Integraallülitus

Integraallülitus (ingl k integrated circuit, lühend IC) on elektroonikalülitus, mis valmistatakse väikesel räniplaadil lülituse elementide integreerimise (lõimimise) teel lahutamuks tervikuks ühtses pooljuhttehnoloogia protsessis. Integraallülituse põhielement on isoleeritud paisuga väljatransistor (MOSFET), mille arv ühes lülituses võib ulatuda mitme miljardini.

Enamik integraallülitusi (nt mitut liiki protsessorid, mälulülitused) töötleb digitaalsignaale; analoogsignaale töötlevad nt võimenduslülitused, sealhulgas operatsioonvõimendid, ja sensorid. Signaali liiki muundavad analoog-digitaal- ja digitaal-analoogmuundurid.

Integraallülitustena valmistatud elektroonikakomponente nimetatakse kiipideks (ka mikrokiipideks). Niisugused kiibid on endisaegsed passiiv- ja aktiivelementidena valmistatud komponendid (takistid, kondensaatorid, poolid, dioodid, transistorid) elektri- ja elektroonikaseadmete trükkplaatidelt peaaegu täielikult välja tõrjunud, sest on kompaktsed, energiasäästlikud ja töökindlad, samuti lihtsustavad oluliselt seadmete kavandamist ja valmistamist.

Integraallülituse detail läbi nelja ühenduste kihi: roosa – polükristalliline räni (polysilicon), hall – süvistused (wells), roheline – põhimik ehk substraat (substrate)

8-bitise mikrokontrolleri Intel MCS-48 (8742) integraallülitus, mis sisaldab 12 MHz protsessori, 128 baiti muutmälu (RAM), 2048 baiti EPROMi ja I/O-ahelaid

Ajaloost

Mitme transistori samal kristallil realiseerimise võimalust kasutati Darlingtoni lülituse kujul alates aastast 1953.

Esimese integraallülituse (trigeri) valmistas 1958. a USA insener Jack Kilby. See oli nn hübriidlülitus, sest sisaldas eraldi külgeühendatud komponente: germaaniumist aluspinnale (substraadile) oli ühendatud kaks transistori. Esimese monoliitlülituse (kõik lülituse elemendid koos ühendustega substraadi pindkihis) valmistas 1959. a Robert Noyce] Siin rakendati juba fotolitograafia menetlust ja difusioonprotsesse. Robert Noyce on ka USA firmade Fairchild Semiconductor ja Intel kaasasutaja. Neis firmades algas integraalkomponentide (kiipide) saritootmine 1960. aastate algul ja esimesed mikroprotsessorid (nt Intel 4004) läksid tootmisse 1970. a.

Samal ajal kasvas kiiresti (vastavalt Moore'i seadusele) transistoride arv kiibil, mida väljendasid integratsiooni arengujärgud (generatsioonid):

• SSI (Small Scale Integration) – kiibil kuni kümme transistori; 1960ndate algus;
• MSI (Medium Scale Integration) – kümneid jasadu transistore; 1960ndate lõpupool;
• LSI (Large Scale Integration) – kümneid tuhandeid transistore; 1970ndad;
• VSLI (Very Large Scale Integration); sadu tuhandeid transistore; 1980ndate algupool;
• ULSI (Ultra-Large Scale Integration); üle miljoni transistori; (esimene miljoni biti RAM-mälu aastal 1986).

2010ndail aastail valmistatakse videoprotsessoreid, mille kiibil on mitu miljardit transistori.

Miniaturiseerimisega kaasnevad eelised

Integraallülituste miniaturiseerimine (integreerimisastme suurendamine) võimaldab realiseerida järgmisi eesmärke:

• transistori kanali ja ühenduste lühenemise tulemusena kasvab lülituse töökiirus (taktsagedus);
• väheneb transistoride võimsustarve, nii et vaatamata elementide arvu suuremisele lülituse üldine energiavajadus ei kasva;
• ühel kiibil saab realiseerida funktsioone, milleks seni kasutati eraldi valmistatud lülitusi;
• odavneb tootmine, sest ühel ränikettal ehk vahvlil (ingl k wafer) on võimalik valmistada korraga sadu kiipe.

Tulemusena on võimalik suhteliselt odavalt luua erisuguse otstarbega energiasäästlikke integraalkomponente. Eriti laialt kasutatakse neid tänapäeval mobiilses tarbelekroonikas (nutitelefonide protsessorid ja SIM-kaardid, mitmesuguse otstarbega kiipkaardid, mälukaardid ja -pulgad, pildisensorid), meditsiinis erinevate implantaatidena jm teaduse ning tehnika valdkondades.

Vaata ka

• Elektroonikalülitus
• Pooljuhttehnoloogia
• Kolmemõõtmeline integraallülitus