Το ολοκληρωμένο κύκλωμα

Η εφεύρεση του ολοκληρωμένου κυκλώματος (IC) το 1959 αποτέλεσε μεγάλο επίτευγμα, επειδή τα εξαρτήματα δεν είναι πια διακριτά. Είναι ολοκληρωμένα. Αυτό σημαίνει ότι δημιουργούνται και συνδέονται όλα κατά τη διαδικασία κατασκευής σε ένα μόνο τσιπ, ένα μικρό κομμάτι ημιαγωγού υλικού. Επειδή τα εξαρτήματα αυτά είναι μικροσκοπικά, ο κατασκευαστής μπορεί να τοποθετήσει χιλιάδες από αυτά τα ολοκληρωμένα εξαρτήματα στον χώρο που θα καταλάμβανε ένα μόνο διακριτό τρανζίστορ.

Τα ολοκληρωμένα βγαίνουν σε πάρα πολλούς τύπους, ανάλογα με τη λειτουργία που επιτελούν, τα αναλογικά ολοκληρωμένα όπως ενισχυτές, δέκτες κ.ά. και τα ψηφιακά ολοκληρωμένα όπως τα κυκλώματα ηλεκτρονικών υπολογιστών. Επίσης κατασκευάζονται σε πολλούς τύπους περιβλημάτων.

Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή του τρόπου κατασκευής ενός IC. Οι σύγχρονες διαδικασίες κατασκευής είναι πολύ πιο περίπλοκες, αλλά αυτός ο απλοποιημένος σχολιασμός θα σας δώσει τη βασική ιδέα για την κατασκευή ενός διπολικού IC.

Βασική ιδέα

Αρχικά, ο κατασκευαστής δημιουργεί ένα κρύσταλλο p μήκους αρκετών ιντσών (Σχ. 1α). Αυτός διαιρείται σε πολλές φέτες (wafer) όπως δείχνει το Σχ. 1β. Η μια πλευρά της λεπτής φέτας ημιαγωγού υλικού εμπλουτίζεται και λειαίνεται για να απομακρυνθούν τυχόν επιφανειακές ατέλειες. Η λεπτή αυτή φέτα ονομάζεται υπόστρωμα p. Θα χρησιμοποιηθεί σαν σασί για τα ολοκληρωμένα εξαρτήματα. Στη συνέχεια, οι φέτες τοποθετούνται σε ένα κλίβανο. Ένα μείγμα αερίου από άτομα πυριτίου και πεντασθενή άτομα περνά πάνω από τη φέτα Αυτό σχηματίζει ένα λεπτό στρώμα ημιαγωγού τύπου – n στη θερμή επιφάνεια του υποστρώματος (βλ. Σχ. 1γ). Το στρώμα αυτό ονομάζεται επιταξιακό στρώμα. Όπως δείχνει το Σχ. 1γ, το επιταξιακό στρώμα έχει πάχος περίπου 0.1 μέχρι 1 mil.

Για να εμποδίσουμε τη ρύπανση του επιταξιακού στρώματος, φυσάμε καθαρό οξυγόνο πάνω από την επιφάνεια. Τα άτομα του οξυγόνου συνδυάζονται με τα άτομα πυριτίου για να σχηματίσουν ένα στρώμα διοξειδίου του πυριτίου SiO2 πάνω στην επιφάνεια όπως δείχνει το Σχ. 1δ. Αυτό το στρώμα που μοιάζει με γυαλί και αποτελείται από SiO2 καλύπτει την επιφάνεια και εμποδίζει περαιτέρω χημικές αντιδράσεις. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μόνωση ημιαγωγού.

Στην συνέχεια, η λεπτή φέτα ημιαγωγού χωρίζεται σε ορθογώνια τμήματα, όπως φαίνεται στο σχήμα. Καθεμιά από αυτές τις περιοχές θα αποτελέσει ξεχωριστό τσιπ μετά την τομή της φέτας. Πριν όμως από την τομή αυτή, ο κατασκευαστής δημιουργεί εκατοντάδες κυκλώματα πάνω στη φέτα ημιαγωγού, σε κάθε περιοχή του τσιπ. Αυτή η ταυτόχρονη μαζική παραγωγή είναι ο λόγος του χαμηλού κόστους των IC.

Ένα τρανζίστορ δημιουργείται ως εξής: Απομακρύνεται ένα μέρος του SiO2 αποκαλύπτοντας το επιταξιακό στρώμα (βλ. Σχ 2α). Κατόπιν, η λεπτή φέτα ημιαγωγού τοποθετείται σε κλίβανο και τρισθενή άτομα ενώνονται με το επιταξιακό στρώμα. Η συγκέντρωση τρισθενών ατόμων είναι αρκετή για να μεταβάλει το επιταξιακό στρώμα που εκτίθεται από υλικό – n σε υλικό – p. Επομένως,μπορούμε να πάρουμε μια νησίδα υλικού – n κάτω από το στρώμα SiO2 (βλ. Σχ. 2β). Φυσάμε και πάλι οξυγόνο στην επιφάνεια για να σχηματιστεί το πλήρες στρώμα SiO2 που φαίνεται στο Σχ. 2γ.

Τώρα ανοίγεται μια οπή στο κέντρο του στρώματος SiO2 . Αυτή εκθέτει το επιταξιακό στρώμα n (Σχ. 2δ). Η οπή στο στρώμα SiO2 ονομάζεται παράθυρο. Τώρα, ας εξετάσουμε αυτό που είναι γνωστό σαν συλλέκτης του τρανζίστορ.

Για να πάρουμε τη βάση, περνάμε τρισθενή άτομα μέσα από αυτό το παράθυρο. Οι προσμίξεις αυτές ενώνονται με το επιταξιακό στρώμα και σχηματίζουν μια νησίδα από υλικό τύπου p (Σχ. 2ε). Μετά, το στρώμα SiO2 ανασχηματίζεται περνώντας οξυγόνο πάνω από τη φέτα ημιαγωγού (Σχ 2στ).

Για να σχηματίσουμε τον εκπομπό, ανοίγουμε ένα παράθυρο στο στρώμα SiO2 και εκθέτουμε τη νησίδα – p (Σχ. 2ζ). Ενώνοντας τα πεντασθενή άτομα με την νησίδα – p, μπορούμε να σχηματίσουμε τη μικρή νησίδα n που δείχνει το Σχ. 2η.

Μπορούμε να μονώσουμε τη δομή φυσώντας οξυγόνο πάνω από τη φέτα ημιαγωγού (Σχ. 2θ). Ανοίγοντας παράθυρα στο στρώμα SiO2 μπορούμε να τοποθετήσουμε μέταλλο για να δημιουργήσουμε ηλεκτρική επαφή με τον εκπομπό, τη βάση και τον συλλέκτη. Αυτό μας δίνει το ολοκληρωμένο τρανζίστορ του Σχ. 3α

Για να πάρουμε μια δίοδο, ακολουθούμε την ίδια διαδικασία μέχρι το σημείο σχηματισμού και μόνωσης της νησίδας – p (Σχ. 2στ). Κατόπιν ανοίγουμε παράθυρα και εκθέτουμε τις νησίδες p και n. Τοποθετώντας μέταλλο μέσα από τα παράθυρα αυτά, δημιουργούμε ηλεκτρική επαφή με την κάθοδο και την άνοδο της ολοκληρωμένης διόδου (Σχ. 3β). Ανοίγοντας δυο παράθυρα πάνω από την νησίδα p, στο Σχ. 2στ, μπορούμε να δημιουργήσουμε μεταλλική επαφή με τη συγκεκριμένη νησίδα. Αυτό μας δίνει μια ολοκληρωμένη αντίσταση (Σχ. 3γ).

Τα τρανζίστορ, οι δίοδοι και οι αντιστάσεις κατασκευάζονται εύκολα σε ένα τσιπ. Γι’ αυτό, σχεδόν όλα τα IC χρησιμοποιούν αυτά τα εξαρτήματα. Δεν είναι πρακτικό να ολοκληρώνουμε πηνία και μεγάλους πυκνωτές στην επιφάνεια ενός τσιπ.

Ένα απλό παράδειγμα

Για να πάρουμε μια ιδέα πως δημιουργείται ένα κύκλωμα, ας κοιτάξουμε το απλό κύκλωμα τριών εξαρτημάτων του Σχ 4α. Για την κατασκευή του, μπορούμε να δημιουργήσουμε ταυτόχρονα εκατοντάδες κυκλώματα σαν αυτό σε μια λεπτή φέτα ημιαγωγού. Κάθε περιοχή του τσιπ θα έμοιαζε με το Σχ. 4β. Η δίοδος και η αντίσταση θα σχηματιζόταν στο σημείο που προαναφέραμε. Κατόπιν, θα σχηματίζαμε τον εκπομπό και το τρανζίστορ. Στη συνέχεια, θα ανοίγαμε παράθυρα και θα τοποθετούσαμε μέταλλο για να συνδέσουμε δίοδο, τρανζίστορ και αντίσταση, όπως δείχνει το Σχ. 4β.

Ανεξάρτητα από το πόσο περίπλοκο μπορεί να είναι το κύκλωμα, η δημιουργία του είναι κυρίως μια διαδικασία διάνοιξης παραθύρων, σχηματισμού νησίδων p και n και σύνδεσης των ολοκληρωμένων εξαρτημάτων. Το υπόστρωμα p απομονώνει τα ολοκληρωμένα εξαρτήματα μεταξύ τους. Στο Σχ. 4β υπάρχουν στρώματα απογύμνωσης μεταξύ του υποστρώματος p και των τριών νησίδων n που ακουμπούν σ’ αυτό. Επειδή τα στρώματα απογύμνωσης ουσιαστικά δεν έχουν φορείς ρεύματος, τα ολοκληρωμένα εξαρτήματα απομονώνονται μεταξύ τους. Αυτού του είδους η μόνωση ονομάζεται μόνωση στρώματος – απογύμνωσης.

Είδη IC

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα που περιγράψαμε ονομάζονται μονολιθικά IC. Ο όρος μονολιθικά προέρχεται από τα Ελληνικά και σημαίνει “μια πέτρα”. Ο όρος αυτός θεωρείται ο καταλληλότερος επειδή τα εξαρτήματα αποτελούν τμήματα του ίδιου τσιπ. Τα μονολιθικά IC είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος IC. Από την εφεύρεση τους οι κατασκευαστές παρέχουν μονολιθικά IC για την διεξαγωγή κάθε είδους λειτουργίας.

Τα είδη που κυκλοφορούν στο εμπόριο μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν ενισχυτές, σταθεροποιητές τάσης, διατάξεις προστασίας από υπερφόρτιση, δέκτες ΑΜ και FM, τηλεοπτικά κυκλώματα και ψηφιακά κυκλώματα ηλεκτρονικών υπολογιστών. Όμως το μονολιθικό IC έχει περιορισμούς ισχύος. Αφού τα περισσότερα μονολιθικά IC έχουν περίπου το μέγεθος ενός διακριτού τρανζίστορ μικρού σχήματος, χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές μικρής ισχύος.

Όταν απαιτείται υψηλότερη ισχύς, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε IC λεπτής και χοντρής μεμβράνης. Οι διατάξεις αυτές είναι μεγαλύτερες από τα μονολιθικά IC, αλλά μικρότερες από τα διακριτά κυκλώματα. Με ένα IC λεπτής ή χονδρής μεμβράνης, ολοκληρώνονται τα παθητικά εξαρτήματα όπως οι αντιστάσεις και οι πυκνωτές, αλλά τα τρανζίστορ και οι δίοδοι συνδέονται σαν διακριτά εξαρτήματα για να σχηματίσουν το τελικό κύκλωμα. Επομένως, τα κυκλώματα λεπτής και χοντρής μεμβράνης που διατίθενται στο εμπόριο, αποτελούν συνδυασμό ολοκληρωμένων και διακριτών εξαρτημάτων.

Ένα άλλο IC που χρησιμοποιείται στις εφαρμογές υψηλής ισχύος είναι το υβριδικό IC. Τα υβριδικά IC συνδυάζουν δύο ή περισσότερα μονολιθικά IC με κυκλώματα λεπτής και χοντρής μεμβράνης. Χρησιμοποιούνται ευρύτατα σε εφαρμογές ακουστικών ενισχυτών υψηλής ισχύος από 5 μέχρι πάνω από 50W.