الدوائر المتكامله

دائرة تكاملية أو متكاملة عبارة عن دائرة الكترونية مصغرة وهي من ضمن مايعرف بتقنية ميكروية والتي هي بدورها جزء من الهندسة الإلكترونية، أحدث ثورة في عالم الإلكترونيات, الشريحة رقيقة من مادة السيلكون
تبلغ مساحتها عدة ملليمترات ويطلق عليها ((شريحة السيلكون silicon chip))
أو رقاقة السيلكون وتحتوي شريحة السيلكون على الآلاف من المكونات
الإلكترونية الدقيقة جدا، مثل الترانزستورات والمقاومات والمكثفات التي
تربط معا لتكون دوائر إلكترونية متكاملة، وقد تم إنتاجها لأول مرة
بالولايات المتحدة في عام 1958. والشرائح الإلكترونية التي تستخدم في الوقت
الحاضر، تحتوي على عشرات الألوف من المكونات المختلفة، التي تحشر في مساحة
تبلغ حوالي 30 - 40 ملليمتر مربع، ويمكنها أن تخزن 64,000 وحدة من
المعلومات (بيت bit) ويمكن للشرائح الحديثة المتطورة أن تقوم بمعظم
العمليات التي تؤديها الحاسبة الإلكترونية ويطلق عليها (الميكروبروسيسور (المعالج الصغير)
microprocessor). وإذا تم تجهيز الآلات بالميكروبروسيسور أمكن تحويلها إلى
روبوت. ويمكن حاليا إنتاج المئات من هذه الرقائق دفعة واحدة، وذلك
باستخدام وسائل تقنية حديثة مختلفة تشتمل على عدة عمليات دقيقة متتابعة،
مثل عمليات التصوير باستخدام قوالب معينة، والحفر، وترسيب مواد كيميائية
تعمل كشوائب (مثل ذرات
الفسفور) داخل الشبكة البلورية لعنصر السيليكون، وذلك لتصبح الشريحة
السيليكونية الواحدة في النهاية تعمل عمل أشباه الموصلات semiconductors
والتي تبنى منها الترانزستورات. وفي ختام عملية إنتاج الشرائح الإلكترونية،
يتم وضع طبقة من مادة الألمنيوم يتكون منها أحجبة ثم تحفر لتكوين الروابط
بالدوائر الخارجية.

تعتمد فكرة صناعة الدائرة المتكاملة على خطوات:

تكوين سبيكة سيلكون اسطوانية مصمتة من نوع p
تقطيع الاسطوانة إلى أقراص
ترسيب طبقة رفيعة من نوع n
حقن بنوع pلصنع قاعدة الترانزستور والمقاومات
- ترسيب طبقة من مادة حساسة للضوء
- تعريض المناطق المراد حقنها للضوء
- حقن بنوع p

تكرار نفس الخطوات ولكن بنوع n لصنع باعث الترانزستور
تكرار نفس الخطوات للحقن بنوع +p للعزل بين الترانزستورات
طبقة أوكسيد للعزل
ثقب طبقة الأوكسيد في أماكن التوصيل وطباعة التوصيلات بالألمونيوم

ولادة الدارات المتكاملة: كانت أول فكرة للدارات المتكاملة، قد بدأت على
يد عالم رادار بريطاني يدعى جيفري دُمِر، Geoffreey W.A.Dummer (مواليد
1909). والذي كان يعمل لدى المؤسسة الملكية للرادار والتابعة لوزارة الدفاع
البريطانية. وأعلن عنها في واشنطن في أيار 1952. ولكنه لم يتمكن من
تصنيعها أبداً. الفكرة الأساسية للدارات المتكاملة هي إنشاء مربعات خزفية
صغيرة (رقاقات - wafers)، كل منها يحتوي عنصراً منمنماً (بالغ الصغر). وهذه
العناصر يمكن أن تدمج فيما بعد وتوصل إلى شبكة مدمجة ثنائية الأبعاد أو
ثلاثيتها. هذه الفكرة والتي بدت واعدة جداً عام 1957 قدمت للجيش الأمريكي
من قبل جاك كيلبي، "Jack Kilby"، والذي قدمت له كافة الحوافز الممكنة،
ليقدم أخيراً تصميماً ثورياً جديداً هو الدارات المتكاملة والتي أصبحت تعرف
حالياً بالـ IC. أول دارة متكاملة صنعت بشكل مستقل من قبل عالمين هما: جاك
كيلبي، العامل لدى شركة Texas Instruments، والتي كانت عبارة عن "دارة
صلبة" مصنوعة من الجرمانيوم، والعالم الآخر هو روبرت نويس "Robert Noyce"،
والذي كان يعمل في شركة Fairchild Semiconductor والذي قام بصنع دارة أكثر
تعقيداً من سابقتها وأساسها السيليكون. هكذا ولدت الدارات المتكاملة، ومن
حينها بدأت عمالقة شركات صناعة الإلكترونيات منافستها على إنتاج أصغرها،
أسرعها، وأفضلها أداءً. حتى أصبحت موجودة في كل شيء كهربائي تقريباً.
والدارة المتكاملة عبارة عن دارة بكاملها موجودة في قطعة صغيرة من
السيليسيوم أبعادها بحدود (1.5 mm x 1.5 mm x 0.2 mm)، وتحتوي على عدد كبير
من العناصر الإلكترونية: ترانزستورات، متصلات ثنائية، مقاومات، مكثفات..
وذلك حسب نوعها. ويصل عدد العناصر في البعض منها حالياً إلى 106 عنصر،
وتتصل الدارة المتكاملة مع الدارة الخارجية بواسطة ما يدعى دبابيس (Pins).

تصنيف الدارات المتكاملة: يمكن أن نقوم بتصنيف الدارات المتكاملة بطرق
عديدة، سواء عن طريق الوظيفة، أو الشركة، أو السرعة، أو نوع المنطق التي
تستخدمه، لكن التصنيف الأهم لها هو حسب عدد العناصر (البوابات) التي
تحتويها.

1. الدارات المتكاملة ذات العدد الصغير من البوابات: وتحوي هذه الدارات
أقل من 10 بوابات وتدعى هذه الدارات بـ SSI، " Small scale integration ".

2. الدارات المتكاملة ذات العدد المتوسط من البوابات: وتحوي هذه الدارات
من 10 إلى أقل من 100 بوابة ويرمز لها بـ MSI، " Medium scale
integration".

3. الدارات المتكاملة ذات العدد الكبير من البوابات: يرمز لها بـ LSI
اختصاراً لـ Large scale integration، تحوي من 100 إلى 10000 بوابة.

4. الدارات ذات العدد الكبير جداً من البوابات: وهي تحوي على ما يزيد عن
10000 بوابة، نرمز لها بـ VLSI، " Very Large scale integration ".

وقد ظهر حديثاً الدارات ذات العدد فوق الكبير جداً: " Ultra Large scale
integration ". بالإضافة إلى wafer scale integration، و System-on-Chip
(SOC).

وهنالك تصنيف آخر يقسم الدارات المتكاملة حسب نوع الكمون الذي تقبله في مدخلها، إذ تقسم إلى:

1. الدارات الخطية، Linear Circuits: وهي الدارات التي تقبل في مدخلها كمونات متغيرة بشكل مستمر.

2. الدارات الرقمية، Digital Circuits:

هي الدارات التي تقبل في مدخلها كمونات محددة 0 فولت أو 5 فولت مثلاً،
أي الرقمين المنطقيين 0 و 1. وتعطي هذه الدارة في مخرجها قيماً محددة
أيضاً. 0 أو 5 فولت أو القريب منها.