Tre circuiti integrati nei rispettivipackageDIP plastici con i varipiedini uscenti
Uncircuito integrato (in ingleseintegrated circuit, abbreviatoIC) è uncircuito elettronico miniaturizzato dove i varitransistori sono stati formati tutti nello stesso istante grazie a un unico processo fisico-chimico.
Il primo concetto di "circuito integrato" risale al 1949 quando il fisicotedesco Werner Jacobi[1] dellaSiemens AG[2] brevettò un circuitoamplificatore simil-integrato[3] che presentava cinquetransistor su un substrato unico a tre stadi. Jacobi brevettò il sistema per uso comeapparecchio acustico, come tipico utilizzo industriale.
La creazione di circuiti integrati monolitici (chip) fu possibile dal processo dipassivazione superficiale, che stabilizzava elettricamente ilsilicio medianteossidazione termica, rendendo possibile la fabbricazione dei dispositivi. La passivazione superficiale fu inventata daMohamed M. Atalla presso iBell Laboratories nel 1957. Questo rese possibile ilprocesso planare, sviluppato daJean Hoerni allaFairchild Semiconductor agli inizi del 1959.[5][6][7] Un concetto chiave che sta dietro la realizzazione dei circuiti integrati a semiconduttore è il principio dell'isolamento a giunzione p-n, che permette ad ogni transistor di operare in modo indipendente anche se appunto presenti sulla stessa superficie di silicio. Atalla con il suo processo permise di isolare elettricamentediodi e transistor,[8] permettendo la creazione di tali dispositivi aKurt Lehovec presso laSprague Electric nel 1959,[9] e aRobert Noyce della Fairchild lo stesso anno, qualche mese più tardi.[10][11]
Nel 2025 viene presentato il primo chip in una lega stabile di silicio, germanio, stagno e carbonio.[13][14]
Sempre nel 2025 viene avviata la produzione di massa del primo chip termodinamico, che utilizza a proprio favore il rumore relativo alle fluttuazioni elettroniche, alla dissipazione di energia e alla aleatorietà delle variabili in gioco. È ottimizzato per la generazione di immagini e video con l'intelligenza artificiale generativa.[15]
Nel novembre dello stesso anno viene realizzato un microchip che Integra unarete neurale a microonde analogiche e capace di una frequenza di 20 gigahertz.[16][17][18]
Tali sistemi sono i componentihardware essenziali dei sistemi di elaborazione dati quali ad esempio icomputer (es.processore oCPU); imicroprocessori e imicrocontrollori sono gli integrati presenti su moltissimi dispositivi elettronici. Il circuito elettronico è realizzato su unsubstrato di materialesemiconduttore (in generesilicio ma anchearseniuro di gallio o altro) chiamatodie e può essere costituito da poche unità fino a qualche centinaio di milioni di componenti elettronici elementari (transistor,diodi,condensatori eresistori). Il termineintegrato fa riferimento proprio alla presenza di una vasta e spesso alta concentrazione, in funzione della cosiddettascala di integrazione e in una piccola area, di componenti elettronici di base utili alprocessing del segnale entrante.
Il costo di fabbricazione di un circuito integrato varia molto poco (o rimane costante) al crescere della sua complessità, per cui è molto più economico sviluppare circuiti complessi, composti di una serie di stadi interni interconnessi fra loro e con l'esterno, che accentrino tutte le funzioni necessarie ad una specifica apparecchiatura. Per questo, l'industriamicroelettronica offre relativamente pochi tipi di IC generici (general purpose), ma decine di migliaia di IC specializzati (special purpose) ovvero ciascuno progettato per uno scopo specifico.
Il costo di vendita al dettaglio al pubblico è piuttosto contenuto variando a seconda dei tipi tra i 2 e gli 8€, mentre l'incremento nel tempo del numero di componenti elettronici integrati sul chip segue lalegge di Moore.
In un circuito integrato si possono integrare facilmente transistor e diodi: è possibile creare nel substrato semiconduttore anche piccoleresistenze econdensatori, 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 ancheinduttori, ma il valore delle induttanze ottenibili è molto piccolo (nell'ordine deinanohenry (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 aradiofrequenze (LNA[19],mixer, ecc), ad esempio a frequenze attorno aigigahertz (GHz)[20]. Condensatori di media e grande capacità non sono assolutamente integrabili. Sono disponibili invece vari tipi di integrati aventi la funzionerelè, ovvero dispositivi dotati di ingressi logici, per mezzo dei quali interrompere o deviare segnali analogici anche multipli.
Il contenitore può essere in metallo, resine plastiche o ceramica. La categoria dei circuiti personalizzati (custom in inglese) comprende contenitori sia in formato standard che fuori standard. Questi ultimi hanno una forma e unapiedinatura unica. Ne fanno largo impiego i produttori di strumenti di misura elettronici di classe elevata. È in uso da tempo da parte dei produttori, marchiare il componente (almeno i più diffusi), con la data di produzione costituita da un numero di 4 cifre, di cui le prime due indicano l'anno e le seguenti la settimana.
Già prima del 2000 hanno cominciato a essere molto usati i componenti in contenitoriSMD (a montaggio superficiale), perché sono più piccoli, più economici e risparmiano la necessità di forare la basetta portacomponenti, semplificando molto le operazioni di montaggio eseguite su linee di produzione robotizzate.
Lascala di integrazione di un circuito integrato dà una indicazione della sua complessità, indicando grosso modo quantitransistor 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.
ULSI (Ultra large scale integration) (non molto utilizzata): fino a 10 milioni di transistor.
Per numeri superiori di transistor presenti, l'integrazione viene definita comeWSI (Wafer Scale Integration), potendo contenere un intero computer.
Collegata alla scala di integrazione vi è la capacità performante del circuito integrato, che aumenta con il numero dei transistor in accordo con lalegge di Moore.
Disegno di un ipotetico circuito integratoCircuito integrato al microscopio
Il materiale di partenza è una fetta circolare (wafer) di semiconduttore, dettasubstrato, questo materiale, in genere già debolmentedrogato, viene drogato ulteriormente perimpiantazione ionica o perdiffusione termica per creare le zone attive dei vari dispositivi (es. zonep en nei transistor); poi vengono depositati, cresciuti perepitassia oppure termicamente, una serie di sottili strati di materiali diversi:
Strati di semiconduttore policristallino (definito di grado elettronico EGS,ElectronicGradeSilicon, cioè silicio con meno di un'impurità ogni miliardo di atomi e quindi molto puro);
La geometria delle zone che devono ricevere il drogaggio e quella dei vari strati è impressa sul substrato con un processo difotolitografia: 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.
Stazione di saldatura manuale dei sottili fili tra le piazzole deldie e ipin delpackage. Attualmente la procedura è automatizzata
Una volta terminata la creazione dei chip sul substrato, questi vengono testati, il substrato viene tagliato e i chip incapsulati nei contenitori(packages in inglese) con cui verranno montati suicircuiti stampati attraverso i piedini, detti anchepin in inglese.
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, isample 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 leporte logiche, imultiplexer e icontatori.
Die di un microprocessore e di una memoria a confronto
Storicamente i primi circuiti integrati furono digitali, sviluppati per i primicomputer. Questi IC adottavano schemi elettrici interni di tipoRTL (daResistorTransistorLogic), cioè integravano una serie diresistenze su semiconduttore per le polarizzazioni interne: successivamente le resistenze vennero sostituite condiodi, ottenendo schemiDTL (DiodeTransistorLogic), e nel 1961 anche i diodi furono sostituiti con transistor nella famigliaTTL (TransistorTransistorLogic), a cui sono seguite le varianti a basso consumo (LS) e quelle più veloci.
Esiste una famiglia chiamataECL (EmitterCoupledLogic) il cui principio di funzionamento fu realizzato nel 1956 nei laboratoriIBM; 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 ditransistor utilizzato, i circuiti integrati si dividono poi ulteriormente inBipolari se usanotransistor bipolari classici oCMOS (ComplementaryMetalOxideSemiconductor) se usano transistorMOSFET. Negli anni '90 laIntel mise a punto una nuova tecnologia ibrida per i suoi microprocessori, dettaBiCMOS, che permette di usare entrambi i tipi di transistor sullo stesso chip.
Come avviene per molti componenti elettronici, includendo diodi e transistor, anche i circuiti integrati vengono commercializzati in due o più versioni, aventi ciascuna prestazioni elettriche e termiche differenti. Dato che i chip non hanno tutti caratteristiche elettriche perfettamente identiche, il produttore opera una selezione, dividendo in due o più fasce prestazionali lo stesso circuito. Anche ilpackage può essere diverso.
I parametri sui quali viene fatta la selezione possono essere i più vari: temperatura di lavoro garantita, percentuale di errore nella conversione nel caso di un convertitore A/D, grado di linearità di un sensore di temperatura, tensione di lavoro garantita e tanti altri. Per esempio, l'amplificatore operazionale LM108 viene commercializzato anche nella versione LM208 e LM308; il primo ha prestazioni migliori dei secondi, compresa la tensione di lavoro, il vantaggio di poter alimentare l'operazionale con 18 volt speculari invece di 15, permette di avere un segnale di uscita con un livello di tensione più alto, oppure, alimentato con una tensione minore, garantire al circuito in cui è impiegato, una maggiore affidabilità nel tempo.
In genere, le fasce di temperatura di lavoro che si possono garantire per le più diffuse famiglie di circuiti integrati sono quattro:
la fascia "consumer" (TV, hi-fi, telefoni, etc.) 0 ÷ 75 °C
la fascia "industrial" (robotica,automazione, apparecchiature industriali) -25 ÷ 85 °C
la fascia "automotive" (applicazioni nel campo automobilistico) -40 ÷ 85 °C (che tende a sostituire la fascia "industrial")
la fascia "military" (apparecchiature mediche, militari, satellitari) -55 ÷ 125 °C
Ovviamente il prezzo del dispositivo varia anche notevolmente da una fascia ad un'altra. Il package dei dispositivi in fascia military è quasi esclusivamente ceramico.
In alcuni casi, è il costruttore stesso di un'apparecchiatura elettronica ad effettuare un'ulteriore selezione, volta ad ottenere il componente con caratteristiche ancora superiori, necessarie all'impiego previsto nel circuito in progetto.
Nei casi estremi, quando nessun circuito in commercio possiede le caratteristiche necessarie per il progetto in corso, il costruttore progetta e realizza da sé il componente o affida ad altri la realizzazione; il componente porterà una sigla non commerciale e potrà avere caratteristiche non standard. Sarà uncustom.
I costi di realizzazione dei circuiti integrati si sono ridotti notevolmente nel tempo grazie a tecnologie sempre più efficienti ed automatizzate e alla forteeconomia di scala e sono divenuti ormai componenti elettronici circuitali a costo relativamente basso.
SecondoMcKinsey, dal 1995 al 2015 l'industria dei microchip ha generato unfatturato di 3.000 miliardi di dollari e unindotto di 11.000.[21]
IBM ha elaborato nel 2007 un metodo per riciclare il silicio contenuto nei chip e per poterlo riutilizzare persistemi fotovoltaici[22]. Il processo ha vinto "Most Valuable Pollution Prevention Award" nel 2007.
«Those of us active in silicon material and device research during 1956–1960 considered this successful effort by the Bell Labs group led by Atalla to stabilize the silicon surface the most important and significant technology advance, which blazed the trail that led to silicon integrated circuit technology developments in the second phase and volume production in the third phase.»
^Kurt Lehovec's patent on the isolation p–n junction:(EN) US3029366,United States Patent and Trademark Office, Stati Uniti d'America. granted on 10 April 1962, filed 22 April 1959. Robert Noyce acknowledges Lehovec in his article – "Microelectronics",Scientific American, September 1977, Volume 23, Number 3, pp. 63–69.
