale omsetters en digitaal-tot-analoë omsetters te verrig.

Tegniese vervaardiging

Uitbeelding van 'n klein standaardsel met drie metaallae (diëlektriese materiaal verwyder). Die sandkleurige strukture is metaal-interverbindings en die vertikale pilare is kontakte, tipies van blokkies tungsten. Die rooierige strukture is polisilikon-hekke en die soliede deel onderaan is die kristallyne silikonmassa.

Die halfgeleiers van die periodieke tabel van chemiese elemente is in die 1930's as geskikte materiale geïdentifiseer in die vervaardiging van vaste-toestand toestelle om vakuumbuise te vervang deur navorsers soos William Shockley. 'n Sistematiese studie van materiale is tussen die 1940's en die 1950's gedoen en is daar eers begin met koperoksied, toe germanium en later silikon. Vandag word silikonmonokristalle hoofsaaklik gebruik as substraat vir geïntegreerde stroombane. Dit het dekades geneem om metodes te verfyn om kristalle te maak wat nie defekte in die kristalstruktuur gehad het nie.

Halfgeleier GS'e word in 'n laagproses vervaardig in 'n proses wat hierdie sleutelstappe insluit:

• Fotolitografiese uitbeelding
• Neerslag
• Etswerk

Die hoofstappe word ook deur doop, skoonmaak en planarisasiestappe ondersteun.

Monokristallyne silikonskywe (of in die geval van spesiale toepassings, silikon op saffier of galliumarseniedskywe) word gebruik as die substraat. Die verskillende areas van die substraat wat gedoop of waarop polisilikon, isolasiemateriaal of metaal (gewoonlik aluminium) neergelê moet word, word fotolitografies gemerk.

• Geïntegreerde stroombane bestaan uit baie oorvleuelende lae, waarvan elkeen fotolitografies gedefinieer word en kan gewoonlik in verskillende kleure waargeneem word. Sommige lae merk waar verskeie onsuiwerhede in die substraat in gediffundeer (diffusielae) het. Ander definieer waar addisionele ione ingeplant word (inplantlae), ander definieer die geleiers (polisilikon of metaal) en ander definieer die verbindings tussen die geleidende lae (deur kontaklae). Alle komponente word vervaardig uit 'n spesifieke kombinasie van hierdie lae.

• In 'n selfbelynende CMOS-proses, word 'n veldeffekttransistor gevorm waarookal die heklaag (polisilikon of metaal) die diffusielaag kruis.

• Weerstandstrukture, strepe van verskeie lengtes, vorm die ladings op die stroombaan. Die verhouding van die lengte van die weerstandstrukture tot sy wydte, gekombineer met sy laagweerstand bepaal die weerstand.

• Kapasitiewe strukture, wat baie ooreenkomste toon met die parallelle geleidende plate van tradisionele elektriese kapasitor, word gevorm volgens die oppervlakte van die "plate", met isolasiemateriaal tussen die plate. Gegewe die groottebeperkings kan slegs klein kapasitansies op 'n GS geskep word.

• Induktiewe strukture kan gebou word as klein spoele op die skyf of gesimuleer deur 'n positiewe impedansie omvormer.

Uitdagings in die 21ste eeu

Die produksie van gevorderde logika-skyfies is 'n ingewikkelde en kapitaalintensiewe bedryf. Hierdie hoëvolume-ondernemings vereis uiterse akkuraatheid en is uitgelewer aan die moeilik-voorspelbare mededinging van die snelontwikkelende bedryf. Die aanbou en toerusting van aanlegte kos miljarde dollars, en die aanlegte moet hul produkte sonder enige onderbrekings kan produseer. Gieterye verslind massas water en elektrisiteit en is kwesbaar vir stofdeeltjie-besoedeling en aardbewings.

Transistors word toenemend mikroskopies vervaardig sodat groter getalle daarvan op 'n enkele skyfie kan inpas. Hierdie klein verbeterings in doeltreffendheid kan aansienlike kostebesparings by grootskaalse toepassings soos wolkrekenaarverskaffing meebring. Die opkoms van kunsmatige intelligensie bied 'n verdere stimulus vir innovasie, aangesien KI van massiewe dataverwerking afhanklik is. Die sogenaamde internet van dinge, 'n omgewing van slim-gekoppelde toestelle van fone tot ligskakelaars en yskaste, sal ook by verhoogde doeltreffendheid baatvind. 5G-selfoonnetwerke is 'n verdere groeiende sektor wat die aanvraag na data-swaar video- en speletjiestroming aandryf.

Met die Covid-19-pandemie (vroeg in 2020) het die huiskantoor en tuisbly-era aangebreek wat die vraag na kragtiger en energiedoeltreffender skyfies 'n hupstoot gegee het. Verkope van skootrekenaars en Chromebooks het die hoogte ingeskiet en benewens was daar 'n behoefte aan tuisnetwerktoerusting, webkameras, monitors en etlike huishoudelike toestelle wat pasgemaakte skyfies benodig. Daar het skielik voortdurende tekorte aan geïntegreerde stroombane ontstaan, wat op sy beurt die lewering van produkte soos motorkarre en rekenaarspeletjies en dienste soos breëbanddataverskaffing in gedrang gebring het. Dit het duidelik geword dat miljarde dollars aan nuwe beleggings benodig word om produksie uit te brei.

Die wêreldwye produksie was veral van twee Asiatiese verskaffers afhanklik, naamlik TSMC in Taiwan en Samsung in Suid-Korea. Rekenaar- en slimfoonreuse soos Apple Inc. het hul oorgrote produksie in beslag geneem, rampe het sekere aanlegte se produksie aan bande gelê en Amerikaanse sanksies teen China het veroorsaak dat Chinese vervaardigers soos Huawei beskikbare voorraad opgeraap het. In 2021 kon byna 5% van beplande motorverkope, oftewel 3,9 miljoen voertuie, gevolglik nie gelewer word nie.