دائرة تكاملية

دائرة تكاملية أو متكاملة عبارة عن دائرة الكترونية مصغرة وهي من ضمن مايعرف بتقانة ميكروية والتي هي بدورها جزء من الهندسة الإلكترونية ، أحدث ثورة في عالم الالكترونيات, الشريحة رقيقة من مادة السيلكون تبلغ مساحتها عدة ملليمترات و يطلق عليها ((شريحة السيلكون silicon chip)) أو رقاقة السيلكون و تحتوي شريحة السيلكون على الآلاف من المكونات الالكترونية الدقيقة جدا ، مثل الترانزستورات و المقاومات و المكثفات التي تربط معا لتكون دوائر الكترونية متكاملة ، و قد تم إنتاجها لأول مرة بالولايات المتحدة في عام 1958. و الشرائح الالكترونية التي تستخدم في الوقت الحاضر ، تحتوي على عشرات الألوف من المكونات المختلفة ، التي تحشر في مساحة تبلغ حوالي 30 - 40 ملليمتر مربع ، و يمكنها أن تخزن 64,000 وحدة من المعلومات (بيت bit) و يمكن للشرائح الحديثة المتطورة أن تقوم بمعظم العمليات التي تؤديها الحاسبة الالكترونية و يطلق عليها (الميكروبروسيسور ((المعالج الصغير)) microprocessor). و إذا تم تجهيز الآلات بالميكروبروسيسور أمكن تحويلها إلى روبوت. و يمكن حاليا انتاج المئات من هذه الرقائق دفعة واحدة ، و ذلك باستخدام وسائل تقنية حديثة مختلفة تشتمل على عدة عمليات متتابعة ، مثل عمليات التصوير باستخدام حواجز معينة ، و الحفر ، و ترسيب مواد كيميائية تعمل كشوائب (مثل ذرات الفسفور) داخل الشبكة البلورية لعنصر السيليكون ، و ذلك لتصبح الشريحة السيليكونية الواحدة في النهاية تعمل عمل أشباه الموصلات semi conductors و التي تبنى منها الترانزستورات. و في ختام عملية إنتاج الشرائح الالكترونية ، 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 و المقاومات
  • 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.