Mis on integraalskeem või integraallülitus?

Enne, kui minna üle integraallülitustena eksisteerivate loogikalülituste kirjeldamisele, proovin anda kerge ülevaate sellest, mida üks integraallülitus endast kujutab.

Elektroonikalülitusi muudetakse kogu aeg elektroonika arengu käigus järjest väiksemaks, neid surutakse kokku, püüdes mahutada ühte ruumiosasse võimalikult palju elekltroonika elemente, nagu transistorid, dioodid, takistid.

Selline protsess on tegelikult möödapääsmatu ning elektroonika arengu seisukohalt loomuliklult ka vajalik. Loomulikult on selliste integraalsete lülituste valmistamisel kasutusel kaasaegsed tehnoloogiad ja meetodid. Nii, et nimetus tuleb siis erinevate elektroonikaseadiste kokku integreerimisest ühisele, väiksele pinnale.
Tänapäeval on meil elektroonikas nn. Räni ajastu ja räni on kõige laiemat kasutust leidnud pooljuhtmaterjal üldse.

Kogu integraalskeemi struktuur moodustatakse ühtse räniplaadi pindmisesse kihti, olles siis loomulikult ka räniplaadi pinnal. Selle struktuuri paksus moodustab mõned μm. Olgu siinkohal öeldud, et see on mõned miljondikud osad meetrist.

Selliselt valmistatud integraallülitused on nn. Monoliitintegraallülitused. Need on siis lülitused mille puhul kõik elektroonikiaseadised on valmistatud ühtse tehnoloogia abil ning paigutatud ka ühtsesse korpusesse. Kui aga eraldi valmistatud elektroonikaseadised on paigaldatud ühtsele isoleeritud alusele, siis on tegemist nn.Hübriidintegraallülitusega.

Integraallülitused võib veel jagada oma kasutusala ja põhimõtte järgi:

* Analoog integraallülitused.

* Digitaalsed integraallülitused.

Analoog integraallülitused on mõeldud tööks ajas pidevalt muutuvate ja igal ajahetkel mingit erinevat väärtust omavate elektrisignaalide (analoogsignaal) võimendamiseks, nende genereerimiseks või muundamiseks.

Digitaalsed integraallülitusi aga rakendatakse digitaalsete signaalide ülekandmiseks ja töötlemiseks. Sellised signaalid on loogilised signaalid. Kõige levinum ja ka olulisem elektroonikaseadis nendes integraallülitustes on transistor ning digitaalsete integraallülituste puhul töötavad nad lülititena e. võtmerežiimis.

Kuidas see toimub?

Monoliitsete integraalskeemide valmistamiseks kasutatakse suuri, väga puhta koostisega räni kristalle. Tegemist on nii puhta ainega, et iga miljardi räni aatomi kohta tuleb üks soovimatu aine aatom.

Ränikristalli silindrist, läbimõõduga ca 150mm lõigatakse ca 1 mm paksused seibid. Need kettad poleeritakse ning erinevate keemilis-füüsikalis-optiliste meetoditega tekitatakse ühele sellisele poleeritud räniplaadile tuhandeid integraalskeeme.

Põhiliselt moodustatakse integraalskeemide struktuurid räniplaadi pinnal, kasvatades alusplaadile kristallvõret jätkav kiht. Seda tehakse keemiliselt. Samade keemiliste meetoditega kantakse läbi vastavate maskide integraallülituse pinnale ka transistorite elektroodid ning elementidevahelised isoleerkiled. Erinevate komponentidevaheliste isolaatoritena kasutatakse ka vastupingestatud olekus p-n siirdeid.

Valminud integraallülitused läbivad kontrolli, eraldatakse laserlõikuse teel plaadist, paigaldatakse korpuse alusele, kontaktpinnad ühendatakse viikudega. Lõpuks paigutatakse kõik see hermeetilisse korpusesse.

Pilt 1 Pilt 2 Pilt 3

Pilt 1. Kujutatud on räni (SiO2) monokristallist lõigatud seibi, mis on poleeritud ning, millele on moodustatud hulk väikeseid integraalskeeme, mis omakorda lõigatakse lahti ning paigutatkse eraldi korpustesse. Pilt on pärit aadressilt:

https://encrypted-tbn3.google.com/images?q=tbn:ANd9GcRIBGt53ktjdvQ5VTyDjmWQsqI_m0o9LgS3p5N69HKC9KT8IeuM9A

Pilt 2. Kujutatud on integraallülitus, mis on avatud korpuses ning hästi on näha integraallülituse ühendamine mikroskeemi viikudega. Pilt on pärit aadressilt:

https://encrypted-tbn1.google.com/images?q=tbn:ANd9GcRyy6m7wztx-8iGKwtrdxuVb4urhth01DGPJPZBdm_G-g_IPqrV3A

Pilt 3. Kujutatud on erilist integraallülitust, millel on suhteliselt palju viikusid. Pilt on pärit aadressilt:

https://encrypted-tbn0.google.com/images?q=tbn:ANd9GcSJxKlnhXmVUxZZ_aQg9RLq9nwlZSToFzZijT6UbU2eLpua6lJeLQ

Integraallülitused on konstrueerituid selliselt, et oleks tagatud suurevõimsuseliste takistite ja suure mahtuvusega kondensaatorite mittesisaldumine integraallülituses endas. Kui selliste elementide olemasolu on siiski vajalik, siis lisatakse need nn.lisaelementidena st. sellised takistid ja kondensaatorid lisatakse mikroskeemile lisa välisahelatena. Selliste elementide lisamine ei ole üldiselt võimalik, kuna nad võtaksid integraalses lahenduse väga palju ruumi.Samuti oleks sellisel juhul vajalik temperatuurirežiimide korrigeerimine, kuna suurevõimsuselised takistid eraldaksid ka rohkem soojust hajuvõimsuse näol.