integrert krets

Integrert krets, bipolar transistor i integrert krets (skjem. tegning) (bilde)

en brikke av et halvledermateriale, som oftest silisium, som inneholder en komplett elektronisk krets. Brikkens størrelse er 2,5 cm² eller mindre, og kan inneholde opptil flere millioner mikroskopisk små enkeltkomponenter som er forbundet til hverandre med et ledningsmønster av metall på overflaten. Basiskomponenten i integrerte kretser er transistoren. Integrerte kretser brukes innen alle områder av elektronikken. Noen av de vanligste er mikroprosessorer, elektroniske hukommelser og forskjellige kretser til kommunikasjon.

Oppbygning

En integrert krets består av områder av n- og p-dopet silisium i et tredimensjonalt mønster som ligger like under silisiumbrikkens overflate. På overflaten ligger et isolerende sjikt av silisiumdioksid med hull der hvor kontaktpunktene til de underliggende transistorene skal være. Oppå dette sjiktet ligger et ledningsmønster av aluminium som forbinder de enkelte transistorene slik at de utgjør den ønskede elektroniske kretsen. Tykkelsen av hele strukturen er få mikrometer, mens detaljstørrelsen i brikkens plan kan være ned til få tidels mikrometer.

Fremstilling

Utgangspunktet for produksjon er sylinderformet krystallisk silisium. Materialet er ekstremt rent, og består av én eneste krystall med svært få gitterfeil. Denne sylinderen, som er 20-30 cm i diameter, deles opp i løvtynne skiver (eng. wafers). Hver skive gir plass til et stort antall brikker (eng. chips) med integrerte kretser, men gjennomløper det meste av produksjonsprosessen som en enhet.

Produksjonsprosessen består av mange trinn. Et antall prosesstrinn utgjør en dopingsyklus, som gjentas flere ganger. En dopingsyklus består i at hele skiven først belegges med et oksidbelegg ved at den varmes i en ovn med oksygenatmosfære slik at silisiumet oksideres. Deretter etableres et mønster av en spesiell lakk på skiven. Dette mønsteret overføres fra en film, gjerne kalt maske, ved fotografiske teknikker. De deler av oksidsjiktet som ikke er beskyttet av lakken, etses deretter bort hvorpå lakken fjernes. Man har derved fått et oksidsjikt med en rekke åpninger i. Skiven varmes i en ovn, og dopingmaterialet føres inn i ovnen i gassform. Der hvor silisiumet er blottlagt, vil dopingmaterialet diffundere inn i silisiumet, slik at et område under åpningen blir p- eller n-type. Områdets dybde og dopinggrad kontrolleres ved temperatur, tid og mengde av dopingmateriale i atmosfæren. Ved å gjenta dopingsyklusen en rekke ganger, hver gang med forskjellig mønster, og vekselvis med akseptor- og donordopingmateriale, bygger man opp det tredimensjonale mønsteret som utgjør transistorene.

En integrert krets er beskrevet av et antall fotografiske mønstre, masker. Til hvert trinn i produksjonsprosessen hører en maske. På grunn av at detaljstørrelsen i disse maskene nå er nede i få tidels mikrometer, settes det ekstreme krav til de fotografiske prosessene som benyttes. Det er for eksempel ikke mulig å benytte synlig lys siden det har en bølgelengde rundt 0,5 mikrometer og derfor ville gi et altfor diffust bilde. Man benytter derfor røntgenstråler, som har mye kortere bølgelengde.

På grunn av at dimensjonene er så små må produksjonen foregå i ekstremt rene omgivelser. Det bygges egne rom for dette. Når transistorene er laget, oksideres skiven, og man etser hull der hvor tilkoblingspunktene til transistorene skal være. Deretter legger man en film av ledende materiale på skiven. Ved hjelp av fotografiske teknikker belegges filmen med et lakkmønster, og den uønskede delen etses bort, slik at man får dannet forbindelser mellom transistorene. Dette trinnet gjentas flere ganger for å gi flere lag med ledningsføring. Til slutt har man en skive med et antall brikker med ferdige integrerte kretser.

Testing, montasje

Kretsene blir testet ved at et antall tynne sonder plasseres på en brikkes tilkoblingspunkter. Disse sondene sitter på et testapparat som er styrt av en datamaskin. Ved å sende inn signaler på noen av sondene og måle kretsens respons på de øvrige sondene, kan man teste kretsens funksjon. Alle brikkene på skiven testes suksessivt på denne måten; de som er defekte merkes med en liten fargeklatt. Når testingen er ferdig, blir de defekte brikkene fjernet.

Brikkene monteres deretter i kapsler av metall, keramikk eller plast. Disse kapslene har et antall tilkoblingsben. Brikkenes tilkoblingspunkter kobles til kapslenes ben med tynne gulltråder. Når denne prosessen, kalt bonding, er fullført, lukkes kapselen hermetisk. Til slutt testes den ferdig kapslede integrerte kretsen på nytt.

Testingen av de integrerte kretsene er blitt et stadig større problem etter hvert som kretsenes kompleksitet har økt. Det er f.eks. praktisk umulig å teste de mest avanserte mikroprosessorene ved å sende inn en sekvens av signaler på inngangen, for så å måle responsen på utgangene, fordi det settet med signalkombinasjoner (ofte kalt testvektorer) man må benytte for å teste alle funksjoner, blir så formidabelt stort at det ville ta håpløst lang tid å utføre. Dette problemet har man løst ved å legge inn hjelpekretser i de integrerte kretsene. Disse har til oppgave å teste at kretsen virker og blir bare aktivert under testingen, siden har de ingen funksjon.

Integrasjonsgrad, antall transistorer

De første integrerte kretsene kom i slutten av 1960-årene, og inneholdt da 10–20 transistorer. Graden av integrasjon har siden økt svært raskt, og nå (februar 2009) inneholder de mest komplekse integrerte kretsene mer enn to milliarder transistorer. Denne utviklingen er kjent som Moores lov og har hittil ikke vist noen tegn til å avta.

Typer

Kundespesifikke kretser

De første integrerte kretsene inneholdt gjerne generelle funksjonsblokker som operasjonsforsterkere og logiske portkretser. Elektronikkindustrien produserte forskjellige produkter ved å kombinere disse generelle funksjonsblokkene på forskjellige måter. Dette prinsippet benyttes for en stor del også i dag; lagerkretser og mikroprosessorer er også generelle funksjonsblokker som kan benyttes i mange sammenhenger. Imidlertid vil ofte spesielle elektronikkprodukter bli altfor store i forhold til dagens krav dersom de utelukkende skal settes sammen av slike generelle funksjonsblokker. Det er derfor nødvendig for den enkelte elektronikkprodusent å lage sine egne, kundespesifikke integrerte kretser. Dette er mulig ved at man konstruerer og simulerer den integrerte kretsen på datamaskin ved hjelp av spesiell programvare. Denne programvaren produserer de data som spesifiserer de forskjellige maskene i produksjonsprosessen, og kan sendes til en produsent av integrerte kretser som så produserer kretsen.

Det finnes flere varianter av konstruksjonsmetoder for slike kundespesifikke kretser. En variant går ut på at et antall standard funksjonsblokker kan hentes ut fra et bibliotek og settes sammen til en integrert krets (eng. standard cell). De forskjellige delmønstrene er da definert på forhånd, men kombineres på en ny måte til et sett masker. En annen variant er at et fast antall transistorer kombineres på forskjellig måte til en integrert krets (eng. gate array). I denne varianten spesifiserer konstruktøren kun den masken som definerer ledningsmønsteret som forbinder transistorene. En tredje variant er at alle maskene defineres av kretskonstruktøren (eng. full custom design). Denne metoden gir størst frihet for konstruktøren, men er betydelig mer arbeidskrevende enn de andre metodene.

De fleste større elektronikkprodusenter konstruerer i dag kundespesifikke kretser selv. Imidlertid kreves det relativt store investeringer i programvare, og det kreves spesiell kompetanse av dem som skal utføre konstruksjonen. Det er derfor en rekke bedrifter som har spesialisert seg på å utføre slik konstruksjon for andre elektronikkprodusenter.

Konfigurerbare kretser

Et alternativ til kundespesifikke integrerte kretser er PLD (eng. programmable logic devices). Dette er integrerte kretser med programmerbar funksjon. De finnes i en rekke forskjellige varianter; felles for dem alle er at de inneholder faste funksjonsblokker som kan kobles sammen på forskjellige måter for å dekke det behovet konstruktøren har. Konfigureringsdata lagres enten i et programmerbart leselager, EPROM eller EEPROM, eller i et lese-skrivelager, RAM. I alle tilfeller ligger programlageret på samme brikken som funksjonsblokkene.

Konstruksjonen av kretser basert på PLD ligner mye på konstruksjonen av kundespesifikke kretser. Kretsen konstrueres og funksjonen simuleres på en datamaskin ved hjelp av spesiell programvare. Denne programvaren produserer så en nettliste for PLD-kretsen, som deretter kan konfigureres. Fordelen med PLD er at den enkelte elektronikkprodusent selv kan konfigurere standard PLD-kretser; det er ikke nødvendig å sende det til en produsent av integrerte kretser. Det krever mindre investeringer, og det er raskere å forandre kretsen. Imidlertid vil hver enkelt krets bli dyrere enn kundespesifiserte kretser dersom antallet er stort.

En kombinasjon av gate array og PLD er en FPGA, (eng. field programmable gate array). Dette er en krets med et stort antall faste funksjoner som kan kobles sammen etter behov som er definert av brukeren. Denne konfigureringen kan gjøres hvor som helst, derav "field programmable". Kretsen konfigureres vanligvis etter at den er montert på et kretskort. Det er også mulig å legge inn nye konfigurasjonsdata dersom man finner feil i kretsen, eller man kan skifte funksjon helt.

Historie

Den integrerte kretsen ble oppfunnet av Jack S. Kilby, Texas Instruments Inc, i 1958. I 1960-årene tok man i bruk SSI-kretser (av eng. Small Scale Integration), bl.a. i enkle datamaskiner. Fra midten av 1980-årene førte rimelige og avanserte storskalaintegrerte kretser til at personlige datamaskiner fikk stor utbredelse.