Aynı çeşit veya farklı elektronik devre elemanlarının (şimdiye kadar gördüğümüz temel elemanlar; direnç, diyot, transistör, kondansatör, FET, MOSFET, vb. elektronik devre elemanları) bir paket haline getirilmesi ile oluşan yeni elemana, “entegre devre” (Integrated Circuit -IC) adı verilir. Entegreler;
- i- Yapılarında kullanılan elemanların çeşidine,
- ii- Entegre içerisinde bulunan transistör sayısına,
- iii- Kullanılan entegre teknolojisine,
göre sınıflandırılabilirler.
Entegre devreler, basit bir voltaj regülatöründen en gelişmiş mikroişlemcilere kadar çok değişik yapılarda karşımıza çıkarlar. Kullanım amacına göre entegreler ya analog yada dijital (sayısal) olarak imal edilirler. Aktif yada pasif olarak adlandırdığımız bütün elektronik devre elemanları küçük bir silikon tabakasının üzerine yayılarak oluşturulur. Buna aynı zamanda tümdevre adı da verilir.
Entegre devreler diğer devrelere göre birçok avantajlara sahiptir: Oldukça küçük boyutları ve ağırlıkları, düşük maliyeti, çok karmaşık devrelerin oldukça basitleşmesi ve güvenilirliktir.
ENTEGRE DEVRELERİN OLUŞTURULMASI
Entegre devreler, bipolar transistörler ve alan etkili transistörlerde olduğu gibi sırasıyla oksitleme, temizleme ve yayma işlemlerinin seri olarak yapılması ile üretilir. Bu yöntemle transistörler, diyotlar, dirençler ve kondansatörler oluşturulur.
Şekil 1. (a) Silikon tabakanın son hali, (b) Silikon tabakada entegre devrelerin oluşturulması
Büyük bir silikon parçasından yaklaşık bir inch`in binde beşi yada onu kalınlığında ve 4 inch2 alanında tabakalar kesilir (Şekil1.(a)). Bu tabakalar üzerinde entegrenin büyüklüğüne göre binlerce yada yüzlerce entegre devreler yerleştirilir (Şekil 1.(b)). Kullanılan p tipi silikon madde devrenin oluşturulduğu gövdeyi temsil eder. Bu madde elektriği ileteceğinden elemanlar gövdeden yalıtılmalıdır. Bu amaçla devredeki birçok n tipi bölge, devredeki eleman sayısı kadar gövde içine yayılır. Böylelikle gövde, diğer yerlere göre daha fazla negatif olacak şekilde bağlandığında yüksek direnç özelliğiyle n tipi bölgeden yalıtılmış olur (Şekil 2).
Şekil 2. Entegre devre içindeki elemanların yalıtılması
Bu n tipi yalıtılmış bölgeler içerisinde değişik elemanları oluşturmak için yeni n ve p tipi bölgeler ilave edilir ve daha sonra bu elemanların bağlantıları alüminyum ile yapılarak entegre devrenin dışarıya irtibatı sağlanır.
Çok sayıda devreler aynı anda silikon tabaka üzerinde oluşturulur ve sonra chip olarak adlandırdığımız bağımsız parçalara bölünür. Bu parçalar uygun bir kılıf (plastik ya da metal) içine yerleştirilir. Bunlar TO dairesel paket yada DIP (Dual inline package – Çift hatlı paket) tipinde olabilir. Bu iki tip entegre devre Şekil 3 de gösterilmiştir.
Şekil 3. (a) TO, (b) DIP tipi entegreler
ENTEGRE DEVRE ÇEŞİTLERİ
Entegre devrelerin çoğu lineer, analog devreler yada sayısal devrelerdir. Lineer devrelerde giriş ve çıkış sinyalleri belirli değerlerde sürekli değişmektedir. Lineer entegreler ses yükselticileri, işlemsel yükselticiler (op-amp) ve değişik radyo ve tv devrelerini içerir. Genelde çift yönlü transistörler kullanılmaktadır fakat bazı işlemsel kuvvetlendiricilerde JFET yada MOSFETler kullanılmaktadır.
Şekil 4.(a) da, çok bilinen bir işlemsel kuvvetlendiricinin içindeki bir parça silikon üzerinde oluşturulan bütün devre elemanları gösterilmektedir. Şekilde işlemsel kuvvetlendiriciyi oluşturan 20 den fazla transistör vardır. Tek bir transistör yaklaşık 0.18²lik alanı kaplamaktadır. 8 uçlu entegre devrenin ölçüleri ise 0.4² x 0.35² dir. Görülüyor ki, entegre devre 20 transistörün kapladığı alandan daha az yer kaplar. Bir bilgisayarın mikroişlemcisinin içinde ise milyonlarca transistör bulunmaktadır.
Şekil 4. Bir işlemsel kuvvetlendirici entegresinin (LF353), (a) iç yapısı, (b) dış görünüşü
Sayısal entegreler ise ikili sayı sistemindeki sinyallerle çalışırlar. Bu sinyaller mantıksal 1 veya 0 konumlarında olabilir. Bu tip entegreler mantık devrelerini oluşturan kapıları, sayıcıları, hafıza ünitelerini ve mikroişlemcileri içerir.
Sayısal entegreler, yapılarında kullanılan devre elemanlarına göre :
- i- TTL entegre devreler; (Bipolar transistörler kullanılır)
- ii- CMOS entegre devreler; (MOSFETler kullanılır)
olarak iki grupta toplanabilirler.
Her iki grupta bulunan elemanlar, içerdikleri lojik kapı ve transistör sayısına göre;
- i- Küçük ölçekli IC`ler(SSI),
- ii- Orta ölçekli IC`ler (MSI),
- iii- Geniş ölçekli IC`ler (LSI),
- iv- Çok geniş ölçekli IC`ler (VLSI),
- v-Çok-çok geniş ölçekli IC`ler (ULSI),
- vi-Giga ölçekli IC`ler (GSI),
olarak sınıflandırılırlar.
MİKROİŞLEMCİLER
Bilgisayarlarda ve diğer mikroişlemcili sistemlerde, aritmetik veya mantık işlemlerinin yapıldığı ve yapılan işlemlerin denetlendiği birim, “merkezi işlem birimi” veya “mikroişlemci” olarak adlandırılır. Diğer bir bakış açısıyla mikroişlemci; ikili sayılar şeklinde kodlanmış komutları ve verileri işlemek veya yorumlamak için gerekli mantıksal devreleri içeren, milyonlarca transistörden meydana gelen elektronik bir elemandır. Mikroişlemciler genel amaçlı elemanlardır ve farklı uygulamalarda amaca uygun olarak kullanılırlar.
Şekil 5. Pentium 4 mikroişlemcisinin görünümü