IL CIRCUITO INTEGRATO

abstract-electronics-digital-technology-blue-background_5205-32Un circuito integrato (IC, dall’inglese integrated circuit), in elettronica digitale, è un circuito elettronico miniaturizzato dove i vari transistori sono stati formati tutti nello stesso istante grazie a un unico processo fisico-chimico. Un chip (lett. “pezzetto”) è il componente elettronico composto da una minuscola piastrina del wafer di silicio (die), a partire dalla quale viene costruito il circuito integrato; in pratica, il chip è il supporto che contiene gli elementi (attivi o passivi) che costituiscono il circuito. A volte si utilizza il termine chip per indicare complessivamente l’integrato. Il circuito integrato è adibito, sotto forma di rete logica digitale o analogica, a funzionalità di processamento o elaborazione di ingressi espressi sotto forma di segnali elettrici, al fine di ottenere dati in uscita. L’ideazione del circuito integrato si deve a Jack St. Clair Kilby, che nel 1958 ne costruì il primo esemplare composto da circa dieci componenti elementari, per il quale vinse il premio Nobel per la Fisica nel 2000.

TIPOLOGIA

I circuiti integrati si dividono principalmente in due grandi categorie: analogici e digitali. Esistono tipi di circuito che non rientrano in queste due: essi hanno funzioni particolari, di uso meno diffuso, come, ad esempio, gli Active Filter o i sample and hold. I produttori le raggruppano in sottocategorie specializzate. Quelli analogici sono concepiti per elaborare segnali analogici (cioè che possono variare con continuità nel tempo in modo arbitrario), mentre quelli digitali sono creati per trattare con segnali digitali binari, che possono assumere soltanto due valori “legittimi” diversi. Un esempio di IC analogico generico è l’amplificatore operazionale, mentre esempi di IC digitali sono le porte logiche i multiplexer e i contatori. Storicamente i primi circuiti integrati furono digitali, sviluppati per i primi computer. Questi IC adottavano schemi elettrici interni di tipo RTL (da Resistor Transistor Logic), cioè integravano una serie di resistenze su semiconduttore per le polarizzazioni interne: successivamente le resistenze vennero sostituite con diodi, ottenendo schemi DTL (Diode Transistor Logic), e circa trent’anni fa anche i diodi furono sostituiti con transistor, e oggi la gran parte degli integrati digitali in commercio sono TTL (Transistor Transistor Logic). Esiste una famiglia chiamata ECL (Emitter Coupled Logic) il cui principio di funzionamento fu realizzato nel 1956 nei laboratori IBM; di impiego meno diffuso delle altre ma tuttora usata, è caratterizzata da una velocità di commutazione estremamente rapida, a scapito però del consumo di corrente, molto elevato. A seconda del tipo di transistor utilizzato, i circuiti integrati si dividono poi ulteriormente in Bipolari se usano transistor bipolari classici o CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) se usano transistor MOSFET. Negli anni ’90 la Intel mise a punto una nuova tecnologia ibrida per i suoi microprocessori, detta BiCMOS, che permette di usare entrambi i tipi di transistor sullo stesso chip.

SCALA DI INTEGRAZIONE

La scala di integrazione di un circuito integrato dà una indicazione della sua complessità, indicando grosso modo quanti transistor sono contenuti in esso. In base alla scala di integrazione, i circuiti possono essere classificati in:

  • SSI (Small Scale Integration): meno di 10 transistor.
  • MSI (Medium Scale Integration): da 10 a 100 transistor.
  • LSI (Large Scale Integration): da 100 a 10000 transistor.
  • VLSI (Very Large Scale integration): da 10000 a 100000 transistor.
  • ULSI (Ultra Large Scale Integration) (non molto utilizzata): fino a 10 milioni di transistor.

Per numeri superiori di transistor presenti, l’integrazione viene definita come WSI (Wafer Scale Integration), potendo contenere un intero computer. Collegata alla scala di integrazione vi è la capacità di processamento del circuito integrato, che aumenta con il numero dei transistor in accordo con la legge di Moore.

REALIZZAZIONE

Il materiale di partenza è una fetta circolare (wafer) di semiconduttore, detta substrato, questo materiale, in genere già debolmente drogato, viene drogato ulteriormente per impiantazione ionica o per diffusione termica per creare le zone attive dei vari dispositivi (es. zone p e n nei transistor); poi vengono depositati, cresciuti per epitassia oppure termicamente, una serie di sottili strati di materiali diversi:

  • Strati di semiconduttore policristallino (definito di grado elettronico EGS, Electronic Grade Silicon, cioè silicio con meno di un’impurità ogni miliardo di atomi e quindi molto puro);
  • Strati isolanti sottili;
  • Strati isolanti di ossido, molto più spessi;
  • Strati metallici (siliciuri o metalli come ad esempio alluminio, tungsteno o più raramente rame) per i collegamenti elettrici.

La geometria delle zone che devono ricevere il drogaggio e quella dei vari strati è impressa sul substrato con un processo di fotolitografia: ogni volta che il circuito integrato in lavorazione deve ricevere un nuovo strato o una nuova impiantazione di droganti, viene ricoperto di un sottile film fotosensibile, che viene impressionato attraverso un negativo fotografico (detto “maschera” o “layout”) ad altissima definizione. Le zone del film illuminate divengono solubili e vengono asportate dal lavaggio, lasciando scoperto il chip sottostante, pronto per la prossima fase di lavorazione, rimozione selettiva o drogaggio delle aree prive del film fotosensibile. Una volta terminata la creazione dei chip sul substrato, questi vengono testati, il substrato viene tagliato e i chip incapsulati nei packages con cui verranno montati sui circuiti stampati attraverso dei collegamenti o piedini detti pin.

COMPONENTI INTEGRABILI

In un circuito integrato si possono integrare facilmente transistor e diodi: è possibile creare nel substrato semiconduttore anche piccole resistenze e condensatori, ma in genere questi ultimi componenti occupano molto spazio sul chip e si tende ad evitarne l’uso, sostituendoli quando possibile con reti di transistor. È possibile integrare anche induttori, ma il valore delle induttanze ottenibili è molto piccolo (nell’ordine dei nano henry (nH)): il loro impiego è molto limitato a causa dell’enorme occupazione di area che anch’esse richiedono, anche solo per realizzare induttori di piccolissimo valore. Inoltre, la tecnologia realizzativa dei circuiti integrati (non dedicati alle altissime frequenze) e quindi i notevoli effetti parassiti ne limitano sensibilmente le prestazioni, soprattutto se paragonati ai classici induttori non su circuito integrato. Tali induttori integrati vengono solitamente impiegati nei circuiti integrati a radiofrequenze (LNA, mixer, etc.), ad esempio a frequenze attorno ai gigahertz (GHz). Condensatori di media e grande capacità non sono assolutamente integrabili. Sono disponibili invece vari tipi di integrati aventi la funzione relè, ovvero dispositivi dotati di ingressi logici, per mezzo dei quali interrompere o deviare segnali analogici anche multipli.