Entegre devre

EPROM bir entegre devre örneğidir.

Entegre Devre (diğer adlarıyla tümdevre, yonga, kırmık, çip, mikroçip veya tümleşik devre), elektronik devre elemanlarının genellikle silisyum gibi yarı iletken maddeler üzerine tasarlandığı, metal bir levhaya yerleştirildiği ve koruyucu bir muhafazayla kaplandığı bir teknolojidir.[1]

Bu devreler, bileşenleri ayrı olan elektronik devrelere göre çok daha küçük boyutlardadır. Modern entegre devreler, çok küçük bir alanda milyarlarca transistör ve diğer elektronik elemanları barındırır. Bu özellikleri sayesinde, yüksek performanslı ve kompakt elektronik cihazların geliştirilmesine olanak tanır.

Entegre devrelerde, bir devre içerisindeki her bir iletkenin genişliği, teknolojinin elverdiği ölçüde küçültülebilir. 2008 yılında bu genişlik 100 nanometre iken, 2021 yılı itibarıyla 5 nanometreye kadar düşmüştür. Entegre devreler, küçük boyutları, hafiflikleri ve kullanım kolaylıkları sayesinde modern elektronik sektöründe önemli bir yer tutmaktadır.

Yarı iletken malzemelerin vakum tüplerinin işlevlerini yerine getirdiğini gösteren deneysel keşifler ve 20. yüzyılda yarı iletken araç üretimindeki ilerlemeler, entegre devrelerin üretilebilir olmasını sağladı. Birçok transistörün küçük bir çipte birleştirilmesi, devrelerin elle, ayrı elemanlar kullanılarak birleştirildiği dönemi sonlandıran önemli bir gelişmeydi. Entegre devrelerin seri üretim kapasitesi, güvenilirliği ve üst üste yerleştirilebilme özellikleri, ayrı transistörlerle yapılan devre tasarımlarının yerini alarak hızla standart entegre devrelerin kullanılmasını sağladı.

Entegre devreler, ayrık devrelere göre iki ana avantaja sahiptir: maliyet ve performans. Düşük maliyetleri, çip üzerindeki bileşenlerinin fotolitografi yöntemiyle ya da transistörlerle aynı anda üretilebilmesinden kaynaklanır. Ayrıca montaja hazır entegre devreler, ayrık devrelere kıyasla daha az malzemeye ihtiyaç duyar. Performans açısından ise entegre devreler, küçük boyutları ve bileşenlerin birbirine yakın olması sayesinde akımı daha hızlı aktarır ve daha az güç harcar.

2012'den itibaren, sıradan bir çipin alanı birkaç mm²'den 450 mm²'ye kadar genişleyebilir ve her mm²'lik alanda yaklaşık 9 milyon transistör bulunabilir. Entegre devreler, günümüzde neredeyse tüm elektronik cihazlarda bulunur ve elektronik dünyasında bir devrim yaratmıştır. Uygun fiyatlı entegre devrelerle üretilen bilgisayarlar, telefonlar ve diğer elektrikli ev aletleri, modern toplumda yaygın olarak kullanılan cihazlar haline gelmiştir.

Tanım

Entegre devre, bazı elemanları ayrılmaz bir biçimde birbirine bağlı ve elektriksel olarak bağlantılı olan bir devre olarak tanımlanır. Bu tür devreler, üretim ve ticari amaçlar için bölünemez bir yapıdadır. Bu tanım, ince film iletken (thin-layer transistor), yoğun film teknolojileri (thick film technology) veya hibrit entegre devre (hybrid integrated circuit) gibi farklı teknolojileri kapsayabilir. Ancak, yaygın kullanımda entegre devre terimi, aslında bölüntüsüz entegre devre olarak bilinen tek parça devre yapısını ifade etmek için kullanılmaktadır.

Tarihi

Entegre devrelere (IC) benzer bileşenleri bir cihazda birleştirme girişimlerinden biri, 1926'da üretilen Loewe 3NF vakum tüpüdür. Ancak, entegre devrelerden farklı olarak bu cihaz, Almanya'da radyo alıcıları için tüp yuvası sayısına bağlı olarak uygulanan vergiden kaçınmak amacıyla tasarlanmıştı. Loewe 3NF, radyo alıcılarının tek bir tüp yuvasına sahip olmasına olanak tanıyordu. Bir milyon adet üretilmiş olup, "radyoelektronik cihazların entegrasyonunda ilk adım" olarak kabul edilmiştir. Cihaz, üç triot, iki kapasitör ve dört dirençten oluşan bir amplifikatör içeriyordu ve altı pinli bir cihaz şeklindeydi. Loewe 3NF'li radyolar, diğer radyolardan daha ucuzdu, bu da entegre bileşenlerin ayrık bileşenler kullanılarak yapılan tasarımlara göre sahip olduğu avantajlardan birini, yani maliyet düşüşünü, IC'lerle on yıllar sonra daha belirgin hale getirecek olan bir örnekti.

Entegre devreye dair ilk fikirler, 1949 yılına kadar uzanır. Alman mühendis Werner Jacobi (Siemens AG) o yıl, beş transistörü ortak bir taban üzerinde üç aşamalı bir amplifikatör düzeninde bir araya getiren, entegre devre benzeri bir yarı iletken amplifikasyon cihazı için patent başvurusunda bulundu. Jacobi, bu patentin tipik endüstriyel uygulamaları arasında küçük ve ucuz işitme cihazları gibi ürünleri öne çıkarmıştı. Ancak, bu buluşun ticari anlamda hemen bir uygulamaya dönüştüğüne dair herhangi bir rapor bulunmamaktadır.

Daha sonralarında, İngiliz Savunma Bakanlığı'na bağlı Royal Radar Kurumu'nda bilim insanı olarak görev yapan Geoffrey W.A. Dummer (1909-2002) entegre devre fikrinin öncü bir halini savundu. Dummer, bu fikrini 7 Mayıs 1952'de Washington'da düzenlenen Nitelikli Elektronik Parçaların Gelişimi Sempozyumu'nda dile getirdi. Entegre devre fikrini yaymak amacıyla birçok sempozyum düzenledi, ancak 1956'da geliştirdiği devre başarısız oldu.

İlk Entegre Devreler

Entegre devrelerin temel fikri, tüm bileşenlerin küçültülmüş bir yapı olan küçük seramik yonga plakası üzerinde bir araya getirilmesiydi. Bileşenler, 2 boyutlu ya da 3 boyutlu ızgara sistemleri şeklinde birbirine bağlanmış olabiliyordu. 1957 yılında bu umut verici fikir, Amerika Birleşik Devletleri Ordusu'na önerildi ve kısa süre içinde Mikromodül Programı'na (1951'deki Tinkertoy projesiyle benzerlik gösteriyordu) öncülük etti. Ancak, bu proje hız kazanırken, Amerikalı elektrik mühendisi Jack Kilby entegre devreler için yeni bir tasarım geliştirdi.

Jack Kilby'nin orijinal entegre devresi

Daha sonrasında Texas Instruments tarafından işe alınan Kilby, entegre devrelerle ilgili ilk fikrini Temmuz 1958'de kaydetti. İlk entegre çalışmasını 12 Eylül 1958'de başarıyla tamamladı. Patent başvurularında, 6 Şubat 1959'da Kilby, yeni aletini "tamamen bütünleşmiş elektronik devrelerin tüm bileşenlerini barındıran yarı iletken maddelerin yapısı" olarak tanımladı. İlk entegre devrenin ilk müşterisi Amerika Birleşik Devletleri Hava Kuvvetleri oldu.

Kilby, entegre devreleri bulduğu için 2000 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı. Ayrıca, yaptığı bu önemli çalışma, 2009 yılında Elektrik Elektronik Mühendisliği Dönüm Noktaları Listesi'nde (IEEE Milestone) yer aldı.

Kilby'den yaklaşık altı ay sonra, Fairchild Semiconductor firmasından Robert Noyce, Kilby'nin entegre devre fikrini geliştirerek onun çözemediği birçok problemi çözdü. Kilby'nin tasarımında kullanılan germanyum, Noyce'un tasarımında silisyum ile değiştirildi.

Fairchild Semiconductor ayrıca, tüm modern CMOS bilgisayar çiplerinin temelini oluşturan ilk silikon-geçit entegre devre teknolojisine de ev sahipliği yaptı. Bu teknoloji, 1968 yılında Intel'e katılan ve ilk tek çipli Merkezi İşlem Birimi (CPU) olan Intel 4004'ü tasarlayan İtalyan fizikçi Federico Faggin tarafından geliştirildi. Faggin, 2010 yılında Teknoloji ve Yenilik Ulusal Madalyası ile onurlandırıldı.

TTL Entegre Devreleri

Transistor–transistor mantığı (TTL), 1960'ların başında James L. Buie tarafından TRW Inc.'te geliştirildi. TTL, 1970'ler ile 1980'lerin başları arasında baskın entegre devre teknolojisi haline geldi.

TTL entegre devreleri, minibilgisayarlar ve ana bilgisayarların işlemcileri için standart bir yapı oluşturdu. IBM 360 ana bilgisayarları, PDP-11 minibilgisayarları ve masaüstü Datapoint 2200 gibi bilgisayarlar, TTL veya daha hızlı emitör-bağlantılı mantık (emitter-coupled logic) (ECL) devresi gibi bipolar entegre devrelerle inşa edildi.

EPROM

Ana madde: EPROM

Dov Frohman, 1969-1971 yılları arasında EPROM'u geliştiren bir İsrailli elektrik mühendisi olarak önemli bir figürdü.

MOS Entegre Devreleri

Modern entegre devrelerin büyük bir kısmı, metal–oksit–yarı iletken (MOS) entegre devreleri olup, MOSFET (metal–oksit–silisyum alan etkili transistörleri) kullanılarak inşa edilir. MOSFET, 1955 ile 1960 yılları arasında Bell Labs’te icat edilmiştir ve yüksek yoğunlukta entegre devreler inşa edilmesini mümkün kılmıştır. Bipolar transistörlerin gerektirdiği karmaşık adımların aksine, MOSFET'ler kolayca birbirinden izole edilebilmektedir.

İlk deneysel MOS entegre devresi, 1962’de Fred Heiman ve Steven Hofstein tarafından 16 transistörlü bir çip olarak üretilmiştir. 1964’te General Microelectronics, Robert Norman tarafından geliştirilen 120 transistörlü bir kaydırma kaydını içeren ilk ticari MOS entegre devresini tanıttı. 1960'ların sonlarına doğru MOS çipler, bipolar çiplere göre daha yüksek transistor yoğunluğu ve daha düşük üretim maliyetine ulaştı.

Robert Kerwin, Donald Klein ve John Sarace tarafından geliştirilen kendinden hizalı kapaklı MOSFET, 1967'de Fairchild Semiconductor'ta Federico Faggin tarafından uygulandı ve modern CMOS entegre devrelerinin temeli oluşturuldu. MOS LSI çipleri, tek bir çipte tamamen bir bilgisayar işlemcisinin yer alabileceği fikrini doğurarak mikroişlemcilerin ve mikrodenetleyicilerin icadına yol açtı. 1970’lerin başında MOS entegre devre teknolojisi, bir çipte 10,000'den fazla transistörün entegrasyonunu mümkün kıldı.

Başlangıçta, MOS tabanlı bilgisayarlar yalnızca yüksek yoğunluk gerektiren alanlarda mantıklıydı, ancak 1980’lerin başında TTL tabanlı bilgisayarlar, MOS mikroişlemcilerden çok daha hızlı ve güçlüydü. Moore Yasası sayesinde MOS transistörlerinin sayısının iki yılda bir iki katına çıkması bekleniyordu. Bu durum, maliyetleri düşürüp işlevselliği artırmak için kullanıldı.

Gelişmeler, mikroelektromekanik sistemler (MEMS) ve entegre optik cihazlar gibi farklı alanlara yayılmaya başladı. Ayrıca, optik işlevselliğin entegre devrelere eklenmesi ve biyolojik uygulamalarda kullanılmak üzere sensörler geliştirilmesi gibi çalışmalara yön verildi.

2018 itibarıyla, tüm transistörlerin büyük çoğunluğu, bir çipin tek bir yüzeyinde katmanlı bir düzlem sürecinde üretilen MOSFET'lerdir. Araştırmacılar, 3D entegre devreler (3DIC) ve alternatif malzemelerden yapılan transistörler gibi çeşitli yenilikçi yaklaşımlar geliştirmektedir. Bu yenilikler, daha küçük transistörler üretmenin zorlaşması nedeniyle gelişim göstermektedir.

Tümdevre örneği.

Tasarım

Koala tarafından çıkarılan ve işlenen standart bir hücrenin detayı

Tümleşik devre üretiminde silisyum temelli CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) teknolojisi öne çıkmaktadır. CMOS, transistör başına düşük maliyetler sunması ve büyük miktarlarda entegre devre üretimine olanak tanıması nedeniyle tercih edilmektedir. Ayrıca, yüksek hız veya düşük gürültü gereksinimi olan devrelerde SiGe (silisyum-germanyum) BJT veya GaAs (galyum-arsenik) tabanlı teknolojiler de kullanılmaktadır. Günümüzde entegre devre satışları, dünya genelinde 300 milyar ABD dolarına yaklaşmaktadır.

Entegre devrelerin ayrık devrelere göre iki ana avantajı vardır: Düşük üretim maliyeti ve yüksek performans. Düşük maliyet, transistörlerin bireysel olarak değil, tek seferde fotolitografi yöntemiyle basılmasıyla elde edilir. Performans ise bileşenlerin birbirine yakınlığı sayesinde daha az güç tüketimine dayanır. 2006 yılı itibarıyla, ortalama yonga alanları 1 ile 350 mm² arasında değişmekte ve milimetrekare başına 1 milyon transistör kullanılabilmektedir. Günümüzde, nanoteknoloji sayesinde saç telinden daha ince entegre devreler üretilebilmektedir.

Türkiye'de entegre devre tasarımı

Türkiye, dünyada entegre devre tasarlanan 15 ülke arasındadır.Türk üniversitelerinde entegre devre tasarımı konusunda araştırmalar yürütülmektedir. Bunun dışında, entegre devre üretimi yapan firma ve kuruluşlardan bazıları İstanbul'da da faaliyet göstermektedir. Ayrıca bazı Türk firmaları üniversitelerle iş birliği yaparak sayısal entegre devrelerin tasarımına yönelik yüksek lisans çalışmalarını desteklemektedir.