دارة متكاملة

Erasable programmable read-only memory integrated circuits. These packages have a transparent window that shows the die inside. The window allows the memory to be erased by exposing the chip to الأشعة فوق البنفسجية.

Integrated circuit from an ذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة والمسح memory microchip showing the memory blocks, the supporting circuitry and the fine silver wires which connect the integrated circuit die to the legs of the packaging.

Synthetic detail of an integrated circuit through four layers of planarized copper interconnect, down to the polysilicon (pink), wells (greyish), and substrate (green)

الدارة المتكاملة أوالدوائر الإلكترونية المتكاملة (بالإنجليزية: Integrated Circuit)‏ تختصر إلى (IC) أوالشريحة الإلكترونية (Chip) هي دائرة الكترونية مصغرة وهي من ضمن ما يعهد بتقنية ميكروية والتي هي بدورها جزء من الهندسة الإلكترونية، أحدث ثورة في عالم الإلكترونيات، الشريحة رقيقة من مادة السيلكون تبلغ مساحتها عدة ملليمترات ويطلق عليها ((شريحة السيلكون)) أورقاقة السيلكون وتحتوي شريحة السيلكون على الآلاف من المكونات الإلكترونية الدقيقة جدا، مثل الترانزستورات والمقاومات والمكثفات التي تربط معا لتكون دوائر إلكترونية متكاملة، وقد تم إنتاجها لأول مرة بالولايات المتحدة في عام 1958. والشرائح الإلكترونية التي تستخدم في الوقت الحاضر، تحتوي على عشرات الألوف من المكونات المتنوعة، التي تحشر في مساحة تبلغ حوالي 30 - 40 ملليمتر مربع، ويمكنها حتى تخزن 64,000 وحدة من المعلومات (بيت bit) ويمكن للشرائح الحديثة المتطورة حتى تقوم بمعظم العمليات التي تؤديها الحاسبة الإلكترونية ويطلق عليها (الميكروبروسيسور (المعالج الصغير) microprocessor). وإذا تم تجهيز الآلات بالميكروبروسيسور أمكن تحويلها إلى روبوت. ويمكن حاليا إنتاج المئات من هذه الرقائق دفعة واحدة، وذلك باستخدام وسائل تقنية حديثة مختلفة تشتمل على عدة عمليات دقيقة متتابعة، مثل عمليات التصوير باستخدام قوالب معينة، والحفر، وترسيب مواد كيميائية تعمل كشوائب (مثل ذرات الفسفور) داخل الشبكة البلورية لعنصر السيليكون، وذلك لتصبح الشريحة السيليكونية الواحدة في النهاية تعمل عمل أشباه الموصلات semiconductors والتي تبنى منها الترانزستورات. وفي ختام عملية إنتاج الشرائح الإلكترونية، يتم وضع طبقة من مادة الألمنيوم يتكون منها أحجبة ثم تحفر لتكوين الروابط بالدوائر الخارجية.

المصطلحات

تعريف الدوائر المتكاملة (أوالدارات المتكامله كالتالي)

دارة فيها جميع أوبعض عناصر الدائرة غير قابلة للفصل ومترابطة كهربائيا بحيث تعتبر قابلة للتجزئة لأغراض بنيوية وتجارية.

الدوائر المتكاملة التي تخضع لهذا التعريف يمكن بناؤها باستخدام الكثير من التقنيات المتنوعة، بما في ذلك الترانزستور ذوالطبقة الرقيقة Thin-film Transistor وتقنية الطبقة السميكة Thick film technology والدوائر المتكاملة الهجين Hybrid integrated circuit ، وهذه الدوائر تعتبر بترة واحدة متكاملة وتعهد ب monolithic integrated circuit أوالدوائر المتكاملة المتجانسة

ولادة الدارات المتكاملة

كانت أول فكرة للدارات المتكاملة، قد بدأت على يد عالم رادار بريطاني يدعى جيفري دُمِر، Geoffreey W.A.Dummer (مواليد 1909). والذي كان يعمل لدى المؤسسة الملكية للرادار والتابعة لوزارة الدفاع البريطانية. وأعرب عنها في واشنطن في أيار 1952. ولكنه لم يتمكن من تصنيعها أبداً. الفكرة الأساسية للدارات المتكاملة هي إنشاء مربعات خزفية صغيرة (رقاقات - wafers)، جميع منها يحتوي عنصراً منمنماً (بالغ الصغر). وهذه العناصر يمكن حتى تدمج فيما بعد وتوصل إلى شبكة مدمجة ثنائية الأبعاد أوثلاثيتها. هذه الفكرة والتي بدت واعدة جداً عام 1957 قدمت للجيش الأمريكي من قبل جاك كيلبي، "Jack Kilby"، والذي قدمت له كافة الحوافز الممكنة، ليقدم أخيراً تصميماً ثورياً جديداً هوالدارات المتكاملة والتي أصبحت تعهد حالياً بالـ IC. أول دارة متكاملة صنعت بشكل مستقل من قبل عالمين هما: جاك كيلبي، العامل لدى شركة Texas Instruments، والتي كانت تعبير عن "دارة صلبة" مصنوعة من الجرمانيوم، والعالم الآخر هوروبرت نويس "Robert Noyce"، والذي كان يعمل في شركة Fairchild Semiconductor والذي قام بصنع دارة أكثر تعقيداً من سابقتها وأساسها السيليكون.

هكذا ولدت الدارات المتكاملة، ومن حينها بدأت عمالقة شركات صناعة الإلكترونيات منافستها على إنتاج أصغرها، أسرعها، وأفضلها أداءً. حتى أصبحت موجودة في جميع شيء كهربائي تقريباً. والدارة المتكاملة تعبير عن دارة بكاملها موجودة في بترة صغيرة من السيليسيوم (السيليكون) أبعادها بحدود (1.5 mm x 1.5 mm x 0.2 mm)، وتحتوي على عدد كبير من العناصر الإلكترونية: ترانزستورات، متصلات ثنائية، مقاومات، مكثفات.. وذلك حسب نوعها. ويصل عدد العناصر في البعض منها حالياً إلى 106 عنصر، وتتصل الدارة المتكاملة مع الدارة الخارجية بواسطة ما يدعى دبابيس (Pins).

خطوات صناعة الدارات المتكاملة

تعتمد فكرة صناعة الدائرة المتكاملة على خطوات:

تكوين سبيكة سيلكون اسطوانية مصمتة من نوع p .
تقطيع الاسطوانة إلى أقراص .
ترسيب طبقة رفيعة من نوع n .
حقن بنوع pلصنع قاعدة الترانزستور والمقاومات .
- ترسيب طبقة من مادة حساسة للضوء .
- تعريض المناطق المراد حقنها للضوء .
- حقن بنوع p .
تكرار نفس المراحل ولكن بنوع n لصنع باعث الترانزستور .
تكرار نفس المراحل للحقن بنوع +p للعزل بين الترانزستورات .
طبقة أوكسيد للعزل .
ثقب طبقة الأوكسيد في أماكن التوصيل وطباعة التوصيلات بالألمونيوم .

تصنيف الدارات المتكاملة

يمكن حتى نقوم بتصنيف الدارات المتكاملة بطرق عديدة، سواء عن طريق الوظيفة، أوالشركة، أوالسرعة، أونوع المنطق التي تستخدمه، لكن التصنيف الأهم لها هوحسب عدد العناصر (البوابات) التي تحتويها.

1. الدارات المتكاملة ذات العدد الصغير من البوابات: وتحتوي هذه الدارات أقل منعشرة بوابات وتدعى هذه الدارات بـ SSI، " Small scale integration ".

2. الدارات المتكاملة ذات العدد المتوسط من البوابات :وتحتوي هذه الدارات منعشرة إلى أقل من 100 بوابة ويرمز لها بـ MSI، " Medium scale integration".

3. الدارات المتكاملة ذات العدد الكبير من البوابات: يرمز لها بـ LSI اختصاراً لـ Large scale integration، تحوي من 100 إلى 10000 بوابة.

4. الدارات ذات العدد الكبير جداً من البوابات: وهي تحوي على ما يزيد عن 10000 بوابة، نرمز لها بـ VLSI، " Very Large scale integration ".

وقد ظهر حديثاً الدارات ذات العدد فوق الكبير جداً: " Ultra Large scale integration ". بالإضافة إلى wafer scale integration، وSystem-on-Chip (SOC).

وهنالك تصنيف آخر يقسم الدارات المتكاملة حسب نوع الكمون الذي تقبله في مدخلها، إذ تقسم إلى:

1. الدارات الخطية، Linear Circuits: وهي الدارات التي تقبل في مدخلها كمونات متغيرة بشكل مستمر.

2. الدارات الرقمية، Digital Circuits:

هي الدارات التي تقبل في مدخلها كمونات محددة 0 فولت أوخمسة فولت مثلاً، أي الرقمين المنطقيين 0 و1. وتعطي هذه الدارة في مخرجها قيماً محددة أيضاً. 0 أوخمسة فولت أوالقريب منها.

الدارات المتكاملة المزوّرة

تقوم الكثير من الجهات بتزوير الدارات المتكاملة بأشكال وطرق مختلفة ومنها إعادة تدوير الدارات المتكاملة القديمة على أساس أنها حديث أوإعادة تعليمها (remarking) لتغيير اسم العنصر أوحمل فئته من الاستخدام العادي إلى الاستخدام الصناعي مثلاً. من طرق التزوير الأخرى إعادة تغليف التصميم السلكوني (Die) بغلاف آخر حديث أومختلف كلياً عن الغلاف (package) الأصلي وأيضاً تصنيع كميات خارج إطار العقد المسقط بين المصنع والمصمم أوطرح الدارات المتكاملة التي بها عيوب وتم استبعادها خلال التصنيع إلى السوق خارج فهم المصمم الأصلي. بسبب الأخطار التي قد تسببها الدارات المتكاملة المزوّرة والتكاليف الباهظة لاكتشاف وتعديل المنتجات التي تعاني منها فقد تم طرح الكثير من الحلول لتجنب التزوير. من هذه الطرق إضافة حساسات تحسب عمر تشغيل الدارة المتكاملة والتي تسمى Combating Die and IC Recycling (CDIR) Sensor وأيضاً طرق تجنّب التزوير تعتمد على تأمين عملية التصنيع بحيث يمكن للمصمّم التأكد تماماً من عدم وجود أي تلاعب من قبل المصنع وذلك من خلال تقسيم عملية التصنيع ومراقبتها عن بعد وتسمى هذه الطريقة Secure Split Test (SST) .

المميزات والعيوب

المميزات

حجمها صغير ويمكن حتى يصل 1/10 بوصة مربعة.
استهلاكها للقدرة الكهربائية ضعيف مقارنة بالأنواع الأخرى من العناصر.
تكلفة أقل (رخيصة الثمن).
تعمل الدائرة المتكاملة بكفاءة عالية من الممكن تصل إلى 50 مرة من كفاءة الدوائر العادية.
تعمل بسرعة عالية حيث حتى الإشارة تأخذ زمناً أقل عند انتنطقها داخل الدائرة.
عدم وجود لحامات داخلية يقلل من احتمال حدوث فصل داخلي للأطراف حيث حتى المكونات تتصل ببعضها عن طريق شرائح رقيقة من المعدن.

العيوب

لا تعمل بتيارات عالية بسبب صغر الحجم.
تتأثر الدوائر المتكاملة بدرجة الحرارة ولذلك فهي بحاجة إلى وسيلة للتبريد عند العمل على قدرات عالية.
لا يمكن تصنيع بعض المكونات داخل الدائرة المتكاملة مثل الملفات نظراً لكبر حجم الملف المصنع بإستخدام كيفية تصنيع الدوائر المتكاملة وكذلك المكثفات ذات السعات الكبيرة.
لا يمكن إصلاح الدوائر المتكاملة عند تلفها ولكن يتم إستبدالها.

المراجع

^ Andrew Wylie (2009). "The first monolithic integrated circuits". مؤرشف من الأصل في 21 يناير 2018. اطلع عليه بتاريخ 14 مارس 2011. Nowadays when people say 'integrated circuit' they usually mean a monolithic IC, where the entire circuit is constructed in a single piece of silicon.
^ "The Hapless Tale of Geoffrey Dummer"نسخة محفوظة 11 May 2013 على مسقط واي باك مشين., (n.d.), (HTML), Electronic Product News, accessedثمانية July 2008.
^ Mindell, David A. (2008). Digital Apollo: Human and Machine in Spaceflight. The MIT Press. ISBN .
^ "Integrated circuit (IC)". جمعية تكنولوجيا الحالة الصلبة. مؤرشف من الأصل في 08 يناير 2018.
^ Andrew Wylie (2009). "The first monolithic integrated circuits". مؤرشف من الأصل فيتسعة يوليو2018. اطلع عليه بتاريخ 14 مارس 2011. Nowadays when people say 'integrated circuit' they usually mean a monolithic IC, where the entire circuit is constructed in a single piece of silicon.
^ Horowitz, Paul; Hill, Winfield (1989). (الطبعة 2nd). Cambridge University Press. صفحة 61. ISBN . مؤرشف من الأصل في ثلاثة أكتوبر 2019. Integrated circuits, which have largely replaced circuits constructed from discrete transistors, are themselves merely arrays of transistors and other components built from a single chip of semiconductor material.
^ "مقدمة إلى الدارات المتكاملة المزوّرة: طرق التزوير والاكتشاف والتجنّب - Atadiat". Atadiat. مؤرشف من الأصل في 01 يناير 2018. اطلع عليه بتاريخ 01 يناير 2018.