Entegre devre

Entegre devre, entegre, tümdevre, yonga, kırmık, çip, mikroçip ya da tümleşik devre; genellikle silisyumdan yapılmış yarı iletken maddeler ile tasarlanmış, metal bir levha üzerine yerleştirilen ve bir muhafaza ile kaplanan elektronik devreler grubudur. Entegreler, komponentleri ayrık olan elektronik devrelerden genellikle daha küçük boyutludur. Entegre devreler çok küçük bir alanda milyarlarca transistör ve elektronik devre elemanı içerecek kadar küçültülebilir. Bir devre içerisindeki her bir iletken sıranın genişliği teknolojinin elverdiği ölçüde (2008'de bu ölçü 100 nanometre idi, 2021 itibarıyla bu ölçü 5 nanometredir ) küçültülebilir. Entegre devreler küçük boyutu, hafifliği ve kullanım kolaylığı ile günümüzün modern elektronik sektöründe çok önemli bir yer tutmaktadır.

EPROM bir entegre devre örneğidir.

Yarı iletken araçların vakum tüplerinin fonksiyonlarını çalıştırdığını gösteren deneysel buluşlar ve 20. yüzyıldaki yarı iletken araç üretimi entegre devreleri üretilebilir hale getirdi. Çok sayıda transistörün küçük bir çip içerisindeki bütünlüğü ayrık devre elemanları kullanılarak devrelerin manuel olarak birleştirildiği devri kapatan bir gelişmeydi. Entegre devrelerin toplu üretimi kapasitesi, güvenilirliği ve üst üste dizilebilmesi yaklaşımı; devre tasarlamada ayrık transistör kullanan tasarımların yerini, hızlı bir standartlaştırılmış entegre devre adaptasyonuna bıraktı. Entegre devreler, ayrık devrelere göre iki ana avantaja sahiptir: fiyat ve performans. Fiyatları düşüktür çünkü çipler bütün bileşenleriyle birlikte fotolitografiyle ya da aynı anda yapılı bir transistör yazdırılabilirler. Ayrıca, montaja hazır entegre devreler, ayrık devrelere göre daha az malzemeye ihtiyaç duyar. Performansları yüksektir çünkü, küçük bir boyuta sahip olması ve elemanlarının birbirine yakın olması nedeniyle entegre devre bileşenleri akımı hızlıca aktarır ve entegre devrelerle karşılaştırıldığında daha az güç harcar. 2012'den başlayarak, normal bir çipin alanı birkaç mm²'den, 450 mm²'ye uzanır, bununla birlikte her mm²'lik alanda 9 milyon transistör bulunabilir. Entegre devreler günümüzde hemen hemen bütün elektronik aletlerin içinde bulunurlar ve elektronik dünyasında devrim yapmışlardır. Ucuz fiyatlardaki entegre devrelerle oluşturulan bilgisayarlar, telefonlar ve diğer elektrikli ev aletleri bugünlerde modern toplumda kullanılan parçalardır.

Tanım

Bazı elemanları ayrılmaz bir biçimde birbirine bağlantılı olan ve elektrik bağlantısı olan bir devre entegre devredir. Böylece yapım ve ticari amaçlar için bölünemez olması düşünülmüştür. Bu tanım ince film iletken (thin-layer transistor), yoğun film teknolojileri (thick film technology) veya hibrit entegre devre (hybrid integrated circuit) gibi teknolojileri içeren birçok farklı teknoloji kullanılarak yapılabilir. Ancak, genel kullanımda entegre devre aslında bölüntüsüz entegre devre olarak bilinen tek parça devre yapısını anlatmak için gelmiştir.

Bulunuşu

Entegre devrenin ilk gelişimi 1949 yılına dayanır. Alman mühendis Werner Jacobi (Siemens AG) 1949 yılında entegre yapısına benzer bir yapı ile sinyal yükseltici devre tasarladı. Ancak bu yapı çok aşamalıydı ve 3 masaya sığıyordu. Jacobi, patentinin endüstriyel uygulaması olarak küçük ve ucuz birişitme aygıtı meydana getirdi. Onun patentinin acil ticari kullanımı raporlanmadı.

Entegre devre fikri İngiliz Savunma Bakanlığına bağlı Royal Radar Kurumunda (the Royal Radar Establishment) bilim insanı olarak çalışan Geoffrey W.A. Dummer (1909-2002) tarafından ortaya atıldı. Dummer, Washington'da 7 Mayıs 1952'de Nitelikli Elektronik Parçaların Gelişimi Sempozyumu'nda fikrini öne sürdü. Bu fikri yaymak için bir sürü sempozyum düzenledi ve 1956'da yaptığı devre başarısız sonuçlandı.

Entegre devreler için fikir, hepsini küçültülmüş bir bileşen olan küçük seramik yonga plakası oluşturmaktı. Bileşenler bütünleşmiş ve 2 boyutlu ya da 3 boyutlu ızgara sistem şeklinde telle bağlanmış halde olabilirdi. 1957'de çok umut verici görünen bu fikir, Amerika Birleşik Devletleri Ordusu'na önerildi ve kısa süre Mikromodül Program'a (1951'deki Tinkertoy projesiyle benzer olarak) öncülük etti. Ancak, bu proje hız kazandığında, Jack Kilby entegre devreler için yeni bir tasarım geliştirdi.

Jack Kilby'nin orijinal entegre devresi

Daha sonra Texas Instruments tarafından işe alınan Kilby, entegre devrelerle ilgili ilk fikrini 1958 Temmuz'da kaydetti. İlk entegre çalışmasını 12 Eylül 1958'de başarılı bir şekilde tamamladı. Patent uygulamalarında, 6 Şubat 1959'da Kilby yeni aletini "tamamen bütünleşmiş elektronik devrelerin tüm bileşenlerini barındıran yarı iletken maddelerin yapısı" olarak tanımladı. İlk entegre devre için ilk müşteri Amerika Birleşik Devletleri Hava Kuvvetleri oldu.

Kilby, 2000 yılında entegre devreleri bulduğu için fizik alanında Nobel Ödülü aldı. Yaptığı bu başarılı çalışmaya Elektrik Elektronik Mühendisliği Dönüm Noktaları Listesi'nde (IEEE Milestone) 2009 yılında yer verildi.

Kilby'den yaklaşık altı ay sonra, Fairchild Semiconductor firmasından Robert Noyce onun fikrini geliştirerek entegre devrelerle Kilby' nin çözemediği birçok problemi çözdü. Kilby'nin tasarımında germanyumdan yapılmış olan kısım, Noyce'un tasarımında silisyumdan yapılmıştı.

Fairchild Semiconductor firması aynı zamanda kendi sıraya koyulmuş geçitleriyle tüm modern Cmos bilgisayar çiplerinin temeli olan ilk silikon-geçit entegre devre teknolojisine de ev sahipliği yaptı. Bu teknoloji, Intel'e katılan ve ilk tek çip olan Merkezi İşlem Birimi (CPU) (Intel 4004) ü tasarlayan İtalyan fizikçi Federico Faggin tarafından 1968 de geliştirildi. Faggin 2010'da Teknoloji ve Yenilik Ulusal Madalyası kazandı.

Tümdevre örneği.

Tasarım

Koala tarafından çıkarılan ve işlenen standart bir hücrenin detayı

Tümleşik devre üretiminde silisyum temelli CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) teknolojisi hakim durumdadır. CMOS teknolojisi, transistör başına düşük maliyetler sağladığı ve büyük miktarlarda tümdevre üretimine olanak verdiği için tercih edilmektedir. Bunun dışında, özellikle daha yüksek hızda ya da düşük gürültü ile çalışması istenen devrelerde SiGe (silisyum-germanyum) BJT ya da GaAs (galyum-arsenik) temelli teknolojiler de kullanılabilmektedir. Günümüzde tümleşik devre satışları dünya çapında 300 milyar ABD dolarına yaklaşmıştır.

Tümleşik devrelerin ayrık devrelere göre başlıca iki olumlu yanı sayılabilir: Düşük üretim maliyeti ve başarım. Üretim maliyetinin düşüklüğü, transistörlerin birer birer değil de tek seferde, ışıklı taş baskı (fotolitografi) aracılığıyla basılmaları sayesinde gerçekleşmektedir. Başarımın performansı ise bileşenlerin yakınlığı ve dolayısıyla daha az güç kullanımına bağlıdır. 2006 yılına varıldığında, ortalama yonga alanları 1 ile 350 mm² arasında olup, milimetrekare başına 1 milyon transistör kullanılabilmektedir. Günümüzde nanoteknolojiyle saç telinden ince tümdevreler üretilebilmektedir.

Türkiye'de tümdevre tasarımı

Türkiye, dünyada tümdevre tasarlanan 15 ülke arasındadır.Türk üniversitelerinde tümleşik 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 tümleşik devrelerin tasarımına yönelik yüksek lisans çalışmalarını desteklemektedir.