«آی سی» (IC) یا «مدار مجتمع» (Integrated Circuit) در حقیقت مداری است که از عناصری جداناپذیر تشکیل شده که به صورت الکتریکی به هم پیوسته‌اند، به گونه‌ای که نمی‌توان آن‌ها را از هم جدا کرد. از فناوری‌های مختلفی می‌توان برای ساختن چنین مداری استفاده کرد. چیزی که امروز ما آن را آی سی می‌نامیم، در ابتدا به عنوان یک مدار مجتمع یکپارچه شناخته می‌شد. اولین آی سی را «کیلبای» (Kilby) در سال ۱۹۵۸ ساخت. او در سال ۲۰۰۰ برنده جایزه نوبل فیزیک شد. اولین خریدار این اختراع نیروی هوایی ایالات متحده بود.

آی سی چیست؟

مدار مجتمع، که گاهی به آن «ریزتراشه» (Microchip) یا میکروچیپ گفته می‌شود، یک ویفر نیمه‌هادی است که بر روی آن هزاران یا میلیون‌ها مقاومت، خازن و ترانزیستور ریز تعبیه شده است. آی سی می‌تواند یک تقویت‌کننده، نوسان‌ساز، تایمر، شمارنده، حافظه کامپیوتر یا ریزپردازنده باشد. یک آی سی، بسته به کاربردهای آن، در دو دسته خطی (آنالوگ) یا دیجیتال طبقه‌بندی می‌شود. ایده اصلی رسیدن به مداری کامل با اجزای فراوان و اتصالات بین آن‌ها و بازسازی همه چیز به شکل میکروسکوپی روی سطح یک قطعه سیلیکون بود. این یک ایده بسیار خلاقانه بود که امروزه در انواع وسایل میکروالکترونیک از ساعت‌های دیجیتال و ماشین‌حساب‌های جیبی گرفته تا موشک‌ها و فظاپیماهایی که دارای ناوبری ماهواره‌ای داخلی هستند، وجود دارد.

آی سی چگونه ساخته می‌شود؟

چگونه می‌توانیم یک تراشه حافظه یا پردازنده را برای کامپیوتر بسازیم؟ همه این‌ها با یک عنصر ترکیب خام مانند سیلیکون شروع می‌شود که به صورت شیمیایی ناخالص شده است و خواص الکتریکی متفاوتی خواهد داشت.

نماد آی سی
نماد آی سی
نیمه‌هادی‌های ناخالص

به طور معمول، تجهیزات و وسایل در دو دسته تقسیم می‌شوند: وسایلی که الکتریسیته به راحتی از طریق آن‌ها جریان می‌یابد (هادی) و آن‌هایی که جریان از آن‌ها عبور نمی‌کند (عایق). فلزات اغلب رساناها را تشکیل می‌دهند، در حالی که غیرفلزات از قبیل پلاستیک، چوب و شیشه عایق هستند. در حقیقت، ویژگی‌های عناصر بسیار پیچیده‌تر از این است، به ویژه هنگامی که می‌توان عناصر را در مرکز جدول تناوبی تعریف کرد (در گروه‌های ۱۴ و ۱۵)، به ویژه سیلیکون و ژرمانیوم. معمولاً اگر مقادیر کمی ناخالصی را در روشی به نام دوپینگ (Doping) وارد کنیم، عایق‌ها به عناصری تبدیل می‌شوند که می‌توانند مانند هادی‌ها جریان را از خود عبور دهند.

طراحی مدار مجتمع
طراحی مدار مجتمع

اگر آنتیموان را به سیلیکون اضافه کنیم، تعدادی الکترون به آن افزوده می‌شود و به آن این قابلیت را می‌دهد که بتواند جریان را بهتر هدایت کند. سیلیکون «ناخالص» حاصل از این روش، به روش سیلیکون «نوع n» معروف است. وقتی بور را به جای آنتیموان به سیلیکون اضافه کنیم، تعدادی از الکترون‌های سیلیکون دور شده و «حفره»هایی ایجاد می‌شود که به عنوان «الکترون منفی» عمل می‌کنند. در نتیجه، می‌توان یک جریان الکتریکی مثبت را به روش مخالف ایجاد کرد. به این نوع سیلیکون «نوع p» گفته می‌شود. قرار دادن بخش‌های از سیلیکون نوع n و نوع P در کنار هم برای ایجاد اتصالات که در آن الکترون‌ها به شکل بسیار جذابی عمل می‌کنند، روشی است که ما به صورت الکترونیکی، افزاره‌های نیمه‌هادی مانند دیودها، ترانزیستورها و حافظه‌ها تولید می‌کنیم.

تکنولوژی های آی‌سی

ic ictnic 1

مدارات مجتمعی که شامل ترانزیستورهای دوقطبی BJT باشند را با نام TTL و مدارات مجتمعی که شامل ترانزیستورهای mosfet هستند را Cmos می‌نامند.  ترکیب این دو تکنولوژی را با نام BiCmos می‌شناسند.

تولید تراشه

مراحل ساخت یک مدار مجتمع با یک کریستال بزرگ سیلیکون شروع می‌شود و به صورت یک لوله جامد شکل می‌گیرد که برش می‌یابد. این برش‌ها «ویفر» (Wafer) نامیده می‌شود. ویفرها با شکل‌های مربعی یا مستطیلی یکسان مشخص شده‌اند که هر یک از آن‌ها یک تراشه سیلیکون منفرد را (که بعضاً میکروچیپ خوانده می‌شود) تشکیل می‌دهند. هزاران، میلیون‌ها یا میلیاردها دستگاه در هر تراشه با دوپینگ (افزایش ناخالصی) بخش‌های متفاوت از سطح آن تولید می‌شوند تا آن‌ها را به سیلیکون نوع n یا p تبدیل کند.

ناخالص کردن با تعداد مراحل مختلف انجام می‌شود. در یکی از آن‌ها، که به عنوان «کندوپاش» شناخته (Sputtering) می‌شود، یون‌های مواد ناخالصی، درست مانند گلوله‌های اسلحه به ویفر سیلیکون شلیک می‌شوند. یک روش دیگر به نام رسوب بخار وجود دارد که شامل افزودن ماده ناخالصی به عنوان گاز و متمرکز شدن آن به طوری است که اتم‌های ناخالصی یک فیلم نازک را روی سطح ویفر سیلیکونی ایجاد ‌کنند. پرتوی مولکولی اپتکسیال عبارت بسیار دقیق‌تری از این جمله است.

درون یک تراشه
درون یک تراشه

البته مدارهای مجتمع که در آن‌ها صدها، میلیون‌ها و یا میلیاردها دستگاه را روی یک تراشه سیلیکون به اندازه ناخن انگشت تعبیه می‌شود، کمی پیچیده‌تر از آنی هستند که به نظر می‌رسند. به همین دلیل است که نیمه‌هادی‌ها در محیط‌های بی‌عیب آزمایشگاهی به نام اتاق‌های تمیز تهیه می‌شوند که در آنجا هوا به طور دقیق فیلتر و تصفیه می‌شود و کارمندان باید از طریق هوابندها و با انواع لباس‌های محافظت شده وارد و خارج شوند.

انواع آی سی‌ها

انواع مختلف یک مدار مجتمع شامل موارد زیر است:

آی سی دیجیتال

این نوع آی سی در دو سطح تعریف شده است: ۱ و ۰ که این به این معناست که آن‌ها با ریاضیات دودویی کار می‌کنند و در آن ۱ روشن و ۰ خاموش است. چنین آی‌سی‌هایی به سختی ساخته می‌شوند، زیرا بیش از میلیون‌ها فلیپ فلاپ، گیت‌های منطقی و مواردی را شامل می‌شوند که همه در یک تراشه واحد گنجانیده شده‌اند. نمونه‌هایی از آی‌سی‌های دیجیتال شامل میکروکنترلرها و ریزپردازنده‌ها است.

انواع آی سی
انواع آی سی

آی‌سی‌های دیجیتال عبارتند از:

  • آی‌سی‌های منطقی
  • آی‌سی‌های واسط (جابه‌جاکننده سطح، سریال‌ساز / سریال‌زدا و غیره)
  • آی‌سی‌های مدیریت انرژی
  • قطعات برنامه‌پذیر

آی ‌سی‌ آنالوگ

آسی‌سی‌های آنالوگ در دو دسته زیر موجود هستند:

  • آی‌سی‌های خطی
  • آی‌سی‌های RF

آی سی سیگنال ترکیبی

هنگامی که از آی‌سی‌های دیجیتال و آنالوگ در یک تراشه استفاده شود، آی سی حاصل به عنوان مدار مجتمع سیگنال مختلط یا سیگنال ترکیبی شناخته می‌شود. این آی‌سی‌ها شامل موارد زیر هستند:

کاربرد مدارهای مجتمع

مدار مجتمع از یک ماده نیمه‌رسانا به عنوان سطح کار استفاده می‌کند و اغلب سیلیکون برای این کار انتخاب می‌شود. پس از آن، قطعات الکتریکی از قبیل دیودها، ترانزیستورها و مقاومت‌ها و غیره به این تراشه اضافه می‌شوند. اجزای الکتریکی به گونه‌ای تجمیع شده‌اند که قادر به انجام چندین کار و محاسبه هستند. سیلیکون در این مجموعه به عنوان ویفر شناخته می‌شود.

برخی از کاربردهای مختلف آی‌سی‌ها به شرح زیر است:

  • رادار
  • ساعت مچی
  • تلویزیون
  • آبمیوه‌گیری
  • کامپیوتر
  • پردازنده ویدئو
  • تقویت‌کننده صوتی
  • دستگاه‌های حافظه
  • دستگاه‌های منطقی
  • انکدرها و دیکدرهای فرکانس رادیویی