संकलित मंडले

संकलित मंडले : सामान्यतः संश्लेषित सिलिकॉनाच्या कागदासारख्या पातळ चिपेवर (कापावर) संकलित मंडल बनविलेले असते. विद्युत् संकेताचे नियंत्रण, संस्करण व विवर्धन करण्यासाठी संकलित मंडल वापरतात. सुरूवातीला या चिपेचे क्षेत्रफळ १.३ ते१२ चौ. मिमी. (५० ते ५०० चौरस मिल१ मिल किंवा मिलि इंच = मिलिमीटराचा चाळीसावा व इंचाचा हजारावा भाग) असे. परंतु तांत्रिक प्रगतीमुळे चिपेचे क्षेत्रफळ वाढविण्याचा पयत्न सातत्याने होत आहे. चौथ्या पिढीच्या संगणकात चिपेचे क्षेत्रफळ ३५ ते ४० चौ. मिमी. होते. या चिपेवर इलेक्ट्रॉनीय घटकांचे जोडकाम करून बनविलेली एका एककाच्या रूपातील जुळणी म्हणजे संकलित मंडल असते. यात ट्रँझिस्टर व द्विप्रस्थ यांसारखे क्रियाशील घटक (प्रयुक्त्या), धारित्रे व रोधक यांसारखे निष्क्रिय (अक्रियाशील) घटक आणि त्यांच्यामधील आंतरजोडण्या एका चिपेवर बसविलेल्या असतात. या चिपेला आधारस्तर म्हणतात व ती बहुधा सिलिकॉनाची (कधीकधी गॅलियम आर्सेनाइड या अर्धसंवाहकाची) बनलेली असते. अशा प्रकारे संकलित मंडल हे जोडणाऱ्या तारा नसलेले व एकात्म संरचनेचे बनलेले असते. यातील एकक घटक सूक्ष्मदर्शकातून दिसू शकतील एवढे सूक्ष्म असल्याने याला कधी-कधी सूक्ष्ममंडल (तर अर्धसंवाहकामुळे संकलित अर्धसंवाहक) असेही म्हणतात. लहान संकलित मंडलांच्या अनुभवांतून लहान, मध्यम, मोठ्या (स्थूल) व अतिशय मोठ्या (अतिस्थूल) प्रमाणांवरील संकलन तंत्रे पुढे आली. या तंत्रांमुळे एका चिपेवर हजारो ते लाखो मंडले बनविणे शक्य झाले. आधारस्तराचे मूलद्रव्य, क्रियाशील व अक्रियाशील घटकांचे सूक्ष्मत्व आणि त्यामुळे एकाच चिपेवरील जुळण्यांची संख्या ह्याबाबतीतील सुधारणांचा वेग थक्क करणारा असल्यामुळे दर महिन्याला नवनवीन संकलने असलेल्या चिपा निर्माते उपलब्ध करून देत आहेत. पूर्वीची इलेक्ट्रॉनीय मंडले तळ व साटा (बेस व चासी) यांवर तारांनी परस्परांशी जोडलेल्या स्वतंत्र घटकांची बनलेली होती. संकलित मंडले पूर्वीच्या मंडलांपेक्षा अधिक लहान, जलद काम करणारी, विश्वासार्ह व स्वस्त असून आंदोलने, आर्द्रता व वय यांच्यामुळे असफल ठरणाऱ्या बाबतीत कमी विकारक्षम असतात. सेकंदाला काही हजार अब्ज इतक्या संगणन क्रियांची क्षमता असणारा संकलित मंडलयुक्त पाचव्या पिढीतील महासंगणक निर्वात नलिकायुक्त संगणकापेक्षा कितीतरी जलद कार्य करतो. आता सर्वसामान्यांनाही परवडणारा व घरात ठेवता येण्यासारखा पीसी (पर्सनल कॉम्प्युटर, वैयक्तिक संगणक) व लॅपटॉप किंवा नोटबुक संगणक हे एका इमारतीची जागा व्यापणाऱ्या व प्रचंड किंमतीच्या निर्वात नलिकांद्वारा बनविलेल्या मेन फ्रेम संगणकापेक्षा सर्वच गुणांत श्रेष्ठ ठरले आहेत. [→ संगणक ].

अर्धसंवाहकाची विद्युत् संवाहकता काचेसारख्या निरोधक द्रव्यापेक्षा जास्त आणि तांब्यासारख्या चांगल्या संवाहकापेक्षा कमी असते (म्हणून अर्धसंवाहक म्हणतात). अर्धसंवाहकाच्या या खास गुणधर्मामुळे इलेक्ट्रॉनीय मंडल रचनेचे (मंडलाच्या पूर्ण संयोगाचे) लघुकरण शक्य झाले आहे. सिलिकॉन या अर्धसंवाहकाची रचना स्फटिकयुक्त असून विद्युत् संवाहक असे थोडेच मुक्त इलेक्ट्रॉन त्याच्यात असतात. अशा प्रकारे शुद्ध अर्धसंवाहक हे अल्प विद्युत् संवाहक असतात. तथापि सिलिकॉनात योग्य अपद्रव्य (अशुद्धी) समाविष्ट (भरण) केल्यास त्याची विद्युत् संवाहकता वाढते. उदा., फॉस्फरसाच्या अणूच्या बाहेरील संरचनेत एक मुक्त इलेक्ट्रॉन उपलब्ध असतो. सिलिकॉनात अधिक प्रमाणात फॉस्फरस समाविष्ट केल्यास असे जादा मुक्त इलेक्ट्रॉन उपलब्ध होऊन सिलिकॉनाची विद्युत् संवाहकता वाढते. विद्युत् संकेत वा विद्युत् दाब यांच्या प्रभावाखाली हे इलेक्ट्रॉन स्फटिकात हालचाल करतात. दिशा दिलेले असे इलेक्ट्रॉन म्हणजे विद्युत् प्रवाह होय. अशा रीतीने फॉस्फरस समाविष्ट झालेल्या सिलिकॉनाला नक्त (निव्वळ) चल ऋण विद्युत् भार प्राप्त होतो. फॉस्फरस समाविष्ट असलेल्या सिलिकॉनाला n-प्रकारचा सिलिकॉन म्हणतात. यात खुद्द स्फटिक विद्युत् भाररहित असतो. कारण प्रत्येक चल इलेक्ट्रॉनामुळे फॉस्फरसाचा धन विद्युत् भारित अणू मागे राहतो. याउलट बोरॉनासारखे अपद्रव्य सिलिकॉनात समाविष्ट केल्यास p-प्रकारचा सिलिकॉन बनतो. म्हणजे हा सिलिकॉन नक्त चल धन विद्युत् भारयुक्त असतो. कारण बोरॉनाच्या अणूच्या बाह्य संरचनेत एका इलेक्ट्रॉनाची कमतरता असते व या धन विद्युत् भारित बिंदूला छिद्र (होल) म्हणतात. हा बिंदू धन विद्युत् भाराप्रमाणे कार्य करतो. विद्युत् दाबाच्या प्रभावाखाली हे छिद्र जवळच्या इलेक्ट्रॉनाने भरले जाऊ शकते. परिणामी खुद्द त्या इलेक्ट्रॉनाचे स्थान रिकामे होऊन तेथे छिद्र बनते. अशा प्रकारे प्रपात परिणामाच्या एका प्रकारामुळे छिद्र उलट दिशेत मागे जाऊ शकते. कारण ऋण विद्युत् भार एका दिशेत तर धन विद्युत् भार त्याच्या विरूद्ध दिशेत वाहतो आणि एकत्रितपणे त्याच अभिदिशेचा विद्युत् प्रवाह निर्माण होतो. अपद्रव्याचा प्रकार व मांडणी यांव्दारे प्रत्येक क्षेत्र संकेतांचे कसे नियंत्रण करील ते ठरते. [अर्धसंवाहक ⟶ट्रँझिस्टर तंत्रविदया].

निर्मिती : एका संकलित मंडलाच्या निर्मितीला ६० पर्यंत दिवस लागू शकतात व अर्धसंवाहकाच्या निवडक क्षेत्रांत अपद्रव्य अतिशय अचूकपणे समाविष्ट करण्यावर हा कालावधी अवलंबून असतो. स्फटिकवृद्धी अथवा वाढणारा स्फटिक वितळलेल्या सिलिकॉनामधून सावकाशपणे बाहेर काढून घेण्याच्या स्फटिक कर्षण या क्रि येनेअति शुद्ध सिलिकॉनाचा तुकडा (दंडगोल) मिळवितात. एक लहान परिपूर्ण बीजरूप स्फटिक वितळलेल्या सिलिकॉनात सोडतात. या वेळी तापमान १,४००°से. म्हणजे सिलिकॉनाच्या वितळ बिंदू पेक्षा थोडेअधिक असते. वितळलेल्या सिलिकॉनाच्या संपर्कात आल्यावर या बीजरूपी स्फटिकावर सिलिकॉनाचे स्फटिकीभवन होऊन तो वाढतो. हा स्फटिकी भूतपुंजत्याच्या आसाभोवती वाटोळा फिरवीत बाहेर काढून सिलिकॉनाचा नमुनेदार दंडगोल (व्यास७.६सेंमी. व लांबी ७६ सेंमी.) मिळवितात. हा प्रधान दंडगोल कापून ०.५मिमी. (२०मिल) जाडीच्या अतिशय पातळ चकत्या म्हणजे वेफर मिळवितात ( वेफरचा व्यास २.५ ते १५ सेंमी. असूशकतो ). प्रत्येक वेफरची अखेरीस शेकडो लहान तुकड्यांना विभागणी करतात. या तुकड्यांना चिपा म्हणतात. प्रत्येक चिपेवर खालील प्रक्रिया करून संकलित मंडल तयार होते.

 जवळ जवळ ०.१ चौ. मी. क्षेत्रफळाच्या प्लॅस्टिकाच्या कोरी व फर्म्यावर ( स्टेन्सिलावर ) मोठ्या प्रमाणातील आकृतिबंध ( प्रतिरूप ) आरेखित करून संकलित मंडलाच्या प्रत्येक स्तराची नीलप्रत तयार करतात. आच्छादनाच्या या संचात संकलित मंडलाचे सर्व घटक असतात. छायाचित्रीय पद्धतीने हा आकृतिबंध चिपच्या आकारमानाएवढा लहान करून घेतात आणि काचेच्या पट्टीवर त्याची परत परत निर्मिती करतात. सिलिकॉन वेफरवर सिलिकॉनडाय – ऑक्साइडाचा पातळ थर वाढू देतात. प्रत्येक वेफरवर प्रकाशसंवेदी द्रव्याचा लेप देतात व त्यावरच्या आच्छादनामधून त्याच्यावर प्रकाश टाकतात. प्रकाशन पडलेले प्रकाश संवेदी द्रव्य विद्रावकाने ( विरघळविणाऱ्या या पदार्थाने ) काढून टाकतात. प्रकाश संवेदी द्रव्याचे संरक्षण नसलेल्या क्षेत्रांवरील सिलिकॉनडाय – ऑक्साइड दुसऱ्या रासायनिक कारकाने विरघळवून आच्छादनावरील आकृतिबंध वेफरवर कोरला जातो.

संरचना व संस्करण : अर्धसंवाहक संकलित मंडले बनविताना पुढील क्रिया केल्या जातात. या क्रिया मुख्यत: सिलिकॉनावर करण्याची तंत्रे विकसित करण्यासाठी बराचकाळ लागला व खूप प्रयत्न करावे लागले. अशी मंडले प्रतलवासमतल प्रक्रियेने बनवितात. याप्रक्रियेला वेफरच्या माथ्यावरच्या आच्छादनातून वेफरच्या प्रदेशांत विवेचकपणे अपद्रव्ये समाविष्ट केली जातात. या प्रक्रियेसाठी सिलिकॉन सुयोग्य द्रव्य आहे, कारण सिलिकॉन डाय – ऑक्साइड सिलिकॉन पृष्ठाला चांगला चिकटून राहतो. वृद्घी, निक्षेपण व आकृतिबंध निर्मिती यांच्यासाठी सिलिकॉन डाय – ऑक्साइड सुलभ पदार्थ आहे. तसेच तो n– प्रकारच्या व p– प्रकारच्या अपद्रव्यांविरूद्घचा प्रभावी विसरण अडथळा आहे.

 उपरी स्फटिक वृद्घी : ही एक स्फटिकीय स्तराची वृद्घी आहे. याचा आधारस्तर व हा स्तर यांच्या स्फटिकीय गुणधर्मात निश्चित परस्पर संबंध असतो. कमी प्रमाणात अपद्रव्य समावेशन केलेल्या स्तराची मोठ्या प्रमाणात अपद्रव्य समावेशन केलेल्या विरूद्घ संवाहकता प्रकारच्या आधारस्तरावर वाढ करणे शक्य असते. हे या प्रक्रियेचे वैशिष्ट्य आहे. ही क्रिया क्षितिजसमांतर नलिका अभिकारकात ( विक्रियकात ) घडते. यात वेफर १,००० ° से. हून अधिक तापमानापर्यंत तापवितात. सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड किंवा सिलिकॉन हायड्राइड ( सिलेन ) यांसारख्या वायुरूप सिलिकॉन संयुगाचे अपघटन ( विघटन ) होऊन सिलिकॉन अणू पुरविले जातात. यातील वृद्घीची त्वरा दर मिनिटाला एक मायक्रॉन ( मीटराचा दशलक्षांश भाग ) असते.

ऑक्सिडीभवन : सिलिकॉन पृष्ठभागावर सिलिकॉन डाय-ऑक्साइडाचे पटल वाढविण्यासाठी ऊष्मीय ऑक्सिडीभवनाची क्रिया करतात. [⟶ऑक्सिडीभवन ]. ही पटले आच्छादन वा द्वार – निरोधक म्हणून उपयुक्त आहेत. या क्रियेत सिलिकॉन वेफरे १,००० ° से. पेक्षा अधिक तापमानाला ऑक्सिजनात वापाण्याच्या वाफेत उघडी ठेवतात. शुष्क वाढीत ओल्या वाढीपेक्षा अधिक दाट पटले मिळतात.

विसरण : मोठ्या प्रमाणावरील उत्पादनात किंवा अचूक नियंत्रणाची गरज नसलेल्या परिस्थितीत विसरणाव्दारे अपद्रव्यांचे समावेशन करतात. फॉस्फरस, आर्सेनिक, अँटिमनी व बोरॉनही सिलिकॉनासाठीची सामान्य अपद्रव्ये आहेत. ही द्रव्ये वायूच्या किंवा ऑक्साइडाच्या रूपात वापरतात. नमुनेदार पद्धतीत तापमान १,०००° ते १,१५०° से. असते. अशा रीतीने फॉस्फरस व बोरॉन यांचे अर्धा ते काही तास विसरण करतात. तापमान वाढले की, विसरणाची त्वरा वाढते. अपद्रव्य उच् प्रमाणात एकत्रित झाले असेल, तर तेथून ते कमी प्रमाणात अपद्रव्य असलेल्या प्रदेशाकडे प्रमाण एकसारखे होईपर्यंत जात राहते.

अपद्रव्याच्या आयनांच्या शलाकेतील आयन ( विद्युत्‌ भारित अणुरेणू ) पुरेसे प्रवेगित करून त्यांचा सिलिकॉनावर भडिमार करतात. सिलिकॉन स्फटिकात आयन समाविष्ट करण्याच्या या क्रियेला‘आयन रोपण ’ म्हणतात. तिच्यामुळे स्फटिकात समावेशन होणाऱ्या अपद्रव्याच्या अणूंची संख्या अतिशय अचूकतेने नियंत्रित करता येते. ही अचूकता महत्त्वाची असते. कारण आधारस्तराच्या दर चौ. सेंमी. क्षेत्रफळातील अपद्रव्याच्या अणूंच्या संख्येवर ट्रँझिस्टराचा लाभांक अवलंबून असतो. [⟶ट्रँझिस्टर तंत्रविदया ].

आकृतिबंध निर्मिती : मंडल घटकांचे विविध विशिष्ट गुणधर्म स्पष्ट करणाऱ्या आकृतिबंधांची सिलिकॉन वेफरवर इलेक्ट्रॉन शलाका, क्ष-किरण किंवा प्रकाश यांच्याव्दारे केलेल्या मुद्रणाने पुनर्निर्मिती करतात. आकृतिबंध ज्याच्यावर निर्माण करावयाचा असतो त्या पृष्ठावर संरक्षकस्तराचा लेप देतात. या स्तरावरवरील प्रारण ( तरंगरूपी ऊर्जा ) पडले असता त्याचे रासायनिक रचनांतरण होऊन आकृतिबंध तयार होतो.

कोरण : ( रेखन उत्कीर्णन ). ॲल्युमिनियमाच्या पटलासारख्या पटलावर आकृतिबंध निर्माणकरण्यासाठी ही क्रिया वापरतात. मंडलातील आंतरजोडणी करणारे घटक बनविण्यासाठी सामान्यपणे ॲल्युमिनियम पटल वापरतात. ( तर उच्च तापमान विसरण क्रियेत विसरण आच्छादन म्हणून ऑक्साइड पटल वापरतात.) १९७०- ८० पर्यंत सापेक्ष साधेपणामुळे ओले रासायनिक कोरण ही एकच प्रक्रिया वापरात होती. मात्र या प्रक्रियेत सर्वच दिशांमध्ये एक सारख्या  प्रमाणात कोरण होते, ही तिची सर्वांत मोठी त्रूटी आहे. यामुळे सापेक्ष जाड पटलावर बारीक रेषांचा आकृतिबंध कोरणे शक्य होत नाही. कारण यात खालचे आच्छादन चांगलेच कापले जाते. यामुळे रेषा बारीक होत जाऊन नष्टही होतात. शुष्ककोरण तंत्रांमध्ये आयनद्रायूतील विक्रियाशील आयन वापरले जातात. यांतील असमदिक्तेमुळे खाली कापण्याची क्रिया न होता बारीक रेषांचा आकृतिबंध कोरणे शक्य होते. अधिक नव्या बारीक रेषांच्या संकलित मंडलांच्या प्रक्रिया क्रमांतही तंत्रे वापरतात.

भौतिक व रासायनिक बाष्पनिक्षेपण : बाष्पीभवन व बिंदुफवारणी ( स्पटरिंग ) या भौतिक निक्षेपणाच्या पद्धती आहेत. बाष्पीभवन पद्धतीत लेप द्यावयाचा आधारस्तर व निक्षेपित करावयाचे ( साचवायचे ) द्रव्य उच्च निर्वात कक्षात ठेवतात. बाष्परूप होईपर्यंत हे द्रव्य तापवितात. या बाष्पाचा संपूर्ण कक्ष भरून टाकणारा ढग तयार होऊ देतात. ढगाचा काही भाग आधार स्तरावर संघनित होऊन ( गोठून ) त्याच्यावर द्रव्याच्या पटलाचा लेप तयार होतो. या पद्धतीची निक्षेपणाची त्वरा उच्च असून कमी वितळबिंदू असलेल्या सोने, ॲल्युमिनियम यांसारख्या द्रव्यांसाठी ती उपयुक्त आहे. उच्च वितळ बिंदू असलेल्या  टंगस्टनासारख्या उच्चतापासह धातूंसाठी बिंदुफवारणीची पद्धत उपयुक्त आहे. ही पद्धती आयनद्रायूतील आयनांच्या निक्षेप्य लक्ष्य द्रव्याबरोबर होणाऱ्या टकरीवर आधारलेली आहे. अशारीतीने लक्ष्य द्रव्यातील काही अणू निघून जातात व ते आधार स्तराकडे प्रवेगित करतात. तेथे त्यांच्या निक्षेपणातून पटल बनते. रासायनिक बाष्प निक्षेपण पद्धतीत निक्षेपित करावयाच्या द्रव्याच्या कणांचा स्रोत ( प्रवाह ) निर्माण करण्यासाठी वायु-प्रावस्थेतील विक्रिया वापरतात.

वरीलपैकी विसरण व आयन रोपण या पद्धती अधिक वापरल्या जातात. द्विधुवी ट्रँझिस्टर व धातु-ऑक्साइड अर्धसंवाहक ट्रँझिस्टर या मुख्य प्रकारांमध्ये वरील मूलभूत क्रियांत फेरबदल करून तयार केलेले वेगळे प्रकार वापरतात.

द्विध्रूवी ट्रँझिस्टर : दोन पुडांदरम्यान सारण भरल्यास सँडविच हा खाद्यपदार्थ बनतो. अतिशय जवळ असलेल्या तीन थरांच्या सँडविचसारख्या रूपात द्विधुवी ट्रँझिस्टर तयार होतो. n-p-n (क्वचितच p-n-p) हे यातील मूळ अर्धसंवाहक थर असून यात इलेक्ट्रॉन एका n-स्तराकडून दुसऱ्या n-स्तराकडे जातात, पहिल्या n-स्तराला उत्सर्जक, p- स्तराला आधारतल ( आधारणी ) व दुसऱ्या या n-स्तराला संकलक (संग्राहक) म्हणतात. आधारतलात प्रवेशणारा लहान छिद्र-प्रवाह उत्सर्जक ते संकलक ( आदान ते प्रदान ) वाहणाऱ्या या मोठ्या इलेक्ट्रॉन प्रवाहाचे नियंत्रण करू शकतो व त्यामुळे ट्रँझिस्टर स्वाभाविकपणे विवर्धकही होतो.

p-स्तरव n-स्तर यांच्यातील संधिलगत ( आंतरपृष्ठानजिक ) विद्युत्‌भार प्रवाहाला प्रतिबंध ( अवरोध ) करतो. संकलित मंडलाची विविध क्षेत्रे ( भाग ) एकमेकांपासून अलग ठेवली जातील अशारीतीने विद्युत्‌भार निवडतात.

 n-p-n सिलिकॉन  ट्रँझिस्टर तयार करण्याकरिता पुढील महत्त्वाचे टप्पे असतात : n प्रकारच्या सिलिकॉनाच्या एकेरी स्फटिकाची एक पातळ चकती घेऊन ती ऑक्सिजन वायूने भरलेल्या भट्टीत तापवून तिच्यावर सर्व बाजूंनी ऑक्साइडाचा एक पातळ थर निर्माण करतात. अम्लकोरण या तंत्राने या ऑक्साइड थराच्या मध्यभागी एक छिद्र पाडून त्यामधून उष्ण बोरॉन वायू आत विसरण करतात.या क्रियेमुळे आधारतलाचा p प्रकारचा प्रदेश तयार होतो. परत ही चकती ऑक्सिजन वायुभरित भट्टीत तापवून त्यावर ऑक्साइडाचा आणखी एक दुसरा थर दिला जातो. या नव्या थरामध्ये अम्लकोरण पद्धतीने परत एक मध्यभागी छिद्र पाडून त्याच्यामधून फॉस्फरसाचे बाष्प आत सोडले जाते. या विसरणामुळे या वरच्या सिलिकॉन थराचे परत n प्रकारात रूपांतर होते. अशा रीतीने  ट्रँझिस्टराचा उत्सर्जक प्रदेश तयार होतो. नंतर अम्लकोरण क्रिया वापरून आधारतल व उत्सर्जक यांच्या बरोबर विद्युत्‌ संपर्क साधण्याकरिता संयोगक बसवितात ऋण व धन संवहनाची ही सूक्ष्म बेटे तांब्याच्या ( कधीकधी प्लॅटिनम, सोने यांच्या ) जालकाने जोडली जातात.

रोधक म्हणजे टोकाशी जोडण्या असलेली सिलिकॉनाची पट्टी असते. धारित्रांचे दोन मुख्य प्रकार असतात. एक प्रकार हा केवळ संधी असून विद्युत्‌भार लावल्यास तो विद्युत्‌भार साठवू शकतो. दुसऱ्या प्रकारचे धारित्र हे सिलिकॉन, विद्युत् अपार्य पदार्थ व विद्युत्‌ संवाहक पदार्थ यांच्या कापांचे सँडविच असते. ट्रँझिस्टर आणि रोधक, धारित्रे, प्रवर्तक इ. संकलित मंडलाचे इतर घटक त्यांच्या आंतरजोडण्यांसह एका वेगळ्या कार्यमालिकेव्दारे वेफर मध्ये विसरित करता येतात आणि ते सर्व जोडून पूर्ण इलेक्ट्रॉनीय ( उदा., संकलित ) मंडल बनते. अंतिम रूपातील चीप सिरॅमिक, प्लॅस्टिक किंवा धातूच्या धारकात ( कोंदणात ) बसवितात.

धातु-ऑक्साइड अर्धसंवाहक ट्रँझिस्टर : सर्वांत साध्या धातु-ऑक्साइड अर्धसंवाहक (मेटल-ऑक्साइड सेमिकंडक्टर MOS मॉस) रचनेत p- प्रकारच्या आधारस्तरात अगदी जवळ असलेले n- प्रकारच्या सिलिकॉनाचे प्रदेश (क्षेत्रे) असतात. सिलिकॉनाच्या माथ्यावर विवेचक ऊष्मीय ऑक्सिडीभवनाने सिलिकॉन डाय-ऑक्साइडाच्या थराची वृद्धी करतात व या थराच्या माथ्यावर ( दोन n-भागांदरम्यान व त्यांच्यावर किंचित परस्परव्यापी म्हणजे पूर्ण झाकून किंचित शिल्लक राहील असा ) स्थान निश्चित केलेला धातूचा स्तर देतात. याला द्वार म्हणतात. या दोन भागांना अनुकमे उद्‌गम व निकास म्हणतात आणि त्यांचा आदान व प्रदान यांसाठीचे संधी ( जोड ) म्हणून उपयोग होतो. ऑक्साइडात छिद्रे पाडून त्यांतून उद्‌गम व निकास ( गळती ) यांच्याकडे जाणाऱ्या धातु-जोडण्या ( संयोग ) नेतात. मॉस ट्रँझिस्टरमध्ये थोडीच वीज वापरली जाते. त्याचा आदान संरोध उच्च, विद्युत्‌  निकास कमी असून तो फार शांत ( निवांत ) असतो. द्वार, धातूचे ऑक्साइड व सिलिकॉन यांचे एक धारित्र बनते. यामुळे या ट्रँझिस्टराचा संगणकाच्या स्मृतींमध्ये मोठ्या प्रमाणात उपयोग होऊ शकतो. काँप्लिमेंटरी मॉस ( सी मॉस ) मंडलात मॉस भार म्हणून वापरतात आणिम्हणून मुख्य मॉस निश्चल असताना विद्युत् निकास होत नाही.

मॉस संकलित मंडलातील दर घटकामागील क्षेत्र द्विधुवी मंडलापेक्षा पुष्कळ कमी असते आणि प्रकियांचा क्रम काहीसा अधिक साधा असतो. पूर्ण झालेल्या मंडलाची वेफरच्या रूपात चाचणी घेतात. वेफर कापून चिपा अलग करतात व त्यांची चाचणी घेऊन चांगल्या निर्दोष चिपा वापरण्यासाठी घेतात. अंतिम वेफर कसेही बनविलेले असले, तरी कापून त्याचे तुकडे करावे लागतात. हिऱ्याच्या कपच्या ( कणी ) बसविलेल्या कर्तन चक्राने असे तुकडे करतात, मग प्रत्येक संकलित मंडलाची चीप एका विन्यासात आवेष्टित करतात. एक मिल जाड सोन्याच्या तारेच्या जोडण्या ( जोडतारा ) चिपेतील घटक आवेष्टनाच्या चौकटीला जोडण्यासाठी वापरतात. प्रयुक्तीत संकलित मंडल वापरताना ते त्याच्या चौकटीपासून निघणाऱ्या या अधिक जाड जोडण्यांव्दारे प्रयुक्तीला जोडता येते.

उत्पन्न : एकूण बनविलेल्या चिपांपैकी निर्दोष चिपांच्या शेकडा संख्येत त्यांचे उत्पन्न ( उतारा ) देतात. वेफरवरील निर्दोष चिपांची संख्या वाढली की उत्पन्न वाढते. परिपूर्ण संकलित मंडलांचे अंतिम उत्पन्न पुढील गोष्टींनी घटू शकते. मूळ सिलिकॉनातील यदृच्छ ( स्वैर ) अपूर्णता, वेफरची अपुरी सफाई, प्रकाशसंवेदी द्रव्याचे विषम लेपन वा ते निघून गेलेले असणे अथवा वितरित क्षेत्रांचे संदूषण झालेले असणे, वेफरवरील सूक्ष्म ओरखड्याने पूर्ण मंडल निकामी होऊ शकते. संवाहक किंचित तोकडा असल्यास समस्या उद्‌भवू शकतात. संकलित मंडलातील बहुतेक असफलता वापरानंतर थोड्याच अवधीत ( काही तासांत ) दिसून येतात. संदेशवहनाचे कृत्रिम उपगह, दूरध्वनिविदया, विमाने, मंडलांच्या नियामक प्रणाली यांसारख्या महत्त्वपूर्ण क्षेत्रांत हे टाळण्यासाठी संकलित मंडले काही तास प्रवेगित स्थितीत चालवितात. साध्या लघुमानीय संकलित मंडलांच्या चिपांचे ९० टक्क्यांपर्यंत उत्पन्न तर सूक्ष्म प्रक्रियकांच्या बाबतीत याहून कमी उत्पन्न चालण्यासारखे असते.

विश्वासार्हता : संकलित मंडलाची विश्वासार्हता ही जवळजवळ तेवढ्याच आकार व आकारमानाच्या एका सिलिकॉन ट्रँझिस्टराच्या विश्वासार्हतेएवढी असते. मंडलाच्या जटिलतेवर त्याची विश्वासार्हता अवलंबून नसल्याचे दिसून आले आहे. सिद्धांततः ट्रँझिस्टराची आयुर्मर्यादा जरी हजारो वर्षेअसली तरी प्रत्यक्षात ती काही दशक वर्षेच असल्याचे आढळून येते परंतु ह्या काळात त्यांचे कार्य विश्वासार्ह असते. क्षेपणास्त्रे, अवकाशतंत्रविदया इ. क्षेत्रांच्या बाबतीत विश्वासार्हता गंभीरपणे विचारात घेतात, कारण या बाबतीत एका असफलतेचा अर्थ पूर्ण मोहीम फसणे असा होऊ शकतो.

सूक्ष्मप्रक्रियक व लघुसंगणक : अंकीय संगणकाच्या मध्यवर्ती प्रक्रिया एककाची ( सीपीयू याची ) कार्ये करण्यासाठी आवश्यक सर्व अंकगणित, तर्कशास्त्र आणि नियंत्रक मंडलरचना असलेले संकलित मंडल म्हणजे सूक्ष्मप्रक्रियक होय.सूक्ष्मप्रक्रियकाचा वापर १९७१ साली सुरू झाला. पाच चौरस मिलिमीटर आकारमानाच्या चिपेवरील एक सूक्ष्मप्रक्रियक संगणकाची बहुतेक मूलभूत कामे करतो. सूक्ष्म प्रक्रियकांमुळे लघुसंगणक प्रत्यक्षात यायला मदत झाली. लहान संगणकाची सर्व कार्ये एका किंवा अनेक मोठ्या प्रमाणातील संकलित मंडलावर गच्चपणे ठासून अंतर्भूत केलेली ( भरलेली ) असतात. अतिस्थूलमानीय संकलन तंत्रामुळे चार चौरस मिलिमीटरपेक्षा लहान चिपेवर लक्षावधी ट्रँझिस्टर असलेले सूक्ष्मप्रक्रियक बनविता येतात. एवढ्या प्रमाणावरील लघुकरणामुळे संगणक निर्मितीचा खर्च खूप कमी झाला आहे. त्याशिवाय संगणकाच्या वापरासाठी ऊर्जाही खूप कमी लागते. बऱ्याच प्रयुक्त्या तर विद्युत् घटमालेवरही ( बॅटरीवरही ) चालविता येतात. परिणामी संदेशवहनाची सामग्री, लहान गणकयंत्रे, मनगटी घड्याळे, दूरचित्रवाणी संचातील मेलक, इलेक्ट्रॉनीय खेळ, स्वयंपाकघरातील व बँकांमधील स्वयंचलित इलेक्ट्रॉनीय सामग्री, मोटारगाडीतील इंधनाचा वापर व निष्कास ( बाहेरपडणाऱ्या ) वायूंचे उत्सर्जन यांचे स्वयंचलित नियंत्रण आणि इतर असंख्य इलेक्ट्रॉनीय प्रयुक्त्यांमध्ये सूक्ष्मप्रक्रियक वापरतात. अशा रीतीने जगातील बहुतेक इलेक्ट्रॉनीय उदयोग तसेच नियंत्रक प्रयुक्त्या या ना त्या प्रकारे संकलित मंडलांवर अवलंबून आहेत.

 संगणक स्मृती : सामान्यपणे अंकीय माहिती साठविणाऱ्या या प्रयुक्तीला इलेक्ट्रॉनिकी मध्ये स्मृती ( स्मरण ) म्हणतात. स्मृति-प्रयुक्त्यांचे अनेक प्रकार असून पुढील प्रकार अधिक महत्त्वाचे आहेत: (१) रँडम ॲक्सेस मेमरी ( रॅम RAM यदृच्छ-प्रवेशस्मृती ) (२) चार्जकपल्ड डिव्हाइस ( सीसीडी CCD⟶ विद्युत्‌भार युग्मित प्रयुक्ति ) आणि (३) रीड-ओन्ली मेमरी ( रॉम ROM केवळ वाचनाची स्मृती ).

रॅम  प्रयुक्तीत  प्रवेश ( ॲक्सेस ) म्हणजे साठविलेली माहिती वाचणे किंवा साठविलेल्या माहितीत प्रदत्त ( नवी माहिती ) लिहिणे ( घालणे ) शक्य असते. रॅम प्रयुक्तीत चिपेमधील कोणत्याही साठवण स्थानापर्यंत पोहोचण्याचा कालावधी एकच असतो. रॅममध्ये ६५,५२९ बिट्स ( द्विमान अंक एक व शून्य ) साठविता येत असत. इलेक्ट्रॉनीय स्मृतीचा हा प्रकार सर्वांत व्यापकपणे वापरला जातो.

नवीन माहिती, आज्ञावली, आलेख, छायाचित्रे इ. सर्व प्रदत्त गोष्टी प्रथमत: रॅममध्ये संगणकीय भाषेचा वापर करून लिहितात. रॅमवर असलेली माहिती संगणकाच्या पटलावर पाहता येते व त्यामुळे त्यावर संस्करण करता येते. अशा संस्करणासाठी पटलावर माहिती पाहता येणे ही एक महत्त्वाची व जमेची बाजू आहे. एका वेळेस जास्तीत जास्त माहिती पाहता आली व त्या माहितीतील कोणत्याही स्थानी पटकन पोहोचता आले तर संस्करणाचे काम सोपे होते. त्यामुळे रॅमची क्षमता शक्य तितकी वाढविली जावी अशी अपेक्षा संबंधितांकडून केली जाते. त्याला प्रतिसाद म्हणून निर्माते ही रॅमची क्षमता प्रयत्नपूर्वक वाढवीत असतात. रॅमची २५६ किलोबाइट ( १ किलोबाइट = २१० बाइट = १०२४ बाइट ) क्षमता आता कालबाह्य झाली असून ती वैयक्तिक संगणक व लॅपटॉपमध्ये ५१२ मेगॅबाइटपर्यंत उपलब्ध झालेली आहे. लवकरच गिगॅबाईटमध्ये मोजले जाणारे रॅम साधारण वापरात येतील. रॅमवरील माहिती आज्ञावलीच्या व्दारे सांकेतिक नाव देऊन स्मृतिचिपेमध्ये पाठवून कायमस्वरूपी साठवून ठेवता येते.

सीसीडी हे खास विन्यास असलेले संकलित मंडल असून त्यात विद्युत्‌भाराची पुडकी ( गठ्ठे ) जवळजवळ असलेल्या सूक्ष्म धातवीय पट्ट्याखाली मांडता येतात आणि ती विद्युत् अपारक रीतीने चिपेपासून अलग केलेली असतात. विद्युत्‌भार ( वा त्याचा अभाव ) एका ठिकाणाहून पुढील ठिकाणी अर्धसंवाहकावरून स्थलांतरित करता येतो. अशाप्रकारे एकाच्या किंवा शून्याच्या मालिका ( द्विमान संकेतावली ) साठविता येऊ शकतात व हवे तेव्हा ( इच्छेनुसार ) त्यांच्यापर्यंत पोहोचता येते. वेगाच्या बाबतीत सीसीडी स्मृती रॅम स्मृतीशी स्पर्धा करू शकत नाहीत. मात्र सीसीडी मोठ्या प्रमाणावरील माहिती कमी खर्चात हाताळू शकतात आणि यदृच्छ प्रवेश असणाऱ्या स्मृतीची गरज नसलेल्या ठिकाणी सीसीडी वापरतात. रॅम स्मृती चिपेमध्ये तात्पुरती साठविली जाते व विद्युत्‌ पुरवठा बंद झाल्यावरती नाहीशी होते. रॉम स्मृती चिपेमध्ये निर्मिति प्रक्रियेच्या वेळीच माहिती कायमची साठविली जाते.

नवीन प्रकारच्या ( स्मृती ) चिपा एकसारख्या विकसित होत आहेत. ईपीरॉम ( इरेझेबल प्रोग्रॅमेबल रीड ओन्ली मेमरी खोडता येण्याजोगी, कार्यक्रमणक्षम केवळ वाचनाची स्मृती ) चिपेत एकाच्या माथ्यावर दुसरे अशी दोन व्दारे असतात. वरच्या द्वारावर विद्युत्‌ दाब लावून खालचे द्वार विद्युत्‌ भारित होऊ शकते ( द्विमान संकेतावलीतील १ ) आणि विद्युत्‌ भार उलट करून ते द्वार विद्युत् विसर्जित होऊ शकते ( द्विमान संकेतावलीतील ० ).

इतिहास : संपूर्ण इलेक्ट्रॉनीय संगणक एनिॲक (ENIACइलेक्ट्रॉनिक न्यूमरिकल इंटिग्रेटर अँड कॅल्क्युलेटर ) १९४२-४५ दरम्यान तयार झाला. आधुनिक अर्थाने तो पहिला अंकीय संगणक होय. त्यात १८,००० निर्वात नलिका होत्या. म्हणजे या प्रकारची मोठी यंत्रे व्यावहारिक ठरली नसती, हे उघडच आहे. यामुळे दुसऱ्या महायुद्धाच्या काळात इलेक्ट्रॉनीय मंडलांच्या रचनेच्या लघुकरणाच्या पद्धतींचा अभ्यास सुरू झाला. दूरध्वनी उदयोग, दिशादर्शी क्षेपणास्त्रे व अवकाश कार्यक्रम यांच्यासाठी आवश्यक असलेल्या इलेक्ट्रॉनीय घटकांच्या लघुकरणाच्या प्रयत्नांमधून ट्रँझिस्टराचा शोध लागला. यामुळे इलेक्ट्रॉनीय मंडलांत अनेक प्रकारे क्रांती झाली ( १९४७ ). त्यांचा मोठ्या प्रमाणावरील वापर १९५२ नंतरसुरू झाला. ब्रिटनच्या रॉयल रडार एस्टॅब्लिशमेंटमधील जी. डब्ल्यू. ए. डमर यांनी संकलित मंडलाचा प्रस्ताव प्रथम सुचविला. त्यांनी ‘जोडणाऱ्या तारा नसलेली भरीव ठोकळ्यातील इलेक्ट्रॉनीय सामग्री’ असे संकलित मंडलाचे वर्णन केले होते. संकलित मंडल तसेच एकाच आधारस्तरावर जोडलेले घनअवस्था मंडलातील इतर घटक १९५७ साली विकसित झाले. १९५७-५८ मध्ये अर्धसंवाहकाची प्रकिया बरीच प्रगत झाली म्हणून एका वेफरवर पुष्कळ घटक बसविणे शक्य झाले. जॅक किल्बी ( १९५२ ), रॉबर्ट नॉइस व गॉर्डन मूर यांनी स्वतंत्रपणे सिलिकॉन संकलित मंडल विकसित केले. १९५८ साली अनेक घटक असलेले अखंड संकलित मंडल बनविले. १९६० पर्यंत मंडल संकलनाची मूलभूत तंत्रे व सामग्री उपलब्ध झाली. पहिल्या संकलित मंडलात ३ चौ. मिमी. चिपेवर २० घटक होते. १९६५ पर्यंत संकलित मंडलांची अनेक कुले उत्कांत झाली. त्याच सुमारास पहिली सदृश मंडले आणि धातु-ऑक्साइड अर्धसंवाहक संकलित मंडले पुढे आली. ती १९६९ साली लोकप्रिय होऊ लागली. १९७०-८० दरम्यान स्थूलमानीय व अतिस्थूलमानीय संकलन तंत्रे पुढे आली. यामुळे १९९२ साली एका चिपेवर २.५६ लाख बाइट माहिती संकलित होऊ लागली. तर अतिशय मोठ्या ( प्रमुख चौकटीच्या ) संगणकात दोन कोटीपर्यंत घटक असू शकतात. अतिस्थूलमानीय संकलनामुळे इलेक्ट्रॉनीय प्रणालींचे अभिकल्प ( आराखडे ) बनविण्याचा मार्गच बदलून गेला. यांतून अंकीय संगणक, सूक्ष्मतरंग भट्टी ( ओव्हन ), घड्याळे, मोबाईल, स्वयंचलित कॅमेरे, इलेक्ट्रॉनीय खेळ, दूरचित्रवाणी संचाला जोडावयाची विविध साधने, संदेशवहन व मापनसामग्री, वैदयकीय व वैज्ञानिक सामग्री इ. असंख्य वस्तूंचा मोठ्याप्रमाणावर वापर होऊ लागला. अशा रीतीने संकलित मंडलांमुळे इलेक्ट्रॉनीय उच्च तंत्रविद्येचे लाभ जीवनाच्या सर्व क्षेत्रांत उपलब्ध होऊ शकले.

संशोधनाच्या भावी दिशा : लघुसंगणक एनिॲक संगणकापेक्षा सहस्रावधी पटींनी जलद, अधिक स्मृती असणारा असून तो हजारोपट अधिक विश्वासार्हही आहे. सदृशीकृत मूळ नमुन्यांच्या मदतीने आता संगणकच इतर संगणकांचे अभिकल्प तयार करण्यासाठी वापरतात. एकेकट्या मंडल घटकाच्या प्रतिकृती संगणकात बनवितात आणि पूर्ण प्रणालीची प्रतिकृती तयार करण्यासाठी त्यांचे एकत्रीकरण करतात. अभिकल्पपूर्ण झाल्यावर स्वत: संगणक प्रधान आरेखन तयार करतो. इतर संगणक जोडकामाच्या ( बनावटीच्या ) प्रक्रियेवर लक्ष ठेवतात. इतर आणखी काही संगणक पूर्ण झालेल्या चिपांची चाचणी घेऊन सदोष चिपांवर खुणा करतात. उत्पादनाचा आवाका मोठा असल्यास काही वेळा खास स्वतंत्र प्रणाली विकसित करणे समर्थनीय व आवश्यक असते. मात्र बहुतेक बाबतींत आधीच उपलब्ध असलेल्या हजारो प्रकारांतून आपल्यासाठी योग्य असलेली संकलितमंडल सामग्रीच उत्पादक निवडतात.

संकलित मंडलांचा वापर सुरू झाल्यावर उत्पादन, अभियांत्रिकी, विद्युत्‌ पुरवठा आणि इलेक्ट्रॉनीय उदयोगातील सामग्री-सेवा शाखायांचे स्वरूप पूर्णतया बदलून गेले आहे. संदेशवहन, ग्राहकसेवा व माहितीची हाताळणी यांमध्ये संकलित मंडलामुळे क्रांती घडून आली असून याची पुढील वाटचाल संगणक नियंत्रित अर्थकारणाच्या दिशेत सुरू झालेली दिसते.

पहा : अर्धसंवाहक इलेक्ट्रॉनिकी  ट्रँझिस्टर तंत्रविदया मुद्रित मंडले संगणक सिलिकॉन सूक्ष्मप्रक्रीयक.

संदर्भ : 1. Einspruch, N. G. and Others, Eds., VLSI Electronics : Micro-structure  Science,  Vols. 1–24, 1981–94.

            2.  Elliot,  D.  J. Integrated Circuit Fabrication Technology, 1988.

            3. Gray, P. R. Meger, R. G. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 1992.

            4. Hodges, D. A. Jackson, H. G. Analysis and Design of Digital  Integrated  Circuits, 1988.

            5.  Long,  S.  I. Gallium Arsenide Digital Integrated Circuit Design, 1990.

            6. Ruska, W. S. Microelectronic Processing, 1987.

            7. Yang, E. S. Micro-electronic Devices, 1988.

            8. Zambuto, M. Semiconductor Devices, 1989.

ठाकूर, अ. ना.

“