Integrerad krets (Integrated Circuit, IC) är mikroelektroniska komponenter som uppstod på 1950-talet. Genom avancerade tillverkningsprocesser som oxidering, fotolitografi, diffusion, epitaxi och aluminiumdeponering integreras elektroniska komponenter – såsom halvledarkomponenter, motstånd, kondensatorer och anslutningsledningar – fullständigt på en liten kiselskiva. Detta bildar en krets med specifika funktioner, som slutligen löds och kapslas in till en färdig mikroelektronisk komponent.
Beroende på produktegenskaper kan integrerad krets delas in i flera olika typer, såsom mikroprocessorer, analoga kretsar, logiska kretsar och minnen. Om man klassificerar dem efter funktionsimplementering och nedströms tillämpningsområden omfattar IC-branschen dessutom kommunikationskretsar, sensorkretsar, säkerhetskretsar, minneskretsar, applikationsprocessorkretsar, strömförsörjningskretsar, utvecklings- och styrkretsar samt drivkretsar.
Kommunikationschip används till exempel i stor utsträckning i terminalenheter som mobiltelefoner, datorer, smarta hem och smarta betalningsverktyg. De stöder trådlös och mikrovågskommunikation, och i takt med att kommunikationstekniker som Wi-Fi blir allt vanligare växer marknaden kontinuerligt och utvecklas mot mindre storlek, högre hastighet, multifunktionalitet och lägre strömförbrukning.
Även om ”chip” och ”integrerad krets” (Integrated Circuit, IC) ofta används omväxlande i vardagligt tal, finns det en subtil skillnad mellan dem rent begreppsmässigt. Ett chip avser specifikt en mycket miniatyriserad elektronisk komponent, vars inre innehåller en stor mängd transistorer, kondensatorer, motstånd, induktorer och andra komponenter samt tillhörande kretsar, avsedda att utföra specifika funktioner.
Exempelvis är den centrala processorn (CPU), som utgör datorns hjärta, ett chip. Integrerad krets lägger däremot större vikt vid tillverknings- och tillämpningsteknik. Genom att integrera flera elektroniska komponenter och kretsar på ett enda chip uppnås högre integrationsgrad och mindre volym. Tillverkningen sker ofta med hjälp av halvledarteknik för att säkerställa hög kvalitet och stabilitet. Därför betonar chip dess funktionella egenskaper, medan integrated circuit fokuserar på tillverkningsprocessen och integrationsmetoden för att realisera dessa funktioner.
Klassificering av IC-chips
Klassificering efter funktionsstruktur
Integrated circuit kan, beroende på deras funktion och struktur, delas in i två huvudkategorier: analoga integrerad krets och digitala integrerad krets.
Analoga integrated circuit används för att generera, förstärka och bearbeta olika analoga signaler (signaler vars amplitud varierar kontinuerligt över tiden, t.ex. ljudsignaler från halvledarbaserade radioapparater och bandsignaler från bandspelare), medan digitala integrated circuit används för att generera, förstärka och bearbeta olika digitala signaler (signaler med diskreta värden i tid och amplitud, t.ex. ljud- och videosignaler vid uppspelning av VCD och DVD).
Grundläggande analoga integrerad krets inkluderar operationsförstärkare, multiplikatorer, integrerade spänningsregulatorer, timers och signalgeneratorer. Det finns många typer av digitala integrated circuit: småskaliga integrated circuit har olika typer av logiska kretsar; medelstora integrated circuit har dataväljare, kodare/avkodare, triggare, räknare och register; storskaliga eller mycket storskaliga integrated circuit har PLD (programmerbara logiska kretsar) och ASIC (specialdesignade integrerad krets).
Klassificering efter tillverknings process
Integrerad krets kan klassificeras efter tillverkningsprocess i halvledarkretsar och tunnfilms integrated circuit. Tunnfilmsintegrerad krets delas vidare in i tjockfilmsintegrerad krets och tunnfilms integrated circuit.
Klassificering efter integrationsgrad
Integrerad krets klassificeras efter storlek i: småskaliga integrerad krets (SSI), medelstora integrerad krets (MSI), storskaliga integrerad krets (LSI), mycket storskaliga integrated circuit (VLSI) och ultrastorskaliga integrerad krets (ULSI).
Klassificering efter ledningstyp
Integrerad krets kan klassificeras efter ledningstyp i bipolära integrerad krets och unipolära integrated circuit. Tillverkningsprocessen för bipolära integrated circuit är komplex och energiförbrukningen är relativt hög. Representativa typer av bipolära integrerad krets är TTL, ECL, HTL, LST-TL och STTL. Tillverkningsprocessen för unipolära integrerad krets är enkel och energiförbrukningen är lägre, vilket gör det lättare att tillverka storskaliga integrerad krets. Representativa typer av unipolära integrated circuit är CMOS, NMOS och PMOS.
Klassificering efter användningsområde
Integrated circuit kan klassificeras efter användningsområde integrerad krets för TV-apparater, ljudutrustning, DVD-spelare, videobandspelare, datorer (mikrodatorer), elektroniska pianon, kommunikation, kameror, larmsystem samt olika specialiserade integrated circuit.
Uppbyggnaden av integrerad krets (IC)
Även om halvledarchips är mycket små är deras inre struktur mycket komplex, särskilt deras centrala mikroenheter – tusentals transistorer. Nedan ska vi gå igenom den inre strukturen hos en integrerad krets (IC), som huvudsakligen består av följande delar:
- Basmaterial
Integrated circuit (IC) använder vanligtvis kiselskivor (Si) som basmaterial. Detta material har goda halvledaregenskaper och kan effektivt styra strömmen. Kiselplattans storlek och tjocklek är avgörande för chipets design och påverkar både chipets prestanda och tillverkningsprocessen. - Halvledarmaterial Förutom kisel kan moderna integrerad krets (IC) även använda andra halvledarmaterial, såsom germanium (Ge) och galliumarsenid (GaAs), som kan erbjuda bättre prestanda i vissa specifika tillämpningar.
- Kretsdragning Kretsarna i integrated circuit (IC) består av olika elektroniska komponenter (t.ex. transistorer, motstånd, kondensatorer) som är sammankopplade med metalltrådar. För kretsdragningen används vanligtvis aluminium eller koppar. Dessa material bildar komplexa kretsnätverk inuti den integrated circuit (IC) och fungerar som signalöverförare.
- Logiska grindar och funktionsenheter De grundläggande byggstenarna i en integrerad krets (IC) är logiska grindar (t.ex. AND-grindar, OR-grindar, NOT-grindar) och olika funktionsenheter (t.ex. adderare, multiplikatorer, minnen). Genom att samverka utför dessa grundläggande enheter mer komplexa beräkningar och logiska bearbetningsuppgifter.
- Kapsel När en integrated circuit (IC) är färdigställd kapslas den in i en användarvänlig form. Kapslingen skyddar inte bara den inre kretsen utan tillhandahåller även anslutningsgränssnitt till externa enheter. Vanliga kapslingstyper är DIP (Dual In-line Package), SOIC (Small Outline Integrated Circuit) och QFN (Quad Flat No-lead).
Chipets roll och funktioner
- Databehandlingschip kan utföra komplexa beräkningar och databehandlingsuppgifter. Mikroprocessorer och mikrokontroller är de vanligaste typerna och används i stor utsträckning i datorer, smartphones och inbyggda system.
- Kontrollfunktionschip kan styra driften av andra elektroniska komponenter. Till exempel används mikrokontroller ofta i hushållsapparater, bilar och industriutrustning, där de ansvarar för övervakning och styrning av utrustningens drift.
- Lagringschips (t.ex. RAM och ROM) används för att lagra data och program. RAM används för tillfällig datalagring, medan ROM används för permanent lagring av firmware och systemstartprogram.
- Digitala signalprocessorer (DSP) är specialiserade på att bearbeta ljud, video och andra signaler och används i stor utsträckning i ljudutrustning, bildbehandling och kommunikationssystem.
- Kommunikationskretsar spelar en avgörande roll inom trådlös kommunikation, inklusive Bluetooth, Wi-Fi och mobilkommunikation. De ansvarar för kodning, avkodning och överföring av data.
- Sensor- och mätkretsar används för att detektera förändringar i omgivningen (t.ex. temperatur, luftfuktighet, ljusintensitet) och omvandla denna information till elektriska signaler som kan användas av andra enheter.
- Strömhantering: Strömhanteringskretsar ansvarar för att reglera och fördela strömförsörjningen, vilket säkerställer enhetens energieffektivitet och stabilitet under olika driftsförhållanden.
- Säkerhetsfunktioner: Säkerhetskretsar används för att kryptera och dekryptera data samt skydda enheter och användarinformation, och används i stor utsträckning inom betalningssystem och identitetsverifiering.
- Anslutningskretsar: Dessa tillhandahåller olika gränssnitt (t.ex. USB, HDMI, Ethernet) som gör det möjligt för enheter att ansluta till andra enheter eller nätverk för datautbyte och kommunikation.
- Inbyggda applikationer: Många chip är utformade som en del av inbyggda system och används inom områden som fordonsindustrin, medicinsk utrustning och smarta hem för att tillhandahålla specifika funktioner och tjänster.
Integrerad krets, som är mikrokomponenter av halvledartyp, har en komplex och precis inre struktur. De använder kiselskivor som basmaterial och uppnår högintegrerade elektroniska funktioner genom en sofistikerad kombination av halvledarmaterial, kretsledningar, logiska grindar och funktionsenheter. Dessa mikroenheter spelar inte bara en avgörande roll inom databehandling, styrning, lagring, signalbehandling, kommunikation, avkänning och mätning, strömförsörjning, säkerhetsfunktioner samt anslutningsmöjligheter, utan tillhandahåller även specifika tjänster och funktioner i olika typer av inbyggda applikationer.
Kapseltekniken för integrerad krets är lika viktig, eftersom den inte bara skyddar de inre kretsarna utan också tillhandahåller gränssnitt för anslutning till externa enheter. Vanliga kapseltyper inkluderar DIP, SOIC, QFN och andra. I takt med den ständiga utvecklingen av tekniken för integrated circuit går branschen mot högre precision och högre integration. Den kinesiska branschen för integrated circuit genomgår just nu en optimering av sin interna struktur, med snabb tillväxt inom design och fortsatt stark tillverkning.
