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集積回路 しゅうせきかいろintegrated circuit

知恵蔵の解説

集積回路

IC」のページをご覧ください。

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百科事典マイペディアの解説

集積回路【しゅうせきかいろ】

IC

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ASCII.jpデジタル用語辞典の解説

集積回路

トランジスタやダイオード、抵抗、コンデンサなどの電子部品を集積し、シリコンやガリウムひ素でできている半導体チップ上にまとめたもの。使われている素子の数で、SSIMSI、LSI、VLSIなどに大別される。

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IT用語がわかる辞典の解説

しゅうせきかいろ【集積回路】

IC

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世界大百科事典 第2版の解説

しゅうせきかいろ【集積回路 integrated circuit】

通常はICと略称され,〈二つ,またはそれ以上の回路素子のすべてが,一つの基板上または基板内に組み込まれている回路であり,設計から製造,試験,運用に至るまで各段階で一つの単位として取り扱われるもの〉と定義されている。ここで基板substrateというのは,トランジスターやICがその上に形成される単結晶素材で,通常は元素半導体であるシリコンが使用されるが,高性能ICに対しては,化合物半導体であるガリウムヒ素GaAsが使用される。

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大辞林 第三版の解説

しゅうせきかいろ【集積回路】

複数の回路素子と、それらを結ぶ配線を一体のものとして高度に集積して組みこんだ回路。集積された回路素子の数によって IC ・ LSI ・ VLSI ・ ULSI などに分けられる。

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ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典の解説

集積回路
しゅうせきかいろ
integrated circuit

略して IC (アイシー) とも呼ばれている。小さな基板上または基板内に多数の回路素子を高密度に集積した超小型の電子回路である。通常数 mm2の基板または半導体片に数十以上の回路素子が形成され,その素子の密度に応じて中規模集積 (MSI) 回路,大規模集積 (LSI) 回路,さらに超大規模集積 (VLSI) 回路がある。トランジスタに次ぐ大きな技術革新をもたらし,現在,ラジオ,テレビ,通信機,コンピュータなどあらゆる電子機器に用いられている。材料,形態,構成,処理信号,使用トランジスタにより,各種の名称がつけられた集積回路がある。このほか,特殊な方法により,素子を分離したビーム・リード集積回路,タンタル膜を用いるタンタル薄膜混成集積回路,コンプリメンタリ型 MOSまたは双極型トランジスタを用いる相補型集積回路などがある。

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日本大百科全書(ニッポニカ)の解説

集積回路
しゅうせきかいろ
integrated circuit

電子回路の一種で、トランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサーなど、多くの回路素子を一つの基板上、または基板中に集積し、これらの素子間を基板表面に接した配線で接続して高密度回路構造としたもの。ICと略称でいわれることが多い。[右高正俊]

主要分類

集積回路は製造工程と機能とによって膜IC、半導体IC、および以上二つを組み合わせた混成(ハイブリッド)ICに分類できる。膜ICは回路素子を絶縁物薄片基板上に平面的につくり、配線はその上に金属膜を重ねて形成する。抵抗やコンデンサーの相互配線の導体パターンをつくる膜の構造、ならびに製造方法によって薄膜と厚膜との二つに分類される。前者は通常0.1マイクロメートル以下の主として金属薄膜でパターンをつくるが、後者は10マイクロメートル程度の厚さのパターンを、ペースト状にした材料をスクリーン印刷してつくる。薄膜はフォトエッチングで細かいパターンが得られ、集積度は高くなるが、工程が複雑なうえ表面の平坦(へいたん)な基板を用いる必要から、許容消費電力が低くなる。厚膜ICはパターンが印刷によっているので、工程は簡単であるが、精度に限界があって集積度は高くない。これら膜ICではトランジスタ、半導体ICなどの能動素子をつくることができないので、能動素子を実装し、コンデンサー、抵抗などの受動素子を含んだ回路とした膜と組み合わせたものが混成ICである。
 半導体基板中には能動、受動のすべての回路素子をつくることができるので、これらを基板中につくり込み、それらの間を基板中または基板表面に接した配線で接続したものが半導体ICまたはモノリシックIC(モノリシックmonolithicはギリシア語で単体の石の意)である。半導体ICは、すべての必要な回路素子を含んだ完全な電子回路をつくることができるので、他のICに比べてきわめて広範囲に使われている。そのため、一般に集積回路というときは、半導体ICをさすことが多い。
 半導体ICはIC内で用いるトランジスタの種類によって区別される。バイポーラIC(双極性集積回路)、MOS(モス)・IC(MOSはmetal oxide semiconductorの略称、金属酸化膜半導体)と、半導体内のキャリア(電荷担体)の特異なふるまいを利用した電荷結合素子(CCD)などに分かれる。バイポーラICではnpnトランジスタを主として、2種のトランジスタを混用することが多い。MOS・ICでは1種類のトランジスタだけを用いたものと、2種のトランジスタを用いたものがある。前者には正孔を利用するトランジスタだけを用いたPMOS・IC、電子を利用するトランジスタだけを用いたNMOS・ICがある。後者には両トランジスタを対として用いたCMOS・ICがあり、1980年代以降のIC、とくにデジタル用では、電力消費の少ない後者がもっぱら使われている。
 半導体ICは、すべてリソグラフィー技術を用い、微細なパターンを一つの半導体薄片(チップ)上に形成する。この場合、回路素子をつくるパターンを微細にするほど1チップ上に多くの回路素子をつくること、すなわち高集積化することができる。集積度は、記憶回路用ICでは1チップ当りのビット数で、論理回路用ICではゲート数で表すことができる。記憶回路ICでは1キロビット(論理回路では100ゲートに相当)以上100キロビット(論理回路では10キロゲートに相当)までを大規模集積回路あるいはLSI(large scale integrated circuitの略)といい、それ以上10メガビット(論理回路では1メガゲートに相当)までを超LSI(VLSI、very large scale integrated circuitの略)といい、それ以上を超超LSI(ULSI、ultra large scale integrated circuitの略)とよんでいる。[右高正俊]

歴史

集積回路は、主としてアメリカにおける宇宙用・軍事用機器の電子回路の小型・軽量化が動機となって開発された。小型・軽量化には、小さな部品を高密度で組み立てる必要があり、このために全回路を分離しやすい部分に分け、それぞれを標準化した形状の基板上に組み立てることが行われた。しかしこの方法では、抵抗などの回路部品と基板とを別々につくって組み立てるために、小型・軽量化はもちろん量産化にも限界があった。この限界を破るため、絶縁基板上につけた膜を加工し、抵抗や配線などをつくる膜ICが、さらに膜ICの配線上にトランジスタやダイオードなどを取り付けたハイブリッドICが、第二次世界大戦の終了直後から1960年の間に開発され完成された。
 一方、半導体によって抵抗だけでなく、トランジスタやダイオードなども製造できるようになった。このため、トランジスタの発明から5年後の1952年にイギリスで半導体ICの出現が予言され、1959年アメリカのテキサス・インスツルメンツ社によって試作された。このようにして生まれた半導体ICは、最初、集積化するための制限から、回路の最適化設計がむずかしく、製造条件の厳しさから歩留りが低かった。したがって価格は著しく高くなったが、価格より性能を重視する軍事用、宇宙用の電子機器にまず採用された。のち、回路と製造プロセスが改良されて歩留りが上がると、一括多量生産により価格が下がって新しい需要が次々と生まれるようになった。
 日本ではアメリカのような宇宙開発や軍用への需要はほとんどなく、経済性を重視する民需に頼っていたので、本格的にICの生産に取り組んだ1966年(昭和41)ころから1970年ころまでは、各社とも赤字に悩まされて生産は伸びなかった。日本で集積回路普及の端緒となったのは、電卓(電子式卓上計算機)とテレビジョン受像機への採用である。前者用は1969年、後者用は1972年ころから生産が順調に伸び、1975年には、半導体ICの生産額がトランジスタを追い越している(図A)。
 集積回路は、同じチップを多くつくればつくるほど、また、同一チップに集積する素子の数を多くすればするほど、素子当りの単価が下がる。そのもっともよい例が記憶素子(ICメモリー)に現れている。記憶素子の記憶容量に比例するビット当りの価格の年次変化をみると、年次が進んで量産の効果が出ると、ビット単価は確実に下がっている。しかし、同じ集積度のものを生産していては、単価の低下がやがて飽和してくる。したがって、1チップに集積する素子の数を増して、1チップ当りのビット数を4倍にすると、ふたたび単価の引き下げが大幅に可能となる(図B)。
 以上のように、年々1ビット単価を確実に下げていくには、数年ごとに集積度の高いICを開発し、1チップに集積する素子数を増して、1チップ当りのビット数を増加する必要がある。1960年以来の製作された記憶素子のチップ当りのビット数の推移をみると、1チップ当りのビット数は1960年から1975年の15年にわたり、年率約2倍の割で増えている。しかし、その後は2年で2倍~3年で4倍と、すこしずつ鈍化している(図C)。[右高正俊]

動作原理と製法

集積回路で重要な働きをするものは半導体である。とくに半導体ICにおいては、トランジスタから抵抗までのほとんどの回路部品は半導体によってつくる。半導体は、添加する不純物によってn形半導体(電子によって伝導がおこる半導体)とp形半導体(正孔によって伝導がおこる半導体)となり、それぞれ添加する不純物量によって伝導度が変えられる。p形半導体とn形半導体を接して作用させるのがpn接合で、pnpまたはnpnと二つの接合を組み合わせるとバイポーラトランジスタができる。pn接合は、p形半導体側を正極となるようにすると電流がよく流れ、逆にすると電流は流れないので、ダイオードとなる。また逆方向に電圧を加えると電流が流れない状態は、pn接合のp形半導体とn形半導体との間に薄い絶縁物を挟んだ状態と同じことになり、二つの半導体が同一の結晶として連なっているにもかかわらず、電気的には分離されている。半導体ICでは1個の半導体チップの中に多くの回路部品が組み込まれるが、これら部品相互間の分離は、主として以上の方法によっている。薄い絶縁物を半導体で挟んだ状態は、コンデンサーと同じ構造ともなり、逆電圧を加えたpn接合はコンデンサーとして使うこともできる。
 バイポーラ半導体集積回路では、高比抵抗のp形半導体を基板として用い、その中にトランジスタ、ダイオード、コンデンサー、抵抗などの回路部品をつくるが、このとき、p形基板と各部品との間には、かならずn形半導体層を介在させ、その層と基板とでできるpn接合で各部品を電気的に分離する。半導体ICでは、回路部品を同時につくるところに特長があり、抵抗もトランジスタも同じ手間でできる。したがって、トランジスタの一部を抵抗、コンデンサー、ダイオードとして使うこともある(図D)。
 MOS・ICでは、結晶表面の酸化膜を利用してMOSトランジスタをつくるので、抵抗、コンデンサーも表面につくることが多い。しかし、ダイオードはバイポーラICの場合と同じように、基板内のpn接合を利用する。MOS・ICの回路部品の分離は、酸化膜を使うこともあるが、バイポーラICと同じようにpn接合を使うことも多い(図E)。
 半導体ICは単結晶製造、ウェハー(薄い円盤上の基板)処理などを主要工程とし、さらにマスク製造工程を加え、多くの作業を経てつくられる。単結晶製造工程では、シリコン(ケイ素)の原料である珪石(けいせき)から純粋のシリコンを取り出して単結晶とし、それを切断、研磨して基板のシリコンウェハーとする。ウェハー処理工程では、あらかじめつくられたマスクをウェハーにあわせ、種々の加工を施しパターン形成をしてICチップとする。これを組立て工程で組み立て、配線、封止をし、検査工程を経て、製品として出荷される(図F)。[右高正俊]

特徴

集積回路の一般的特徴として、小型・軽量で消費電力が小さいことがあげられる。その結果、集積回路を採用すると、応用機器も小型・軽量で低消費電力となり、しかも安価となる。このもっともよい例が電卓である。電卓は1964年ころにはトランジスタ、ダイオードなどの個別半導体を使っていたが、1968年には小規模集積回路(SSI)、中規模集積回路(MSI)を採用するようになり、1970年代にはついに1個の大規模集積回路(LSI)を用いるようになった。そのため1960年代なかばから四半世紀の間に、体積で約4000分の1、重さで870分の1、価格で約700分の1と大幅な進歩を遂げた。この傾向は、その後もいろいろな製品で起こっており、工業製品の高性能化、軽量化、小型化、低価格化に大いに寄与している。
 集積回路は各構成素子が小さく、しかも構造的に強固な結晶内につくられ、部品間の配線にはんだ付けなどがないので、振動、衝撃などの機械的外力に強く、信頼度も高い。製造技術の発達によって、集積度が上がってもチップ当りの信頼度は変わらない。MOS・ICに例をとると、内部に含まれる素子数が1970年ごろから2010年の40年間に25万倍と飛躍的に伸びているにもかかわらず、ほとんど信頼度は変わっていない。そのため、各素子当りの信頼性は、年々集積度が上がるにつれて上がる。しかし、熱放散や電流密度の点から、ある程度の面積を必要とする大電力用や、さらには素子の立体的な配置や、構造の最適化が強く要求される超高周波用には、かならずしも有利ではない。また、集積度が上がるにつれて設計に人手がかかるようになる。このことから、設計変更が多く、生産量の少ないものには集積回路は向いていない。
 集積回路の特徴を各種のICについてみると、半導体ICは設備投資、開発費が大きいが、集積度、量産性に優れ、集積度、量産性の点ではとくにMOS・ICが優れている。MOS・ICは消費電力も少なく安価で、動作速度も高集積に伴って素子サイズが微細化されるにつれてあがっている。バイポーラICは高速動作ができるが、消費電力が大きい。混成ICは、半導体ICに比べて集積度は大きくできず、量産性も劣るが、設備投資、開発費などもそれほど大きくなく、インダクタンスも組み込めるなどの特長をもっている。また、高周波、高電力のものもつくることができる。ただし、小型化に限界があり、価格もあまり下げられない。
 半導体ICに対する設備投資額は、1980年度(昭和55)の通商産業省(当時)の調べでは1210億円で、これは5年前の10倍強であった。さらに、1990年代に入るころには、10倍近くの1兆円を超えた。しかし、1993年(平成5)には5830億円と減少するなど、増減を繰り返しながら2007年(平成19)には過去最大の1兆4965億円まで伸びた。しかしながら、世界景気の後退、日本半導体産業の衰退によって、2009年には、その5分の1以下の2891億円まで下がった。世界市場の景気はその後持ち直しつつあるが、日本国内の伸びはそれほど著しくなっていない。研究投資のほうも同様な傾向を示している。一方、日本の半導体市場の規模は、初期のころは著しい増加を示してきたが、その後は増減を繰り返しながら傾向としては増加を続けている。市場規模が伸びるのは、毎年、より性能の優れた集積回路が社会に出るため、用途が著しい広がりをみせていることによる。高性能のものを安くつくるには、技術革新が必要となり、技術革新のためには、多額の研究投資をして最先端の研究をしなければならない。また、そのような最先端の研究結果を応用して生産を行うには、近代技術の粋を集めた高価な設備をコンピュータで精密制御して使う必要がある。さらに、製造現場の環境や設備にも大きな支出を要しても、最適な状態に整えなければならない。このように、あらゆる分野の最先端知識を駆使した高額な設備と最先端知識を総合して生産するのが半導体ICの大きな特徴となっている。[右高正俊]

用途

日本における1984年度の実績をみると、総売上高のうち、コンピュータおよびその端末機器が約36%、VTRが14%、音響機器が8.3%、通信機が8%を占めており、その8年前に5分の1強を占めていた電卓は2.5%に下がっている。これは集積回路の用途が一般に広がり、電卓で支えられて伸びてきた日本の特殊性からの脱却を意味する。次に多いものとして、テレビ、事務機、計測制御、時計などがある。とくに注目すべきことは、従来電子機器でなかった時計や自動車などにおいて売上げが増したことである。これは、マイクロコンピュータが発展して、電子機器の自動化、高性能化だけでなく、時計をはじめ自動車、カメラ、ミシン、工作機械などの機械機器の分野でも、電子制御による高性能化が一般化してきたことを意味する。たとえば時計、カメラなどでは、機械部分をICに置き換えることによって高性能化と操作性の向上を図っている。ミシンや工作機械の分野では、自動化、高性能化のほか、コンピュータのプログラムを用いて多様化に対応できる分野を開拓している。2000年代に入ってからの用途別IC需要の傾向として、主としてパソコン用として使われるICの比率が下がり、かわって自動車用が上がっているのが目だつ。自動車では、マイクロコンピュータを用いてエンジンの最適制御と安全性および燃費の向上を進めている。このように、ICの性能が高度化、多様化するにつれて、今後ますます多方面で活用され、便利で快適な社会づくりに役だっていくものと思われる。[右高正俊]
『電子工学ポケットブック編纂委員会編『電子工学ポケットブック』第3版(1982・オーム社) ▽伊藤糾次・伊藤容吉著『集積回路基礎技術』(1983・昭晃堂) ▽右高正俊著『LSIプロセス工学』改訂2版(1988・オーム社) ▽池田哲夫監修、谷本哲三・常深信彦著『集積回路の基礎と応用』(2001・森北出版) ▽上西勝三著『わかる集積回路の秘密』(2004・日本理工出版会) ▽黒木幸令著『学びやすい集積回路工学』(2005・昭晃堂)』

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世界大百科事典内の集積回路の言及

【記憶装置】より

…また,記憶装置には記憶媒体が交換可能なものとそうでないものとがあり,読出し専用のリードオンリーメモリーもある。
[半導体メモリー]
 半導体メモリーとはIC(集積回路の略)を使った記憶装置またはそれを構成するICのことをいう。半導体メモリー用の素子として,1990年頃までは高速性が要求される用途ではバイポーラートランジスターが使われたが,MOSトランジスターが高速になったため,現在では高集積化が容易で消費電力が少ないMOSトランジスターがほとんどの用途に使われている。…

【テキサス・インスツルメンツ[会社]】より

…54年には熱による劣化の激しいゲルマニウムに代えてシリコン(ケイ素)を素材としたシリコントランジスターを初めて開発,4年間にわたるシリコントランジスターからの独占的利益によって経営基盤を強固にした。59年にはTI社のエンジニア,キルビーJack St.Clair Kilby(1923‐ )がIC(集積回路)特許を出願し,IC開発への道を開いた。以後,TI社はフェアチャイルド社と並ぶICの最有力メーカーとして活躍してきた。…

※「集積回路」について言及している用語解説の一部を掲載しています。

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