ഇൻ്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ട്

ഒരു സിലിക്കൺ ക്രിസ്റ്റലിൽ തന്നെ നിരവധി ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളും, കപ്പാസിറ്ററുകളും, റെസിസ്റ്ററുകളും, ലോജിക്ക് സർക്യൂട്ടുകളും രൂപപ്പെടുത്തി എടുക്കുന്നതിനെയാണ് ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ട് അഥവാ ഐ.സി. എന്ന് വിളിക്കുന്നത്. വലിയ അളവിലുള്ള ചെറിയ മോസ്ഫെറ്റുകൾ(MOSFET--മെറ്റൽ-ഓക്സൈഡ്-സെമികണ്ടക്ടർ ഫീൽഡ്-ഇഫക്റ്റ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ) ഒരു ചെറിയ ചിപ്പിലേക്ക് സംയോജിപ്പിക്കുന്നു. ഇത് മൂലം ഡിസ്ക്രീറ്റ് ഇലക്ട്രോണിക് ഘടകങ്ങളാൽ നിർമ്മിച്ചതിനേക്കാൾ ചെറുതും വേഗതയേറിയതും വിലകുറഞ്ഞതുമായ സർക്യൂട്ടുകൾ ലഭ്യമാകുന്നു. ഐസിയുടെ വൻതോതിലുള്ള ഉൽപ്പാദന ശേഷി, വിശ്വാസ്യത, ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ട് ഡിസൈനിലേക്കുള്ള ബിൽഡിംഗ്-ബ്ലോക്ക് അപ്രോച്ച് എന്നിവ ഡിസ്ക്രീറ്റ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ ഉപയോഗിച്ചുള്ള ഡിസൈനുകളുടെ സ്ഥാനത്ത് സ്റ്റാൻഡേർഡ് ഐസികളുടെ സ്വീകാര്യത ഉറപ്പാക്കുന്നു.

ഡ്യുവൽ ഇൻ-ലൈൻ പാക്കേജുകളിൽ മായ്‌ക്കാവുന്ന പ്രോഗ്രാമബിൾ റീഡ്-ഓൺലി മെമ്മറി (EPROM) ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകൾ. ഈ പാക്കേജുകൾക്ക് ഉള്ളിലെ ഡൈ കാണിക്കുന്ന ഒരു സുതാര്യമായ വിൻഡോ ഉണ്ട്. അൾട്രാവയലറ്റ് രശ്മികളിലേക്ക് ചിപ്പ് തുറന്നുകാട്ടുന്നതിലൂടെ മെമ്മറി മായ്ക്കാൻ വിൻഡോ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ഒരു ഇപിറോം(EPROM) മെമ്മറി മൈക്രോചിപ്പിൽ നിന്നുള്ള ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ട് മെമ്മറി ബ്ലോക്കുകൾ, സപ്പോർട്ടിംഗ് സർക്യൂട്ട്, ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടിനെ ബന്ധിപ്പിക്കുന്ന ഫൈൻ സിൽവർ വയറുകൾ എന്നിവ കാണിക്കുന്നു.

പോളിസിലിക്കൺ (പിങ്ക്), വെൽസ് (ചാരനിറം), സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് (പച്ച) വരെയുള്ള പ്ലാനറൈസ്ഡ് കോപ്പർ ഇന്റർകണക്‌റ്റിന്റെ നാല് പാളികളിലൂടെ ഒരു ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടിന്റെ വെർച്വൽ വിശദാംശങ്ങൾ

ചരിത്രം

ട്രാൻസിസ്‌റ്ററുകളുടെ കണ്ടുപിടിത്തത്തോടെ ഇലക്‌ട്രോണിക്‌സ്‌ മേഖലയിൽ ആവേശകരമായ മുന്നേറ്റമുണ്ടായി. എല്ലാ ഉപകരണങ്ങളിലും ട്രാൻസിസ്‌റ്ററുകൾ ആധിപത്യം സ്‌ഥാപിച്ചു. വാക്വം ട്യൂബുകളെ അപേക്ഷിച്ച്‌ മികച്ച പ്രകടനം കാഴ്‌ചവച്ചെങ്കിലും ട്രാൻസിസ്‌റ്ററുകൾ, കപ്പാസിറ്ററുകൾ, റെസിസ്‌റ്ററുകൾ തുടങ്ങി ഒരു ഉപകരണത്തിലെ ഘടക ഭാഗങ്ങൾ പലതും ഒരുമിച്ച്‌ കമ്പികൾകൊണ്ട്‌ ബന്‌ധിപ്പിക്കുപ്പോഴുണ്ടാകുന്ന പ്രശ്‌നങ്ങൾ രൂക്‌ഷമായിരുന്നു. സങ്കീർണ്ണ ഉപകരണങ്ങൾ കൂടിയാകുമ്പോൾ പ്രശ്‌നം ഗുരുതരമാകും. സിലിക്കൺ പോലുള്ള ക്രിസ്‌റ്റലുകൾ ഉപയോഗിച്ചാണ്‌ ഇതിലെ മിക്കഭാഗങ്ങളും തയ്യാറാക്കുന്നത്‌. ഇവയെല്ലാം ഒരേ ക്രിസ്‌റ്റലിൽ തന്നെ രൂപപ്പെടുത്തിയെടുത്താൽ കൂട്ടിയിണക്കുമ്പോഴുണ്ടാകുന്ന പ്രശ്‌നം ഒഴിവാക്കാനാവുമല്ലോ. ഈ ചിന്തയാണ്‌ വളരെ പ്രശസ്‌തമായ ഇന്റർഗ്രേറ്റഡ്‌ സർക്യൂട്ട്‌ (ഐ.സി.) യുടെ കണ്ടുപിടിത്തത്തിലേക്കുള്ള വഴിത്തിരിവിലെത്തിച്ചത്. ജാക്‌ എസ്‌. കിൽബി , റോബർട്ട് നോയ്സ് എന്നിവരെയാണ് ഐസിയുടെ ഉപജ്ഞാതാക്കളായി കണക്കാക്കുന്നത്. ഇവർ രണ്ടും പേരും ഏകദേശം ഒരേകാലയളവിൽത്തന്നെ സ്വതന്ത്രമായ പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ ഐസി വികസിപ്പിച്ചെടുത്തു.

നൂറുകണക്കിന് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ, ഡയോഡുകൾ, റസിസ്റ്ററുകൾ, കപ്പാസിറ്ററുകൾ തുടങ്ങിയവ ഒരു ചെറിയ സിലിക്കൺ ചിപ്പിനുള്ളിൽ ഉൾക്കൊള്ളിച്ച് നിർമ്മിക്കുന്നവയാണ് ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യുട് ചിപ്പ് അഥവാ . ഓരോ ഘടകങ്ങളും ചേർത്തുണ്ടാക്കുന്ന സ്ർക്യുട്ടുകളേക്കാൾ ഇവയ്ക്ക് വലിപ്പം കുറവായതിനാൽ ഇവ ഉപയോഗിക്കുന്നതിലൂടെ ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങളുടെ വലിപ്പം കുറയ്ക്കാൻ കഴിയുന്നു എന്നതാണ് ഇവയുടെ മേൻമ.

ടെക്സാസ് ഇൻസ്ട്രമെന്റ്സ് ഫൗണ്ടേഷൻ എന്ന സ്ഥാപനത്തിൽ സർക്യുട്ടുകളെ വലിപ്പം കുറക്കുന്നതിനുള്ള നൂതന സംവിധാനങ്ങളെ കുറിച്ച് റിസർച്ച് ചെയ്തിരുന്ന ജാക്ക്. എസ്. കിൽബി എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞനാണ് 1958-ൽ ആദ്യത്തെ ഐ സി നിർമ്മിച്ചത്. പല ന്യുനതകളും ഉണ്ടായിരുന്നിട്ടും ഇത് ലോകമാകമാനം അംഗീകരിക്കപ്പെട്ടു. 2000-ൽ ഇതിനു അദ്ദേഹത്തിന് നോബൽ സമ്മാനം ലഭിച്ചു. കിൽബി നിർമ്മിച്ച ഐ സി യുടെ ന്യുനതകൾ പരിഹരിച്ച് കൊണ്ട് റോബർട്ട് നോയ്സ് എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞൻ അതേ വർഷം തന്നെ കൂടുതൽ മെച്ചപ്പെട്ട ഐ സി വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിരുന്നു.

ഒരു ഡിജിറ്റൽ ഐ സി പാക്കേജിൽ ലോജിക് ഗേറ്റുകൾ, ഫ്ലിപ്-ഫ്ലോപ്, കൗണ്ടറുകള് തുടങ്ങിയവയാകും ഉൾപ്പെടുത്തിയിട്ടുണ്ടാവുക. ലീനിയർ ഐ സി പാക്കേജുകളിൽ അനലോഗ് സർക്യുട്ടുകളിലെ ആവശ്യങ്ങൾക്കൊഴിച്ചുള്ള മറ്റെല്ലാം ഉൾപ്പെടുത്തിയിട്ടുണ്ടാകും.

ഉയർന്ന പവർ ആവശ്യമായ ഉപകാരണങ്ങളിലൊഴികെ മറ്റുള്ളവയിലെല്ലാം എളുപ്പത്തിൽ ഫലപ്രദമായ രീതിയിൽ ഐ സി ഉപയോഗിക്കാം. ഡിജിറ്റൽ ഐ സി കൾക്ക് 1 വാട്ടോ അതിൽ കുറവോ ആയിരിക്കും സാധാരണയായി ഉണ്ടാകുന്ന പവർ. എന്നാൽ ലീനിയർ ഐ സി കൾക്ക് 10 വാട്ട് വരെയാകും പവർ. കുറഞ്ഞ ഭാരം, കുറഞ്ഞ വലിപ്പം, കുറഞ്ഞ ചിലവ്, കുറഞ്ഞ പവർ ഉപയോഗം, ഉയർന്ന നിലവാരം, മെച്ചപ്പെട്ട പ്രവർത്തനം എന്നിവയാണ് ഐ സി കളുടെ സവിശേഷതകൾ.

ഐ സി പാക്കേജിനുള്ളിൽ

സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ഡ്യൂവൽ ഇൻ-ലൈൻ പാക്കേജുകളാണ് (ഡി.ഐ.പി ) ചിത്രത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നത്. fig-a യിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നത് മിനി ഡി.ഐ.പി എന്ന് വിളിക്കുന്ന ഇവ 8 പിന്നുകളുള്ള യൂണിറ്റുകളാണ്. fig-b യിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നത് 14 പിന്നുകളുള്ള ഡി.ഐ.പി യാണ്. ഡി.ഐ.പി പാക്കേജുകൾ സാധാരണയായി സെറാമിക് അല്ലെങ്കിൽ പ്ലാസ്റ്റിക് കെയ്സുകളിലാണ് നിർമ്മിക്കുന്നത്. Fig-c, Fig-d എന്നിവ സാധാരണയിൽ നിന്ന് വ്യത്യസ്തമായി രൂപകല്പന ചെയ്യപ്പെട്ടിട്ടുള്ളവയാണ്.

സർക്യുട് ഘടകങ്ങൾ ചേർത്തുണ്ടാക്കുന്ന സാധാരണ സർക്യുട്ടുകളും ഐ സി യും സമാനമാണ്. എന്നിരുന്നാലും ചില വ്യത്യാസങ്ങളും അവയ്ക്കിടയിലുണ്ട്. സാധാരണയായി ട്രാന്സിസ്റ്ററുകൾ, ഡയോഡുകൾ, റസിസ്റ്ററുകൾ മുതലായവ മാത്രമാണ് ഒരു ഐ സി യിലുണ്ടാകുന്നത്. ഒരു ഇന്റക്റ്റർ ഐ സി യിൽ ഉൾപ്പെടുത്തുക എന്നത് ഒരിക്കലും പ്രാവർത്തികമല്ല. മാത്രമല്ല pF വിലകൾ വരുന്നത്ര ചെറിയ കപ്പാസിറ്ററുകൾ മാത്രമേ ഐ സി കളിൽ ഉൾപ്പെടുത്താൻ കഴിയൂ. ഇൻറക്ടറുകളോ ഉയർന്ന വിലയുള്ള കപ്പാസിറ്ററുകളോ ആവശ്യമായി വന്നാൽ അവ ഐ സി ക്ക് പുറമെ ഘടിപ്പിക്കേണ്ടി വരും.

8 പിന്നുകളോട്കൂടിയ ഐ സി കൾ സാദാരണയായി നിർമ്മിക്കുന്നതിൻറെ ചിത്രമാണ് മുകളിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നത്. യഥാർത്ഥത്തിൽ ഐ സി എന്നാൽ ചിത്രത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്ന പോലെ സിലിക്കൺ വേഫേറിൽ നിന്ന് അടർത്തിയെടുക്കുന്ന ചെറിയ സിലിക്കൺ പീസുകളാണ്. അവയുടെ വലിപ്പം 1 ചതുരശ്ര മി.മി നേക്കാൾ ചെറുതായിരുന്നാൽ പോലും എല്ലാ ഘടകങ്ങളെയും ഉൾക്കൊള്ളാൻ അതിന് കഴിയുന്നു. സിലിക്കൺ ചിപ്പിന്റെ പുറംചട്ട പ്ലാസ്റ്റിക്കോ സെറാമിക്കോ കൊണ്ടാണ് ഉണ്ടാക്കുന്നത്.

ചെറിയ ഐ സി ചിപ്പുകൾ ചിത്രത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നത് പോലെ വലിയ ഗ്രൂപ്പുകളായാണ് ഉണ്ടാക്കുന്നത്. 1.5 ഇഞ്ച് മുതൽ 2 ഇഞ്ച് വരെ വ്യാസവും 0.01 ഇഞ്ച് കനവുമുള്ള സിലിക്കൺ വേഫേറുകളായി രൂപാന്തരപ്പെടുത്തിയാണ് ഇവ നിർമ്മിക്കുന്നത്. ഒരു വേഫറിൽ നൂറുകണക്കിന് ചിപ്പുകൾ ഉണ്ടാകും. ശുദ്ധമായ പദാർത്ഥത്തിലേക്ക് മാലിന്യങ്ങൾ/അന്യ പദാർത്ഥങ്ങൾ ചേർക്കുന്ന രാസിക പ്രക്രിയയാണ് ഡോപ്പിങ് (Doping). തുടരെയുള്ള സങ്കീർണ്ണമായ പ്രവർത്തനങ്ങൾക് ശേഷം ലഭിക്കുന്ന വേഫർ പരിശോധിച്ച് നൂറുകണക്കിന് ഐ സി കളായി മുറിച്ച് മാറ്റുന്നു. ഒരു ഐ സി പാക്കേജിലെ ചെറിയ സിലിക്കൺ ചിപ്പ് മാത്രമാണ് യഥാർത്ഥത്തിൽ ഐ സി.

ഐ സി ചിപ്പ് നിർമ്മാണം

ബൈപോളാർ ഐ സി ചിപ്പുകൾ

ബൈപോളാർ അഥവാ പോസിറ്റീവ് നെഗറ്റീവ് ചാർജ് വേർതിരിവുകളുള്ള ഐ സി കൾ NPN അല്ലെങ്കിൽ PNP ട്രാന്സിസ്റ്ററുകൾ കൊണ്ടാണ് നിർമ്മിക്കുന്നത്. സാധാരണയായി സിലിക്കൺ NPN ട്രാന്സിസ്റ്ററുകളാണ് ഇതിനായി ഉപയോഗിക്കുന്നത്.

സിലിക്കൺ NPN ട്രാന്സിസ്റ്ററുകളുടെ നിർമ്മാണമാണ് ചിത്രത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നത്. ഡോപ്പിങ്ങിന് ശേഷമുള്ള ഒരു NPN ട്രാന്സിസ്റ്ററിലെ വിവിധ ലെയറുകളാണ് ചിത്രത്തിൽ. അതായത് ഒരു NPN ട്രാൻസിസ്റ്റർ നിർമ്മിക്കാനായി സിലിക്കൺ ഒരു P-ടൈപ്പ് പദാർത്ഥം കൊണ്ട് ഡോപ്പിങ് നടത്തുന്നു.

ലഘുവായി ഡോപ്പിങ് നടത്തി കിട്ടുന്ന പദാർത്ഥത്തിലേക്ക് വീണ്ടും ഡോപ്പിങ് നടത്തുന്നു. കടുംനിറത്തിലുള്ളവ കൂടുതൽ ഡോപ്പിങ് നടന്ന സ്ഥലങ്ങളെയാണ് സൂചിപ്പിക്കുന്നത്. ഇവയാണ് N+ കൊണ്ട് സൂചിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നത്. ഈ ഭാഗങ്ങളാണ് നിർമ്മാണ സമയത്ത് ഒരേ സിലിക്കൺ വേഫറിലേ വിവിധ ട്രാന്സിസ്റ്ററുകളെ വേർതിരിക്കുന്നത്. ഇത്തരത്തിൽ P-ടൈപ്പ് ഡോപ്പിങ്ങിലൂടെ ബേസും, N-ടൈപ്പ് ഡോപ്പിങ്ങിലൂടെ എമിറ്ററും, കളക്ടറും നിർമ്മിക്കുന്നു. ബാഷ്പീകരിച്ച മാലിന്യപദാർത്ഥങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് നിയന്ത്രിതമായ ഡോപ്പിങ്ങാണ് ഇത്തരം നിർമ്മാണ പ്രക്രിയകളിൽ നടത്തുന്നത്. അതിന് ശേഷം ഡോപ്പിങ്ങിലൂടെ നിർമ്മിച്ച ചിപ്പിനു മുകളിലൂടെ സിലിക്കൺ ഡൈ ഓക്സൈഡ് കൊണ്ട് ഒരു ഇന്സുലേറ്റിംഗ് ആവരണം ഉണ്ടാക്കുന്നു. ശേഷം എമിറ്റർ, ബേസ്, കളക്ടർ എന്നിവയിൽ നിന്ന് പുറത്തേക്ക് ചെറിയ അലുമിനിയം കമ്പി കൊണ്ട് ബന്ധിപ്പിക്കുന്നു. ഇത്തരത്തിൽ നൂറുകണക്കിന് ട്രാന്സിസ്റ്ററുകൾ ഒരേ ചിപ്പിൽ നിർമ്മിച്ചെടുത്താണ് ബൈപോളാർ ഐ സി കൾ നിർമ്മിക്കുന്നത്.

എം.ഒ.എസ് (MOS) ഐ സി

എം ഒ എസ് രീതിയിലുള്ള ഐ സി ചിപ്പ് നിർമ്മാണത്തിന്റെ രേഖാചിത്രമാണ് മുകളിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നത്. ഇതിൽ പദാർത്ഥം ആദ്യമായി P-ടൈപ്പ് പദാർത്ഥം കൊണ്ട് ലഘുവായി ഡോപ്പിങ് നടത്തുന്നു. അതിനു ശേഷം രണ്ട് സ്ഥലങ്ങളിൽ N-ടൈപ്പ് പദാർത്ഥം കൊണ്ട് ഡോപ്പിങ് നടത്തി അവ ഒരു N-ചാനല് കൊണ്ട് ബന്ധിപ്പിക്കുന്നു. ശേഷം സിലിക്കൺ ഡൈ ഓക്സൈഡ് കൊണ്ടുള്ള ഒരു ഇന്സുലേറ്റർ ആവരണം നിർമ്മിക്കുന്നു. ശേഷം അലുമിനിയം കൊണ്ട് സോഴ്സിലേക്കും, ഡ്രൈനിലേക്കും കണക്ട് ചെയ്യുന്നു. സോഴ്സിൽ നിന്ന് ചിത്രത്തിലേത് പോലെ ആദ്യം ഡോപ്പിങ്ങിലൂടെ കിട്ടിയ പദാർത്ഥത്തിലേക്ക് കണക്ട് ചെയ്യുന്നു. അത് കൊണ്ട് തന്നെ ഗേറ്റ് പിൻ N-ചാനലുമായി ബന്ധപ്പെടുന്നില്ല. അതിന്റെ ഫലമായി നമുക്ക് ഒരു ഇന്സുലേറ്റഡ്-ഗേറ്റ് ഫീൽഡ്- ഇഫെക്ട് ട്രാൻസിസ്റ്റർ (IGFET) ലഭിക്കുന്നു.

ഗേറ്റിലേക്ക് ഒരു പോസിറ്റീവ് വോൾട്ടേജ് നൽകിയാൽ ഇലക്ട്രോസ്റ്റാറ്റിക് ഇൻഡക്ഷൻ കാരണം N-ചാനലിലെ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണം വർധിക്കുകയും സോഴ്സിൽ നിന്ന് ഡ്രൈനിലേക്ക് ഇലക്ട്രോൺ പ്രവാഹം ഉണ്ടാവുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇത്തരം ഐ സി കൾ കുറഞ്ഞ പവർ ഉപയോഗം കാരണത്താൽ വളരെയധികം ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നു.