Układ scalony, w skrócie IC, jest, można powiedzieć, ostatecznym komponentem elektronicznym. Obecnie układy scalone mogą zawierać kilka miliardów połączonych ze sobą tranzystorów, rezystorów, kondensatorów i diod na powierzchni zaledwie kilku centymetrów kwadratowych. W naszym poradniku przedstawiamy najważniejsze fakty na temat tych podstawowych komponentów współczesnej elektroniki.
Układ scalony jest często nazywany chipem, mikroprocesorem, układem mikroelektronicznym lub układem zintegrowanym. Składa się on z układu półprzewodnikowego, którego struktura odpowiada kombinacji klasycznych elementów dyskretnych pod względem technologii obwodów. Układ scalony może działać jako wzmacniacz, oscylator, zegar, licznik, bramka logiczna, pamięć komputerowa, mikrokontroler lub mikroprocesor..
Wszystkie elementy układu scalonego są ze sobą połączone złożoną siecią dysków półprzewodnikowych, krzemu, miedzi i innych materiałów. Pod względem rozmiaru, każdy komponent jest mikroskopijnie mały. Powstały obwód - monolityczny układ scalony - jest również niewielki i wymaga zaledwie kilku milimetrów kwadratowych lub centymetrów kwadratowych powierzchni procesora.
Typowym przykładem nowoczesnego układu scalonego jest mikroprocesor, który zwykle zawiera miliony lub miliardy tranzystorów, kondensatorów, bramek logicznych i innych komponentów, które są połączone w celu utworzenia złożonego obwodu elektrycznego. Chociaż procesor jest układem scalonym, nie wszystkie układy scalone są procesorami.
Wynalezienie tranzystora - połączenia angielskich słów transfer oznaczającego transmisję i resistor oznaczającego rezystancję - w 1947 roku położyło podwaliny pod złożone układy elektroniczne, a tym samym pod erę nowoczesnych komputerów.
Na początku każdy tranzystor był dostarczany w oddzielnej plastikowej obudowie. W tamtym czasie każdy obwód składał się z dyskretnych tranzystorów, kondensatorów i rezystorów. Ze względu na rozmiar tych komponentów, wczesne chipy mogły być wykonane tylko z kilku komponentów.
Pod koniec lat 50. naukowcy Jack Kilby i Robert Noyce znaleźli sposób na ułożenie cienkich metalowych ścieżek na komponentach, funkcjonujących jak przewody. Ich rozwiązanie problemu okablowania między małymi komponentami elektrycznymi było początkiem rozwoju nowoczesnego układu scalonego.
W porównaniu do początków, dzisiejsze układy scalone są niewiarygodnie złożone i zdolne pomieścić na jednym małym kawałku materiału nawet miliony tranzystorów i innych komponentów. Nowoczesny układ scalony składa się z jednego elementu, a poszczególne komponenty są osadzone bezpośrednio w krysztale krzemu, a nie tylko zamontowane na nim.
Układy scalone nie są tworzone kawałek po kawałku, ale jako część znacznie większego dysku krzemowego, płytki. Zazwyczaj okrągłe płytki o średnicy do 300 milimetrów zawierają od kilkudziesięciu do kilkuset chipów, w zależności od typu układu scalonego, które są ostatecznie wycinane i - po szeroko zakrojonych testach - mocowane w hermetycznie zamkniętej obudowie. Połączenie z zewnątrz odbywa się za pomocą bardzo cienkich przewodów między stykami układu scalonego a pinami połączeniowymi.
Dysk magnetyczny, zwany również "waflem". Wafle o różnych rozmiarach (2 - 8 cali). Można rozpoznać różne struktury na poszczególnych chipach.
Widok otwartej obudowy układu scalonego. Połączenia na chipie są podłączone do pinów za pomocą cienkich przewodów.
Układy scalone mogą być analogowe, cyfrowe, linearne lub stanowić kombinację obu tych typów, w zależności od ich przeznaczenia.
Analogowe lub liniowe układy scalone mają stale zmienne wyjście, które zależy od poziomu sygnału wejściowego. Teoretycznie mogą przyjmować nieskończoną liczbę stanów. W przypadku tego typu układów scalonych poziom sygnału wyjściowego jest liniową funkcją poziomu sygnału wejściowego. Jeśli aktualny poziom wyjściowy zostanie porównany z aktualnym poziomem wejściowym, to krzywa wygląda idealnie jako linia prosta.
Analogowe układy scalone zazwyczaj wykorzystują tylko kilka komponentów i mają dość prostą konstrukcję. Występują głównie w zakresach audio lub częstotliwości radiowych, na przykład jako wzmacniacze mocy. Wzmacniacz operacyjny, w skrócie op-amp, jest powszechnym komponentem w tych zastosowaniach.
Innym powszechnym obszarem zastosowań analogowych układów scalonych są układy scalone czujników, na przykład do pomiaru temperatury. Liniowe układy scalone można zaprogramować tak, aby włączały lub wyłączały różne urządzenia, gdy tylko sygnał osiągnie określoną wartość.
W przeciwieństwie do analogowych, cyfrowe układy scalone nie przetwarzają ciągłego zakresu amplitud sygnału. Zamiast tego używają tylko kilku zdefiniowanych poziomów lub stanów. Podstawowymi komponentami cyfrowych układów scalonych są bramki logiczne, które działają z danymi binarnymi, tj. z sygnałami cyfrowymi, które mają tylko dwa różne stany, a mianowicie niski dla logiki 0 i wysoki dla logiki 1.
Mieszany układ scalony zawiera zarówno analogowe, jak i cyfrowe zasady projektowania. Typowymi przedstawicielami są przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe, a także układy scalone taktujące.
Mikroprocesory to najbardziej skomplikowane układy scalone. Składają się one z miliardów tranzystorów skonfigurowanych jako tysiące indywidualnych obwodów cyfrowych, z których każdy wykonuje określoną funkcję logiczną. Niektóre obwody, zwane rejestrami, przechowują informacje. Każdy procesor ma wiele różnych typów rejestrów. Na przykład rejestry stałe wykonują dodawanie i mnożenie. Z kolei rejestry tymczasowe przechowują liczby do przetworzenia i wyniki obliczeń.
Czym dokładnie jest monolityczny układ scalony?
Układ scalony składający się z pojedynczego kawałka krzemu nazywany jest monolitycznym układem scalonym lub MIC.
Jaka jest różnica między półprzewodnikiem a układem scalonym?
Układy scalone to małe elementy krzemowe z co najmniej dwoma połączonymi ze sobą elementami półprzewodnikowymi. Z drugiej strony półprzewodnik to substancja o właściwościach elektrycznych znajdujących się pomiędzy dobrym przewodnikiem a dobrym izolatorem.