Integrierter Schaltkreis
Eine integrierte Schaltung (häufiger als IC, Mikrochip, Siliziumchip, Computerchip oder Chip bezeichnet) ist ein Stück speziell präpariertes Silizium (oder ein anderer Halbleiter), in das eine elektronische Schaltung mittels Fotolithografie geätzt wird. Siliziumchips können Logikgatter, Computerprozessoren, Speicher und spezielle Vorrichtungen enthalten. Der Chip ist sehr zerbrechlich und wird daher normalerweise von einem Kunststoffgehäuse umgeben, um ihn zu schützen. Der elektrische Kontakt mit dem Chip wird durch winzige Drähte hergestellt, die den Chip mit größeren Metallstiften verbinden, die aus dem Gehäuse herausragen.
Ein IC hat zwei Hauptvorteile gegenüber diskreten Schaltungen: Kosten und Leistung. Die Kosten sind niedrig, da Millionen von Transistoren auf einem Chip untergebracht werden können, anstatt eine Schaltung mit einzelnen Transistoren aufzubauen. Die Leistung ist höher, da die Komponenten schneller arbeiten können und weniger Strom verbrauchen.
ICs sind für unterschiedliche Zwecke konzipiert. Ein Chip kann nur für einen Taschenrechner entworfen werden, der nur als Taschenrechner arbeiten kann. Integrierte Schaltungen können in analoge, digitale und Mixed-Signal-Schaltungen eingeteilt werden (sowohl analog als auch digital auf demselben Chip).
Halbleiter
Ein Halbleiter wie Silizium kann so gesteuert werden, dass er einen Stromfluss zulässt (oder nicht zulässt). Dies ermöglicht die Herstellung von Transistoren, die sich gegenseitig steuern können. Sie finden sich in vielen Haushaltsgegenständen wie Radios, Computern, Telefonen und vielen anderen. Andere Halbleiterbauelemente sind Solarzellen, Dioden und LEDs (lichtemittierende Dioden).
Abbildung einer Vierfach-Flachverpackung aus Kunststoff (PQFP)
Seitenansicht des dualen Inline-Pakets (DIP)
Erfindung
In den Jahren 1958 und 1959 hatten zwei Personen fast zur gleichen Zeit die Idee für einen integrierten Schaltkreis. Transistoren waren zu einer alltäglichen Sache geworden, die in Haushaltsgeräten wie Radios verwendet wurde. Sie betrafen alles, von Radios bis hin zu Telefonen, und zu dieser Zeit benötigten die Hersteller einen kleineren Ersatz für Vakuumröhren. Transistoren waren kleiner als Vakuumröhren, aber für einige der neuesten Elektronikgeräte, zum Beispiel für die Raketenführung, waren sie nicht klein genug.
Eines Tages im Juli, als Jack Kilby bei Texas Instruments arbeitete, kam ihm in den Sinn, dass alle Teile einer Schaltung, nicht nur der Transistor, aus Silizium hergestellt werden könnten. Zu dieser Zeit setzte niemand Kondensatoren und Widerstände in ICs ein. Dies würde die Zukunft verändern und die Herstellung und den Verkauf von integrierten Schaltungen erleichtern. Kilbys Chef gefiel die Idee und sagte ihm, er solle sich an die Arbeit machen. Bis zum 12. September hatte Kilby ein funktionierendes Modell gebaut, und am 6. Februar meldete Texas Instruments ein Patent an. Ihr erster "fester Schaltkreis" hatte die Größe einer Fingerspitze.
Unterdessen hatte in Kalifornien ein anderer Mann die gleiche Idee. Im Januar 1959 arbeitete Robert Noyce bei dem kleinen Startup-Unternehmen Fairchild Semiconductor. Er erkannte auch, dass eine ganze Schaltung in einem einzigen Chip untergebracht werden konnte. Während Kilby die Details der Herstellung einzelner Komponenten ausgearbeitet hatte, dachte Noyce über eine viel bessere Methode nach, die Teile miteinander zu verbinden. Der Entwurf wurde als "einheitlicher Schaltkreis" bezeichnet. All diese Details zahlten sich aus, denn am 25. April 1961 erteilte das Patentamt Robert Noyce das erste Patent für einen integrierten Schaltkreis, während Kilbys Antrag noch analysiert wurde. Heute ist anerkannt, dass beide Männer die Idee unabhängig voneinander entwickelt haben.
Bald gab es zwei Arten von integrierten Schaltkreisen: hybride (HIC) und monolithische (MIC). Hybride starben Ende des 20. Jahrhunderts aus.
Generationen
| Name | Zeitraum | Anzahl der Transistoren auf jedem Chip (ungefähr) |
| SSI (Integration in kleinem Maßstab) | Anfang der 1960er Jahre | ein Chip enthält nur wenige Transistoren |
| MSI (Mittelgroße Integration) | Ende der 1960er Jahre | Hunderte von Transistoren auf jedem Chip |
| LSI (Large-Scale Integration) | Mitte der 1970er Jahre | Zehntausende von Transistoren pro Chip |
| VLSI (Very Large-Scale Integration) | Ende 20. Jahrhundert | Hunderttausende von Transistoren |
| ULSI (Integration im ultra-großen Maßstab) | 21. Jahrhundert | mehr als 1 Million Transistoren |
※ Der Unterschied zwischen VLSI und ULSI ist nicht gut definiert.
Klassifikation
Integrierte Schaltungen können als DIP (Dual in-line package), PLCC (Plastic leaded chip carrier), TSOP (Thin small outline package), PQFP (Plastic Quad Flat Pack) und andere Chipgehäusetypen verpackt werden. Einige kleine werden für die Oberflächenmontagetechnik verpackt. Die Transistoren im Inneren können bipolare Transistoren in ungewöhnlichen Schaltungen sein, z.B. solche, die sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten benötigen. Die meisten sind jedoch MOSFETs.
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Fragen und Antworten
F: Was ist ein integrierter Schaltkreis?
A: Ein integrierter Schaltkreis, auch bekannt als IC oder Mikrochip, ist ein Stück speziell präpariertes Silizium, auf das ein elektronischer Schaltkreis mit Hilfe der Fotolithografie geätzt wird.
F: Was sind einige Beispiele für Geräte, die auf einem Siliziumchip enthalten sein können?
A: Siliziumchips können Logikgatter, Computerprozessoren, Speicher und spezielle Geräte enthalten.
F: Warum wird der Chip von einem Kunststoffgehäuse umgeben?
A: Der Chip ist sehr zerbrechlich, daher wird ein Kunststoffgehäuse verwendet, um ihn zu schützen.
F: Wie wird der elektrische Kontakt mit dem Chip hergestellt?
A: Der elektrische Kontakt mit dem Chip wird durch winzige Drähte hergestellt, die den Chip mit größeren Metallstiften verbinden, die aus dem Gehäuse herausragen.
F: Was sind zwei Vorteile der Verwendung von ICs anstelle von diskreten Schaltungen?
A: ICs haben zwei wesentliche Vorteile gegenüber diskreten Schaltungen: Kosten und Leistung. Die Kosten sind niedrig, weil Millionen von Transistoren auf einem Chip untergebracht werden können, anstatt eine Schaltung mit einzelnen Transistoren zu bauen. Die Leistung ist höher, da die Komponenten schneller arbeiten können und weniger Strom verbrauchen.
F: Was sind die verschiedenen Arten von ICs?
A: Integrierte Schaltungen können in analoge, digitale und gemischte Signalschaltungen (sowohl analog als auch digital auf demselben Chip) unterteilt werden.
F: Kann ein einzelner Chip für einen bestimmten Zweck entwickelt werden?
A: Ja, ein Chip kann für einen bestimmten Zweck entwickelt werden, wie z.B. ein Taschenrechnerchip, der nur als Taschenrechner funktionieren kann.
