{"id":51386,"date":"2023-03-01T08:21:47","date_gmt":"2023-03-01T07:21:47","guid":{"rendered":"https:\/\/botland.com.pl\/blog\/uklad-scalony-co-to-jest-i-jak-dziala\/"},"modified":"2023-07-14T08:54:10","modified_gmt":"2023-07-14T06:54:10","slug":"integrierte-schaltkreise-was-sind-sie-und-wie-funktionieren-sie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/botland.de\/blog\/integrierte-schaltkreise-was-sind-sie-und-wie-funktionieren-sie\/","title":{"rendered":"Integrierte Schaltkreise – Was sind sie und wie funktionieren sie?"},"content":{"rendered":"Lesezeit<\/span> 5<\/span> min.<\/span><\/span>\t\t
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Es gibt mehrere hundert Arten von ihnen und wir finden sie fast \u00fcberall – lernen Sie integrierte Schaltungen kennen!<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Integrierte Schaltkreise, die uns umgeben<\/h2><\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Dieser Artikel bietet einen geschichtlichen \u00dcberblick \u00fcber die Entwicklung und einige Beispiele f\u00fcr integrierte Schaltungen, die in der modernen Elektronik verwendet werden.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Am Anfang war der Transistor<\/h2><\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Bevor Silizium die Welt der Elektronik eroberte, war die Vakuumelektronik, d. h. die Elektronenr\u00f6hre, die K\u00f6nigin. Jede Elektronenr\u00f6hre wurde von Hand gefertigt, was ein hohes Ma\u00df an Sorgfalt erforderte. Der Durchbruch gelang Ende 1947 in Murray Hill, New Jersey, USA – ein Team von Entwicklern der Bell Telephone Laboratories, bestehend aus William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain, schuf einen Prototyp eines Halbleiterbauelements auf Germaniumbasis, den Spitzentransistor. Einige Jahre sp\u00e4ter wurde er durch den von Shockley entwickelten bipolaren Transistor abgel\u00f6st. Die Erfinder des\u00a0Transistors<\/a>\u00a0wurden 1956 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Dieses kleine Bauteil l\u00f6ste eine echte Revolution in der weltweiten Industrie aus – die Verwendung von Elektronenr\u00f6hren in Produktionslinien war Geschichte.\u00a0<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Von Federal employee - https:\/\/clintonwhitehouse4.archives.gov\/Initiatives\/Millennium\/capsule\/mayo.html, Public domain, https:\/\/commons.wikimedia.org\/w\/index.php?curid=554340<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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Es \u00fcberrascht nicht, dass die Transistoren im Gegensatz zu ihren Vakuum-Gegenst\u00fccken viel weniger Energie verbrauchten. 1955 verlie\u00df William Shockley die Bell Telephone Laboratories und wechselte an die Stanford University in Stanford, Kalifornien. Die besten Wissenschaftler dieser Universit\u00e4t, angef\u00fchrt von Shockley, werden in die Industrie geschickt – das Silicon Valley ist geboren. Die Arbeit am Bipolartransistor geht weiter. Leider hatte der Transistor auf Germaniumbasis einen schwerwiegenden Nachteil – bei Temperaturen in der Gr\u00f6\u00dfenordnung von Tee in einem Glas w\u00fcrde er nicht mehr funktionieren, und bekanntlich reicht die Temperaturskala sowohl an der Kriegsfront als auch im Weltraum, wo ebenfalls Elektronik eingesetzt wird, unvergleichlich weiter. So wurde die Elektronikindustrie von Silizium erobert, einem chemischen Element mit weitaus besseren Temperatureigenschaften als Germanium.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Die verr\u00e4terische Acht und der erste integrierte Schaltkreis\n<\/h2><\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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By http:\/\/www.ti.com\/corp\/graphics\/press\/image\/on_line\/co1034.jpg, Fair use, https:\/\/en.wikipedia.org\/w\/index.php?curid=19287598<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Zwei Jahre sp\u00e4ter, 1957, verlie\u00dfen Shockleys Untergebene Stanford (die so genannten “Treacherous Eight”) und zogen nach San Jose, Kalifornien, wo sie die Fairchild Semiconductor Corporation gr\u00fcndeten. Einer der Mitbegr\u00fcnder dieses Unternehmens war Robert Noyce. Ihm wird die Idee zugeschrieben, mehrere Transistoren in einem Geh\u00e4use zu vereinen – so entstand 1959 der erste\u00a0integrierte Schaltkreis<\/a>\u00a0auf der Basis von bipolaren Siliziumtransistoren. Parallel dazu entwickelte Jack Kilby, der als Designer bei Texas Instruments arbeitete, einen integrierten Schaltkreis auf der Basis von Germanium-Transistoren, der Gegenstand eines Patentstreits wurde.\u00a0<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Infolgedessen sind sowohl Robert Noyce als auch Jack Kilby heute rechtlich als Erfinder der ersten integrierten Schaltkreise anerkannt. Ebenfalls 1959 entwickelten Mohamed Atalla und Dawon Kahng, damals Mitarbeiter der Bell Telephone Laboratories, den MOSFET-Feldeffekttransistor, der bis heute der Grundbaustein integrierter Schaltkreise ist, einschlie\u00dflich der x86-Familie von Computerprozessoren, bei denen das von Robert Noyce mitgegr\u00fcndete Unternehmen Intel eine Vorreiterrolle spielt.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Sauberkeit ist der Schl\u00fcssel!<\/h2><\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Der Herstellungsprozess integrierter Schaltkreise ist sehr komplex und erfordert eine Pr\u00e4zision, die mehr als chirurgisch ist. Dar\u00fcber hinaus sind die R\u00e4ume, in denen die Produktion stattfindet, die saubersten der Welt – selbst im Vergleich zu den Operationss\u00e4len der besten Krankenh\u00e4user. Das kleinste Staubkorn ist der gr\u00f6\u00dfte Feind des Halbleiters. Das Vorhandensein von Staub in den Produktionsr\u00e4umen k\u00f6nnte den Produktionsprozess f\u00fcr Monate zum Stillstand bringen, was zu ungeheuer gro\u00dfen wirtschaftlichen Verlusten f\u00fchren w\u00fcrde. Aus diesem Grund tragen die Arbeiter in den Chipfabriken entsprechende Anz\u00fcge, und die Produktionsr\u00e4ume sind durch spezielle Schleusen getrennt, in denen das Vorhandensein von Staub kontrolliert und von den Anz\u00fcgen der Arbeiter entfernt wird.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Verbindungen in integrierten Schaltungen\n<\/h2><\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Kurz zusammengefasst – Bei der Herstellung integrierter Schaltkreise werden auf einer gemeinsamen Scheibe aus dielektrischem Material elektrisch isolierte Widerstandsschichten und leitende Schichten aufgebracht. Diese Schichten bilden Transistoren, die \u00fcber ein Metallnetz miteinander verbunden sind. Die entsprechenden Verbindungen zwischen den Halbleiterschichten werden wie vorgesehen au\u00dferhalb des Geh\u00e4uses der integrierten Schaltung angebracht. Im Laufe mehrerer Jahrzehnte hat sich die Zahl der Transistoren, die in ein einziges Geh\u00e4use gepackt werden konnten, linear erh\u00f6ht – dies gilt insbesondere f\u00fcr Mikroprozessorchips: Der erste kommerzielle Prozessor, der Intel 4004 (1971), enthielt 2.300 Transistoren, w\u00e4hrend die heutigen Prozessoren aus mehreren Milliarden Transistoren bestehen.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Integrierte Schaltungen - vom Entwurf bis zum fertigen Produkt<\/h2><\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Der Entwurf integrierter Schaltungen erfolgt mit Hilfe von Computern, wobei die Verbindungsstruktur innerhalb der integrierten Schaltung mit der entsprechenden Entwurfssoftware erstellt wird. Das Schaltungsnetz wird nat\u00fcrlich in zehntausend- oder millionenfacher Vergr\u00f6\u00dferung entworfen. Nach dem Entwurf wird die unter Vergr\u00f6\u00dferung auf dem Computerbildschirm sichtbare Struktur auf die Zielgr\u00f6\u00dfe verkleinert, von der dann ein Foto des Chips erstellt wird. Alle Matrizenbahnen werden zweimal mit einem Roboter gezeichnet, um das Risiko von Produktionsfehlern auszuschlie\u00dfen. Das so erstellte Muster erm\u00f6glicht die Herstellung der eigentlichen Struktur auf der Oberfl\u00e4che des Siliziumwafers mittels eines Fotolithografieverfahrens, bei dem der Siliziumwafer in eine fotografische Emulsion getaucht und das reflektierte Bild anschlie\u00dfend unter starkem UV-Licht geh\u00e4rtet wird. Im n\u00e4chsten Schritt werden die Siliziumscheiben in eine L\u00f6sung getaucht, in der die nicht von der Master-Schablone bedeckte Siliziumschicht entfernt wird. Sobald die L\u00f6sung entfernt ist, werden das Zielmuster der Transistorstruktur und die Verbindungen zwischen ihnen gebildet. Anschlie\u00dfend werden weitere Schichten gebildet, die miteinander verklebt und dotiert werden. Im n\u00e4chsten Schritt wird eine Isolierschicht aufgebracht und mit fl\u00fcssigem Kupfer gef\u00fcllt. In dieser Form ist der integrierte Schaltkreis bereit, pr\u00e4zise zugeschnitten, geerdet und in ein Geh\u00e4use mit Anschl\u00fcssen eingesetzt zu werden.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Integrierte Schaltkreise - Geh\u00e4use<\/h2><\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Es gibt viele Arten von Geh\u00e4usen f\u00fcr integrierte Schaltungen. Das Geh\u00e4use ist so konzipiert, dass es die interne Struktur des ICs sch\u00fctzt und an Ort und Stelle h\u00e4lt. Durch die Unterbringung in einem Geh\u00e4use k\u00f6nnen wir den IC sicher mit den Fingern oder mit speziellen Greifern anfassen, ohne eine Besch\u00e4digung bef\u00fcrchten zu m\u00fcssen, obwohl der Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) beachtet werden muss, insbesondere bei CMOS-Chips, die in dieser Hinsicht empfindlich sind. Das Geh\u00e4use erm\u00f6glicht auch die W\u00e4rmeableitung – auch beim L\u00f6ten des integrierten Schaltkreises auf die Leiterplatte. ICs sind sowohl in THT-Geh\u00e4usen (through-hole-transistor), z. B. DIL14 (zweireihiges Geh\u00e4use, sieben Anschl\u00fcsse pro Reihe) oder SIL8 (einreihiges Geh\u00e4use, acht Anschl\u00fcsse pro Reihe), als auch in SMD-Geh\u00e4usen (surface-mount), z. B. SO8 oder TSSOP24, erh\u00e4ltlich. Aufw\u00e4ndigere ICs, z. B. 32-Bit-Mikrocontroller und Mikroprozessoren, k\u00f6nnen in quadratischen Geh\u00e4usen mit Pinbelegungen auf jeder Seite untergebracht werden, z. B. TQFP64 oder QFN16 – letzterer Typ zeichnet sich durch seine Pinbelegungen auf der Unterseite des Geh\u00e4uses aus. Sehr oft wird ein IC-Typ in mehreren Geh\u00e4usetypen hergestellt, so dass wir das gew\u00fcnschte Bauteil entsprechend den Abmessungen der Leiterplatte unseres elektronischen Ger\u00e4ts ausw\u00e4hlen k\u00f6nnen. Aus Gr\u00fcnden der Platzersparnis und der Komplexit\u00e4t werden h\u00e4ufig ICs in SMD-Ausf\u00fchrung gew\u00e4hlt, deren Abmessungen viel kleiner sind als die ihrer Gegenst\u00fccke in THT-Ausf\u00fchrung. Dennoch haben SMD-ICs einen wichtigen praktischen Vorteil f\u00fcr das Prototyping und Testen – sie lassen sich leicht in die Sockel einer Kontaktplatine einsetzen. Wenn unser Projekt f\u00fcr ein elektronisches Ger\u00e4t hingegen vollst\u00e4ndig in THT-Technologie ausgef\u00fchrt wird und der f\u00fcr unser Projekt ben\u00f6tigte integrierte Schaltkreis nur in SMD-Ausf\u00fchrung erh\u00e4ltlich ist, k\u00f6nnen wir einen speziellen Adapter kaufen, d. h. eine Leiterplatte, auf die wir den SMD-Chip l\u00f6ten – seine Anschl\u00fcsse sind mit L\u00f6t\u00f6sen f\u00fcr das Goldpin-L\u00f6ten verbunden.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Identifizierung von integrierten Schaltkreisen\n<\/h2><\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Auf dem Geh\u00e4use jedes integrierten Schaltkreises ist ein spezieller Identifikationscode aufgedruckt. Anhand dieses Codes k\u00f6nnen wir im Internet suchen und uns \u00fcber die Dokumentation des integrierten Schaltkreises informieren, an dem wir interessiert sind. Viele Arten von integrierten Schaltkreisen bilden Familien, zu denen sie eine Basiskodierung haben, z. B. CD4011 oder CD4051 sind CMOS-Logik-Chips, w\u00e4hrend SN74HC595 ein TTL-Logik-Chip ist. Neben der Grundkodierung ist auf dem IC-Geh\u00e4use auch ein Code zu sehen, der die Seriennummer der Produktionscharge und das Logo des Herstellers angibt. Auch die Pinbelegung ist wichtig – normalerweise ist ein Punkt auf Pin 1 eingraviert oder eine Kerbe im Geh\u00e4use, auf deren linker Seite (von oben gesehen) die erste Pinbelegung platziert wurde. Einige Hersteller elektronischer Ger\u00e4te verwischen absichtlich die Markierungen auf dem Geh\u00e4use des integrierten Schaltkreises, um den rechtlichen Schutz ihres geistigen Eigentums zu erh\u00f6hen, so dass autorisierte Stellen Probleme mit dem Nachbau des Ger\u00e4ts haben.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Arten von integrierten Schaltkreisen<\/h2><\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Seit der Erfindung des ersten integrierten Schaltkreises in den sp\u00e4ten 1950er Jahren wurden Hunderte von Typen integrierter Schaltkreise entwickelt, die sich u. a. in der Herstellungstechnologie und der Endanwendung unterscheiden. Einige Typen von integrierten Schaltkreisen sind so vielseitig, dass sie eine gewisse Standardisierung erfahren haben, z. B. in Bezug auf die Pinbelegung, die f\u00fcr die Stromversorgung des Schaltkreises zust\u00e4ndig ist. Hinsichtlich der Art der verarbeiteten Signale kann man unterscheiden:<\/p>