Integrierter Schaltkreis

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Integrierter Schaltkreis offen

Integrierter Schaltkreis
im DIL-Plastikgehäuse

Ein integrierter Schaltkreis (auch integrierte Schaltung, engl. integrated circuit, kurz IC) ist eine elektronische Schaltung. Sie ist auf kleinstem Raum auf einem einzigen Stück Halbleitersubstrat (Chip, engl. Die) integriert. Sie wird als eigenständiges und elektronisches Bauteil betrachtet. Die Größe des Substrats beträgt dabei i. d. R. nur wenige Quadratmillimeter und ist noch erheblich kleiner als das umgebende Gehäuse des ICs, welches 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 Anforderungen im Markt 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. Darüberhinaus 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

1 Historie
2 Miniaturisierung
3 Arten und Anwendung Integrierter Schaltungen
4 Herstellung integrierter Schaltungen
5 Geschichte der integrierten Schaltungen
- 5.1 Personen
6 Siehe auch
7 Weblinks

[Bearbeiten] Historie

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

Der erste integrierte Schaltkreis geht auf Jack Kilby in das Jahr 1958 zurück und umfasste etwa zehn Bauteile. Er wurde in Transistor-Transistor-Logik (TTL) entwickelt und war zunächst sehr preiswert herzustellen, hatte aber eine hohe Verlustleistung. Zu dieser Zeit waren 5-Volt-Netzteile, die 50 Ampere liefern konnten, durchaus üblich. Weiterentwicklungen erfolgten zunächst hinsichtlich einer kleineren Bauform.

[Bearbeiten] Miniaturisierung

Moderne integrierte Schaltkreise wie z. B. Speicherbausteine und Mikroprozessoren können viele Hundert Millionen Bauteile (insbesondere Transistoren) enthalten. Der PentiumPro - Prozessor (1995) enthält z. B. 5,5 Millionen Transistoren, heutige Prozessoren können aus über 200 Millionen Transistoren bestehen.

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

Miniaturisierung von Geräten und deren Steuerung
- zur besseren Handhabung (z. B. mobile Geräte).
- zur Einsparung von Werkstoffen.
effizientere Fertigung: sämtliche Bauteile hunderter Chips werden simultan gefertigt und verdrahtet
geringere Leistungsaufnahme: kleinere Bauteile erfordern auch weniger Strom
kürzere Leitungslängen und somit kürzere Signallaufzeiten: die Schaltvorgänge können schneller ablaufen als in diskret aufgebauten Schaltungen
höhere Zuverlässigkeit als konventionelle, gelötete Schaltungen

[Bearbeiten] Arten und Anwendung Integrierter Schaltungen

[Bearbeiten] Nach der Fertigungstechnologie

monolithische Schaltkreise werden in bzw. auf einem einzigen Stück (Substrat) einkristallinen Halbleitermaterials (Chip). Die Schaltkreise werden dabei meist an der Oberfläche des Substratmaterials (bis zu einigen Mikrometern) oder durch Schichtauftrag gefertigt.
Dickschicht-Hybridschaltkreise vereinen mehrere monolithische Chips sowie gedruckte Leiterzüge und passive Bauteile in Dickschicht-Technologie auf einem Keramikträger. Sie sind oft nur tauchlackiert.
Dünnschicht-Schaltkreise sind meistens Widerstandsnetzwerke, die durch Bedampfen und ggf. Elektronenstrahlabgleich auf einem Glassubstrat hergestellt werden. Schutz durch Tauchlackierung.

[Bearbeiten] Nach der Signalart

Digitale ICs verarbeiten oder speichern Signale, die in Form von zwei diskreten Pegeln vorliegen
Analoge ICs verarbeiten Signale mit beliebigen Zwischenwerten
Mixed-signal-ICs haben sowohl analoge als auch digitale Schaltungsteile

[Bearbeiten] Nach der Aufgabe

Prozessoren: Rechen- und Steuereinheiten von Computern
Halbleiterspeicher speichern digitale Daten.
ASICs sind anwendungsspezifische Entwicklungen (z. B. in Brotröstern, KFZ, Waschmaschinen)
Sensor-ICs wandeln und verarbeiten nichtelektrische Größen (z. B. Beschleunigung, Licht, Magnetfelder)
DSPs (digitale Signalprozessoren) verarbeiten digitale Signale oder analoge Signale in digitaler Form
D/A- und A/D-Wandler wandeln digitale in analoge Werte oder umgekehrt
FPGAs (field programmable gate array) sind vom Kunden konfigurierbare digitale ICs, die aus einer Vielzahl von zusammenschaltbaren Funktionsbausteinen bestehen
Microcontroller (µC) enthalten alle Teile eines kleinen Computers (Programmspeicher, Rechenwerk, Arbeitsspeicher und Register)
sog. Power-ICs können hohe Ströme und Spannungen verarbeiten (z. B. als komplette Leistungs-Verstärker oder in Netzteilen)

[Bearbeiten] Herstellung integrierter Schaltungen

Mit der Herstellung von integrierten Schaltungen beschäftigt sich eigene Branche, die Halbleiterindustrie, die sich mit der Mikroelektronik befasst. Hier wurde eine eigene Technologie entwickelt, die Halbleitertechnologie.

[Bearbeiten] Geschichte der integrierten Schaltungen

Chips aus einem Rechner

Chips auf Keramikträger aus einem Rechner

Integrierte Schaltkreise im Plastikgehäuse

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, ganze CPU als Mikroprozessoren 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 MB herstellen konnte. Mit dieser Weiterentwicklung der Fertigungstechnologie einher ging eine immer höhere Entwurfsautomatisierung, ohne die die Entwicklung komplexer Schaltungen nicht mehr möglich war.

Aktuelle HighEnd-Prozessoren enthalten über 200 Millionen Transistoren auf einer Fläche von nur wenig mehr als einem Quadratzentimeter. Speicherchips haben auf der gleichen Fläche bereits die Zahl von 1 Milliarde Transistoren erreicht (Stand: Herbst 2005).