كيف تعمل الدوائر المتكاملة جسديا؟

دوائر متكاملة يتم تعريفها على أنها الدائرة التي تشتمل على عناصر غير قابلة للفصل ومترابطة كهربائيًا بطريقة لا يمكن فصل IC بسبب التجارة والبناء. يمكن استخدام عدد لا يحصى من التقنيات لبناء مثل هذه الدائرة. اليوم ما نسميه IC ، كان يُعرف في الأصل باسم دائرة متكاملة متجانسة. يُعتقد أن كيلبي أنشأ أول IC عام 1958 وفاز بجائزة نوبل في الفيزياء عام 2000 عن عمله الشاق. كان أول مشتر لهذا الاختراع هو سلاح الجو الأمريكي.

ما هي الدائرة المتكاملة؟

الدائرة المتكاملة (IC) ، التي تسمى أحيانًا الرقاقة أو الرقاقة الدقيقة ، عبارة عن رقاقة شبه موصلة تُصنع عليها آلاف أو ملايين المقاومات والمكثفات والترانزستورات الدقيقة. يمكن أن يكون IC وظيفة كمضخم أو مذبذب أو مؤقت أو عداد أو ذاكرة كمبيوتر أو معالج دقيق. يتم تصنيف IC الدقيق إما على أنه خطي (تمثيلي) أو رقمي حسب تطبيقه المستقبلي. الدوائر المتكاملة شوهت كل ذلك. كانت الفكرة الأساسية هي الحصول على دائرة كاملة ، بها الكثير من المكونات والوصلات بينها ، وإعادة بناء كل شيء في شكل دقيق مجهريًا على سطح قطعة من السيليكون. لقد كانت فكرة ذكية بشكل لا يصدق وقد أتاحت جميع أنواع الأدوات 'الإلكترونية الدقيقة' التي تتراوح من الساعات الرقمية وحاسبات الجيب إلى صواريخ الهبوط على القمر والأذرع المزودة بملاحة مدمجة عبر الأقمار الصناعية.

كيف تصنع الدوائر المتكاملة؟

كيف نصنع شريحة ذاكرة أو معالج لجهاز كمبيوتر؟ يبدأ كل شيء بعنصر مركب خام مثل السيليكون ، والذي يتم معالجته كيميائيًا أو مخدر لإنشائه وله خصائص كهربائية مختلفة.

رمز الدائرة المتكاملة

المنشطات أشباه الموصلات

بشكل تقليدي ، يفكر الناس في تركيب المعدات في فئتين أنيقتين: تلك التي تسمح للكهرباء بالتدفق من خلالها بسهولة تامة (الموصلات) وتلك التي لا تسمح (العوازل). تشكل المعادن معظم الموصلات ، بينما تشكل اللافلزات مثل البلاستيك والخشب والزجاج عوازل. في الواقع ، تكون التأثيرات أكثر تعقيدًا بكثير من ذلك ، لا سيما عندما يتعلق الأمر بتحديد العناصر في مركز الجدول الدوري (في المجموعتين 14 و 15) ، لا سيما السيليكون والجرمانيوم. عادةً ما تكون العوازل هي العناصر التي يتم إعدادها لأداء أشبه بالموصلات إذا أدخلنا كميات صغيرة من الشوائب إليها في إجراء يُعرف باسم المنشطات.

تصميم الدوائر المتكاملة

إذا أضفت الأنتيمون إلى السيليكون ، فإنك تزوده بقليل من الإلكترونات أكثر مما تتضمنه عادةً القدرة على توصيل الكهرباء. يسمى السيليكون 'مخدر' بهذه الطريقة بالسيليكون من النوع n. عندما تضيف البورون بدلاً من الأنتيمون ، فإنك تزيل بعض إلكترونات السيليكون ، تاركة وراءها 'ثقوبًا' تعمل كـ 'إلكترونات سالبة' ، ثم تنقل تيارًا كهربائيًا موجبًا في الاتجاه المعاكس. يسمى هذا النوع من السيليكون النوع p. إن وضع مناطق من السيليكون من النوع n و p-type جنبًا إلى جنب لإنشاء تقاطعات حيث تعمل الإلكترونات بطرق جذابة للغاية هي الطريقة التي نولد بها إلكترونيًا ، أجهزة أشباه الموصلات مثل الثنائيات والترانزستورات والذكريات.

داخل مصنع رقائق

يبدأ إجراء تصنيع الدائرة المتكاملة بلورة واحدة كبيرة من السيليكون ، على شكل أنبوب صلب طويل ، وهو عبارة عن 'شرائح السلامي' في أقراص رفيعة (بحجم قرص مضغوط تقريبًا) تسمى الرقائق. يتم تمييز الرقائق في الكثير من المناطق المربعة أو المستطيلة المتشابهة ، كل منها سيبني شريحة سيليكون واحدة (تسمى أحيانًا رقاقة ميكروية). يتم بعد ذلك إنتاج الآلاف أو الملايين أو المليارات من الأجهزة على كل شريحة عن طريق تعاطي المنشطات مناطق غير متشابهة من السطح لتحويلها إلى سيليكون من النوع n أو النوع p.

داخل رقاقة العمل

يتم استكمال المنشطات من خلال العديد من العمليات المختلفة. في أحدها ، والمعروف باسم الرش ، يتم إطلاق أيونات مادة المنشطات على رقاقة السيليكون تمامًا مثل الرصاص من البندقية. هناك إجراء آخر يسمى ترسيب البخار يتضمن إدخال مادة المنشطات كغاز وتركها تتركز بحيث تولد ذرات الشوائب غشاء رقيقًا على سطح رقاقة السيليكون. الشعاع الجزيئي فوق المحاور هو شكل أكثر دقة من البيان.

بطبيعة الحال ، فإن بناء الدوائر المتكاملة التي تحزم المئات أو الملايين أو المليارات من الأجهزة على شريحة من السيليكون بحجم ظفر الأصابع هو أكثر صعوبة مما يبدو. تخيل الفوضى عندما يمكن أن تتسبب نقطة من الأوساخ عندما تعمل على المقياس المجهري (أو أحيانًا حتى على مقياس النانو). هذا هو السبب في أن أشباه الموصلات يتم إعدادها في بيئات معملية خالية من البقع تسمى الغرف النظيفة ، حيث يتم ترشيح الهواء بدقة ويتعين على الموظفين الدخول والخروج من خلال غرف معادلة الضغط التي تستنفد جميع أنواع الملابس الواقية.

أنواع الدوائر المتكاملة

الأنواع المختلفة للدوائر المتكاملة والتي تشمل ما يلي

الدوائر الرقمية المتكاملة

يحتوي هذا النوع من IC على مستويين محددين: 1 و 0 مما يعني أنهما يعملان على الرياضيات الثنائية حيث 1 تعني on و 0 تعني off. يتم إنجاز مثل هذه الدوائر المتكاملة بجدية لأنها تحتوي على أكثر من الملايين من flip flops والبوابات المنطقية وغير ذلك ، وكلها مدمجة في شريحة واحدة. تتضمن أمثلة IC الرقمي ميكروكنترولر ومعالجات دقيقة .

أنواع الدوائر المتكاملة

• المنطق المرحلي
• رقاقات الذاكرة،
• دوائر متكاملة للواجهة (مبدلات المستوى ، جهاز تسلسلي / مزيل تسلسلي ، إلخ.)
• الدوائر المتكاملة لإدارة الطاقة
• الأجهزة القابلة للبرمجة

الدوائر المتكاملة التناظرية

ال الدوائر المتكاملة التناظرية يعمل من خلال معالجة الإشارات المستمرة وهو قادر على أداء مهام مثل التصفية والتضخيم وإزالة التشكيل والتعديل وما إلى ذلك. OP-AMP هي في الأساس دوائر متكاملة تناظرية .

• المرحلية الخطية
• المرحلية RF

إشارة مختلطة

عند استخدام الدوائر المتكاملة الرقمية والتناظرية على شريحة واحدة ، يُعرف IC الناتج باسم الدوائر المتكاملة للإشارة المختلطة.

• الدوائر المتكاملة لاكتساب البيانات (بما في ذلك محولات A / D ، ومحول D / A ، ومقاييس الجهد الرقمية)
• الساعة / التوقيت المرحلي

استخدامات الدوائر المتكاملة

تستخدم الدائرة المتكاملة مادة شبه موصلة (رقائق قراءة) كجدول عمل ، وغالبًا ما يتم اختيار السيليكون للمهمة. عقب ذلك مباشرة، المكونات الكهربائية مثل الثنائيات والترانزستورات والمقاومات وما إلى ذلك تضاف إلى هذه الشريحة في شكل مصغر. يتم ربط المكونات الكهربائية معًا بطريقة تمكنهم من تنفيذ مهام وحسابات متعددة. يُعرف السيليكون باسم رقاقة في هذا التجميع.

تطبيقات الدوائر المتكاملة

تتضمن تطبيقات المرحلية ما يلي

• رادار
• ساعات المعصم
• التلفزيونات
• صناع العصير
• جهاز كمبيوتر
• معالجات الفيديو
• مكبرات الصوت
• أجهزة الذاكرة
• أجهزة المنطق
• موجة تردد الراديو أجهزة التشفير وأجهزة فك التشفير

في هذا المقال ، ناقشنا باختصار موضوع الدائرة المتكاملة متضمنًا ما هي الدائرة المتكاملة وكيف تصنع الدوائر المتكاملة وما إلى ذلك. تم استخدام نوعين من الطرق لبناء دوائر متكاملة بمساعدة أشباه الموصلات المنشطات داخل مصنع الرقائق. لقد تعاملنا مع أنواع مختلفة من الدوائر المتكاملة مثل الدوائر الرقمية المتكاملة والدوائر التناظرية المتكاملة وأخيراً الإشارات المختلطة مع الأمثلة. بالإضافة إلى استخدامات الدوائر المتكاملة وتطبيقات الدوائر المتكاملة.

علاوة على ذلك ، لأية استفسارات بخصوص هذا المفهوم أو لتنفيذ مشاريع الكهرباء والالكترونيات ، يرجى تقديم اقتراحاتكم القيمة من خلال التعليق في قسم التعليقات أدناه. هنا سؤال لك، ما هي الوظيفة الرئيسية للدائرة المتكاملة؟