عبارت قطعات الکترونیکی و مدارهای مجتمع یا آی سی ها مترادف با الکترونیک هستند. هر جا که وسایل الکترونیکی وجود داشته باشد، قطعا یک یا چند آی سی وجود دارد به عبارت دیگر هیچ وسیله الکترونیکی بدون آی سی کارنمی کند، مدارهای مجتمع ادغام مینیاتوری مدارهای الکترونیکی کامل بر روی یک تراشه نیمه هادی واحد هستند. آی سی ها طی فرآیندهای سخت و پیچیده تولید می شوند وبه همین دلیل است که بسیار قابل اعتماد و برای ...
قطعات الکترونیک - مدارهای مجتمع چیست؟ آیا مدارهای مجتمع همان آی سی است؟
ایده مدارهای مجتمع برای اولین بار در زمان اختراع ترانزیستورها مطرح شد. به طور معمول، مدارهای الکترونیکی با مونتاژ قطعات الکترونیک مجزای مختلف و اتصال آنها بر روی نمونه اولیه یا برد مدار چاپی تولید می شدند. با معرفی ترانزیستورها، تکنولوژی نیمه هادی هم جهش پیدا کرد و محققان پس از یافتن راهکارهایی برای تولید ترانزیستورها، شروع به یافتن راه هایی برای به تولید مدارهای الکترونیکی کامل روی یک ویفر سیلیکونی کردند
تعداد ترانزیستورها و سایر قطعات الکترونیکی که می‌توان روی یک ویفر سیلیکونی ساخت و به هم متصل کرد، به سرعت افزایش پیدا کرد به طوریکه تقریباً هر دو سال یکبار دو برابر می شدند .این پدیده به عنوان قانون مور (MOORE S LOW) شناخته می شود که از زمان پیدایش آن از سال 1965 تا به امروز قابل اجراست در حال حاضر، مدارهای مجتمع یا همان آی سی ها، مدارهای میکروسکوپی یا نانویی هستند که بر روی یک تراشه نیمه‌رسانا یکپارچه شده‌اند. قلب یک آی سی مدارهای مجتمع آن می باشد که در یک ویفر سیلیکونی قراردارد اتصالات این مدار با اتصالات خارجی از طریق پایه های خارج روی ویفر برقرار می شود
برخلاف مدارهای گسسته، قطعاتی که در یک آی سی ساخته می شوند را نمی توان جداسازی یا تعویض نمود. مدار به عنوان یک واحد یکپارچه باقی می ماند و نمی توان آن را تغییر داد. به همین دلیل است که این مدارهای میکروسکوپی روی قاب های کوچک را مدارهای مجتمع می نامند.
انواع مدارهای مجتمع بر اساس سایز تراشه، نوع مدار (سیگنال) و تکنیک ساخت مدارهای مجتمع
مدارهای مجتمع شکل پیچیده ای از الکترونیک و قطعات الکترونیک هستند که دارای طیف گسترده ای ازنظر ویژگی ، بسته بندی، کاربرد، و پیچیدگی هستند. با این حال، می توان مدارهای مجتمع مختلف را بر اساس برخی از فاکتورها طبقه بندی نمود. هر مدار مجتمع اساساً کوچک سازی یک مدار الکترونیکی مجتمع است. اینکه کوچک سازی تا چه مقیاسی انجام می شود و چه تعداد ترانزیستور و گیت های منطقی در یک آی سی واحد ادغام شده اند یک معیار برای طبقه‌بندی تراشه‌های آی سی IC است.
بر اساس سایز تراشه، مدارهای مجتمع به شرح زیر طبقه بندی می شوند:
1-ادغام در مقیاس کوچک
2- ادغام در مقیاس متوسط
3- ادغام در مقیاس بزرگ
4- ادغام در مقیاس بسیار بزرگ
5- ادغام در مقیاس فوق العاده بزرگ
معیار دیگر برای طبقه بندی آی سی ها نوع مدار آنهاست. از آنجایی که، الکترونیک همه چیز در مورد سیگنال است بنابراین بر اساس نوع سیگنال، مدارهای مجتمع به شرح زیر طبقه بندی می شوند:
1-مدارهای مجتمع دیجیتال
2-مدارهای مجتمع آنالوگ
3-مدارهای مجتمع سیگنال مختلط
راه سوم برای طبقه بندی آی سی ها تکنیک ساخت آنهاست. بر این اساس مدارهای مجتمع به صورت زیر طبقه بندی می شوند:
1- آی سی های فیلم نازک و ضخیم
2-آی سی های یکپارچه
3- آی سی های هیبریدی/چندچیپ
1- طبقه بندی مدارهای مجتمع (آی سی ها) بر اساس اندازه تراشه :
مقیاس یکپارچه سازی قطعات الکترونیکی همیشه الهام بخش و آرزوی صنعت نیمه هادی بوده است. مقیاس ادغام، تعداد ترانزیستورها یا گیت های یکپارچه شده روی یک تراشه را نشان می دهد که بر این اساس مدارهای مجتمع از نوع زیر هستند :
1-1 : ادغام مدارهای مجتمع در مقیاس کوچک
در آغاز این فن آوری از سال 1961 تا 1965، آی سی ها فقط چند جزء، معمولاً 2 تا 10 ترانزیستور داشتند که روی یک تراشه یکپارچه شده بودند،. در حال حاضر، مدارهای مجتمع دارای 10 تا 100 ترانزیستور روی یک تراشه واحد هستند که حدود 3 تا 30 گیت روی تراشه دارند و به عنوان آی سی های یکپارچه در مقیاس کوچک طبقه بندی می شوند. از این آی سی ها برای ساخت فلیپ فلاپ و آی سی گیت منطقی که انواع دیگری از قطعات الکترونیکی هستند استفاده می شود.
1-2 : ادغام مدارهای مجتمع در مقیاس متوسط
سطح بالاتر ادغام در مقیاس متوسط است که در آن، معمولاً 100 تا 1000 ترانزیستور که 30 تا 300 گیت منطقی در هر تراشه تولید می کنند، بر روی یک تراشه واحد ساخته می شوند. این فن آوری بین سال های 1966 و 1971 برجسته بود و برای ساخت مالتی پلکسرها، رمزگشاها، شمارنده ها و رجیسترها استفاده می شود.
1-3 : ادغام مدارهای مجتمع در مقیاس بزرگ
از سال 1971 تا 1979، فناوری ادغام در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرارگرفت این بار هزاران ترانزیستور - معمولاً 1000 تا 20000 ترانزیستور که منجر به 300 تا 3000 گیت در هر تراشه می شود ؛ بر روی یک تراشه واحد ساخته می شوند. از این فناوری برای ساخت رم، رام و ریزپردازنده استفاده می شود.
1-4 : ادغام مدارهای مجتمع در مقیاس بسیار بزرگ
از سال 1980 تا 1984، یکپارچگی در مقیاس بسیار بزرگ بر روی کارآمد .در این فن آوری، ده‌ها هزار ترانزیستور - معمولاً 20000 تا 50000 ترانزیستور که 3000 گیت در هر تراشه را تشکیل می‌دهند - بر روی یک قالب ساخته می‌شوند. این فناوری برای طراحی پردازنده های سیگنال دیجیتال (DSP)، پردازنده های RISC، ریزپردازنده ها و میکروکنترلرهای 16 بیتی و 32 بیتی استفاده می شود.
1-5 : ادغام مدارهای مجتمع در مقیاس فوق العاده بزرگ
از سال 1984 تاکنون، یکپارچگی در مقیاس فوق العاده بزرگ استفاده می شود در این فن آوری از 50000 تا میلیاردها ترانزیستور بر روی یک تراشه واحد ساخته می شود، این سطح از اذغام عمدتاً برای طراحی ریزپردازنده ها و کنترلرهای 64 بیتی و بالاتر استفاده می شود.
آینده مقیاس یکپارچه سازی قطعات الکترونیک و آی سی ها در فناوری نانو نهفته است. قانون مور با وجود افزایش هزینه های تحقیق و توسعه همچنان معتبر است. تولیدکنندگان نیمه هادی ها همیشه مشتاق دستیابی به سطح بالاتری از یکپارچگی هستند. کاربردهای مدرن الکترونیک (artificial intelligence, machine learning, deep learning, cloud computing, IoT, AIoT, augmented reality, mixed reality, holographic reality, supercomputing, scientific computing, etc) از نظر حافظه و قدرت محاسباتی به این فن آوری نیاز دارند. . صنعت نیمه هادی ممکن است هرگز به نقطه اشباع نرسد و سطح یکپارچگی، شاید هرگز پایانی نداشته باشد.
2- طبقه بندی مدارهای مجتمع (آی سی ها) بر اساس نوع سیگنال :
همان طور که قبلا هم اشاره شد الکترونیک همه چیز در مورد پردازش سیگنال است. بر این اساس تمامی مدارهای الکترونیکی و مدارهای مجتمع به انواع زیر طبقه بندی می شوند:
2-1 : مدارهای مجتمع آنالوگ/خطی (آی سی های آنالوگ/خطی)
این مدارهای مجتمع برای پردازش سیگنال های پیوسته طراحی شده اند و ورودی و خروجی رابطه خطی دارند. این آی سی ها برای کاربردهایی مانند تقویت کننده های عملیاتی، تقویت کننده های دیفرانسیل، تایمرها، سنسورها، تنظیم کننده های ولتاژ، ضرب کننده های آنالوگ، حلقه های قفل فاز، مدولاتورها، دمدولاتورها، فیلترهای صوتی و غیره طراحی شده اند.
2-2 : مدارهای مجتمع دیجیتال (آی سی های دیجیتال)
این مدارهای مجتمع برای پردازش سیگنال های دیجیتالی مانند 0 یا 1، HIGH یا LOW، ON یا OFF طراحی شده اند. این آی سی ها ورودی های منطقی دارند و تابع منطقی را خروجی می دهند. آی سی های دیجیتال محصول شاخص صنعت نیمه هادی هستند و برای کاربردهایی مانند فلیپ فلاپ ها، گیت های منطقی، شمارنده ها، ثبات ها، مالتی پلکسرها، رمزگشاها، رمزگذارها، ریزپردازنده ها و میکروکنترلرها طراحی شده اند.
2-3 : مدارهای مجتمع سیگنال مختلط (آی سی های سیگنال مختلط)
این مدارهای مجتمع برای پردازش ترکیبی از سیگنال های آنالوگ و دیجیتال طراحی شده اند که بسیارپیچیده هستند زیرا مدارهای آنالوگ و دیجیتال هر دو توان، سطح سیگنال و عملکرد متفاوتی دارند. آنها برای کاربردهایی مانند تبدیل آنالوگ به دیجیتال، تبدیل دیجیتال به آنالوگ، اترنت، رادیو و مدیریت انرژی طراحی شده اند.
3- طبقه بندی مدارهای مجتمع (آی سی ها) بر اساس تکنیک ساخت :
آی سی ها هسته الکترونیک و قطعات الکترونیکی هستند که طی پروسه سخت و پیچیده ای تولید می شوند و بر اساس تکنیک ساخت، مدارهای مجتمع را می توان به انواع زیر طبقه بندی کرد:
3-1 : مدارهای مجتمع فیلم نازک و ضخیم (آی سی های فیلم نازک و ضخیم)
در این نوع مدارهای مجتمع، اجزای غیرفعال روی تراشه ساخته می شوند در حالی که ترانزیستورها و دیودها به عنوان اجزای جداگانه به هم متصل می شوند تا یک مدار الکترونیکی کامل را تشکیل دهند. این آی سی ها اساساً ترکیبی از اجزای به هم پیوسته و مجزا در یک بسته واحد هستند که عملکرد یکپارچه را ارائه می دهند
در فناوری لایه نازک، اجزای غیرفعال قطعات الکترونیکی مانند مقاومت‌ها و خازن‌ها بر روی آی‌سی با قرار دادن فیلمی از مواد رسانا بر روی یک زیرلایه شیشه‌ای یا سرامیکی ساخته می‌شوند و با تغییر ضخامت ماده رسانا، خواص الکتریکی غیرفعال مانند مقاومت و خازن کنترل می شود. در فناوری فیلم ضخیم، اجزای غیرفعال مورد نظر با رسوب دادن مواد رسانا با استفاده از تکنیک چاپ ابریشم بر روی یک بستر سرامیکی ساخته می‌شوند. در این تکنیک، اتصالات مدار توسط ماده رسانا یا دی الکتریک ایجاد می شود و از مش سیم های فولادی ضد زنگ به عنوان صفحه نمایش استفاده می شود. پس از چاپ مدارچاپی بر روی یک بستر سرامیکی، آن را در یک کوره در دمای بالا قرار می دهند تا آماده شود و بعد مدار را روی قالب تزریق می کنند.
3-2 : مدارهای مجتمع یکپارچه (آی سی های یکپارچه)
در این نوع آسی تمام اجزای غیرفعال، فعال و گسسته بر روی یک کریستال سیلیکونی ساخته می شوند آی سی های یکپارچه رایج ترین نوع آی سی هستند که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند. تولید آنها آسان و درعملکرد بسیار قابل اعتماد هستند. اگرچه این متداول ترین تکنیک تولید آی سی است، اما هنوز با چالش های عملی زیادی مانند عایق ضعیف، توان محدود و نویز سیگنال مواجه است
3-3 : مدارهای مجتمع هیبریدی/چند چیپ (آی سی های هیبریدی/چند چیپ)
در این نوع آی سی ها، بیش از یک تراشه مجزا در یک بسته واحد به هم متصل می شوند. اجزای فعال مانند ترانزیستورها و دیودها و اجزای غیرفعال مانند مقاومت ها و خازن ها بر روی تراشه پخش شده و با استفاده از اتصالات فلزی به یکدیگر متصل می شوند آی سی های هیبریدی از نظر فناوری و طراحی بهتر از آی سی های یکپارچه هستند.
نتیجه
مدارهای مجتمع یا آی سی ها هسته اصلی قطعات الکترونیک و الکترونیک هستند، در این مقاله به طبقه بندی ساده آی سی های مدرن پرداخته ایم که تنها بخش کوچکی از فناوری آی سی ها را پوشش می‌دهد. طراحی آی سی و پروسه ساخت مدارهای مجتمع، هر دو موضوعات بی پایان هستند. آینده مدارهای مجتمع در نانو الکترونیک نهفته است که این خود یک موضوع گسترده و جذاب دیگر است.
بیشتر بدانید :