W dzisiejszym, dynamicznym świecie elektroniki, nieustannie korzystamy z zaawansowanych technologii, które umożliwiają nam wykonywanie zadań szybciej, wydajniej i wygodniej. Jednym z najbardziej niezwykłych osiągnięć, które wpłynęło na naszą codzienną rzeczywistość, jest wynalezienie układu scalonego. Te niewielkie, lecz potężne komponenty elektroniczne, zawierające zazwyczaj setki, tysiące, a nawet miliony elementów na pojedynczej krzemowej płytce. Chipy zrewolucjonizowały nasz świat w sposoby, których wcześniej nie można było sobie nawet wyobrazić. Jednak chcąc zgłębić historię układów scalonych musimy cofnąć się aż do lat 20. XX wieku, do czasów konstrukcji lampowych.
Czym są układy scalone?
Układy scalone kojarzymy przede wszystkim jako niewielkie elementy elektroniczne z wieloma wyprowadzeniami. Zazwyczaj mają one kształt prostopadłościanu w czarnym kolorze, ale zdarzają się też bardziej fantazyjne formy. Układ scalony, zwany również chipem to nic innego jak zintegrowany do postaci pojedynczego elementu obwód, składający się w większości z tranzystorów. Dawniej projektanci i inżynierowie łączyli w pojedynczy układ, zazwyczaj tylko kilka elementów umieszczonych na niewielkim krzemowym rdzeniu. W obecnych czasach chipy składają się z milionów, a nawet miliardów tranzystorów. Powstanie układów scalonych było jednym z kroków milowych w świecie technologii, dzięki nim udało się osiągnąć niespotykanych do tej pory stopień miniaturyzacji elektroniki.
Pierwsza była… lampa
Choć wydaje się to dziwne za pierwszy układ scalony uznać możemy lampę elektronową. Postępująca miniaturyzacja elektroniki nie jest wcale domeną ostatnich lat, praktycznie od początku powstania tej dziedziny twórcy starali się upraszczać i scalać obwody elektroniczne. Pierwszą udaną próbą zintegrowania kilku funkcji w jednym urządzeniu elektronicznym było powstanie lampy próżniowej Loewe 3NF. Konstrukcja ta powstała w 1926 roku w niemieckiej firmie Loewe AG i łączyła w swoim wnętrzu trzy triody wraz z kilkoma rezystorami i kondensatorami. Tego typu lampa była niemal funkcjonalnym radioodbiornikiem, wystarczyło dodać akumulator, cewkę strojeniową i głośnik. Co ciekawe lampa powstała między innymi po to, aby ominąć niemieckie przepisy podatkowe. W tamtym czasie funkcjonowała opłata zależna od ilości podstawek pod lampy. W produkcie Loewe umieszczona była tylko jedna lampa co było przewagą zarówno technologiczną, jak i finansową.
Ziarno innowacji, czyli powstanie tranzystora
Dzisiejszych układów scalonych nie byłoby, gdyby nie powstanie tranzystora, dlatego warto poświęcić mu chwilę uwagi. Pierwszy tranzystor opracowany został przez zespół z Bell Labs – Johna Bardeena, Williama Shockleya i Waltera Brattaina w 1947 roku. Choć pierwsze wzmianki o półprzewodnikowym elemencie mogącym sterować przepływem prądu pojawiają się już w latach 20. XX wieku. Tamte konstrukcje jednak nigdy nie wyszły spoza fazy planów.
Pierwszy tranzystor, który dzisiaj określamy mianem tranzystora punktowego, zbudowany został z germanowej płytki, do której przymocowano złotą folię, którą następnie przecięto na dwie części. W ten sposób uzyskano działającą strukturę złoto-german-złoto.
Idąc za ciosem, naukowcy w 1951 roku pokazują światu konstrukcję nieco bardziej dopracowaną – tranzystor złączowy. Zbudowany z trzech warstw półprzewodnika na bazie germanu. Pierwiastek ten miał jednak jedną wadę – temperaturę. Tranzystory germanowe po osiągnięciu około 75°C ulegały uszkodzeniu. Problem ten rozwiązał w 1954 roku pracujący w Texas Instruments Gordon Teala, opracowując tranzystor na bazie krzemu.
Po wynalezieniu tranzystora krzemowego historia przyśpiesza, powstają kolejne wariacje i typy elementów półprzewodnikowych prowadząc ostatecznie do kolejnej rewolucji, czyli powstania układu scalonego.
A gdyby tak wszystko połączyć?
Mając do dyspozycji tranzystory półprzewodnikowe projektanci elektroniki mogli budować naprawdę niezwykłe urządzenia, ale mimo ogromnych możliwości nadal istniał problem skali. Inżynierowie zdawali sobie sprawę, że w pewnym momencie konstrukcje na bazie półprzewodników urosną do niebotycznych rozmiarów, podobnie jak sprzęty lampowe. Poza tym kwestionowano niezawodność tranzystorów, wszyscy doskonale znali ówczesne problemy z komputerem ENIAC, zbudowanym z 18000 lamp próżniowych. Szklane bańki ulegały uszkodzeniu niemal codziennie, przez co ENIAC działał mniej więcej przez połowę swojego czasu. Obawiano się, że konstrukcje tranzystorowe, będą w przyszłości borykać się z tym samym problemem. Warto jednak wspomnieć, że część środowiska technicznego już w tamtym czasie przewidywała, że w niedalekiej przyszłości uda się połączyć kilka tranzystorów w jeden większy element, mimo że nie istniała jeszcze technologia pozwalająca zbudować konstrukcję tego typu.
Przełom następuje w maju 1958 roku. W tamtym czasie inżynier radiowy i weteran II wojny światowej Jack Kilby rozpoczyna pracę w Texas Instruments. Dano mu wówczas wybór – zająć się tematem „ogólnej” miniaturyzacji elektroniki lub produkcją obwodów przeznaczonych do zastosowań wojskowych. Jack wybrał pierwszą opcję. Niedługo późnej, bo już 28 sierpnia tego samego roku zaprezentował swój pierwszy prototyp układu scalonego.
Prototyp Kilby’ego był prostym oscylatorem złożonym z dwóch tranzystorów, ale nie zostały one umieszczone na tym samym kawałku półprzewodnika. Oznacza to, że konstrukcja ta była układem hybrydowym z dwoma osobnymi germanowymi tranzystorami połączonymi złotymi przewodami. Chip nie rozwiązywał problemów z izolacją, nadal nie było możliwości budowania struktur półprzewodnikowych na tym samym podłożu. Na monolityczne układy scalone, czyli takie bazujące na pojedynczym kawałku półprzewodnika przyjdzie nam jeszcze trochę poczekać.
Ścieżki innowacji – układy hybrydowe
Oscylator Kilby’ego stał się podstawą do późniejszego rozwoju hybrydowych układów scalonych. Projektanci konstrukcji tego typu we wnętrzu układu łączyli zazwyczaj kilka większych elementów elektronicznych wraz z „czystymi” półprzewodnikowymi rdzeniami. Przykład takiej hybrydy możecie zobaczyć powyżej. Jest to układ GCA-058 wyprodukowany w 1988 roku przez Krakowski Ośrodek Badawczo Rozwojowy Mikroelektroniki i Rezystorów dla Ludowego Wojska Polskiego. Wewnątrz na piętrowo ułożonych ceramicznych bazach umieszczono kondensatory, tranzystory, pojedynczy wzmacniacz operacyjny, węglowe rezystory oraz stworzone w Instytucie Technologii Elektronowej krzemowe rdzenie.
W latach 60. i 70. XX wieku, wraz z postępem w dziedzinie technologii półprzewodnikowych, zaczęły powstawać pierwsze monolityczne układy scalone, które w porównaniu do konstrukcji hybrydowych były mniejsze, bardziej niezawodne oraz tańsze w produkcji. Mimo tego, układy hybrydowe nadal stosowano w specjalistycznych aplikacjach, które wymagały dużych mocy, wydajności termicznej lub tolerancji na ekstremalne warunki. Hybrydy pozostawały popularne w przemyśle lotniczym, wojskowym, medycznym i niektórych zastosowaniach przemysłowych.
Wraz z rozwojem technologii i pojawieniem się zaawansowanych procesów produkcyjnych, układy hybrydowe zaczęły ustępować miejsca układom scalonym w większości zastosowań. Jednak do dziś istnieją dziedziny, w których układy hybrydowe są wciąż preferowanym rozwiązaniem ze względu na swoje unikalne cechy i możliwości dostosowania do specyficznych wymagań technicznych.
Współczesne układy hybrydowe często wykorzystywane są w aplikacjach wysokotemperaturowych, wielkiej mocy, wysokich napięć, specjalnych czujnikach, zabezpieczeniach i różnych urządzeniach wyspecjalizowanych, gdzie tradycyjne układy scalone mogą być niewystarczające.
Układ scalone, jaki znamy
Znane dzisiaj układy scalone to konstrukcje monolityczne, oznacza to, że cały elektroniczny obwód złożony z tranzystorów, diod, rezystorów a czasem nawet kondensatorów umieszczony jest na pojedynczym kawałku krzemu, innymi słowy na wspólnym podłożu. Człowiekiem, któremu udało się stworzyć coś takiego był pracujący w Fairchild Semiconductor Robert Noyce. W sierpniu 1959 roku Robert tworzy wewnątrz Fairchild specjalną grupę, której zadaniem jest opracowanie układu scalonego. Pierwsze prototypy podobnie jak układ Jack’a Kilby’ego są konstrukcjami hybrydowymi, w których tranzystory umieszczono na osobnych półprzewodnikowych podłożach.
Krokiem milowym technologii okazuje się drugi prototyp, zaprezentowany światu rok później w wrześniu 1960 roku. Wówczas technicy zastosowali zaproponowaną przez Noyce izolację tranzystorów w specjalnych „studniach” otoczonych złączem p-n, dzięki temu elementy te można było umieścić na pojedynczym kawałku krzemu. Tak powstaje pierwszy monolityczny układ scalony złożony z czterech tranzystorów i pięciu rezystorów.
Początkowo krzemowe rdzenie produkowane w procesie plenarnym, o którym opowiem więcej w jednym z kolejnych materiałów umieszczane były w okrągłych metalowych obudowach z umieszczanymi na dole wyprowadzeniami. Struktura półprzewodnikowa umieszczana była wewnątrz i łączona z wyprowadzeniami za pomocą cienkich przewodów przytwierdzanych do powierzchni za pomocą ultradźwięków.
Dzisiejsze układy scalone umieszczane są w najróżniejszych rodzajach obudów o różnym sposobie montażu. Znajdziemy konstrukcje montowane na płytkach w sposób przewlekany, jak i powierzchniowy. Obecnie trudno jest wyobrazić sobie świat, bez chipów, które stanowiąc kluczowy fundament dla niezliczonych aspektów naszego codziennego życia. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o układach scalonych zajrzyj do pozostałych artykułów z dziedziny mikroelektroniki.
Współczesny świat nieustannie płynie ku przyszłości, napędzany niesamowitym postępem w dziedzinie technologii. Centralną rolę w tym dynamicznym procesie odgrywa elektronika, która stanowi podstawę większości urządzeń codziennego użytku. Jednym z kluczowych fundamentów elektroniki są struktury zwane układami scalonymi, które od lat rewolucjonizują naszą zdolność do przetwarzania informacji i komunikacji. Jednak, gdy zajrzymy w głąb elektronicznych chipów, zauważymy, że zbudowane są one ze struktur takich jak tranzystory, diody, rezystory, a nawet kondensatory. Elementy te umieszczane są wspólnie, na pojedynczym kawałku krzemu, przez co różną się znacząco od podobnych konstrukcji umieszczanych na płytkach drukowanych. W tym artykule opowiem wam nieco o krzemowych strukturach elektronicznych, czyli fundamencie dzisiejszego świata technologii.
Każdy, kto zaczyna zabawę z elektroniką wcześniej czy później spotyka na swojej drodze układ oznaczony numerem 555. Według wielu timer ten jest jednym z chipów, który zmienił świat. Ciężko się z tym nie zgodzić zwłaszcza biorąc pod uwagę skalę produkcji i mnogość zastosowań, o których powstawały nawet osobne książki. W tym materiale opowiem wam co nieco o tym wyjątkowym chipie.
Źródła:
- https://forbot.pl/blog/uklad-scalony-czym-jest-i-jak-powstaje-czym-sa-czipy-id52503
- https://www.meteca.org/the-history-of-the-first-microchip/
- https://manufacturingdigital.com/procurement-and-supply-chain/a-microchip-timeline-from-1959-to-the-supply-chain-shortage
- http://www.animatedexplanations.com/who-invented-silicon-chip/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Jack_Kilbyhttps://patents.google.com/patent/US3138743
- https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit
- https://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_integrated_circuit
- https://en.wikipedia.org/wiki/Invention_of_the_integrated_circuit
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Loewe_3NF
- https://en.wikipedia.org/wiki/ENIAC
- https://www.allaboutcircuits.com/news/jack-kilby-and-the-world-first-integrated-circuit/
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Robert_Noyce
P. Horowitz, W. Hill, „Sztuka elektroniki”, t. 1-2, Wydawnictwo WKŁ, Warszawa 1996.
A. Dobrowolski, Z. Jachna, E. Majda, M. Wierzbowski, „Elektronika ależ to bardzo proste”, Wydawnictwo BTC, Legionowo 2013.
A. Gołda, A. Kos, „Projektowanie układów scalonych CMOS”, Wydawnictwo WKŁ, Warszewa 2010.