מעגל משולב

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

מעגל משולב באריזת פלסטיק על־גבי מעגל מודפס.
הגדל
מעגל משולב באריזת פלסטיק על־גבי מעגל מודפס.

מעגל משולב (באנגלית: integrated circuit או IC) (לעיתים מכונה: שבב, ג'וק או צ'יפ), הוא מעגל חשמלי מיקרוסקופי, המכיל בתוכו רכיבים אלקטרוניים העשויים מוליך למחצה, שמספרם יכול לנוע בין עשרות בשבבים לוגיים פשוטים ועד לכמה מאות מיליונים כמו במעבדים המתקדמים ביותר של ימינו.

המעגל המשולב הופיע בשנות ה־60 של המאה ה-20, והחליף תוך זמן קצר את שפופרות הריק, ששימשו עד אז לבניית מעגלים אלקטרוניים. למעגלים משולבים יתרונות רבים, כגון הממדים הקטנים, יעילות גבוהה והאפשרות לייצור המוני. כיום לאחר חצי מאה מאז הופעתם, הם חדרו לכל תחומי חיינו. הם מהווים חלק חשוב ממכשירים אלקטרוניים רבים, כדוגמת מחשבים טלפונים סלולריים ואף מוצרי צריכה ביתיים המכילים בתוכם מעגלים משולבים.

תוכן עניינים

[עריכה] ייצור

מעגלים משולבים מיוצרים על גבי מצע (substrate), העשוי מחומר מוליך למחצה - בדרך כלל צורן חד־גבישי, ועבור יישומים ייחודיים, גליום ארסניד או אינדיום-פוספיד. בשיטות הייצור ההמוני משתמשים בדרך כלל בפרוסה של חומר הבסיס, שצורתה עיגול קטוּם. פרוסה זו מכונה בעגה המקצועית wafer.

שיטת הייצור ההמוני של מעגלים משולבים מבוססת על טכניקות של צילום, ונקראת פוטוליתוגרפיה. בשיטה זו, עבור כל שלב בתהליך מיוצרת תבנית (pattern) או מסיכה בעגה מקצועית, המתארת את אזורי ההשפעה של אותו תהליך על פני ה־wafer.

כל שלב בתהליך הייצור מחולק לשלבי המשנה הבאים:

  1. ציפוי ה־wafer בחומר רגיש לאור, הנקרא פוטו-רסיסטור. חומר זה משנה את תכונותיו בעקבות חשיפה לאור - האזורים שנחשפו יגלו תכונות שונות מאלה שלא נחשפו לאור.
  2. חשיפת ה־wafer לאור, העובר דרך מסיכה. המסיכה גורמת לכך שרק חלקים מסוימים של ה־wafer ייחשפו לאור.
  3. איכול סלקטיבי של הפוטו-רסיסטור. ה־wafer מוטבל בחומר המאכל אך ורק חלקים מסוימים מהפוטו-רסיסטור - או את אלה שנחשפו, או את אלה שלא נחשפו (בתלות בחומר המשמש כפוטו-רסיסטור, ובטיב החומר המאכל).
  4. ביצוע פעולה כימית או פיזית על ה־wafer. בשלב זה, חלקים מסוימים של ה־wafer מכוסים בפוטו-רסיסטור, ומוגנים בפני הפעולה הכימית או הפיזית המופעלת עליו. כך, הפעולה הכימית או הפיזית משפיעה רק על חלקים מסוימים של ה־wafer, ויוצרת בו מבנים בעלי תכונות חשמליות.

במהלך תהליך הייצור, מופעלות על ה־wafer פעולות כימיות ופיזיות שונות, ביניהן:

בעזרת התהליכים המתוארים לעיל ניתן ליצור את המרכיבים השונים של המעגל ואת החיבורים שביניהם, העשויים בדרך-כלל אלומיניום או נחושת. כך, למשל, על-מנת ליצור קבל בטכנולוגיית המעגל המשולב, יש ליצור שתי שכבות מוליכות, אשר ביניהן שכבה מבודדת.

[עריכה] היסטוריה

הרעיון של מעגל משולב הוצע לראשונה בשנת 1952 על־ידי ג'פרי דאמר, מהנדס שעבד "חברה המלכותית לאותות ורדארים" בבריטניה. אך רעיונותיו נראו בזמנו לא מציאותיים, לכן לא הצליח להשיג מימון ממשלתי או פרטי.

המעגלים המשולבים הראשונים נוצרו בנפרד על־ידי ג'ק קילבי בשנת 1959 (המעגל הראשון הזה כלל רק טרנזיסטור אחד מספר מרכיבים אחרים על פרוסת גרמניום) ורוברט נוייס בשנת 1961 (זהו הצ'יפ הראשון שהיה עשוי צורן).

הדור הראשון של מעגלים משולבים כלל עשרות בודדות של טרנזיסטורים, ולכן כונה SSI‏ (Small-Scale Integration). מעגלים מדור זה היוו גורם חיוני במחשבים ששימשו את תוכנית אפולו. הביקוש הרב וההשקעות הממשלתיות הביאו להתפתחותה של טכנולוגיית המעגל המשולב ולירידה דרסטית במחירים של המעגלים - במהלך 3 שנים, מ־1960 עד 1963, ירד מחירו של מעגל בודד מ־1000 דולר עד 25 דולר.

השלבים הבאים בהתפתחותם של מעגלים משולבים היו MSI‏ (Medium-Scale Integration) בסוף שנות ה־60, הדור של מעגלים שכללו מאות טרנזיסטורים, ו־LSI‏ (Large-Scale Integration) באמצע שנות ה־70, השלב שבו המעגלים היו מורכבים מעשרות אלפי רכיבים. בשנת 1971 יצא המיקרו-מעבד הראשון, Intel 4004, אשר כלל 2300 טרנזיסטורים והיה מיועד לראשונה לשימוש מסחרי.

השלב הסופי בתהליך ההתפתחות של מעגלים משולבים, משנות ה־80 ועד ימינו, הוא VLSI‏ (Very-Large-Scale Integration). בשנת 1986 יצא לאור הצ'יפ הראשון של זיכרון מחשב, והוא כלל יותר ממליון טנזיסטורים.

מאז, נעשו מספר נסיונות להגדיל את מורכבותם של מעגלים משולבים. בשנות ה־80 המאוחרות מספר מהנדסים ניסו ליישם את טכניקת WSI‏ (Wafer-Scale Integration), כלומר, לשלב על פלטה אחת את כל הרכיבים של המחשב. אומנם נסיונות אלה נכשלו, אך הם היוו בסיס לגישת ה-SOC‏ (System-on-a-chip). לפי גישה זו, רכיבים שונים שמקודם נוצרו בניפרד וחוברו בעזרת מעגל מודפס, עתה מעוצבים על אותו השבב שכולל כמה מרכיבים שונים.

[עריכה] סיווג ומורכבות

מעגלים משולבים מתחלקים למעגלים אנלוגיים, דיגיטליים ומעורבים (mixed signal), ויכולים לכלול מאחד עד מליוני התקנים אלקטרוניים, כגון שערים לוגיים, פליפ פלופים ועוד. מגמת העלייה במורכבות המעגלים מתוארת בחוק מור, אשר גירסתו המודרנית קובעת כי כמות הרכיבים האלקטרוניים במעגל משולב מכפילה את עצמה כל 18 חודשים.

[עריכה] התפתחויות נוספות

בשנות ה-80 הופיעו מעגלים משולבים הניתנים לתכנות - כלומר, מעגלים אשר התפקידים הלוגיים שלהם יכולים להיקבע על-ידי המשתמש, ולא על-ידי מייצר המעגל.

הטכניקות המשוכללות, המשמשות לייצור מעגלים משולבים, קיבלו שימוש חדש בטכנולוגית ה-MEMS‏ (Micro Electro-Mechanical Systems), טככנולוגיה של יצירת מכונות מזעריות. ההתקנים המיוצרים הטכנולוגיה זו, בגודל מיקרומטרים ספורים ועד מילימטרים ספורים, נמצאים בימינו בשימוש צבאי ומסחרי רחב - למשל, במדפסות הזרקת דיו, מדי לחץ ותאוצה, מכשירי ניווט ועוד. MEMS, אשר עם הזמן מקטינה את ממדיה, מהווה, לדעת הרבים, שער לננוטכנולוגיה העתידית.

[עריכה] קישורים חיצוניים

חשמל
מושגי יסוד שדה חשמלי | מתח חשמלי | זרם חשמלי | התנגדות ומוליכות | עכבה | הספק | קיבול חשמלי | השראות | זרם ישר | זרם חילופין | חוק אוהם | מעגל חשמלי
רכיבים בסיסים מוליך | מבודד | מקור מתח | מקור זרם | סוללה | נגד | קבל | משרן | שנאי | מתג
מכשירי מדידה אוסצילוסקופ | אמפרמטר | אוהם-מטר | גלוונומטר | וולטמטר | רב מודד | מגר | מד השראות | מד קיבול
אלקטרוניקה מוליך למחצה | דיודה | טרנזיסטור | טריודה | מעגל משולב | מעגל מודפס | שפופרת ריק | מיקרואלקטרוניקה
יחידות מידה וולט | אמפר | פאראד | אוהם | ואט | קולון | הנרי | סימנס
זרם חזק גנרטור חשמלי | מנוע חשמלי | תחנת כוח | מערכת חלוקה
בטיחות בחשמל התחשמלות | לוח חשמל | ממסר פחת | הארקה | קצר חשמלי