integreret kreds

Integreret kreds. Design af integrerede kredse sker med CAD-systemer. Her er en ingeniør ved den danske virksomhed Giga i gang med et kompliceret design. Hvert farvemønster på skærmen repræsenterer et trin i den efterfølgende fotografiske produktionsproces.

.

Integreret kreds, elektronisk kredsløb fremstillet i en enkelt halvlederkrystal (monolitisk integration) sædvanligvis af silicium (Si).

Den integrerede kreds blev udviklet i 1958 af Jack Kilby fra Texas Instruments og uafhængigt heraf af Robert Noyce, grundlæggeren af Fairchild Semiconductor Company og medstifter af Intel. Integrerede kredse omfatter både små simple kredse med få transistorer og store avancerede kredse indeholdende millioner af transistorer; den fysiske størrelse af en kreds (chip) kan være mellem 0,5 mm × 0,5 mm og 15 mm × 15 mm.

Integrerede kredse er grundlaget for informationsteknologien. De anvendes i bl.a. computere, telekommunikationsudstyr og underholdningselektronik og har muliggjort udbredelsen af pc, e-mail, Internet, multimedier og mobiltelefoner. Også i biler, skibe, fly, medicinsk udstyr og regulerings- og sensorelektronik findes integrerede kredse.

Kategorier

Der findes både analoge og digitale integrerede kredse. Analoge kredse anvendes bl.a. som forstærkere, operationsforstærkere, oscillatorer, miksere og frekvensdoblere, mens digitale kredse, som er langt mere udbredte, fx findes som TTL, ECL, RAM, ROM og CPU (se fortegnelse over benyttede forkortelser). Integrerede kredse kan også inddeles i bipolære kredse og MOS- eller CMOS-kredse. Bipolære kredse anvender bipolære transistorer, der har to typer ladningsbærere, elektroner og huller. De er enten af npn- eller pnp-typen. MOS- eller CMOS-kredse har MOS-transistorer, der kun har én type ladningsbærere, elektroner for NMOS og huller for PMOS. I CMOS består et invertertrin af både en NMOS- og en PMOS-transistor. MOS-princippet fungerer godt i silicium, men ikke i fx galliumarsenid (se nedenfor).

Bipolære kredse fungerer ved højere datahastigheder end MOS-kredse: op til ca. 50 Gbit/s mod MOS-kredsenes ca. 500 Mbit/s. Til gengæld bruger de bipolære kredse mere effekt og kræver højere forsyningsspænding. MOS-kredse anvendes til større digitale kredse; CMOS er specielt velegnet til bærbare computere og mobiltelefoner.

Integrerede kredse inddeles endvidere efter, hvor mange transistorer de indeholder: IC dækker intervallet op til 1000 transistorer, LSI 1000-64000, VLSI 64000-4000000 og ULSI over 4.000.000. Kredse med et stort antal komponenter kræver meget små transistorer med linjedefinitioner ned til ca. 0,3 μm.

Designmetoder

Integrerede kredse designes, inden de fremstilles. Design foregår med CAD-systemer, der omfatter både speciel hardware og software. Ved store, komplicerede kredse er der undertiden brug for et helt hold af designingeniører for at gennemføre opgaven.

Der findes forskellige designmetoder afhængigt af kravene til kredsens præstationer, tæthed af transistorer samt design- og fremstillingstid. Designmetoden ASIC giver kort design- og fremstillingstid: for en kreds med fx 50.000 transistorer ca. 10-15 uger. ASIC er baseret på et regelmæssigt, plant arrangement af forud designede transistorer, logiske porte (fx gate-array eller PLA) eller standardkredsløb.

Når integrerede kredse skal fremstilles i store styktal, designes hver transistortype og deres forbindelseslinjer omhyggeligt for at opnå højst mulig præstation og tæthed. Et sådant fuldt kundedesign kan involvere 20-30 designingeniører i 2-3 år.

Afprøvning

Integrerede kredse fremstilles ved en højtudviklet halvlederteknologi. Efter fremstillingen skal hver enkelt kreds afprøves. Hvis den indeholder mange komponenter, er afprøvningen kompliceret. Ofte må kredsen monteres i en computerstyret teststation, som automatisk foretager afprøvning og dokumentation af alle funktioner. Ved store styktal overlades afprøvningen i mange tilfælde til specialiserede "testhuse", som kan udføre opgaven både hurtigere og mere økonomisk end producenten.

Galliumarsenid (GaAs) integrerede kredse

har vundet udbredelse til specielle anvendelser. De er ofte baseret på felteffekttransistorer af typen n-MESFET, hvor n angiver, at GaAs-laget i transistoren er n-doteret. For samme effektforbrug har GaAs-MESFET-kredse kortere skiftetider end Si-kredse, hvilket gør dem velegnede til meget hurtig digital elektronik (op til ca. 50 Gbit/s). Typisk anvendes de til fiberoptisk kommunikation ved 2,5 og 10 Gbit/s. Den danske virksomhed GIGA har specialiseret sig i at designe GaAs-kredse.

Til analoge kredse ved mikrobølgefrekvenser står GaAs stærkt i konkurrencen med Si, og til nogle anvendelser er de dominerende, fx til meget støjsvage forstærkere i parabolmodtagere til satellit-tv.

Tekniske forkortelser og deres betydning
forkortelse engelsk betegnelse forklaring
ASIC Application Specific Integrated Circuit Integreret kreds designet til speciel anvendelse
CAE Computer Aided Engineering Ingeniørdesign vha. computer
CMOS Complementary MOS MOS bestående af NMOS + PMOS
CPU Central Processor Unit Centralenhed
ECL Emitter Coupled Logic Logikfamilie med koblede emitterelektroder
IC Integrated Circuit Integreret kreds
LSI Large Scale Integration Stor integreret kreds
MESFET Metal Semiconductor Field Effect Transistor Felteffekttransistor, hvor gatevirkningen skyldes metal-halvleder-overgang
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Felteffekttransistor, hvor gatevirkningen skyldes metaloxid-halvleder-overgang
MOS Metal Oxide Semiconductor Metaloxid-halvleder; kredsløbsteknologi bestående af MOSFET
NMOS MOS med elektroner som ladningsbærere
PLA Programmable Logic Array Programmerbar logisk kæde
PMOS MOS med huller som ladningsbærere
RAM Random Access Memory Lager, hvor der både kan læses og skrives
ROM Read Only Memory Lager, hvor der kun kan læses
TTL Transistor-Transistor Logic Logikfamilie med speciel transistor-transistor-kobling
ULSI Ultra Large Scale Integration Ultrastor integreret kreds
VLSI Very Large Scale Integration Meget stor integreret kreds

Kommentarer

Din kommentar publiceres her. Redaktionen svarer, når den kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

eller registrer dig