Circuito integrato
Un circuito integrato è un dispositivo elettronico costituito dall'integrazione di un circuito elettronico su di un substrato che può essere ceramico o semiconduttore (in genere silicio, ma a volte anche arseniuro di gallio o altri).
Il costo di fabbricazione di un circuito integrato (nel seguito IC, da Integrated Circuit) varia molto poco (o rimane costante) al crescere della sua complessità, per cui è molto più economico sviluppare circuiti complessi, composti di una serie di stadi interni interconnessi fra loro e con l'esterno, che accentrino tutte le funzioni necessarie ad una specifica apparecchiatura. Per questo, l'industria microelettronica offre relativamente pochi tipi di IC generici ma decine di migliaia di IC specializzati, ognuno progettato per uno scopo specifico.
Il primo circuito integrato venne costruito nel 1958 da Jack St. Clair Kilby ed era composto da circa dieci elementi.
Tipi di circuiti integrati
I circuiti integrati si dividono in due grandi categorie: analogici e digitali. Quelli analogici sono concepiti per elaborare segnali analogici (cioè che possono variare con continuità nel tempo in modo arbitrario), mentre quelli digitali sono creati per trattare con segnali digitali binari, che possono assumere soltanto due valori "legittimi" diversi. Un esempio di IC analogico generico è l'Amplificatore operazionale, mentre esempi di IC digitali sono le porte logiche i multiplexer e i contatori binari.
Storicamente i primi circuiti integrati furono digitali, sviluppati per i primi computer. Questi IC adottavano schemi elettrici interni di tipo RTL (da Resistor Transistor Logic), cioè integravano una serie di resistenze su semiconduttore per le polarizzazioni interne: successivamente le resistenze vennero sostituite con diodi ottenendo schemi DTL (Diode Transistor Logic), e circa trent'anni fa anche i diodi sono stati eliminati, ed oggi tutti gli integrati digitali in commercio sono TTL o Transistor Transistor Logic.
A seconda del tipo di transistor utilizzato, i circuiti integrati si dividono poi ulteriormente in Bipolari se usano transistor bipolari classici o CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) se usano transistor MosFET. Negli anni '90 la Intel mise a punto una nuova tecnologia ibrida per i suoi microprocessori, detta BiCMOS, che permette di usare entrambi i tipi di transistor sullo stesso chip.
Scala di integrazione
Il numero di transistor contenuti in un IC definisce la sua scala di integrazione:
- SSI <100
- MSI <1000
- LSI <10.000
- VLSI >10.000
Fabbricazione di un circuito integrato
Il materiale di partenza è una fetta circolare di semiconduttore, detta substrato: questo materiale, in genere già debolmente drogato, viene drogato ulteriormente per impiantazione ionica o per diffusione termica per creare le zone attive dei vari dispositivi; poi vengono depositati, cresciuti per epitassia oppure termicamente una serie di sottili strati di materiali diversi:
- Strati di semiconduttore policristallino;
- Strati isolanti sottili;
- Strati isolanti di ossido, molto più spessi;
- Strati metallici (alluminio o più raramente rame) per i collegamenti elettrici.
La geometria delle zone che devono ricevere il drogaggio e quella dei vari strati è impressa sul substrato con un processo di fotolitografia: ogni volta che il circuito integrato in lavorazione deve ricevere un nuovo strato o una nuova impiantazione di droganti, viene ricoperto di un sottile film fotosensibile, che viene impressionato attraverso un negativo fotografico (detto maschera) ad altissima definizione. Le zone del film illuminate divengono solubili e vengono asportate dal lavaggio, lasciando scoperto il chip sottostante, pronto per la prossima fase di lavorazione, rimozione selettiva o drogaggio delle aree prive del film fotosensibile.
Una volta terminata la creazione dei chip sul substrato, questi vengono testati, il substrato viene tagliato e i chip incapsulati nei packages con cui verranno montati sui circuiti stampati.
Componenti integrabili
In un circuito integrato si possono integrare facilmente transistor e diodi: è possibile creare su semiconduttore anche piccole resistenze e condensatori, ma in genere questi ultimi componenti occupano molto spazio sul chip e si tende ad evitarne l'uso, sostituendoli quando possibile con reti di transistor. Non è possibile invece integrare degli induttori, dei trasformatori, che devono quindi essere collegati esternamente al circuito integrato: lo stesso vale per i condensatori di media e grande capacità.
Formato dei circuiti integrati
Esternamente, la forma di questi componenti varia molto: può però essere ricondotta ad alcuni tipi standardizzati, elencati di seguito.
- DIL, Dual InLine
- DIP, Dual Inline Package
- QFP, Quad-edged Flat Pack
- HQ, QFP ad alta dissipazione termica
- VQ, QFP plastici ultrasottili
- BGA, Ball Grid Array
- PLCC, Plastic Leaded Chip Carrier
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Negli ultimi dieci anni si è affermato presso i produttori l'uso di versioni SMD dei componenti elettronici e dei circuiti integrati, perché sono più piccoli e risparmiano la necessità di forare la basetta portacomponenti, semplificando molto le operazioni di montaggio.