آی سی چیست؟ آموزش انواع و نحوه ساخت IC آی سی

IC ها (integrated circuit=مدار مجتمع) به عنوان مداری تعریف می شوند که شامل عناصری بوده که از نظر الکتریکی جدا نشدنی و به یکدیگر متصل هستند به گونه ای که IC نمی تواند به هیچ دلیلی از هم جدا شود. برای ساخت چنین مداری می توان از فناوری Myriad استفاده کرد. امروزه آنچه ما IC می نامیم در ابتدا به عنوان یک IC یکپارچه شناخته می شد. اعتقاد بر این است که کیلبی اولین آی سی را در سال 1958 ساخت و او به خاطر کار سخت خود در سال 2000 جایزه نوبل فیزیک را بدست آورد. اولین خریدار این اختراع نیروی هوایی ایالات متحده بود.

IC چیست؟

آی سی كه بعضي اوقات تراشه يا ريز تراشه نيز خوانده مي شود، صفحه نازک سیلیکونی نيمه رسانا است كه بر روي آن هزار يا ميليون مقاومت كوچك، خازن و ترانزيستور ساخته مي شود. یک IC می تواند به عنوان یک تقویت کننده، نوسان ساز، تایمر، شمارنده، حافظه کامپیوتر یا ریز پردازنده باشد.

یک آی سی دقیق با توجه به کاربرد آن به صورت خطی (آنالوگ) یا دیجیتال دسته بندی می شود. ایده اساسی این بود که یک مدار کامل، با تعداد زیادی از اجزای سازنده و اتصالات بین آن ها بدست آید و همه چیز را به شکل ریز میکروسکوپی بر روی سطح یک قطعه سیلیکون بازسازی کنیم. این ایده فوق العاده هوشمندانه ای بود و ساخت انواع ابزار های “میکروالکترونیک” از ساعت های دیجیتال و ماشین حساب های جیبی گرفته تا موشک ها و بازو های ساخته شده ناوبری ماهواره داخلی را ممکن کرده است.

IC، مدار میکرو الکترونیکی، میکروچیپ یا تراشه نیز نامیده می شود، مجموعه ای از قطعات الکترونیکی بصورت یک قطعه وجود دارد که در آن دستگاه های فعال کوچک (به عنوان مثال، ترانزیستور ها و دیود ها) و دستگاه های غیر فعال (به عنوان مثال، خازن ها و مقاومت ها) و اتصالات آن ها روی یک لایه نازک از مواد نیمه رسانا (که معمولا سیلیکون است) ساخته شده است. بنابراین مدار حاصل یک “تراشه” کوچک یکپارچه است که ممکن است به اندازه چند سانتی متر مربع یا فقط چند میلی متر مربع باشد. اندازه هر یک از اجزای مدار بصورت جداگانه میکروسکوپی هستند.

IC ها ریشه در اختراع ترانزیستور در سال 1947 توسط ویلیام بی شوکلی و تیمش در آزمایشگاه های بل شرکت تلفن و تلگراف آمریکا دارد. تیم شاکلی (از جمله جان باردین و والتر براتین) دریافتند که در شرایط مناسب، الکترون ها در سطح بلور های خاصی مانعی تشکیل می دهند و آن ها با استفاده از این مانع یاد گرفتند که جریان الکتریسیته را از طریق کریستال کنترل کنند. کنترل جریان الکترون از طریق یک کریستال به تیم اجازه می دهد تا دستگاهی ایجاد کند که می تواند برخی عملیات الکتریکی مانند تقویت سیگنال را که قبلاً توسط لوله های خلاء انجام می شد، انجام دهد.

آنها این دستگاه را از ترکیب کلمات transfer و resistor، ترانزیستور نامیدند. روش های ایجاد دستگاه های الکترونیکی با استفاده از مواد جامد به عنوان الکترونیک حالت جامد شناخته شد. دستگاه های حالت جامد بسیار محکم تر، کار با آنها راحت تر، قابل اطمینان تر، بسیار کوچکتر و ارزان تر از لوله های خلاء هستند. با استفاده از همان اصول و مواد، مهندسان خیلی زود یاد گرفتند که سایر اجزای الکتریکی مانند مقاومت ها و خازن ها را ایجاد کنند. اکنون که می توان وسایل الکتریکی را بسیار کوچک کرد، بزرگترین قسمت مدار، سیم کشی نامناسب بین دستگاه ها است.

در سال 1958 جك كيلبي از تگزاس و رابرت نويس از شركت Fairchild  برای کوچک تر شدن اندازه مدار فكر كردند. آن ها مسیر های بسیار نازکی از فلز (معمولاً آلومینیوم یا مس) را مستقیماً روی همان قطعه از مواد دستگاه های خود قرار دادند. این مسیر های کوچک مانند سیم عمل می کنند. با استفاده از این تکنیک می توان یک مدار کامل را روی یک قطعه از مواد جامد و یک IC ایجاد کرد. آی سی ها می توانند صد ها هزار ترانزیستور روی یک قطعه ماده به اندازه ای بسیار کوچک داشته باشند. کار با بسیاری از لوله های خلاء ناخوشایند و گران بود. اختراع IC، فناوری های عصر اطلاعات را عملی ساخت. در حال حاضر از IC ها در همه اقشار مختلف از اتومبیل گرفته تا پارک تفریحی بسیار استفاده می شود.

مراحل ساخت آی سی

چگونه یک تراشه حافظه یا پردازنده برای کامپیوتر بسازیم؟ همه چیز با یک عنصر ترکیبی خام مانند سیلیکون شروع می شود که برای ایجاد آن تحت فرایند شیمیایی یا ناخالصی قرار می گیرد و دارای خصوصیات الکتریکی مختلف است.

نیمه رسانا های ناخالص

به طور معمول، تجهیزات به دو دسته تقسیم می شوند: مواردی که به راحتی اجازه می دهند برق از طریق آنها عبور کند (رسانا ها) و موادی که برق از آن ها عبور نمی کند(عایق ها). فلزات بیشتر رسانا ها را تشکیل می دهند در حالی که موادی مانند پلاستیک، چوب و شیشه عایق هستند. در حقیقت، مفهوم بسیار پیچیده تری از این موضوع وجود دارد، به ویژه هنگامی که صحبت از تعریف عناصری در مرکز جدول تناوبی (در گروه های 14 و 15)، به ویژه سیلیکون و ژرمانیم می شود. معمولاً عایق ها عناصری هستند که اگر مقدار کمی ناخالصی به آن ها وارد کنیم برای عملکرد بیشتر مانند رسانا ها آماده می شوند.

اگر آنتیموان را به سیلیکون اضافه کنید، مقدار کمی الکترون اضافی در اختیار شما قرار می دهد که معمولاً شامل انرژی هدایت الکتریسیته است. سیلیکون “ناخالص” همچنین سیلیکون نوع n گفته می شود. هنگامی که بور را به جای آنتیموان اضافه می کنید، مقداری از الکترون های سیلیکون را می گیرید و “حفره هایی” باقی می گذارید که به عنوان “الکترون منفی” کار می کنند. بعد، جریان الکتریکی مثبت را به روش مخالف منتقل کنید. به چنین نوع سیلیکونی نوع p گفته می شود. قرار دادن نواحی سیلیکون نوع n و p در کنار هم برای ایجاد محل اتصال هایی که الکترون ها از طریق آن ها بسیار جذب کننده عمل می کنند، روشی است که در آن ما به صورت الکترونیکی، دستگاه های نیمه رسانا مانند دیود ها، ترانزیستور ها و حافظه ها تولید می کنیم.

داخل یک تراشه

روش تولید یک IC با یک کریستال بزرگ سیلیکون، به شکل یک لوله جامد تو پر، آغاز می شود که برش خورده و به صفحات نازک تبدیل می شود. صفحات نازک سیلیکونی به شکل مربع یا مستطیل هستند، که هر یک از آن ها از یک تراشه سیلیکون ساخته می شود (که میکروچیپ نیز نامیده می شود). هزاران، میلیون ها یا میلیاردها دستگاه در هر تراشه با ناخالصی نواحی غیر مشابه ازسطح تولید می شود تا آن ها را به سیلیکون نوع n یا p تبدیل کند.

اضافه کردن ناخالصی توسط چندین فرآیند مختلف تکمیل میشود، در یکی از آنها که به پاشیدن (sputtering) معروف است، یون های ناخالصی، دقیقا مانند گلوله های تفنگ به سمت صفحه نازک سیلیکونی پرتاب میشوند. یک روش دیگر رسوب بخار (vapor deposition) است که مواد ناخالصی را به شکل گاز به آی سی منتقل میکنند و اتم های ناخالصی، لایه ای نازک روی سطح نازک سیلیکونی تولید میکنند. این روش به صورت دقیق تر اپی تاکسیال نام دارد.

البته، ساختمان IC ها که صدها، میلیون ها یا میلیارد ها دستگاه را روی یک تراشه سیلیکونی با اندازه ای بسیار کوچک جمع می کنند، کمی دشوارتر از آن است که به نظر می رسد. وقتی در مقیاس میکروسکوپی (یا حتی گاهی اوقات حتی در مقیاس نانو) کار می کنید، هرج و مرج را تصور کنید. به همین دلیل نیمه هادی ها در محیط های آزمایشگاهی بی عیب و نقصی به نام اتاق های تمیز آماده می شوند، جایی که هوا به طور دقیق فیلتر می شود و کارمندان باید از طریق انواع لباس های حفاظتی وارد و خارج شوند.

انواع آی سی ها

IC انواع مختلفی دارد که شامل زیر است:

IC های دیجیتال

این نوع آی سی دارای دو سطح تعریف شده است: 1 و 0 که به این معنی است که آن ها بر اساس ریاضیات باینری کار می کنند که در آن 1 به معنای روشن و 0 به معنای خاموش است. چنین آی سی هایی با بیش از میلیون ها فلیپ فلاپ، گیت منطقی و موارد دیگر ، که همه در یک تراشه گنجانیده شده است، با دقت تمام انجام می شوند. نمونه هایی از IC دیجیتال، میکروکنترلر ها و ریزپردازنده ها است.

• IC های منطقی
• تراشه های حافظه
• IC های رابط (شیفت سطح ، سریال سازی / سریال سازی و…)
• آی سی های مدیریت توان
• دستگاه های قابل برنامه ریزی

آی سی های آنالوگ

IC های آنالوگ با کنترل سیگنال های مداوم کار می کنند و قادر به انجام کار هایی مانند فیلتر کردن، تقویت، دمدولاسیون، مدولاسیون و… هستند. سنسورها، OP_AMP ها اساساً IC های آنالوگ هستند.

• آی سی های خطی
• آی سی های RF

سیگنال مخلوط

وقتی از IC های دیجیتال و آنالوگ بر روی یک تراشه استفاده می شود؛ IC حاصل به عنوان IC های سیگنال مخلوط شناخته می شود.

• IC های بدست آوردن داده (شامل مبدل های A / D ، مبدل D / A ، پتانسیومترهای دیجیتال)
• IC ساعت / زمان بندی

کاربرد های IC

آی سی  از یک ماده نیمه رسانا به عنوان میز کار استفاده می کند و معمولا سیلیکون برای کار انتخاب می شود. پس از آن، اجزای الکتریکی مانند دیود ها، ترانزیستور ها و مقاومت ها و…به شکل کوچک شده به این تراشه اضافه می شوند. اجزای الکتریکی به گونه ای به یکدیگر متصل شده اند که قادر به انجام چندین کار و محاسبه هستند. سیلیکون به عنوان wafer در این مجموعه شناخته می شود.

یک آی سی کاربرد هایی شامل موارد را دارد:

• رادار
• ساعت مچی
• تلویزیون ها
• آبمیوه گیری
• برنامه شمارنده کامپیوتری
• پردازنده های ویدیویی
• تقویت کننده های صوتی
• دستگاه های حافظه
• دستگاه های منطقی
• رمزگذار ها و رمزگشا های فرکانس رادیویی

در این مقاله، ما به طور خلاصه در مورد اینکه  IC ها چه هستند و چگونه ساخته می شوند و… صحبت کردیم. دو نوع روش برای ساخت IC ها با کمک یک نیمه رسانا ناخالص، در داخل تراشه وجود دارد. ما به انواع مختلف مدار های آی سی مانند IC های دیجیتال، IC های آنالوگ و در نهایت سیگنال های مخلوط با کمک با مثال پرداخته ایم. علاوه بر این موارد نحوه استفاده و کاربرد های IC ها نیز مورد بحث قرار گرفته است.

انواع آی سی ها کدام هستند؟

آی سی ها انواع مختلفی دارند و به شکل های مختلف دسته بندی میشوند. مرسوم ترین نوع دسته بندی آی سی های آنالوگ و دیجیتال است.

نحوه خواندن شماره آی سی چگونه است؟

شما میتوانید با فهمیدن شرکت سازنده آی سی و جستجو در محصولات آنها شماره را پیدا کنید.