مدار مجتمع یا IC چیست؟ – بخش اول : آشنایی با مدارهای مجتمع

وظایف ریز تراشه ها

هر ریز تراشه، وظیفه و یا وظایف خاصی را در مدار انجام می‌دهد.

عموما هر ریز تراشه چندین ورودی دارد که با پردازش این ورودی ها، مقادیر خروجی را تولید و در بخش خروجی خود قرار می دهند. بعضی از ریز تراشه‌ها با سیگنالهای آنالوگ کار می‌کنند ( مانند ریز تراشه ای با کد ۷۴۱ ، یک آمپلی فایر آنالوگ است).

بعضی‌های دیگر با سیگنال‌های دیجیتال کار می‌کنند – به عنوان ورودی‌های منطقی یا برای دریافت داده دیجیتالی، مانند ریز تراشه ای که برای خواندن اطلاعات موجود در یک CD استفاده می شود.

واحد پردازنده مرکزی کامپیوترها (Central Processing Unit (CPU) ) یکی از مهم ترین مدارات ساخته شده به صورت مجتمع است که میلیاردها ترانزیستور را در سطح کوچکی از نیمه هادی جای داده است. مثلا پروسسور IBM z13 Storage Controller که در سال 2015 ساخته شده است، حدود 7,100,000,000 ترانزیستور را در 678mm² سطح نیمه هادی از ویفر جای داده است. این تعداد ترانزیستور در GPU ها نیز مشاهده می گردد. به عنوان مثال تراشه GP104 دارای بیش از 7 میلیارد ترانزیستور است.

تکنولوژی ساخت مدار مجتمع

ریز تراشه ها را با تعبیه مدارهای الکترونیکی در لایه ای نازک از سیلیسیم خالص به اسم ویفر سیلیکون ( Silicon Wafer )، به صورت یک فرایند پیچیده و به صورت لایه لایه می‌سازند.

به فرایند ساخت ریز تراشه: تکنولوژی ساخت مدارات نیمه هادی می گویند. تمامی مراحل ساخت ریز تراشه در اتاق هایی موسوم به اتاق تمیز (Cleanroom) انجام می شود که از نظر سطح ناخالصی و طیف های نوری موجود در اتاق کاملا تحت کنترل است.

مواد اولیه مورد استفاد در IC ها بسیار پیچیده هستند و حتی از ترکیب ماسه نیز درون آنها استفاده می شود.اگر طراحی یک پردازنده را کنار بگذاریم،بد نیست بدانید که تولید این مواد اولیه و به طور کلی تولید آنها، تنها در دست چند کشور محدود مانند آمریکا است.

شرکت های اینتل، سامسونگ، توشیبا، فیلیپس و سونی از جمله بزرگترین تولید کنندگان IC در جهان هستند.

مدار مجتمع در مقابل مدار گسسته

مدارات الکتریکی عموما شامل المانهای مداری مانند: مقاومت، خازن، سلف و ترانزیستور می باشند؛ اما با توجه به اینکه فرآیند ساخت ترانزیستور در تکنولوژی های مدارات مجتمع راحت تر از المان های پسیو دیگر است، طراحان ترجیح می دهند این المان های پسیو را توسط ترانزیستورها پیاده سازی کنند و تا حد ممکن تمامی المان های مدارات الکترونیکی را به ترانزیستور تبدیل نمایند. سپس با تکنولوژی های خاص ساخت مدار مجتمع، آن ها را پیاده سازی کنند.

مثلا بجای خازن از ترانزیستور در بایاس معکوس استفاده می کنند، و یا در جایی دیگر که مقاومت بزرگی نیاز دارند مثلاً در حد مگا اهم باز از ترانزیستور استفاده می‌کنند. چون در حجمی که مقاومت می گیرد می توان چند ترانزیستور کوچک جای داد و حجم نهایی مدار را کاهش داد.

از طرفی برای ساخت سلف هم از مدارات ماسفت استفاده می شود که دقت قابل قبول و ضریب کیفیت ( به انگلیسی: Self Quality Factor ) بهتری خواهد داشت.

هر تراشه معمولاً حاوی تعداد بسیار زیادی ترانزیستور است که با استفاده از فناوری پیچیده‌ای در داخل لایه ای از ماده نیمه هادی؛ مانند سیلیکون، همگون با پروسه های ساخت مدارات مجتمع ساخته می شود.

مدارات مجتمعی که شامل ترانزیستورهای دوقطبی (BJT: Bi Junction Transistor) باشند را با نام Transistor Transistor Logic) TTL) و مدارات مجتمعی که شامل ترانزیستورهای NMOS و PMOS هستند را (Cmos (Complementry Metal Oxide Semiconductor می‌نامند. ترکیب این دو تکنولوژی را با نام BiCmos می شناسند.

در مقابل مدارهای مجتمع، مدارهای گسسته (Discrete Circuits) وجود دارند که شامل قطعاتی مجزا هستند که روی یک برد به هم متصل شده‌اند. البته تمامی المان های پسیو نظیر مقاوت ، سلف و خازن هم در تکنولوژی های مدارات مجتمع قابل ساخت هستند.

فناوری CMOS

فناوری های پیشرفته‌ ساخت CMOS دارای بیش از 200 مرحله است، اما برای نمونه می توان به زنجیره‌ ترکیبی زیر اشاره کرد:

1. پردازش ویفر برای تولید یک زیربنا از نوع مناسب. ویفر همان ماده‌ آغازین فرآیند ساخت است. همان زیربنایی که همه‌ی ترانزیستورها بر روی آن ساخته می‌شوند. جنس ویفر از عنصر سیلیسیوم به همراه مقداری ناخالصی است.

2. لیتوگرافی نوری برای تعریف دقیق هر ناحیه.

3. اکسیداسیون ، لایه نشانی و کاشت یونی برای افزودن مواد لازم به ویفر.

4. زدایش جهت زدودن مواد زائد از ویفر.

بسیاری از این گام ها نیاز به عملیات حرارتی دارند؛ یعنی ویفر باید یک چرخه‌ حرارتی را در یک کوره بگذراند.

حافظه ها

بعضی از ریز تراشه ها به گونه‌ای از لایه های سیلیکون بهره می برند که می توانند حتی به عنوان حافظه مورد استفاده قرار گیرند! نمونه ای از این ریز تراشه ها PROM نام دارد (حافظه قابل برنامه ریزی فقط خواندنی: Programmable Read Only Memory) همانگونه که از اسم این نوع تراشه معلوم است اطلاعات آن فقط قابل خواندن است و امکان تغییرات در آن وجود ندارد.

از این نوع آی سی برای مدارات اصلی کامپیوتر نیز استفاده می‌شود؛ همان قسمت از حافظه که به آن ROM نیز می‌گویند.