Een microchip is een geïntegreerd circuit of monolithisch geïntegreerd circuit (ook wel een IC of chip genoemd) is een set elektronische schakelingen op één klein vlak stuk (of “chip”) van halfgeleidermateriaal dat normaal silicium is. De integratie van grote aantallen kleine MOS-transistors in een kleine chip resulteert in circuits die ordes van grootte kleiner, sneller en goedkoper zijn dan die van discrete elektronische componenten. De massaproductiecapaciteit, betrouwbaarheid en bouwsteenbenadering van het IC voor circuitontwerp heeft ervoor gezorgd dat gestandaardiseerde IC’s snel worden overgenomen in plaats van ontwerpen met discrete transistors. IC’s worden nu gebruikt in vrijwel alle elektronische apparatuur en hebben een revolutie teweeggebracht in de wereld van elektronica. Computers, mobiele telefoons en andere digitale huishoudelijke apparaten zijn nu onlosmakelijk verbonden met de structuur van moderne samenlevingen, mogelijk gemaakt door de kleine omvang en lage kosten van IC’s.
Geïntegreerde schakelingen werden praktisch gemaakt door technologische vooruitgang in de fabricage van halfgeleiderelementen van metaal-oxide-silicium (MOS). Sinds hun oorsprong in de jaren zestig zijn de grootte, snelheid en capaciteit van chips enorm verbeterd, aangedreven door technische vooruitgang die steeds meer MOS-transistors op chips van dezelfde grootte past – een moderne chip kan vele miljarden MOS-transistors bevatten in een gebied zo groot als een menselijke vingernagel. Deze vooruitgang, grofweg volgens de wet van Moore, zorgt ervoor dat computerchips van vandaag miljoenen keren de capaciteit en duizenden keren de snelheid van de computerchips van de vroege jaren zeventig bezitten.
IC’s hebben twee belangrijke voordelen ten opzichte van afzonderlijke circuits: kosten en prestaties. De kosten zijn laag omdat de chips, met al hun componenten, als een eenheid worden afgedrukt door fotolithografie in plaats van dat ze één transistor tegelijk worden geconstrueerd. Bovendien gebruiken verpakte IC’s veel minder materiaal dan discrete circuits. De prestaties zijn hoog omdat de componenten van de IC snel schakelen en relatief weinig stroom verbruiken vanwege hun kleine formaat en nabijheid. Het grootste nadeel van IC’s zijn de hoge kosten om ze te ontwerpen en de benodigde fotomaskers te fabriceren. Deze hoge initiële kosten betekenen dat IC’s alleen commercieel levensvatbaar zijn wanneer hoge productievolumes worden verwacht.
Soorten
Geïntegreerde schakelingen kunnen worden geclassificeerd in analoog, digitaal en gemengd signaal, bestaande uit zowel analoge als digitale signalering op hetzelfde IC.
Digitale geïntegreerde schakelingen kunnen overal van één tot miljarden logische poorten, flip-flops, multiplexers en andere schakelingen in een paar vierkante millimeter bevatten. Het kleine formaat van deze circuits zorgt voor een hoge snelheid, een laag energieverbruik en lagere productiekosten in vergelijking met board-level integratie. Deze digitale IC’s, typisch microprocessors, DSP’s en microcontrollers, werken met booleaanse algebra om “één” en “nul” signalen te verwerken.
Tot de meest geavanceerde geïntegreerde schakelingen behoren de microprocessors of “cores”, die alles besturen, van pc’s en mobiele telefoons tot digitale magnetrons. Digitale geheugenchips en toepassingsspecifieke geïntegreerde schakelingen (ASIC’s) zijn voorbeelden van andere families van geïntegreerde schakelingen die belangrijk zijn voor de moderne informatiemaatschappij.
In de jaren tachtig werden programmeerbare logische apparaten ontwikkeld. Deze apparaten bevatten circuits waarvan de logische functie en connectiviteit door de gebruiker kunnen worden geprogrammeerd, in plaats van te worden vastgelegd door de fabrikant van de geïntegreerde schakelingen. Hierdoor kan een enkele chip worden geprogrammeerd om verschillende LSI-type functies te implementeren, zoals logische poorten, adders en registers. Programmeerbaarheid komt in ten minste vier vormen voor: apparaten die slechts één keer kunnen worden geprogrammeerd, apparaten die kunnen worden gewist en vervolgens opnieuw kunnen worden geprogrammeerd met UV-licht, apparaten die kunnen worden (her) geprogrammeerd met flashgeheugen en in het veld programmeerbare poortarrays (FPGA’s) ) die op elk moment kan worden geprogrammeerd, ook tijdens bedrijf. Huidige FPGA’s kunnen (vanaf 2016) het equivalent van miljoenen poorten implementeren en werken op frequenties tot 1 GHz.
Analoge IC’s, zoals sensoren, stroombeheercircuits en operationele versterkers (op-amps), werken door continue signalen te verwerken. Ze voeren analoge functies uit zoals versterking, actieve filtering, demodulatie en mixen. Analoge IC’s verlichten de last voor circuitontwerpers door vakkundig ontworpen analoge circuits beschikbaar te hebben in plaats van vanaf nul een moeilijk analoog circuit te ontwerpen en / of te bouwen.
IC’s kunnen ook analoge en digitale schakelingen op een enkele chip combineren om functies te creëren zoals analoog-naar-digitaalomzetters en digitaal-naar-analoogomzetters. Dergelijke circuits met gemengde signalen bieden kleinere afmetingen en lagere kosten, maar moeten zorgvuldig rekening houden met signaalinterferentie. Vóór het einde van de jaren negentig konden radio’s niet worden vervaardigd met dezelfde goedkope CMOS-processen als microprocessors. Maar sinds 1998 zijn er een groot aantal radiochips ontwikkeld met behulp van RF CMOS-processen. Voorbeelden zijn Intel’s draadloze DECT-telefoon of 802.11 (Wi-Fi) -chips gemaakt door Atheros en andere bedrijven.
Moderne distributeurs van elektronische componenten verdelen de enorme verscheidenheid aan geïntegreerde schakelingen die nu beschikbaar zijn, vaak verder in categorieën:
- Digitale IC’s zijn verder onderverdeeld in logische IC’s (zoals microprocessors en microcontrollers), geheugenchips (zoals MOS-geheugen en floating-gate geheugen), interface-IC’s (niveauverschuivers, serializer / deserializer, enz.), Energiebeheer-IC’s, en programmeerbare apparaten.
- Analoge IC’s worden verder onderverdeeld in lineaire geïntegreerde circuits en RF-circuits (radiofrequente circuits).
- Geïntegreerde schakelingen met gemengde signalen worden verder onderverdeeld in IC’s voor gegevensverwerving (inclusief A / D-omzetters, D / A-omzetters, digitale potentiometers), klok- / timing-IC’s, schakelingen met geschakelde condensatoren (SC) en RF CMOS-schakelingen.
- Driedimensionale geïntegreerde schakelingen (3D IC’s) worden verder onderverdeeld in door-silicium via (TSV) IC’s en Cu-Cu-verbindings-IC’s.