Integrierter Schaltkreis

Ein integrierter Schaltkreis, auch Chip genannt, vereint Bauelemente und ihre Verbindungen auf einem Halbleiter. Werner Jacobi meldete 1949 ein Patent für mehrere Verstärkerstufen auf einem gemeinsamen Halbleiter an. Die Zähler der 1950er Jahre und die späteren Arbeiten von Kilby und Noyce erschlossen verschiedene Formen der Integration.

Was es ist

Ein integrierter Schaltkreis enthält elektronische Bauelemente auf einem kleinen Halbleiterstück. Die Verbindungen zwischen ihnen gehören ebenfalls dazu: Sie sorgen dafür, dass die Bauelemente gemeinsam eine bestimmte Aufgabe erfüllen. Ein Chip kann Signale verarbeiten, Informationen speichern oder einen zeitlichen Ablauf steuern. Welche Aufgabe er übernimmt, hängt von seinem Aufbau und seiner Verschaltung ab. Ein Prozessor ist eine mögliche Anwendung. Durch die Integration müssen weniger einzelne Teile zusammengebaut und von außen miteinander verbunden werden.

Das Gehäuse schützt den Chip und stellt Anschlüsse bereit, über die er sich mit einem Gerät verbinden lässt. Der NE555 ist ein heute erhältlicher Zeitgeber; die Ausführung NE555P besitzt ein PDIP-Gehäuse mit acht Anschlüssen. Dieses Handelsmodell entstand später als Kilbys Versuchsschaltung. Mit äußeren Widerständen und Kondensatoren kann der Baustein eine Zeitspanne festlegen oder Schwingungen erzeugen. Der eigentliche Halbleiterchip liegt im Inneren des geschlossenen Gehäuses.

Wie es funktioniert

Die Bauelemente entstehen in ausgewählten Bereichen des Halbleiters. Ihre Verbindungen folgen einem vorher festgelegten Entwurf. Bei dem von Robert Noyce vorgeschlagenen planaren Aufbau verlaufen metallische Leiterbahnen oberhalb einer Oxidschicht und verbinden die Bauelemente miteinander. Das Oxid trennt Leiter und Silizium dort, wo kein Strom zwischen ihnen fließen soll. An vorgesehenen Stellen ermöglichen Öffnungen den elektrischen Kontakt. Eine gemeinsame Unterlage allein ergibt noch keine brauchbare Schaltung: Die einzelnen Bereiche müssen passend verbunden und gegeneinander isoliert sein.

Die Kerbe legt die Orientierung des achtpoligen Gehäuses beim Lesen der Anschlussbelegung fest.

Beim NE555 im PDIP-Gehäuse liegt die positive Versorgung an Anschluss acht, Masse an Anschluss eins und der Ausgang an Anschluss drei. Im Inneren überwachen Komparatoren Spannungen. Eine Kippschaltung speichert den Zustand, der den Ausgang steuert. In einer Zeitgeberschaltung lädt oder entlädt sich ein äußerer Kondensator. Die Änderung seiner Spannung bestimmt, wann der Zustand wechselt. Die Zeitspanne hängt damit auch von den Bauteilen außerhalb des Chips ab; sie ist keine feste Eigenschaft des Gehäuses.

Von außen lassen sich weder die Größe des Chips noch die Zahl seiner Bauelemente erkennen. Gleich aussehende Gehäuse können Schaltungen mit ganz unterschiedlichen Aufgaben und Anschlussbelegungen enthalten. Zur Identifizierung eines Bauteils dienen seine Typenbezeichnung und die dazugehörige Herstellerdokumentation. Eine ungeeignete Versorgung oder elektrostatische Entladung kann den Chip beschädigen. Die zulässigen elektrischen Grenzen gelten jeweils für das angegebene Modell. Sie lassen sich nicht pauschal auf andere Schaltkreise übertragen.

So geht’s

Auf eine Siliziumscheibe, den Wafer, werden nacheinander leitende, isolierende oder halbleitende Schichten aufgebracht. Die Fotolithografie überträgt Muster in einen lichtempfindlichen Lack. Diese Muster legen fest, welche Bereiche behandelt werden und welche geschützt bleiben. Wiederholte Arbeitsschritte mit begleitenden Kontrollen erzeugen die Strukturen der Schaltung und ihre Leiterbahnen.

Auf einem Wafer entstehen zahlreiche Schaltungen, bevor sie in einzelne Chips getrennt werden.

Einige Behandlungen verändern örtlich die Eigenschaften des Halbleiters, andere tragen Material auf oder ab. Messungen prüfen die Ergebnisse schon während der Fertigung. Nach Abschluss der Strukturen wird der Wafer in einzelne Chips zerteilt. Anschließend erhalten diese ihre schützenden Gehäuse. Die Sauberkeit der Umgebung ist dabei wichtig: Ein Partikel an der falschen Stelle kann eine Schaltung unbrauchbar machen.

Diese Verfahren gehören in industrielle Anlagen, die für die verwendeten Chemikalien und Maschinen eingerichtet sind. Das Gehäuse eines Bauteils bleibt geschlossen: nicht öffnen, abtragen, erhitzen oder schleifen. Für eine Untersuchung ohne Stromversorgung genügt die äußere Betrachtung. Vergleichen Sie die Orientierung mit der Herstellerzeichnung und verfolgen Sie die Anschlussfolge auf einer vergrößerten Papierzeichnung. Dabei bleibt der Baustein von jeder Stromquelle getrennt; seine inneren Verbindungen werden nicht freigelegt.

Geschichte und Entwicklung

Werner Jacobi meldete 1949 ein Patent an, das mehrere Verstärkerstufen mit Kopplungen zwischen den Stufen auf einem gemeinsamen Halbleiter beschreibt. Das Patent wurde 1952 veröffentlicht. Im selben Jahr stellte Geoffrey Dummer öffentlich die Idee eines festen Elektronikblocks ohne Verbindungsdrähte vor.

Rick Dill berichtete rückblickend, dass er im Sommer 1954 bei IBM unter der Leitung von Joe Logue einen Zähler mit mehreren Zuständen gebaut hatte. Arthur D’Asaro datierte den Betrieb eines Zählers der Bell Labs auf Ende 1955; mehrere Schaltelemente waren dabei in einem Stück Silizium vereint. Diese Berichte beschreiben spezialisierte integrierte Funktionen.

Germaniumelemente, durch feine Golddrähte verbunden: Solche Verbindungen erschwerten die Fertigung in großen Stückzahlen.

Am 12. September 1958 führte Jack Kilby bei Texas Instruments einen Oszillator aus Germaniumelementen vor, die durch feine Golddrähte verbunden waren. Damit zeigte er, dass ein Halbleiter sowohl aktive als auch passive Elemente liefern konnte. Die Drahtverbindungen erschwerten jedoch eine Fertigung in großen Stückzahlen.

Kilby meldete sein Patent am 6. Februar 1959 an. Bei Fairchild griff Robert Noyce Jean Hoernis Planarverfahren auf und schlug metallische Verbindungen über der schützenden Oxidschicht des Siliziums vor. Seine Patentanmeldung folgte am 30. Juli 1959. Ein Fairchild-Team fertigte im Mai 1960 funktionsfähige monolithische Schaltungen. Auch die elektrische Trennung der Bauelemente voneinander musste gelöst werden.

Texas Instruments brachte 1960 einen frühen Baustein auf den Markt, dessen Drahtverbindungen die Herstellung weiterhin begrenzten. Der planare Aufbau ermöglichte anschließend die Serienproduktion und bildet bis heute die Grundlage der Fertigung integrierter Schaltkreise. Kilby und Noyce gelten aufgrund ihrer unterschiedlichen Beiträge als gemeinsame Erfinder. Chips wurden Bestandteile von Computern und zahlreichen anderen Geräten. Ihre Aufgaben reichen von der Signalverarbeitung bis zur Zeitsteuerung und gehen weit über die Funktion eines Prozessors hinaus.