Circuito integrato

Un circuito integrato, comunemente chiamato chip, riunisce componenti e collegamenti su un semiconduttore. Nel 1949 Werner Jacobi depositò una domanda di brevetto che descriveva più stadi di amplificazione sullo stesso semiconduttore. I contatori degli anni Cinquanta e i successivi lavori di Kilby e Noyce svilupparono diverse forme di integrazione.

Che cos’è

Un circuito integrato raccoglie componenti elettronici su un piccolo supporto semiconduttore, insieme ai collegamenti necessari a farli lavorare per una funzione comune. Un chip può elaborare segnali, conservare informazioni o controllare una temporizzazione. Il compito dipende dai componenti presenti e dal modo in cui sono collegati. Il processore è una delle sue applicazioni. Con l’integrazione diminuiscono i pezzi da assemblare separatamente e le connessioni da realizzare fra un pezzo e l’altro.

L’involucro protegge il chip e mette a disposizione terminali abbastanza grandi da collegarlo a un apparecchio. Il NE555 è un temporizzatore tuttora in commercio, disponibile anche nella variante NE555P con involucro PDIP a otto piedini. È un modello successivo al prototipo di Kilby. Con resistori e condensatori esterni può generare un intervallo di tempo oppure un’oscillazione. Il chip di semiconduttore si trova all’interno dell’involucro chiuso; le due parti svolgono compiti diversi.

Come funziona

I componenti si formano in determinate regioni del semiconduttore e vengono collegati secondo un progetto prestabilito. Nella struttura planare proposta da Robert Noyce, piste metalliche sopra uno strato di ossido uniscono i componenti. L’ossido separa i conduttori dal silicio nei punti in cui la corrente non deve passare fra loro. Apposite aperture consentono il contatto dove serve. Per ottenere un circuito utilizzabile, gli elementi vicini devono essere collegati e isolati secondo il disegno elettrico.

La tacca permette di orientare l’involucro a otto piedini quando si consulta la piedinatura.

Nel NE555 in involucro PDIP, il piedino otto riceve l’alimentazione positiva, il piedino uno è la massa e il piedino tre fornisce l’uscita. All’interno, alcuni comparatori sorvegliano le tensioni e un circuito bistabile mantiene lo stato che comanda l’uscita. Nei circuiti di temporizzazione, un condensatore esterno si carica o si scarica. Le variazioni della sua tensione determinano il cambio di stato. La durata dipende quindi anche dai componenti collegati attorno al chip.

L’involucro chiuso nasconde le dimensioni del chip e il numero dei suoi componenti. Due dispositivi con lo stesso aspetto possono avere funzioni e piedinature diverse. Per identificare un pezzo reale, occorre leggerne la sigla e consultare la documentazione corrispondente del produttore. Un’alimentazione errata o una scarica elettrostatica possono danneggiarlo. I limiti elettrici indicati dal fabbricante riguardano un modello preciso; per un altro dispositivo bisogna consultarne la documentazione specifica.

Come si fa

Una fetta di silicio, chiamata wafer, riceve in successione strati conduttori, isolanti o semiconduttori. La fotolitografia trasferisce motivi in una resina sensibile alla luce. Le aree così definite permettono di trattare alcune regioni mantenendo protette le altre. Le operazioni vengono ripetute e controllate fino a ottenere le strutture del circuito e i loro collegamenti.

Su un wafer vengono fabbricati numerosi circuiti, separati in seguito in chip singoli.

Alcuni trattamenti modificano localmente le proprietà del semiconduttore; altri aggiungono o rimuovono materiale. Le misure verificano i risultati durante la lavorazione. Una volta completate le strutture, il wafer viene tagliato in chip singoli, poi protetti dai rispettivi involucri. La pulizia dell’ambiente conta: una particella nel punto sbagliato può rendere inutilizzabile un circuito.

Questi processi richiedono impianti industriali attrezzati per le sostanze chimiche e i macchinari impiegati. Conservate l’involucro integro: non apritelo, non asportatene il rivestimento e non scaldatelo né molatelo. Per un’osservazione senza alimentazione, esaminate l’esterno e confrontatene l’orientamento con il disegno del produttore. Un ingrandimento su carta consente di seguire l’ordine dei piedini senza intervenire sui collegamenti interni. Durante l’osservazione, il componente deve restare scollegato da qualsiasi alimentazione elettrica.

Storia ed evoluzione

Nel 1949 Werner Jacobi depositò una domanda di brevetto che descriveva più stadi di amplificazione su uno stesso semiconduttore, con accoppiamenti fra gli stadi. Il brevetto fu pubblicato nel 1952. Nello stesso anno Geoffrey Dummer propose pubblicamente un blocco elettronico solido senza fili di collegamento.

Rick Dill raccontò in seguito di aver realizzato alla IBM un contatore a più stati nell’estate del 1954, sotto la direzione di Joe Logue. Arthur D’Asaro collocò alla fine del 1955 il funzionamento di un contatore dei Bell Labs che riuniva più interruttori in un pezzo di silicio. Queste testimonianze descrivono funzioni integrate specializzate.

Elementi di germanio collegati da sottili fili d’oro: questi collegamenti rendevano difficile la produzione in serie.

Il 12 settembre 1958, alla Texas Instruments, Jack Kilby dimostrò un oscillatore con elementi di germanio collegati da sottili fili d’oro. Il semiconduttore poteva fornire elementi sia attivi sia passivi. I collegamenti a filo rendevano però difficile la produzione in serie.

Kilby depositò la domanda di brevetto il 6 febbraio 1959. Alla Fairchild, Robert Noyce riprese il processo planare di Jean Hoerni e propose collegamenti metallici sopra l’ossido protettivo del silicio. Depositò la domanda il 30 luglio 1959. Un gruppo della Fairchild realizzò circuiti monolitici funzionanti nel maggio 1960. Occorreva risolvere anche l’isolamento fra i componenti.

La Texas Instruments mise in commercio un dispositivo iniziale nel 1960, ancora limitato dai collegamenti a filo. La soluzione planare rese poi possibile la produzione in serie e rimane alla base della fabbricazione dei circuiti integrati. Kilby e Noyce sono riconosciuti come coinventori per contributi differenti. I chip entrarono nei computer e in molte altre apparecchiature, con funzioni che vanno ben oltre il calcolo svolto da un processore.