Integrierte Schaltkreise

Integrierte Schaltkreise

Integrierte Schaltkreise Halbleiter Silizium Transistor Photolithographie

Mikroprozessor Intel i486DX2 (1992): Das geöffnete Gehäuse des ICs zeigt das 76 mm² große Halbleiter-Plättchen mit 1,2 Millionen Transistoren. Der zentrale rechteckige Bereich ist die eigentliche elektronische Schaltung, an deren Seiten die Anschlussleitungen zur Verdrahtung zu den Pins des Gehäuses angeordnet sind. Durch unterschiedliche Helligkeiten sind Funktionseinheiten wie Rechenwerk und Cache des Prozessors zu erkennen.

Obiger ungeöffneter IC: Unten ist ein Teil der 168 Pins zu sehen, die im Betrieb im Prozessorsockel auf der Hauptplatine eines PCs stecken. Aktuelle Prozessor-Chips umfassen bei ähnlichen Abmessungen mittlerweile etwa 4000 Mal so viele Transistoren.

Einleitung

Integrierte Schaltkreise, oft auch als ICs oder Mikrochips bezeichnet, sind essenzielle Bauteile in der modernen Elektronik. Sie bestehen aus einer kompakten Anordnung von elektronischen Komponenten auf einem kleinen Chip, meist aus Silizium. In diesem aiMOOC wirst Du die Grundlagen, die Geschichte, die Herstellung und die Anwendungen von integrierten Schaltkreisen kennenlernen. Zudem gibt es interaktive Elemente, die Dir helfen, das Gelernte zu festigen und praktisch anzuwenden.

[[Datei:3NF-integrCircuit.jpg|mini|hochkant=1.3|Schaltung der integrierten Widerstände und Kondensatoren im Inneren der 3NF von Siegmund Loewe (Patent 1925/1926).

Grundlagen

Integrierte Schaltkreise sind die Grundbausteine der meisten elektronischen Geräte heute. Sie ermöglichen die Miniaturisierung von Schaltungen und die Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Elektronik.

Was sind integrierte Schaltkreise?

Ein integrierter Schaltkreis (IC) ist eine kompakte Einheit elektronischer Bauteile, meist aus Halbleitermaterial, vorwiegend Silizium. Diese Bauteile, wie Transistoren, Widerstände und Kondensatoren, sind auf einem kleinen flachen Chip untergebracht und miteinander verbunden, um komplexe elektronische Funktionen auszuführen.

Typen von integrierten Schaltkreisen

Es gibt verschiedene Arten von ICs, die nach ihrem Verwendungszweck oder ihrer Komplexität klassifiziert werden:

1. Analoge ICs, die kontinuierliche Signale verarbeiten
2. Digitale ICs, die mit binären Werten (0 und 1) arbeiten
3. Mixed-Signal-ICs, die sowohl analoge als auch digitale Schaltkreise enthalten

Anwendungen von integrierten Schaltkreisen

ICs sind in nahezu jedem elektronischen Gerät zu finden:

1. In Smartphones und Computern
2. In Haushaltsgeräten wie Mikrowellen und Fernsehern
3. In der Automobilindustrie in Form von Motorsteuerung und Sicherheitssystemen
4. In der Raumfahrt und Avionik

Geschichte der integrierten Schaltkreise

Die Entwicklung der integrierten Schaltkreise war ein Meilenstein in der Elektronik, der die Basis für die moderne digitale Revolution bildet.

Frühe Entwicklungen

Die Idee des integrierten Schaltkreises wurde erstmals von Jack Kilby bei Texas Instruments und unabhängig davon von Robert Noyce bei Fairchild Semiconductor in den späten 1950er Jahren realisiert. Kilby entwickelte den ersten funktionsfähigen IC im Jahr 1958, während Noyce einen Weg fand, ICs massenproduktionstauglich zu machen.

Fortschritte und Miniaturisierung

Durch die Mikroelektronik und die Entwicklung der Lithographietechnik in der Halbleiterfertigung konnten immer kleinere und leistungsfähigere ICs hergestellt werden. Dieser Prozess wird als Moore'sches Gesetz beschrieben, das besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem IC etwa alle zwei Jahre verdoppelt.

Herstellung von integrierten Schaltkreisen

Materialien und Komponenten

Die Herstellung eines IC beginnt mit einem reinen Siliziumwafer. Auf diesen Wafer werden durch verschiedene chemische und physikalische Verfahren Schichten aufgetragen und Strukturen eingeätzt. Dabei kommen Technologien wie Photolithographie, Ätzen und Dotierung zum Einsatz.

Der Prozess der Chipfertigung

Der Herstellungsprozess eines ICs ist komplex und umfasst viele Schritte:

1. Reinigung des Siliziumwafers
2. Auftragen von lichtempfindlichem Material
3. Belichtung durch eine Maske
4. Entwickeln des Bildes
5. Ätzen der ungeschützten Bereiche
6. Dotierung zur Erzeugung von elektronischen Eigenschaften
7. Wiederholung des Prozesses zur Schichtung mehrerer Komponenten

[[Datei:Replica IC.png|mini|hochkant=1.3|Nachbau des ersten IC von Jack Kilby. Modell im Heinz Nixdorf MuseumsForum]]

IC im DIP-Kunststoffgehäuse. Älterer 8-Bit-Mikrocontroller (PIC 16F84A) mit beschreibbarem EEPROM-Speicher. Der integrierte Schaltkreis befindet sich nicht sichtbar im Inneren des Kunststoffgehäuses.

Detailansicht eines EPROMs. Die gebondeten Anschlussdrähte sind gut zu erkennen

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist ein integrierter Schaltkreis? (Ein kompakter Chip aus Halbleitermaterial, der elektronische Bauteile wie Transistoren, Widerstände und Kondensatoren enthält.) (!Ein einzelner Transistor.) (!Eine Sammlung unverbundener elektronischer Bauteile.) (!Ein spezielles Werkzeug zur Reparatur elektronischer Geräte.)

Wer entwickelte den ersten funktionsfähigen integrierten Schaltkreis? (Jack Kilby) (!Robert Noyce) (!Thomas Edison) (!Nikola Tesla)

Welches Gesetz beschreibt die Verdopplung der Anzahl von Transistoren auf ICs etwa alle zwei Jahre? (Moore'sches Gesetz) (!Einsteins Relativitätstheorie) (!Newtons Bewegungsgesetze) (!Mendels Vererbungsgesetze)

Memory

Analog	Verarbeitet kontinuierliche Signale
Digital	Arbeitet mit binären Werten
Mixed-Signal	Enthält analoge und digitale Schaltkreise
Photolithographie	Verfahren zum Auftragen von Strukturen auf Silizium
Dotierung	Verfahren zur Erzeugung elektronischer Eigenschaften in Halbleitern

Kreuzworträtsel

Kilby	Wer entwickelte den ersten funktionsfähigen IC?
Silizium	Aus welchem Material sind die meisten ICs gefertigt?
Transistor	Welche Komponente ist wesentlich für die Funktion eines ICs?
Moore	Nach wem ist das Gesetz der Verdopplung der Transistoranzahl benannt?
Noyce	Wer machte die Massenproduktion von ICs möglich?
Ätzen	Welcher Prozess wird verwendet, um Strukturen auf einem Wafer zu schaffen?
Widerstand	Welche Komponente reguliert den Stromfluss in Schaltkreisen?
Kondensator	Welche Komponente speichert Energie in einem elektrischen Feld?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Die ersten integrierten Schaltkreise wurden in den Jahren entwickelt. Sie bestehen hauptsächlich aus . Ein wichtiger Bestandteil von ICs sind , welche die elektronische Schaltung und deren Leistung .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Widerstände: Zeichne und erkläre die Funktion eines Widerstandes in einem integrierten Schaltkreis.
2. Transistor: Recherchiere, wie Transistoren in ICs verwendet werden und präsentiere deine Ergebnisse.
3. Photolithographie: Erstelle ein kurzes Video oder eine Präsentation über den Photolithographieprozess.

Standard

1. Siliziumwafer: Untersuche und beschreibe den Prozess der Siliziumwaferherstellung und dessen Bedeutung in der IC-Produktion.
2. Chip-Design: Entwerfe ein einfaches Layout für einen digitalen IC unter Verwendung von CAD-Software.
3. Elektronikschrott: Erstelle eine Kampagne zur Förderung der Wiederverwendung und des Recyclings von elektronischen Bauteilen.

Schwer

1. Halbleiterindustrie: Führe eine Umfrage durch, um die Auswirkungen der Halbleiterindustrie auf die lokale Umwelt und Wirtschaft zu erforschen.
2. Technologie und Gesellschaft: Diskutiere in einer Gruppenarbeit, wie integrierte Schaltkreise die moderne Gesellschaft verändert haben.
3. Innovative Technologien: Entwickle ein Konzept für eine neue Anwendung von ICs, die das Potenzial hat, einen bestehenden Markt zu revolutionieren.

Lernkontrolle

1. Elektronische Schaltung: Erkläre, wie die Integration von Transistoren auf einem Chip die Leistungsfähigkeit elektronischer Geräte verbessert.
2. Geschichte der Elektronik: Diskutiere die sozialen und wirtschaftlichen Auswirkungen der Entwicklung von ICs.
3. Technologischer Wandel: Bewerte die Auswirkungen von Moores Gesetz auf die Entwicklung neuer Technologien.
4. Forschung und Entwicklung: Analysiere, wie Forschung und Entwicklung in der Halbleiterindustrie zu Innovationen führen.
5. Nachhaltigkeit in der Technik: Untersuche Möglichkeiten zur Steigerung der Nachhaltigkeit in der Produktion von ICs.

Links

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IC (К145ХК3П, alt: К1ЖГ453), entwickelt in der SU, 2× enthalten im ab 1974 gefertigten sowjetischen Taschenrechner Эпос 73 (Epos 73)

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