مدار مجتمع

مدار مجتمع یا آی‌سی (به انگلیسی: Integrated circuit یا به اختصار IC) همچنین مدار یکپارچه که به آن تراشه(Chip) یا ریزتراشه (Microchip) نیز می‌گویند، به مجموعه‌ای از مدارهای الکترونیکی گفته می‌شود که بر روی یک سطح صاف کوچک (چیپ) از جنس مواد نیمه‌رسانا (معمولا از جنس سیلیسیم) قرار داده شده‌است.

با قرار دادن تعداد خیلی زیادی ترانزیستور کوچک در یک ریزتراشه، مدارهایی ساخته می‌شود که از لحاظ اندازه بسیار کوچکتر، سریع‌تر و ارزان‌تر از مدارهایی است که از اجزای گسسته ساخته می‌شود. 
مدارهای الکتریکی عموماً شامل اجزایی از قبیل مقاومت، خازن، سلف و ترانزیستور می‌باشد. با توجه به اینکه فرایند ساخت ترانزیستور در تکنولوژی‌های مدارهای مجتمع راحت‌تر از المان‌های Passive یا منفعل دیگر است، طراحان ترجیح می‌دهند این المان‌های پسیو را توسط ترانزیستورها پیاده‌سازی کنند و تا حد ممکن تمامی المان‌های مدارهای الکترونیکی را به ترانزیستور تبدیل نمایند، سپس با تکنولوژی‌های ساخت مدارهای مجتمع آن‌ها را پیاده‌سازی کنند. هر تراشه معمولاً حاوی تعداد بسیار زیادی ترانزیستور می‌باشد که با استفاده از فناوری پیچیده‌ای در داخل لایه‌ای از ماده نیمه هادی؛ مانند سیلیسیم همگون با پروسه‌های ساخت مدارهای مجتمع ساخته می‌شوند. امروزه تراشه‌ها در اکثر دستگاه‌های الکترونیکی و به ویژه رایانه‌ها در ابعادی گسترده بکار می‌روند.
وجود تراشه‌ها مرهون کشفیات بشر دربارهٔ نیمه رساناها و پیشرفت‌های سریع پیرامون آن‌ها در میانه‌های سده بیستم می‌باشد. مهم‌ترین المان مداری که در تکنولوژی‌های مدار مجتمع ساخته می‌شود، ماسفت (به انگلیسی: MOSFET) می‌باشد. شرکت اینتل به عنوان مهم‌ترین سازنده مدارهای مجتمع در جهان شناخته شده‌است.

انواع

مدارهای مجتمع را می‌توان به گونه‌های آنالوگ، دیجیتال، و سیگنال مختلط، تقسیم کرد. مدارهای مجتمع می‌توانند در چند میلیمترمربع شامل یک تا میلیاردها دروازه منطقی، فلیپ‌فلاپ، مولتی‌پلکسر و سایر مدارها باشند.

کار ریز تراشه‌ها

هر ریز تراشه، وظیفه یا وظایف خاصی را در مدار انجام می‌دهد. عموماً هر ریز تراشه چندین ورودی دارد که با پردازش این ورودی‌ها، مقادیر خروجی را تولید و در بخش خروجی خود قرار می‌دهند. بعضی از ریز تراشه‌ها با سیگنالهای آنالوگ کار می‌کنند (مانند ریز تراشه‌ای باکد ۷۴۱، یک آمپلی فایر آنالوگ است). بعضی‌های دیگر با سیگنال‌های دیجیتال کار می‌کنند - به عنوان ورودی‌های منطقی یا برای دریافت داده دیجیتالی، مانند ریز تراشه‌ای که برای خواندن اطلاعات موجود در یک CD استفاده می‌شود. واحد پردازنده مرکزی رایانه ها(به انگلیسی:  Central Processing Unit (CPU)) یکی از مهم‌ترین مدارات ساخته شده به صورت مجتمع است که میلیاردها ترانزیستور را در سطح کوچکی از نیمه هادی جای داده‌است. مثلاً پروسسور IBM z13 Storage Controller که در سال ۲۰۱۵ ساخته شده‌است، حدود ۷٬۱۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰ ترانزیستور را در 678mm² سطح نیمه هادی از ویفر جای داده‌است.

طرز ساخت ریز تراشه‌ها

ریز تراشه‌ها را با تعبیهٔ مدارهای الکترونیکی در لایه‌ای نازک از سیلیکن خالص به اسم ویفر سیلیکنی
(به انگلیسی:  Silicon Wafer)، به صورت یک فرایند پیچیده و به صورت لایه لایه می‌سازند. به فرایند ساخت ریز تراشه: تکنولوژی ساخت مدارات نیمه هادی می‌گویند. تمامی مراحل ساخت ریز تراشه در اتاق‌هایی موسوم به اتاق تمیز (به انگلیسی:  Cleanroom) انجام می‌شود که از نظر سطح ناخالصی و طیف‌های نوری موجود در اتاق کاملاً تحت کنترل است.
فیلم ساخت ریز تراشه.

تکنولوژی‌های ریز تراشه‌ها

مدارهای مجتمعی که شامل ترانزیستورهای دوقطبی (BJT: Bi Junction Transistor) باشند را با نام Transistor Transistor Logic) TTL) و مدارهای مجتمعی که شامل ترانزیستورهای NMOS و PMOS هستند را(Cmos(Complementry Metal Oxide Semiconductor می‌نامند. ترکیب این دو تکنولوژی را با نام BiCmos می‌شناسند. در مقابل مدارهای مجتمع، مدارهای گسسته (به انگلیسی:  Discrete Circuits) وجود دارند که شامل قطعاتی مجزا هستند که به هم روی یک برد متصل شده‌اند.
البته تمامی المان‌های پسیو نظیر مقاوت، سلف و خازن هم در تکنولوژی‌های مدارهای مجتمع قابل ساخت هستند. در ساخت ریز تراشه‌ها، طراحان سعی می‌کنند تا حد امکان از ترانزیستوربه جای المان‌های پسیو استفاده کنند. مثلاً به جای خازن از ترانزیستور در بایاس معکوس استفاده می‌کنند، یا در جایی دیگر که مقاومت بزرگی نیاز دارند مثلاً در حد مگا اهم باز از ترانزیستور استفاده می‌کنند. چون در حجمی که مقاومت می‌گیرد می‌توان چند ترانزیستور کوچک جای داد و حجم نهایی مدار را کاهش داد. از طرفی برای ساخت سلف هم از مدارات ماسفت استفاده می‌شود که دقت قابل قبول و ضریب کیفیت (به انگلیسی: Self Quality Factor) بهتری خواهد داشت.
بعضی از ریز تراشه‌ها به گونه‌ای از لایه‌های سیلیکون بهره می‌برند که می‌توانند حتی به عنوان حافظه مورد استفاده قرار گیرند نمونه‌ای از این ریز تراشه‌ها PROM نام دارد (حافظهٔ قابل برنامه‌ریزی فقط‌خواندنی: Programmable Read Only Memory) همانگونه که از اسم این نوع تراشه معلوم است فقط اطلاعات آن قابل خواندن است و امکان تغییرات در آن وجود ندارد از این نوع ای سی برای مدارات اصلی کامپیوتر نیز استفاده می‌شود همان قسمت از حافظه که به آن ROM نیز می‌گویند.

مدارهای مجتمع دیجیتال

به مدارهای AND,OR,NOT؛ گیتهای منطقی (به انگلیسی:  Logical Gate) می‌گویند. اگر این گیت‌ها توسط تکنولوژی‌های مدار مجتمع در حجم وسیعی بر روی یک تراشه ساخته شوند، به آن ریز تراشه ها؛ مدارهای مجتمع دیجیتال می‌گویند.