Integrované obvody

Co to jsou integrované obvody

Co znamená slovní spojení integrovaný obvod? Slovo integrovaný nebo integrace vyjadřuje celistvost nebo spojení v jeden organický celek. Slovo obvod pak vyjadřuje zapojení sestavené z jednotlivých elektrických součástek, které vykonává určitou elektrickou funkci.

Integrovaný obvod je tedy zapojení, u kterého jsou však jednotlivé součástky speciálním technologickým postupem vytvořeny a vzájemně spojeny v malé křemíkové destičce – pak hovoříme o monolitických integrovaných obvodech. Jiným typem jsou hybridní integrované obvody, v nichž jsou jednotlivé součástky, které jsou třeba tisíckrát menší než běžně známé součástky, napájeny, napařeny nebo jinak vytvořeny a vzájemně propojeny na společné destičce. Integrovaný obvod je to poté opět zapouzdřený, ale součástky jsou v něm umístěny samostatně. Rozměry destičky s celým obvodem jsou u hybridních obvodů několik milimetrů, u obvodů monolitických pak třeba jeden až dva milimetry. Používání integrovaných obvodů v elektronice přináší velkou spoustu výhod. Tou hlavní a nejzřetelnější je obrovská miniaturizace části zařízení vykonávající určitou funkci, kdy při použití integrovaného obvodu je tato miniaturizace rozměrů nejmarkantnější. Tím se samozřejmě automaticky snižují nároky na montážní prostor a na spotřebu materiálu.

Integrované obvody mají v porovnání s obvody s diskrétními součástkami ještě další přednosti, z nichž uvedu například větší spolehlivost a možnost hromadné sériové výroby. Při jejich výrobě je vždy jeden krok výrobního procesu prováděn současně na několika stovkách jednotlivých destiček, které zpočátku tvoří celou desku, která se nazývá salámek. Po vytvoření jednotlivých zapojení na destičkách se celý salámek rozřeže na jednotlivé obvody. Tento postup se užívá při výrobě monolitických integrovaných obvodů. Jednotlivé destičky se potom buď připájejí na kovové držáky s vývody a zastříknou do pouzdra z plastu, nebo se připájejí na kovovou patku s vývody a uzavřou kovovým krytem. Tato pouzdra chrání integrovaný obvod před mechanickými a klimatickými vlivy, je tak zajištěna jejich spolehlivá funkce.

U integrovaných obvodů rozlišujeme to, jak jsou složité takzvaným stupněm integrace. Obvody malého stupně integrace (zkratkou označované jako SSI) vykonávají stejnou funkci jako zapojení, které by obsahovalo nejvýše stovku součástek. U středního stupně integrace je to pak nejvýše 700 součástek a integrované obvodu velkého stupně integrace (zkratkou LSI) pak zastávají zapojení, která by čítala více než 700 součástek.

Poslední z těch nejdůležitějších výhod integrovaných obvodů je úspora energie, které se dosáhlo jejich zavedením. Integrované obvody na rozdíl od elektronek nepotřebují takzvané žhavení, takže například spotřeba televize tvořené integrovanými obvody je tak téměř poloviční. U rádií se tato spotřeba sníží dokonce až desetkrát.

Výroba čistého křemíku takzvanou Planární technologií

Dobrý polovodičový materiál musí být čistě krystalický. Jak se tedy vyrábí čistý monokrystalický křemík?

V grafitové nádobce je se nachází tavenina křemíku. Ze shora se do ní ponoří takzvaný zárodečný krystal. Jeho následným otáčením a vytahováním se na něj „nabaluje“ další krystalický křemík. Průměr vzniklého válce je shodný s průměrem původního zárodečného krystalu. V dobách počátků používání této technologie byl tento průměr jeden až dva centimetry, v současnosti to může být i třicet centimetrů.

Takto připravený materiál je ingot válcovitého tvaru a je tedy nutné z něj připravit destičky tenké asi 0,2 mm, které jsou potřeba pro vlastní výrobu polovodičových prvků. Ty se dostanou kolmým rozřezáním válcového ingotu pomocí tzv. diamantové pily. Tyto tenké kotoučky, nazývané díky svému tvaru salámky, se následně leští. To se provádí optickou cestou a výsledný povrch je tak dokonale hladký, že všechny nerovnosti jsou menší než vlnová délka světla. Na tomto salámku se najednou vyleptá velké množství integrovaných obvodů o rozměrech třeba 1,5 x 1,5 cm a tyto se pak od sebe oddělí.

Dle funkce rozlišujeme obvody analogové a digitální. Analogové mohou být například zesilovače napětí, stereofonní dekodéry, obvody pro detekci a zpracování barevného signálu v televizi a podobně. Digitální integrované obvody mohou být mikroprocesory, paměti, registry a podobně. S postupující dobou se stále více přechází na integrované obvody digitální. Ty pracují pouze se dvěma stavy – logickou nulou a logickou jedničkou nebo, chcete-li, stavy ano-ne, zapni-vypni nebo svítí-nesvítí. Tím se přenáší signály ve dvojkové soustavě a jedna informace pak má hodnotu jeden bit.

I když to třeba netušíme, s integrovanými obvody se setkáváme každý den. Jsou například v každé televizi, dálkovém ovládání, v digitálních hodinách, kalkulačkách, hi-fi věžích, videích, rádiích a pochopitelně i v mobilních telefonech a každý máte jeden právě na své levé ruce, pokud máte digitální hodinky.

Nejsložitější integrované obvody jsou procesory dnešních počítačů. Tak například nejnovější procesor Intel Pentium 4 pracuje na frekvenci 2,4 GHz a obsahuje 42 miliónů tranzistorů na ploše 1,5 cm². Je vyroben 0,18 mikronovou technologií, což znamená, že spoje a tranzistory jsou velké 0,18 mikrometrů, čili stoosmdesát nanometrů. V dubnu tohoto roku se společnosti Intel podařilo vyrobit tranzistor o velikosti 20 nanometrů a počítá se s tím, že kolem roku 2007 by jejich procesory mohly na stejné ploše obsahovat až miliardu tranzistorů.