دائرة متكاملة

Integrated circuit of Atmel Diopsis 740 System on Chip showing memory blocks, logic and input/output pads around the periphery

Microchips (EPROM memory) with a transparent window, showing the integrated circuit inside. Note the fine silver-colored wires that connect the integrated circuit to the pins of the package. The window allows the memory contents of the chip to be erased, by exposure to strong ultraviolet light in an eraser device.

دائرة متكاملة تعبير عن دائرة الكترونية مصغرة وهي من ضمن مايعهد بتقنية ميكروية والتي هي بدورها جزء من الهندسة الإلكترونية، أحدث ثورة في عالم الالكترونيات, الشريحة رقيقة من مادة السيلكون تبلغ مساحتها عدة ملليمترات ويطلق عليها ((شريحة السيلكون silicon chip)) أورقاقة السيلكون وتحتوي شريحة السيلكون على الآلاف من المكونات الالكترونية الدقيقة جدا، مثل الترانزستورات والمقاومات والمكثفات التي تربط معا لتكون دوائر الكترونية متكاملة، وقد تم إنتاجها لأول مرة بالولايات المتحدة في عام 1958. والشرائح الالكترونية 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 الالكترونية 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 الالكترونية، يتم وضع طبقة من مادة الألمنيوم يتكون منها أحجبة ثم تحفر لتكوين الروابط بالدوائر الخارجية.

مقدمة

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

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

الاختراع

Jack Kilby's original integrated circuit

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 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).

الأجيال

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: وتحوي هذه الدارات أقل منعشرة بوابات وتدعى هذه الدارات بـ SSI، " Small scale integration ".

2. الدارات المتكاملة ذات العدد المتوسط من البوابات: وتحوي 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.

التصنيف

دارة متكاملة CMOS 4000 في DIP

يمكن تصنيف الدوائر المتكاملة إلى مضاهية، رقمية ومختلطة الاشارات (فهي مضاهية ورقمية على نفس التشيپ).

الصناعة

الفبركة

Rendering of a small standard cell with three metal layers (dielectric has been removed). The sand-colored structures are metal interconnect, with the vertical pillars being contacts, typically plugs of tungsten. The reddish structures are polysilicon gates, and the solid at the bottom is the crystalline silicon bulk.

Schematic structure of a CMOS chip, as built in the early 2000s. The graphic shows LDD-MISFET's on an SOI substrate with five metallization layers and solder bump for flip-chip bonding. It also shows the section for FEOL (front-end of line), BEOL (back-end of line) and first parts of back-end process.

التعبئة

دائرة متكاملة مبكرة مصنوعة في الاتحاد السوفيتي

وصلات خارجية

عامة

Krazit, Tom "- AMD's new 65-nanometer chips sip energy but trail Intel," C-net, 2006-12-21. Retrieved on January 8, 2007
a large chart listing ICs by generic number and A larger one listing by mfr. number, both including access to most of the datasheets for the parts.
Practical MMIC Design published by Artech House ISBN 1-59693-036-5

Author S.P. Marsh

براءات الاختراع

US3,138,743 - Miniaturized electronic circuit - J. S. Kilby
US3,138,747 - Integrated semiconductor circuit device - J. S. Kilby
US3,261,081 - Method of making miniaturized electronic circuits - J. S. Kilby
US3,434,015 - Capacitor for miniaturized electronic circuits or the like - J. S. Kilby

سمعيات ومرئيات