Entegre Devre (IC) Nedir? Siyah Çipin İçi, Tarihçesi ve En Çok Kullanılan Entegreler (NE555, LM358, 74HC595…)
Entegre devre (IC) nedir: Kilby ve Noyce'un icadı, Moore yasası, silisyum yonganın üretimi (wafer, fotolitografi, katkılama), kılıfın içi (die, bağlantı telleri, lead frame), DIP/SOIC/QFN/BGA kılıflar, en çok kullanılan entegreler (NE555, LM358, 7805, 74HC595, ULN2003, ATmega328) ve NE555 iç yapı simülatörü.
BU YAZIDAN SONRA ŞUNU BİLECEKSİN
- Entegre devrenin neden "tek parça bir devre" olduğunu ve nasıl doğduğunu
- Siyah kılıfın içinde neler olduğunu ve bir yonganın nasıl üretildiğini
- Kartlarda en sık göreceğin entegreleri ve ne işe yaradıklarını
- NE555'in içindeki karşılaştırıcı, flip-flop ve transistörün birlikte nasıl saat ürettiğini
Hikâye: sayıların zorbalığı#
1950'lerin sonunda transistör vakum tüpünü yenmişti, ama yeni bir sorun vardı. Bir bilgisayar on binlerce transistör, direnç ve kondansatör demekti; her biri ayrı üretiliyor, elle lehimleniyordu. Bir uçağın elektroniğinde yüz binlerce lehim noktası vardı ve bir tanesi koptuğunda sistem duruyordu. Mühendisler buna "sayıların zorbalığı" diyordu: devre büyüdükçe güvenilirlik çöküyordu.
Temmuz 1958 · Jack Kilby'nin yaz tatili
Texas Instruments'a yeni katılan Kilby'nin henüz izin hakkı yoktu; herkes tatildeyken boş laboratuvarda bir fikir yazdı: direnç, kondansatör ve transistörü aynı yarı iletken parçasından yapmak. 12 Eylül 1958'de germanyum bir çubuğun üstünde bir osilatör gösterdi; ekranda sinüs dalgası belirdi. Parçalar hâlâ ince altın tellerle birbirine bağlıydı ama fikir çalışıyordu. 2000'de bu buluş ona Nobel kazandırdı.
Ocak 1959 · Robert Noyce ve düzlem
Fairchild'da Noyce, Jean Hoerni'nin düzlemsel süreci üstüne bir adım ekledi: bağlantıları tel yerine yonganın yüzeyindeki oksidin üstüne buharlaştırılmış alüminyum ile yapmak. Böylece bütün devre, hiç el değmeden, fotoğraf basar gibi üretilebiliyordu. Bugün her çip Noyce'un yöntemiyle yapılır. Noyce daha sonra Gordon Moore ile birlikte Intel'i kurdu.
1965 · Moore yasası
Gordon Moore, bir çipteki transistör sayısının her yıl (sonra iki yılda bir) ikiye katlandığını gördü ve bunun süreceğini öngördü. 1971'de Intel 4004 işlemcisinde 2 300 transistör vardı; bugün bir telefon işlemcisinde 15–20 milyar var. Elli yılda yedi milyon kat.
1971 · NE555: bir haftalık bir tasarım, milyarlarca parça
Hans Camenzind, Signetics için bir zamanlayıcı entegre tasarladı: yirmi küsur transistör, birkaç direnç, sekiz bacak. Şirketin içinde "buna kim ihtiyaç duyar" diye karşı çıkanlar vardı. 555 bugün hâlâ üretiliyor ve tarihte en çok üretilen entegre olduğu söyleniyor: yılda bir milyarın üstünde. Adındaki 555'in içerideki üç 5 kΩ'luk dirençten geldiği sık anlatılır; Camenzind ise adı şirketin seçtiğini anlatıyordu.
Siyah kılıfın içi#
Bir entegrenin hayatı, kum gibi saf silisyum dioksitten başlar. %99,9999999 saflıkta silisyum eritilir ve tek bir kristal halinde, bir metreden uzun bir külçe olarak çekilir. Külçe 0,7 mm kalınlığında, 300 mm çapında dilimlere (wafer) kesilir ve ayna gibi parlatılır. Bir dilimin üstüne yüzlerce aynı çip birlikte yapılır:
- Oksitleme: dilim fırında ısıtılır, yüzeyde ince bir SiO₂ yalıtkan tabakası büyür.
- Fotolitografi: yüzeye ışığa duyarlı bir cila (fotorezist) sürülür; devrenin bir katmanının deseni bir maskeden ultraviyole ışıkla küçültülerek basılır. Bugünün en ileri fabrikalarında 13,5 nm dalga boylu "aşırı UV" ışık kullanılır; bir makine yüz milyonlarca dolardır.
- Aşındırma ve katkılama: ışık gören yerler açılır; oraya bor ya da fosfor iyonları yüksek hızla gömülür. Böylece diyot yazısındaki p ve n bölgeleri istenen yerde oluşur.
- Metal katmanlar: transistörler bakır (eskiden alüminyum) yollarla birbirine bağlanır. Modern bir işlemcide on beşten fazla metal kat üst üste yığılır; toplam uzunlukları kilometreleri bulur.
- Test, kesme, paketleme: dilim üstündeki her çip iğnelerle test edilir, bozuklar işaretlenir. Dilim elmas testereyle kesilir; her yonga (die) bacak çerçevesine yapıştırılır, saç telinden ince altın ya da bakır tellerle bacaklara bağlanır ve epoksiyle kalıplanır. Üstüne lazerle parça numarası yazılır.
Kılıflar: aynı yonga, farklı kabuk#
| Kılıf | Bacak aralığı | Lehim | Nerede görürsün |
|---|---|---|---|
| DIP (DIL) | 2,54 mm | delikten, elle kolay | breadboard, eğitim kitleri, eski kartlar |
| SOIC / SO | 1,27 mm | yüzey montaj, elle olur | opamp, 555, sürücüler |
| SOT-23 | 0,95 mm | yüzey montaj, küçük | LDO, MOSFET, TL431 |
| TSSOP / QFP | 0,5–0,65 mm | ince uçlu havya, akı | mikrodenetleyiciler, mantık |
| QFN / DFN | 0,4–0,5 mm | bacaklar altta, sıcak hava | güç entegreleri, RF, sensörler |
| BGA | 0,4–1 mm | lehim topları, fırın | işlemciler, bellek, FPGA |
Kartlarda en çok göreceğin entegreler#
| Entegre | Tür | İçinde ne var | Ne için |
|---|---|---|---|
| NE555 | zamanlayıcı | 2 karşılaştırıcı, flip-flop, boşaltma transistörü | flaşör, PWM, gecikme, buzzer |
| LM358 / TL072 | opamp | iki opamp: farksal çift, kazanç katı, çıkış katı | sensör yükseltme, filtre, karşılaştırma |
| LM7805 / AMS1117 / LM317 | regülatör | bandgap referans, hata yükselteci, geçiş transistörü | sabit gerilim: 5 V, 3,3 V, ayarlı |
| 74HC595 | kaydırmalı yazmaç | 8 flip-flop + 8 tutucu + 3 durumlu çıkış | 3 pinle 8 LED / röle sürmek |
| 74HC00 / 74HC14 | mantık kapısı | 4 NAND / 6 Schmitt tetikli evirici (CMOS) | buton temizleme, sinyal düzeltme |
| CD4017 | sayıcı | Johnson sayıcı, 10 kodlanmış çıkış | yürüyen ışık, sıralayıcı |
| ULN2003 | sürücü dizisi | 7 Darlington + flyback diyotları | röle, step motor, LED |
| L293D / L298N | motor sürücü | iki H köprüsü | DC motor yön ve hız |
| ATmega328P / STM32 / ESP32 | mikrodenetleyici | işlemci + flash + RAM + ADC + zamanlayıcılar (+ Wi-Fi) | kartın beyni |
| CH340 / CP2102 | USB–UART | USB alıcı-verici + seri port | bilgisayarla haberleşme, program yükleme |
| MAX485 / MAX232 | hat sürücü | farksal sürücü / şarj pompası | RS485, RS232 |
| DS3231 | RTC | sıcaklık kompanzasyonlu kristal osilatör + takvim | elektrik gitse de saat |
| 24C02 / W25Q32 | bellek | EEPROM / SPI flash hücreleri | ayar ve veri saklama |
| ADS1115 | ADC | 16 bit delta-sigma dönüştürücü + PGA | hassas analog ölçüm |
| PC817 / TL431 | opto / referans | LED + fototransistör / bandgap + opamp | izolasyon, referans |
NE555'in içine bak#
555 tek başına küçük bir bilgisayar gibi değil, küçük bir karar verici gibidir. Üç eşit direnç, beslemeyi 1/3 ve 2/3 noktalarına böler. Biri kondansatörün gerilimini 2/3 ile, diğeri 1/3 ile kıyaslayan iki karşılaştırıcı (bir tür opamp) vardır. Kıyasların sonucu bir SR flip-flop'u kurar ya da sıfırlar: bu, 555'in tek bitlik hafızasıdır. Flip-flop hem çıkışı sürer hem de kondansatörü boşaltan bir transistörü açıp kapatır. Dışarıya koyduğun iki direnç ve bir kondansatör, bu kararların ne kadar sürede bir verileceğini belirler.
NE555 iç yapı tezgâhı
CANLI SİMÜLATÖRSiyah kılıfı saydamlaştırdık. Kondansatör gerilimi (sarı) 2/3 çizgisine değince eşik karşılaştırıcısı yanar, flip-flop sıfırlanır, boşaltma transistörü açılır ve çıkış düşer; 1/3'e inince tetik karşılaştırıcısı devreye girer. Değerleri değiştir, frekansın ve doluluğun nasıl değiştiğine bak.
Bu simülatör JavaScript ile çalışır; tarayıcında JavaScript kapalı görünüyor.
Bir entegreyi tanımak: datasheet'te ilk bakılacak beş yer#
- Pin configuration: hangi bacak ne, hangi kılıfta.
- Absolute maximum ratings: aşarsan kalıcı hasar. Burası bir tasarım hedefi değil, uçurumun kenarıdır.
- Recommended operating conditions: entegrenin sözünü tuttuğu aralık. Tasarımı buna göre yap.
- Electrical characteristics: min / tip / max sütunları. Hesabı "tip" ile değil, en kötü durumla yap.
- Typical application: üreticinin önerdiği şema ve PCB yerleşimi. Çoğu zaman en değerli sayfa budur.
Bir 555 astable devresinde R1 = 1 kΩ, R2 = 10 kΩ, C = 47 µF. Besleme 9 V'tan 5 V'a düşürülürse frekans ne olur?
Eşikler VCC'nin 1/3'ü ve 2/3'üdür; kondansatör de VCC'ye doğru dolar. Besleme değişince hem eşikler hem dolma hedefi aynı oranda ölçeklenir ve süreler değişmez: f ≈ 1,46 Hz kalır. 555'in bu kadar sevilmesinin bir nedeni de budur.
Sık sorulan sorular#
Entegre devre (IC) nedir?
Transistör, direnç, diyot ve kondansatör gibi elemanların ayrı ayrı lehimlenmek yerine tek bir silisyum parçası (yonga) üzerinde birlikte üretildiği ve bir kılıfa konduğu devredir. Bir zamanlayıcıdan milyarlarca transistörlü bir işlemciye kadar her şey olabilir.
Entegre devreyi kim icat etti?
Jack Kilby (Texas Instruments, 1958) ilk çalışan entegre devreyi germanyum üzerinde gösterdi; Robert Noyce (Fairchild, 1959) bağlantıları yonga yüzeyine basarak bugün kullanılan silisyum düzlemsel yöntemi geliştirdi. İkisi de entegre devrenin mucidi sayılır; Kilby 2000'de Nobel aldı.
NE555 ne işe yarar?
Zamanlama ve osilatör entegresidir: dışarıdan iki direnç ve bir kondansatörle kare dalga (flaşör, buzzer, PWM) ya da tek bir zaman darbesi (gecikme, buton temizleme) üretir. Ucuz, dayanıklı ve 4,5–16 V arasında çalıştığı için hâlâ çok yaygındır.
Entegrenin 1 numaralı bacağı nasıl bulunur?
Kılıfın üstündeki çentik ya da küçük yuvarlak nokta 1 numaralı bacağın yanındadır. Çentik yukarı bakarken 1 sol üsttedir ve numaralar saatin tersi yönünde artar. QFN ve BGA kılıflarda köşedeki nokta ya da üçgen işaret 1 numarayı gösterir.
Bu sayfada cevabını bulabileceğin aramalar#
İnsanlar bu konuyu genelde şu kelimelerle arıyor; hepsinin cevabı yukarıdaki yazıda ve simülatörde var:
- entegre devre nedir
- IC nedir
- entegre nasıl yapılır
- çip nasıl üretilir
- entegre devre tarihçesi
- NE555 nedir
- 555 zamanlayıcı nasıl çalışır
- 555 frekans hesaplama
- en çok kullanılan entegreler
- entegre kılıf türleri
- DIP SOIC QFN farkı
- entegre 1 numaralı bacak
- datasheet nasıl okunur
- Moore yasası
Kaynaklar ve ileri okuma#
Bu yazıyı yazarken ve ders çalışırken baktığım kaynaklar. Bölüm numaraları baskıya göre değiştiği için konu adıyla ararsın.
- Microelectronics: Circuit Analysis and Design Donald A. NeamenEntegre devre kutuplaması, akım aynaları ve entegre yapı taşları.
- Microelectronic Circuits Adel S. Sedra, Kenneth C. SmithEntegre devre üretim teknolojisi ekleri: oksitleme, fotolitografi, katkılama.
- The Art of Electronics Paul Horowitz, Winfield Hill555 zamanlayıcı, mantık aileleri ve entegre seçimi.
- The Chip: How Two Americans Invented the Microchip and Launched a Revolution T. R. ReidKilby ve Noyce'un hikâyesi ve "sayıların zorbalığı".
- Designing Analog Chips Hans Camenzind555'in tasarımcısının kendi kitabı; ücretsiz yayımlandı.
- NE555 datasheet Texas InstrumentsBlok şema, astable ve monostable formülleri. ti.com
Bir yanlış, eksik ya da merak ettiğin bir şey mi var?
Bu notları öğrenirken yazıyorum; hata yaptıysam düzeltmek, eksik bıraktığım yeri tamamlamak isterim. İstediğin konuyu yaz, sıraya alayım. Bu devrelerin gerçek kart karşılıklarını da projelerimde bulabilirsin.