Интегралната схема (по-често наричана интегрална схема, микрочип, силициев чип, компютърен чип или чип) е парче специално подготвен силиций (или друг полупроводник), в което с помощта на фотолитография е гравирана електронна схема. Силициевите чипове могат да съдържат логически гейтове, компютърни процесори, памет и специални устройства. Чипът е много крехък и затова обикновено е заобиколен от пластмасова опаковка, за да бъде защитен. Електрическият контакт с чипа се осигурява чрез малки проводници, които свързват чипа с по-големи метални щифтове, които стърчат от опаковката.

Една интегрална схема има две основни предимства пред дискретните схеми: цена и производителност. Цената е ниска, тъй като милиони транзистори могат да бъдат поставени на един чип, вместо да се изгражда схема с единични транзистори. Производителността е по-висока, тъй като компонентите могат да работят по-бързо и да използват по-малко енергия.

Интегралните схеми са проектирани за различни цели. Един чип може да е проектиран само за калкулатор, който може да работи само като калкулатор. Интегралните схеми могат да бъдат класифицирани на аналогови, цифрови и със смесен сигнал (едновременно аналогови и цифрови на един и същи чип).

Какво представлява интегралната схема в практиката

На практика интегралната схема е миниатюрна, плътно интегрирана електронна верига, реализирана върху малка пластина от полупроводников материал (обикновено силиций). Вместо куп отделни компоненти, те съчетават транзистори, диоди, резистори и проводници в един единствен кристал. Това позволява намаляване на размерите, по-ниски производствени разходи при масово производство и по-висока надеждност заради липсата на множество външни връзки.

Принцип на работа

Основният активен елемент в повечето интегрални схеми е транзисторът (най-често MOSFET в CMOS технологии). Комбинацията от много транзистори и пасивни елементи формира логически гейтове и аналогови блокове:

  • Цифрови схеми: транзисторите се използват като превключватели за представяне на двоични състояния (0 и 1). Логически гейтове (AND, OR, NOT и др.) се комбинират в по-сложни блокове като регистри, мултиплексори, процесорни ядра и контролни логики.
  • Аналогови схеми: тук транзисторите и пасивните елементи работят в линейен режим: усилватели, филтри, референции на напрежение и смесители. Тези блокове обработват непрекъснати сигнали.
  • Смесени (mixed-signal): комбинират и двете — например ADC (аналогово-цифров преобразувател) и DAC (цифрово-аналогов преобразувател) свързват реалния свят с цифровите блокове на чипа.

Производство

Производственият процес включва множество етапи: чистка на силиция, растеж на оксидни слоеве, фотолитография за пренасяне на шаблони, допинг (ионна имлантация) за създаване на p/n региони, отлагане на метали и изолационни слоеве, и ецване за оформяне на структурите. Всичко това се извършва в чисти помещения (clean rooms) с микроскопична точност.

Връзката между чипа и външните крачета на опаковката се прави чрез:

  • wire bonding (малки проводници от злато или алуминий),
  • flip-chip (пакетиране с изправени контакти и директен контакт между кристала и платката),
  • surface-mount пакети като BGA, QFP, SOIC и други.

Опаковката осигурява механична защита, топлинно отвеждане и електрическа връзка с печатни платки.

Видове интегрални схеми и приложения

  • Цифрови: логически микросхеми, микропроцесори (CPU), микроконтролери (MCU), памети (RAM, ROM, Flash), ASIC (application-specific integrated circuit), FPGA (програмируеми логически матрици).
  • Аналогови: усилватели, регулатори на напрежение, аналогови комутатори, сензорни интерфейси.
  • Смесен сигнал: аудио кодеци, безжични приемо-предаватели, контролери за захранване с вграден ADC/DAC.

Приложения: потребителска електроника, компютри, телекомуникации, автомобилна електроника, медицински уреди, индустриален контрол и космически технологии.

Класификация по интеграция

  • SSI (Small-scale integration) — десетки транзистори
  • MSI (Medium-scale integration) — стотици транзистори
  • LSI (Large-scale integration) — хиляди транзистори
  • VLSI (Very-large-scale integration) — милиони транзистори
  • ULSI (Ultra-large-scale integration) — стотици милиони и повече

Преимущества и ограничения

  • Предимства: компактност, ниска цена при голям обем, висока скорост, ниска консумация при съвременни технологии, висока надеждност.
  • Ограничения: начални разходи за проектиране (NRE) при ASIC, топлинно управление (нагреване), чувствителност към статично електричество (ESD), ограничения при миниатюризация и нарастваща утечка на ток при много малки размери.

Тест и надеждност

Чиповете преминават строг контрол: функционално тестване, тестове за издръжливост, температурни цикли и тестове за излъчвания (EMC). Производствената добивка (yield) е ключова — по-сложните дизайни и по-малки технологични норми могат да намалят добива и да увеличат цената на добър чип.

Заключение

Интегралните схеми са основата на съвременната електроника. Те обединяват огромна функционалност в малък форм фактор и позволяват развитието на бързи, енергийно ефективни и евтини устройства. Различните видове (аналогови, цифрови и смесени) покриват широк спектър от приложения — от прости калкулатори до сложни процесорни архитектури и системи в автомобилите и медицината.