Integrovaný obvod

Autor: Leandro Alegsa Datum vytvoření: 30. srpna 2021

Integrovaný obvod (častěji nazývaný integrovaný obvod, mikročip, křemíkový čip, počítačový čip nebo čip) je kus speciálně připraveného křemíku (nebo jiného polovodiče), do kterého je pomocí fotolitografie vyleptán elektronický obvod. Křemíkové čipy mohou obsahovat logická hradla, počítačové procesory, paměti a speciální zařízení. Čip je velmi křehký, a proto je obvykle obklopen plastovým obalem, který jej chrání. Elektrický kontakt s čipem zajišťují drobné drátky, které spojují čip s většími kovovými kolíky, jež vyčnívají z obalu.

Integrovaný obvod má oproti diskrétním obvodům dvě hlavní výhody: cenu a výkon. Náklady jsou nízké, protože na jeden čip lze umístit miliony tranzistorů namísto sestavení obvodu s jednotlivými tranzistory. Výkon je vyšší, protože součástky mohou pracovat rychleji a spotřebovávají méně energie.

Integrované obvody jsou určeny k různým účelům. Čip může být navržen pouze pro kalkulačku, která může fungovat pouze jako kalkulačka. Integrované obvody lze rozdělit na analogové, digitální a smíšené signálové (analogové i digitální na stejném čipu).

Polovodičové

Polovodič, jako je křemík, lze řídit tak, aby propouštěl (nebo nepropouštěl) proud. To umožňuje vyrábět tranzistory, které se mohou navzájem ovládat. Nacházejí se v mnoha předmětech pro domácnost, jako jsou rádia, počítače a telefony a mnoho dalších. Mezi další polovodičová zařízení patří solární články, diody a LED (diody vyzařující světlo).

Obrázek plastového čtyřnásobného plochého pouzdra (PQFP)

Vynález

V letech 1958 a 1959 přišli dva lidé na myšlenku integrovaného obvodu téměř ve stejnou dobu. Tranzistory se staly každodenní záležitostí používanou v domácích zařízeních, jako jsou rádia. Ovlivnily vše od rádií až po telefony a výrobci v té době potřebovali menší náhradu za elektronky. Tranzistory byly menší než elektronky, ale pro některé nejnovější elektronické výrobky, například pro navádění raket, nebyly dostatečně malé.

Jednoho červencového dne Jacka Kilbyho při práci ve společnosti Texas Instruments napadlo, že by z křemíku mohly být vyrobeny všechny části obvodu, nejen tranzistor. V té době nikdo do integrovaných obvodů kondenzátory a rezistory nedával. To by změnilo budoucnost a usnadnilo výrobu a prodej integrovaných obvodů. Kilbyho šéfovi se nápad líbil a řekl mu, aby se pustil do práce. Do 12. září Kilby sestrojil funkční model a 6. února společnost Texas Instruments podala patent. Jejich první "pevný obvod" měl velikost špičky prstu.

V Kalifornii měl mezitím stejný nápad jiný muž. V lednu 1959 pracoval Robert Noyce v malé začínající společnosti Fairchild Semiconductor. Také on si uvědomil, že celý obvod lze umístit do jediného čipu. Zatímco Kilby vypracoval detaily výroby jednotlivých součástek, Noyce napadl mnohem lepší způsob, jak součástky propojit. Návrh se nazýval "jednotkový obvod". Všechny tyto detaily se vyplatily, protože 25. dubna 1961 udělil patentový úřad první patent na integrovaný obvod Robertu Noycovi, zatímco Kilbyho žádost byla stále analyzována. Dnes se uznává, že oba muži přišli na tuto myšlenku nezávisle na sobě.

Brzy se objevily dva druhy integrovaných obvodů: hybridní (HIC) a monolitické (MIC). Hybridy zanikly koncem 20. století.

Generace

Název	Období	Počet tranzistorů na každém čipu (přibližně)
SSI (integrace malého rozsahu)	počátek 60. let 20. století	jeden čip obsahuje pouze několik tranzistorů
MSI (integrace středního rozsahu)	konec 60. let 20. století	stovky tranzistorů na každém čipu
LSI (Large-Scale Integration)	polovina 70. let	desítky tisíc tranzistorů na čip.
VLSI (Very Large-Scale Integration)	konec 20. století století	stovky tisíc tranzistorů
ULSI (Ultra-Large Scale Integration)	21. století	více než 1 milion tranzistorů

※ Rozdíl mezi VLSI a ULSI není přesně definován.

Klasifikace

Integrované obvody mohou být zabaleny jako DIP (Dual in-line package), PLCC (Plastic leaded chip carrier), TSOP (Thin small-outline package), PQFP (Plastic Quad Flat Pack) a další typy balení čipů. Některé malé jsou baleny pro technologii povrchové montáže. Tranzistory uvnitř mohou být bipolární tranzistory v neobvyklých obvodech, například těch, které vyžadují velmi vysoké spínací rychlosti. Většinou se však jedná o tranzistory MOSFET.

Související stránky

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to integrovaný obvod?

Odpověď: Integrovaný obvod, známý také jako integrovaný obvod nebo mikročip, je kousek speciálně připraveného křemíku, na kterém je pomocí fotolitografie vyleptán elektronický obvod.

Otázka: Jaké jsou příklady zařízení, která mohou být součástí křemíkového čipu?

Odpověď: Křemíkové čipy mohou obsahovat logická hradla, počítačové procesory, paměť a speciální zařízení.

Otázka: Proč se k obklopení čipu používá plastový obal?

Odpověď: Čip je velmi křehký, proto se k jeho ochraně používá plastový obal.

Otázka: Jak se provádí elektrický kontakt s čipem?

Odpověď: Elektrický kontakt s čipem je zajištěn prostřednictvím malých drátků, které spojují čip s většími kovovými kolíky, které vyčnívají z obalu.

Otázka: Jaké jsou dvě výhody používání integrovaných obvodů místo diskrétních obvodů?

Odpověď: Integrované obvody mají oproti diskrétním obvodům dvě hlavní výhody: cenu a výkon. Náklady jsou nízké, protože na jeden čip lze umístit miliony tranzistorů namísto sestavení obvodu s jednotlivými tranzistory. Výkon je vyšší, protože součástky mohou pracovat rychleji a spotřebovávají méně energie.

Otázka: Jaké jsou různé typy integrovaných obvodů?

Odpověď: Integrované obvody lze rozdělit na analogové, digitální a smíšené signálové (analogové i digitální na jednom čipu).

Otázka: Může být jeden čip navržen pro konkrétní účel?

Odpověď: Ano, čip může být navržen pro specifický účel, například čip kalkulačky, který může fungovat pouze jako kalkulačka.