集積回路完全ガイド：エンジニア必携の基礎知識と応用

集積回路（IC）とは

呼吸が生命維持に不可欠であるように、集積回路は現代文明の進歩に不可欠です。PCB製造に必要な改良を重ね、現在の形に至りました。最初のトランジスタは大型で無骨でしたが、多くの発明家がアイデアを持っていました。しかし、実行されなければアイデアのまま。この鎖を断ち切ったのが、テキサス・インスツルメンツのジャック・キルビーとフェアチャイルド・セミコンダクタのロバート・ノイスです。

集積回路のメリットは、私たちの生活向上のためにいくら強調しても足りません。例えば、ICの歴史を初めて知ったとき、ドラム缶サイズの電子機器を携帯する代わりに、手のひらサイズのデバイスに進化したことに感謝せずにはいられません。サイズ、速度、容量の全てが起源から現在まで劇的に改善されました。

当初のICは、半導体材料（シリコン）上にトランジスタクラスタを組み立てる手法で作られました。電子回路で最も重要な部品がトランジスタであることはご存知の通りです。

1.1 定義

「integrated（統合された）」は、全体を形成するための構成・調整を意味します。集積回路は、通常シリコン製の微小半導体で、設計された抵抗、トランジスタ、コンデンサを内蔵しています。

電子デバイスであり、デジタル、アナログ、または両方のハイブリッドとして、電子デバイス/ツールのフレーム/テンプレートとして機能します。単一の半導体片に多数のトランジスタ、コンデンサ、抵抗を収容することを唯一の目的として構築されます。マイクロチップ、または単にチップとも呼ばれます。

内蔵されるトランジスタ、抵抗、コンデンサの数は数千〜数百万、さらには数十億に及びます。IC発明の頂点から現在まで、時間と共にかなりの改良が加えられてきました。

数百個までのトランジスタ収容：小規模集積（SSI）
数千個まで：中規模集積（MSI）
数十万個まで：大規模集積（LSI）
100万個まで：超大規模集積（VLSI）
数十億個まで：超超大規模集積（ULSI）

1.2 アナログCMOS集積回路の設計

「CMOS」はComplementary Metal-Oxide-Semiconductor（相補型金属酸化膜半導体）の略で、「COS-MOS」（相補対称型金属酸化膜半導体）とも呼ばれ、デジタル/アナログ両用途で使用されます。アナログCMOSの例として、CMOSオペアンプICがあります。信号リレーの代わりにトランスミッションゲートをアナログ多重化器として使用できます。

ここではCMOSの単一ユニットであるMOSFET（Metal-Oxide-Silicon Field-Effect Transistor：金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタ）を指します。相補的なMOSFETの組み合わせをCMOS回路と呼びます。ロジック回路がゲートを切り替える時のみ電流が流れるため、無関係な電力浪費が10分の1に抑えられます（10ゲート中1つ以下しか同時に切り替わらないため）。

1.3 集積回路の種類

アナログ集積回路：増幅、フィルタリング、信号変調などの機能を実行。少数部品で構成されるため、最もシンプルなICタイプの一つ。信号送受信デバイス、連続的変化に応答するデバイスで常用。
デジタル集積回路：データフローの方向制御と、バイナリ0/1を用いた数学的演算を実行。コンピュータシステム構築に使用。アナログICと異なり、精密な値のみを受け取るよう設計。
マイクロプロセッサ回路：数百万〜数十億個のトランジスタが、数千の単一デジタル回路として完璧に整列し、各々が特定機能を実行。1秒間に数十億タスクを実行可能な、最も高度なICタイプ。

集積回路の解析と設計

2.1 アナログ集積回路の設計と解析

アナログIC設計・解析では、複合回路部品に「標準的な」モデルを使用することを前提とします。2つの解析手法を見てみましょう。1つは手計算解析。

手計算解析では、明確な自然モデルにより前提が楽観的/正確です。もう1つはより技術的なコンピュータ解析。設計/計画担当者が、頻繁に使用されるモデルの源泉と各々の近似レベルについて深い知識を持つことは極めて重要です。

集積回路用現代半導体デバイス

3.1 集積回路用現代半導体デバイス

3.1.1 半導体デバイスとは

半導体は、導体と絶縁体の中間の電気伝導度を持つ電子部品。特定条件下で電気を通すが、全状態で通すわけではない。この特性により、優れた電気制御材料となります。

3.1.2 半導体産業

5が6に続くように、半導体デバイスは日常生活の電気/電子機器（MP3、自動車、薄型TV、コンピュータ、ゲーム機、洗濯機、ラジオ等）に不可欠な材料です。意識的/無意識的に、日常活動のために依存しています。コンピュータの観点から見てみましょう。

3〜5年前に購入したノートPCを買い替えようとすると、下取り価格が極めて低いことに気づきます。なぜか？時間経過とともに複雑性、速度、総合性能が向上し続けるため、同価格でも性能は桁違いです。例えば、昨年150Mops/sだったPCが、今年は1500Mops/sで登場するなど、極めて現実的な成長です。この産業の成功は、製品改良が継続的であり、製品小型化（トランジスタ等）により製造コストも削減されていることにあります。

3.2 集積回路用半導体デバイス

トランジスタ：利用範囲が広く複雑。最初の設計はバイポーラ接合トランジスタ（BJT）で、他と異なり3端子を持つ。ベース、コレクタ、エミッタに分類。主用途の1つはスイッチとしての動作。
ダイオード：電圧降下が特定閾値未満の場合に電流を遮断し、閾値超過時は電流が大幅増加する半導体デバイス。特性はダイオードごとに異なります。

デジタル集積回路

4.1 デジタル集積回路の説明

デジタルICの全容を語る上で、マイクロプロセッサとマイクロコントローラという必須ツールを強調する必要があります。デジタルICの基本タイプはマイクロプロセッサで、論理機能の組み合わせに基づいて設計されます。では、論理機能は最初どう構築されるのでしょうか？

論理機能は電子部品/コンポーネントで設計/構築され、トランジスタがその例です。前述のデジタル回路について、最終的に以下が導き出せます：このタイプのICはバイナリを使用し、アナログICのような連続的/交互の値変化とは異なります。

デジタル回路は、ON/OFF、True/False、0/1などの定数を用いて論理機能を実行します。このデジタルタイプは、単一半導体片上に複数コンポーネントの接続を設計し、数十億個のトランジスタを含むICを利用します。部品を組み立ててデジタルICを形成するには煩雑で長大なプロセスが必要なため、半導体材料/チップ上に大量/少量の電子部品を収容するICを利用するアプリケーションプロセスが採用されます。ロジック回路（ゲートとも呼ばれる）はデジタルシステムの基礎です。

PCBAにおける集積回路

5.1 PCBAでの集積回路とその応用

ラピッドプロトタイピング、3D PCBプリントでPCBを作り、PCBA（Printed Circuit Board Assembly：プリント基板アセンブリ）を行う前に、PCBAについて少し触れておきます。PCBAは銅を他材料と組み合わせてトレースとパッドを形成し、電子部品/コンポーネントを所定位置に固定するボードです。集積回路は半導体材料（シリコン）をトランジスタ等と組み合わせて利用し、プリント基板上にチップが快適に搭載されます。