Integrovaný obvod

První integrovaný obvod zkonstruoval Jack St. Clair Kilby z firmy Texas Instruments již v roce 1958 a ve stejném roce Robert Noyce z Fairchild Semiconductor (nezávisle na něm). Kilbyho integrovaný obvod byl na destičce z germania o velikosti 11 × 1,6 mm a obsahoval jediný tranzistor s pouze několika pasivními součástkami. Svůj vynález si nechal v roce 1964 patentovat pod číslem 3 138 743. V roce 1966 sestrojil také první kapesní kalkulačku založenou na integrovaném obvodu umějícím sčítat, odčítat, násobit a dělit. V roce 2000 získal Nobelovu cenu za fyziku.

Mez integrace se uvádí v hustotě součástek na plochu. Tato hodnota nemůže být nekonečná a to nejen kvůli konečné přesnosti výrobních postupů, ale také kvůli určitým fyzikálním předpokladům pro fungování samotných součástek – zejména pak polovodičů. Existuje tedy míra nejmenšího možného tranzistoru, kterou nesmíme překročit, aby tranzistor byl stále funkční – a to i v případě, že jsme schopni vyrobit součástku menší.

• Difuzní délka (neboli žravost) – konstantní pro každý materiál omezující rozměry tranzistoru. Toto kritérium není úplně mezí integrace, protože omezuje velikost báze shora. Pokud by byla báze širší, rekombinuje (zanikne) elektron dříve než ji překoná – proud z mezi kolektorem a emitorem by nemohl protékat.

${\displaystyle L_{N}={\frac {1}{\sqrt {p_{B}}}}}$

${\displaystyle L_{N}}$ – difuzní délka; ${\displaystyle p_{B}}$ – koncentrace nosičů v bázi

• Earlyho efekt – Jev omezující miniaturizaci tranzistoru. Pokud je koncentrace nosičů v bázi nízká, rozšiřuje se vyčerpaná oblast PN přechodu (u NPN tranzistoru jde o přechod báze-kolektor) výrazněji do báze a zmenšuje tak její efektivní šířku. Dochází tak k deformaci výstupních charakteristik tranzistoru, zesilovacího činitele a kolektorového proudu – tyto parametry se stávají závislými na napětí mezi bází a kolektorem. Šířka báze musí být tedy větší než vyčerpaná oblast.

• Debyeho délka – Omezení související s vyčerpanou oblastí PN přechodu. Způsobuje, že je nutné umístit elektrody do určité vzdálenosti od PN přechodu a vyčerpané oblasti, která se kolem něj tvoří.

${\displaystyle L_{d}={\frac {1}{e}}{\sqrt {\frac {\varepsilon kT}{n+p}}}}$

• Zákon velkých čísel – Pravidlo omezující velikost polovodičových součástí. V polovodiči je počet nosičů náboje konstantní. Při výrobě součástky se nepřesností výroby stane, že počet nosičů náboje se v každém kusu mírně liší. U součástek běžné velikosti tyto malé rozdíly nehrají roli, ale u součástek miniaturizovaných (kde se celkový počet volných nábojů může pohybovat např. kolem 100) mohou tyto odchylky výrazně ovlivnit parametry součástky. Od jistého stupně miniaturizace je tedy nemožné vyrábět součástky totožné, i když jde o totožný postup výroby. Tato mez integrace může být časem odbourána zkvalitněním výroby.

• Heisenbergův princip (relace) neurčitosti

Vedle dělení na monolitické a hybridní existuje celá řada dalších kritérií, podle kterých je lze IO dělit. Patří mezi ně například:

• analogové nebo číslicové obvody
• stupeň integrace
  • SSI – malá integrace (anglicky Small Scale Integration)
  • MSI – střední integrace (anglicky Middle Scale Integration)
  • LSI – vysoká integrace (anglicky Large Scale Integration)
  • VLSI – velmi vysoká integrace (anglicky Very Large Scale Integration), někdy také XLSI (anglicky eXtra Large Scale Integration)
• unipolární a bipolární obvody
• programovatelné a neprogramovatelné obvody
• sériově a zakázkově vyráběné obvody

Pro praktické použití je jedním z nejdůležitějších parametrů integrovaných obvodů jejich teplotní specifikace. Běžně se používá následující specifikace:

• commercial – komerční teplotní rozsah: 0 až +70 °C
• industry – průmyslový teplotní rozsah: −40 až +85 °C
• automotive – automobilový teplotní rozsah: −40 až +125 °C
• extended/military – rozšířený/vojenský teplotní rozsah: −55 až +125 °C

Teplotní rozsah zaručuje, že pokud je na povrchu součástky teplota v daných mezích, je tato součástka schopna správně fungovat. Je potřeba si uvědomit, že součástka je v provozu sama zdrojem tepla a zaručit na jejím povrchu určitou teplotu nemusí být snadné. I když se může zdát, že 70 °C je poměrně vysoká teplota, uvnitř vypnutého přístroje ponechaného v létě na zadním skle automobilu může být i 55 °C. Přitom výkonové součástky se mohou při provozu běžně ohřívat o 40 °C. Naopak, v zimě nemusí jít spotřebiče poskládané z běžných "komerčních" součástek zapnout, nebo se může snižovat jejich životnost.

Při ohřevu součástky hraje důležitou roli tzv. tepelný odpor mezi čipem a pouzdrem a dále mezi pouzdrem a okolím. Udává se ve °C na Watt, určuje rozdíl teploty vyvolaný daným ztrátovým výkonem. Základním pravidlem zde je, že teplota křemíkového čipu nesmí překročit +140 °C až +150 °C. Maximální teplota okolí proto bývá zvláště u výkonových součástek podstatně nižší než teoretická katalogová hodnota. U hodně zatížených součástek (procesor, výkonové zesilovače ap.) se proto používají chladiče, které zlepšují odvod tepla z povrchu součástky do okolí (snižují tepelný odpor mezi pouzdrem a okolím).