Entegre devreler nasıl çalışır?

Sahip olduğunuz akıllı telefonlar, tabletler, bilgisayarlar, oyun konsolları, tv, radyo aklınıza gelebilecek her elektronik cihazda bulunan entegre devre, modern dünyanın temelini oluşturan şeylerden biri.  Entegre devreler nasıl çalışır? Entegre devre nedir? Analog nedir, dijital nedir? p-n bağlantısı nedir? Devre nasıl yapılır? Entegre devrelerin tarihçesi nedir? sorularının cevabı için okumaya devam edin.

Entegre devreler nasıl çalışır?

2o. yüzyılın en büyük icatlarını düşününce çok az kişinin aklına entegre devre gelir. Entegre devreler sayesinde hayatlarımıza giren cihazların adları mutlaka aklınıza gelecektir (Sayıları epey fazla.) ama ilk kez 1958’de bir araya getirilen bu transistor kümelerinin üzerinde pek durmayız.

Aslında bu anlaşılır bir durum. Entegre devreler çok küçük (modern tabiriyle “nano ölçekte”) ve hiç etkileyici görünmeyen şeyler. Esasında bunlar, gözle görülmeyen işlevleri yerine getirmek üzere birbirine bağlanmış metal ve yarı iletken bileşenlerden ibaret.

Ancak kişisel bilgisayarlardan akıllı telefonlara ve televizyonlara kadar tüm modern elektronik cihazlar entegre devre devreler sayesinde çalışıyor ve en temel işlemlerini onlar sayesinde yapabiliyorlar.

Entegre devre nedir?, Entegre devre, minik aktif ve pasif devre elemanlarından oluşan bir devre grubudur. Aktif devre elemanlarına örnek olarak transistörler ve diyotlar, pasif elemanlara örnek olarak kondansatörler ve dirençler verilebilir. Bunların hepsi yarı iletken bir malzemeden (örn. silikon) yapılan ince bir levha üzerine yerleştirilir. ABD’deki yonga üreticilerinin merkezi Silikon Vadisi de adını bu silikondan alır.

Bu yapılar bir araya gelince ortaya bir bilgisayar yongası (çip) çıkıyor. Yongaların boyutları birkaç milimetre ile birkaç santimetre (örn. bilgisayar işlemcileri) arasında değişiyor. Bu yongaların içindeki çok sayıda dahili entegre devre, plastik kabuklarla korunuyor. Yongalar da bir araya gelerek elektronik cihazlarımızın temelini oluşturuyor.

p-n bağlantılarını anlama

p-n bağlantısı, iki ayrı tip yarı iletken malzeme arasındaki iletimi engelleyen bir entegre devre parçasıdır. Özünde bir p-n bağlantısı, akımın belirli bir yönde akmasına izin veren veya vermeyen veren bir diyot türüdür.

Elektron hareketliliği yüksek olan kadmiyum arsenit gibi bir n tipi yarı iletken malzeme, elektron boşluk konsantrasyonu yüksek olan bakır sülfür gibi bir p tipi yarı iletken malzemeye birleşince elektronlar n tipi tarafından p tipi tarafına geçer ve bazı boşluklar da ters yöne geçer.

Bu eylem sonucunda, iki yarı iletkenin buluştuğu yerde pozitif ve negatif yüklü iki iyon çekirdeği ortaya çıkar ve bunların arasında bir elektrik alanı oluşur. Buraya “tükenim tabakası” veya “tükenim bölgesi” denir. Elektrik alanının belli bir yönü olduğundan, ileri veya ters öngerilimli bir voltaj üretilir.

Sonuç olarak, p-n bağlantıları transistor yapımında kullanılabilir ve tüm dijital devreler de transistörlerden yapılır.

BİLİYOR MUYDUNUZ? Silisyum [silikon], dünyada en çok bulunan ikinci element. Ondan daha fazla alan tek element oksijen.

Analog nedir, dijital nedir?

İki temel entegre devre türü var: analog ve dijital.

Analog (lineer) devreler en basit olanlar ve genellikle mikrofon gibi sinyal toplayan veya gönderen elektronik cihazlarda kullanılıyorlar. Örneğin, gelen mikrofon sinyalini modifiye ederek güçlendirmek için analog devre kullanılıyor.

Buna karşın, bilgisayar ve akıllı telefon gibi elektronik cihazlarda yaygın olan dijital devreler daha karmaşık. Bu entegre devreler açık veya kapalı olabilen ikili değişkenlerle işlem yapıyor. Bu sayede “Boole cebri” denilen mantık kurallarına göre çeşitli işlevler yerine getirilebiliyor.

Modern mikroişlemciler, birden fazla dijital entegre devrenin bir araya getirilmesiyle oluşuyor. İşlemcilerin saat frekansı, çeşitli işlevlerin gerçekleştirilme hızını belirliyor.

Entegre devreden önce ne vardı?

Meşhur ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), entegre devreden önceki dönemin mükemmel bir örneği. Mermilerin yörüngelerini hesaplamak için 1943-1945 arasında ABD’de inşa edilen 27 tonluk bu makine, 18.000 vakum tüpü sayesinde bir saniyede 5.000 toplama işlemi yapabiliyordu. Bugün tırnağınız kadar bir yonga bundan çok daha fazlasını yapıyor.

Daha fazla içim ilk bilgisayarlar nelerdir? Bilgisayarın tarihçesi ile ilgili yazımızın altındaki linkden daha çok bilgi sahibi olabilirsiniz.

Entegre devrelerin tarihçesi

Entegre devre bilimine, üretim süreçlerine ve geçmişine yakından bakalım. Entegre devrenin 60 yılı aşan gelişiminin aşamalarını ve gelecekte bizleri nelerin beklediğini tahmin edebiliriz.

Entegre devrenin gelişimindeki önemli kilometre taşlarını öğrenin.

• 1947 . Bell Laboratuarlarında nokta temaslı transistor icat edildi. Ertesi yıl p-n bağlantılı transistor yaratıldı.
• 1952. İngiliz elektronik mühendisi Geoffrey Dummer, entegre devreyi tasarladı. Bir prototip yaptı ve bunu Washington DC’deki bir konferansta tanıttı.
• 1958. Texas Instruments’ta çalışan Jack Kilby ilk entegre devreyi üretti. Bir transistor, birkaç direnç ve bir kondansatör içeriyordu.
• 1959. Robert Noyce, daha pratik bir silikon entegre devre icat etti, iki yıl sonra patentini aldı.
• 1961. Silikon Vadisi’ndeki Fairchild Semiconductor firması ticari, seri üretim entegre devreler satmaya başladı.
• 1965 Elektrik mühendisi Gordon Moore, entegre devredeki bileşen sayısının her yıl iki katına çıkacağını öngördü.
• 1971. 1968’de kurulan Intel, dünyanın ilk mikroişlemcisi Intel 4004’ü üretti. 108 KHz frekansla çalışıyor ve 2.300 transistor içeriyordu.
• 1981. 100 bin transistörü aşan devrelerle çok büyük ölçekli entegrasyon süreçleri ortaya çıktı.
• 1989. Intel, i486 mikroişlemcisini piyasaya sürdü. Rekor sayıda (1,2 milyon) transistor içeren i486 çok popüler oldu.
• 1995 Intel’in 5,5 milyon transistor içeren Pentium Pro mikroişlemcisi çıktı.
• 2000. Intel, 42 milyon transistöre sahip Intel Pentium 4 CPU ile hız ve transistor sayısında devrim yarattı.
• 2005. Yüz milyonlarca transistor içeren işlemciler ortaya çıkarken Moore yasası 40. yılına ulaştı.
• 2011. Transistörler son derece küçük 22 nanometre süreçleriyle üretilmeye başlandı.
• 2012. Intel, 22 nanometre süreciyle üretimine başladığı 3B transistörlere Tri-Gate transistor adını verdi.
• 2013. Intel, Arizona’da yeni nesil 14 nanometre süreciyle yonga üretecek yeni bir tesis kurdu.

Devrenin yapımı

Devre yapımı 6 aşamadan oluşur.

1. Devre çizimi. Entegre devre tasarımı kâğıda çizilir.
2. Fotolitografi. Fotolitografi işlemiyle tasarım,silikon bir plaka üzerine aktarılır.
3. Ekleme. Devre bir plakaya aktarılır. Bir plakada çok sayıda devre bulunur.
4. Fazlalıklar. Plaka üzerindeki boş bölümler kesilir.
5. Terminaller. Devre terminalleri kaynaklanır.
6. Plastik kabuk. Koruyucu plastik muhafaza monte edilir.

Ayrıca bakınız

• Bilgisayarın tarihçesi nedir? Bilgisayarı kim buldu? ilk bilgisayarlar
• Programlanabilen ilk bilgisayarlar ne zaman yapıldı?