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Integrierter Schaltkreis

Ein integrierter Schaltkreis (auch integrierte Schaltung, engl. integrated circuit, kurz IC) ist eine auf kleinstem Raum auf einem einzigen Stück Halbleitersubstrat (Chip, engl. Die) untergebrachte (integrierte) elektronische Schaltung. Man nennt sie daher im Gegensatz zu gelöteten Leiterplatten und ähnlichem auch Festkörperschaltkreis oder monolithischer Schaltkreis.

Merkmal ist, dass auf oder in einem einkristallinen Substrat eine große Zahl an verschiedenartigen oder gleichen aktiven und passiven Halbleiterbauelementen, Widerständen und Kondensatoren sowie verbindenden Leiterzügen hergestellt werden.

Eine Zwischenstellung nehmen Dickschichtschaltkreise (Hybridschaltkreise) sowie Dünnschichtschaltungen ein - bei letzteren werden Bauteile durch Aufdampfen und Strukturieren einer dünnen Schicht auf einem Glassubstrat hergestellt.

Integrierte Schaltkreise werden als eigenständiges elektronisches Bauteil betrachtet. Die Größe des Substrats beträgt dabei in der Regel nur wenige Quadratmillimeter und ist erheblich kleiner als das umgebende Gehäuse, das die eigentlichen elektrischen Anschlüsse (Pins) in handhabbarer Größe zum Verlöten bereithält. Die Chipfläche wird dabei aus Kostengründen klein gehalten, während das Gehäuse anderen Anforderungen Rechnung trägt (Löttechnologie, Wärmeableitung, etc.) und je nach Marktanforderung auch verschiedene Ausprägungen zeigt.

Integrierte Schaltkreise bilden heute die Grundlage jeglicher komplexer Elektronik, insbesondere der Computertechnik. Erst durch die Integration ist es möglich, umfangreiche Funktionalität auf kleinem Raum zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus ermöglichen integrierte Schaltkreise in vielen Fällen überhaupt auch erst die technische Realisierung von Systemen, die sonst zu teuer, zu komplex, zu leistungsintensiv oder zu groß wären.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Schon in der Zeit vor der Erfindung des Transistors gab es in Form der Mehrsystemröhre und der Verbundröhre elektronische Bauelemente, die mehrere Funktionen in einem Bauteil integrierten. Ein anderes Beispiel waren Duodioden und mehranodige Quecksilberdampfgleichrichter, die in einem Bauteil die Funktion mehrerer gesteuerter oder ungesteuerter Gleichrichter (eine Kathode und mehrere Anoden) vereinten.

Der erste integrierte Schaltkreis (ein Flipflop) wurde im September 1958 von Jack Kilby entwickelt.[1] Er bestand aus zwei Bipolartransistoren, welche auf einem Germanium-Substrat befestigt und durch Golddrähte verbunden wurden. Dieser Hybrid-Schaltkreis ist somit ein erstes Beispiel der Umsetzung der schon bekannten Transistor-Transistor-Logik (TTL) auf einen Schaltkreis. Sie war eine Vorstufe zur Weiterentwicklung der TTL-Schaltungen hin zu kleineren Bauformen.

Der erste „monolitische“ (d. h. aus bzw. in einem einzigen einkristallinen Substrat gefertigt) integrierte Schaltkreis wurde von Robert Noyce im Juli 1959 zum Patent angemeldet.[2] Das Entscheidende an Kilbys Erfindung war die komplette Fertigung der Bauelemente und Verdrahtung auf einem Substrat. Für die Herstellung wurden bereits fotolithografische Verfahren und Diffusionsprozesse genutzt, welche Fairchild Semiconductor kurz zuvor für die Herstellung des ersten modernen Diffusions-Bipolartransistor entwickelt hatte.[1][3][4] Unter anderem basierend auf diesen Techniken wurden 1970/71 nahezu zeitgleich die ersten Mikroprozessoren von drei Firmen vorgestellt, der Intel 4004, der Texas Instruments (TI) TMS 1000 und der Garrett AiResearch „Central Air Data Computer“ (CADC).

Jacobi-Patent

Kaum bekannt ist der bereits 1949 von Werner Jacobi erfundene und patentierte „Halbleiterverstärker“[5], eine auf einem als Trägermaterial dienenden Halbleiter aus fünf Transistoren bestehende Schaltung. Diese bilden eine dreistufige Verstärkerschaltung in Form eines integrierten Schaltkreises. Zwei Transistoren werden "über Kopf" geschaltet und bewirken damit die Impedanzwandlung zwischen den Transistorstufen. Jacobi hält fest, dass damit zum Beispiel Hörgeräte klein, leicht und billig realisiert werden können.

Eine umgehende wirtschaftliche Nutzung seines Patentes ist nicht bekannt. Die Formulierung des Integrationsgedankens in der am 15. Mai 1952 bekannt gemachten Patentschrift lautet: „Halbleiterverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Halbleiter mehrere in verschiedenen Schalt- bzw. Verstärkerstufen wirkende Elektrodensysteme aufgesetzt werden.“ Damit geht zum Beispiel die Integration mehrerer Leuchtdioden in ein Gehäuse im Grundgedanken auf Jacobi zurück.

Bis in die 1950er Jahre standen Halbleiterbauelemente nur als diskrete Bauteile, d. h. einzelne Transistoren, Dioden, etc., zur Verfügung. In Größe und Lebensdauer war dies bereits ein wesentlicher Durchbruch gegenüber den damals konkurrierenden Elektronenröhren, insbesondere da sich inzwischen die Verwendung von Leiterplatten (Platinen) durchsetzte.

Die ersten integrierten Schaltkreise in Serienproduktion entstanden Anfang der 1960er (v. a. auch bei Texas Instruments und Fairchild Semiconductor) und bestanden lediglich aus bis zu wenigen Dutzend Transistoren (Small-scale integration, SSI). Mit den Jahren wurden die Strukturen jedoch immer weiter verkleinert und auch passive Bauelemente (z. B. Widerstände) integriert, wobei die Anzahl der Transistoren aber weiterhin die wichtigste Kenngröße blieb. Mit der medium-scale integration (MSI) fanden einige hundert Transistoren, bei der large-scale integration (LSI) Anfang der 1970er einige tausend Transistoren Platz auf einem Die.

Damit war es erstmals möglich, einen ganzen Hauptprozessor (CPU) als sogenannten Mikroprozessor auf einem Chip zu integrieren, was die Kosten für Computer extrem reduzierte. Anfang der 1980er folgte die very-large-scale integration (VLSI) mit einigen hunderttausend Transistoren, mittels derer man schon bald Speicherchips (RAM) mit einer Kapazität von 1 MByte herstellen konnte. Mit dieser Weiterentwicklung der Fertigungstechnologie einher ging eine immer höhere Entwurfsautomatisierung (siehe Chipentwurf) des Designs und der zur Fertigung erforderlichen Fotomasken, ohne die die Entwicklung komplexer Schaltungen nicht mehr möglich war.

Aktuelle HighEnd-Prozessoren enthalten über 1 Milliarde Transistoren auf einer Fläche von nur wenig mehr als einem Quadratzentimeter. Speicherchips haben auf der gleichen Fläche bereits die Zahl von knapp zwei Milliarden Transistoren erreicht (Stand: Frühling 2008).

Personen

Miniaturisierung

Moderne integrierte Schaltkreise wie z. B. Speicherbausteine und Mikroprozessoren können mehrere Hundert Millionen Bauteile (insbesondere Transistoren) enthalten. Der PentiumPro-Prozessor (1995) enthält z. B. 5,5 Millionen Transistoren, heutige Prozessoren und Speicherchips können aus über einer Milliarde Transistoren bestehen.

Das Bestreben, immer weitere und umfangreichere Funktionen auf einem einzigen Schaltkreis zu integrieren, hat folgende Gründe:

Arten und Anwendung Integrierter Schaltungen

Nach der Fertigungstechnologie

Technologie-Beispiele: TTL-, CMOS-, CCD-, BiCMOS-, DMOS-, BiFET-, Bipolar-Technologie.

Nach der Signalart

Sensor- und Aktor-ICs sind Wandler zwischen unterschiedlichen physikalischen Größen, die mit mikroelektronischen Technologien gefertigt werden. Beispiele sind ICs in CMOS-Kameras, Mikrospiegelarrays, Hallsonden, Beschleunigungssensoren oder Schaltkreise zur Messung ihrer Temperatur, der Beleuchtungsstärke oder zum Empfang digitaler Infrarot-Signale

Nach der Aufgabe

Herstellung integrierter Schaltungen

Mit der Herstellung von integrierten Schaltungen beschäftigt sich die Halbleiterindustrie. Zur Technologie siehe Hauptartikel Halbleitertechnologie. Die Fertigung wird oft in zwei Zyklen eingeteilt:

Zyklus 1

Im Scheibenverbund erfolgt oft ein stichprobenartiges oder komplettes Prüfen der noch nicht vereinzelten Schaltkreise mit Nadeltestern zur Bestimmung der Ausbeute und als Feedback zu technologischen Parametern. Damit spart man sich das Verkappen des teilweise erhheblichen Ausschusses.

Zyklus2

Prüfergebnisse und die Art der Verkappung bestimmen das Einsatzgebiet. So werden hohe Qualitäten für erweiterte Einsatztemperaturen und Umweltanforderungen gefertigt (sog. MIL-Standard für militärische und Raumfahrt-Anwendungen). Höhere Toleranzen und Plastik-Verkappung kommen für Massenanwendungen (Konsumgüter) in Frage.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. a b Jack S. Kilby: Invention of the integrated circuit. In: IEEE Transactions on Electron Devices. 23, Nr. 7, 1976, S. 648–654.
  2. Robert N. Noyce: Semiconductor device and lead structure.US-Patent 2.981.877, angemeldet am 30. Juli 1959, angenommen am 25. April 1961.
  3. I. M. Ross: The invention of the transistor. In: Proceedings of the IEEE. 86, Nr. 1, 1998, S. 7--28.
  4. R. G. Arns: The other transistor: early history of the metal-oxidesemiconductor field-effect transistor. In: Engineering Science and Education Journal. 7, Nr. 5, 1998, S. 233-240.
  5. W. Jacobi: Patent DE 833366 W. Jacobi/SIEMENS AG: „Halbleiterverstärker“ eingereicht am 15. April 1949