کار و فناوری

مدارات مجتمع

مدارات مجتمع با يافته هاي تجربي جديد نشان دادند كه دستگاههاي نيمه هادي مي توانند كاركرد لامپهاي خلاء را انجام دهند، و در اواسط قرن بيستم پيشرفت تكنولوژي در ساخت نيمه هاديها نيز اين امر را بهبود بخشيدند. مجموعه اي از تعداد زيادي ترانزيستور كوچك در يك چيپ كوچك پيشرفت عظيمي  در اجزاء الكترونيكي گسسته بود. قابليت توليد انبوه مدارات مجتمع، قابليت اعتماد و روش ساختن بلوكي در طراحي مدار، پذيرش سريع آي سي هاي استاندارد را به جاي طراحي با ترانزيستورهاي گسسته بوجود آوردند.

خانه هاي حافظه و لايه هاي منطقي و ورودي/خروجي
مدار مجتمع Atmel Diopsis 740

دو مزيت هزينه و كارائي در مقابل مدارهاي گسسته وجود دارند. در آي سي ها هزينه پائين است چون چيپ ها با تمامي اجزايشان به طور واحد توسط فتوليتوگرافي پرين مي شوند و از ترانزيستورهاي جدا در يك زمان استفاده نمي كنند. كارائي نيز بالاتر است، از آن جهت كه اجزاء به سرعت سوئيچ مي كنند و توان كمي مصرف مي كنند چون اجزاء كوچك و نزديكتر به يكديگرند. همچنان كه در سال 2006 رنج مساحت چيپها از كمتر از ميلي متر مربع تا حدود350mm²  درون خود بالاتر از 1 ميليون ترانزيستور را در هر متر مربع جاي دادند.    

پيشرفتها در مدارات مجتمع

از جمله پيشرفتهاي مهم مدارات مجتمع، ميكروپروسسورها(هسته هاي پردازشگر) هستند كه همه وسايل را از كامپيوتر گزفته تا گوشي هاي موبايل و اجاق هاي مايكروويو كنترل مي كنند. چيپ هاي حافظه ديجيتال و ⁽ASIC⁽¹ ها مثالهاي ديگري از خانواده IC ها هستند كه براي جامعه اطلاعاتي مدرن مهم هستند. از اين جهت كه هزينه طراحي و توسعه مدارهاي مجتمع مركب كمي زياد است، توسعه  و توليد ميليوني آنها مي تواند هزينه را مينيمم كند. كارائي IC ها بالاست، زيرا بدليل اندازه كوچك، زمان كوتاهي براي عبور (گذر) سيگنال در هنگام روشن شدن  مدارات منطقي كم مصرف نظير ⁽CMOS⁽² ها در هنگام سوئيچ كردن با سرعت هاي بالا، مي گيرد.

ميكروكنترلر Intel 8742 شامل CPU با فركانس 12MHz
و 128byte RAM و 2048byte EPROM و ورودي/خروجي

IC ها طي سالهاي متمادي به طور منظم كوچك و كوچك تر شده اند و باعث شده اند كه مدارات بيشتري در يك چيپ با همان اندازه جاي گيرند. اين "گنجايش" رو به افزايش در واحد سطح  مي تواند براي كاهش هزينه و افزايش كاربرد استفاده شود - قانون مور در تفسير مدرن خود بيان مي كند: تعداد ترانزيستورها در مدرات مجتمع در هر دو سال، دو برابر مي شوند. اكثرا هر چه اندازه كوچك تر مي شود، همه چيز بهينه مي شود -. هزينه به ازاي واحد و مصرف توان سوئيچ كردن پائين و سرعت بالا مي رود. به هر حال IC ها با مقياس نانومتري بدون مشكلاتشان نيستند، از جمله مهمترين آنها نشت جريان الكتريكي است. اما اين مشكلات غيرقابل حل نيستند و در آينده نزديك حل خواهند شد و يا حداقل پس از آشنائي با دي الكتريكهاي high-k اصلاح مي شوند. از آنجا كه سود اين سرعت و مصرف توان براي كاربران نهائي(EndUsers) پوشيده نيست، رقابت شديدي ميان سازندگان، براي استفاده هندسه بهتر وجود دارد. اين جريانات و گزارش رويه ها در سالهاي آينده نزديك توسط ⁽ITRS⁽³ به خوبي شرح داده شده است.

محبوبيت IC ها

فقط پس از نيم قرن از اولين گام توسعه، IC ها در همه جا حضور دارند. كامپيوتر ها، تلفن هاي همراه و ساير وسايل ديجيتال كه قسمت جدانشدني ساختار جوامع مدرن هستند و اين به معني است كه محاسبات پيشرفته، مخابرات، سيستمهاي ساخت و انتقال، شامل اينترنت همه بسته به حضور مدارهاي مجتمع هستند. در حقيقت، بسياري از محققان معتقدند كه دوره ديجيتال با مدارات مجتمع آورده شد و يكي از اتفاقات مهم در تاريخ بشريت بوده و هست!

طبقه بندي IC ها

يك آي سي CMOS 4000 در DIP

مدارات مجتمع مي توانند به سه دسته آنالوگ، ديجيتال و سيگنال مخلوط (هم آنالوگ و هم ديجيتال در يك چيپ) تقسيم مي شوند.

مدارت مجتمع ديجيتال مي توانند شامل هر چيزي باشند، كمتر از هزاران تا ميليون ها دروازه منطقي، فليپ فلاپ ها، مولتي پلكسرها و ساير مدارات در كمتر از ميلي متر مربع جاي مي گيرند. اندازه كوچك اين مدارات باعث مي شود تا سرعت بالا، پراكنگي كم توان و كاهش هزينه توليد را در برابر نمونه هاي روي برد مداري مجتمع داشته باشيم. اين IC هاي ديجيتال كه به طور معمول ميكروپروسسورها، DSP ها و ميكروكنترلها هستند، با استفاده از رياضيات باينري براي پردازش سيگنالهاي صفر و يك كار مي كنند.

آي سي هاي آنالوگ نظير سنسورها، مدارات مديريت توان و تقويت كننده هاي عملياتي با پردازش سيگنالهاي پيوسته كار مي كنند. آنها اعمالي نظير تقويت، فيلترهاي اكتيو، دمدولاسيون، ميكس و غيره را انجام مي دهند. آي سي هاي آنالوگ كار را براي طراحان مدار آسان ساخته اند زيرا با داشتن ساختار آماده (ماژولار) با طراحي حرفه اي بجاي طراحي هاي سخت مدارات آنالوگ از ابتدا جايگزين مي شوند.

IC ها همچنين مي توانند تركيبي از مدارات ديجيتال و آنالوگ روي يك چيپ باشند تا كارهائي نظير A/D و D/A را انجام دهند. اين مدارات اندازه كوچكتر و هزينه كمتر را به ارمغان مي آورند، ولي بايد به دقت استفاده شوند تا تداخل سيگنال نداشته باشند.

تَراشه یا مدار مجتمع (که برابر فارسی‌ "chip" یا IC یا Integrated circuit به زبان انگلیسی است) به مجموعه‌ای از مدارات الکترونیکی اطلاق می‌گردد که با استفاده از مواد نیمه‌رسانا (عموماً سیلیکون همراه با میزان کنترل شده‌ای ناخالصی) در ابعادی‌ کوچک (معمولاً کمتر از یک سانتی متر مربع) ساخته می‌شود. این مدارات معمولاً شامل دو یا سه نوع دستگاه الکترونیکی‌ می‌‌باشند: مقاومت، خازن و ترانزیستور (مهم‌ترین آنها ترنزیستور می‌‌باشد). هر تراشه معمولاً حاوی تعداد بسیار زیادی ترانزیستور می‌‌باشد که با استفاده از فناوری پیچیده‌ای در داخل یک لایه از سیلیکن همگون و با ضخامتی یکنواخت و بدون ترک تزریق شده اند. امروزه تراشه‌ها در اکثر دستگاههای الکترونیکی و بویژه رایانه‌ها در ابعادی گسترده بکار می‌‌روند. وجود تراشه‌ها مرهون کشفیات بشر درباره نیمه رساناها و پیشرفتهای سریع پیرامون آنها در میانه‌های سده بیستم می‌‌باشد.

مدارات مجتمعی که شامل ترانزیستورهای BJT(دو قطبی) باشند را با نام TTL و مدارات مجتمعی که شامل ترانزیستورهای Nmos و Pmos هستند را Cmos مینامند.ترکیب این دو تکنولوژی را با نام BiCmos میشناسند. در مقابل مدارات مجتمع مدارات Discreet یا گسسته وجود دارند که شامل قطعاتی مجزا هستند که به هم روی یک برد متصل شده اند.

در ساخت IC‌ها طراحان سعی می‌کنند تا حد امکان از ترانزیستور استفاده کنند. مثلاً بجای خازن از از ترانزیستور در بایاس معکوس استفاده می‌‌کنند. 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 می‌‌گیرد می‌‌توان چند ترانزیستور جای داد.

بعضی از IC ها به گونه ای از لایه های سیلیکون بهره میبرند که میتوانند حتی به عنوان حافظه مورد استفاده قرار گیرند نمونه ای از این IC ها EPROM نام دارد همانگونه که از اسم این نوع تراشه معلوم است فقط اطلاعات آن قابل خواندن است و امکان تغییرات در آن وجود ندارد از این نوع ای سی برای مدارات اصلی کامپیوتر نیز استفاده می شود همان قسمت از حافظه که به آن ROM نیز می گویند.