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Chip Definition & Begriffserklärung

ChipAls Chip wird in der Computertechnik ein integrierter Schaltkreis verstanden. Im Englischen spricht man auch von IC für integrated circuit. Ein solcher Mikrochip besteht aus einer fest miteinander verdrahteten Schaltung, die sich auf einem Halbleitersubstrat befindet. Einen solchen Chip nennt man auch monolithischen Schaltkreis oder auch Festkörperschaltkreis. Erkennbar sind diese Bauteile an ihrem quaderförmigen oder quadratischen Kunststoffgehäuse und den empfindlichen Anschlüssen.

Geschichte des Chips

Bevor es die ersten ICs Ende der 50er Jahre gab, wurden solche elektronischen Schaltungen aus einzelnen Bauteilen, wie Dioden und Transistoren, auf einer Leiterplatte zusammengelötet. Immerhin war dies schon ein enormer Fortschritt im Verhältnis zu den damaligen Elektronenröhren. Insbesondere die Verkleinerung von umfangreichen Anlagen und eine geringere Leistungsaufnahme, die gerade im Computerbereich eine wichtige Rolle spielen, konnten mit Transistoren verwirklicht werden.

Ein weiterer Punkt war natürlich auch die Wärmeabgabe, die bei einem Röhrenbetrieb unabdingbar war. Ab den 60er Jahren wurden verstärkt ICs eingesetzt. Bei der ersten integrierten Schaltung handelte es sich um einen einfachen Flipflop-Schaltkreis, der von Jack Kilby 1958 entwickelt wurde. Diese Schaltung beinhaltete zwei Bipolartransistoren auf einem Germanium-Substrat, die durch Golddrähte miteinander verbunden waren. Diese integrierte Schaltung war die erste bekannte Umsetzung der bekannten Transistor-Transistor-Logik, auch TTL bezeichnet und gleichzeitig eine Vorstufe der TTL-Schaltungen bis hin zu kleineren Bauformen.

1959 wurde erstmals die monolithische Schaltung aus einkristallinem Substrat von Robert Noyce gefertigt. Hierbei wurden das fotolithografische Herstellungsverfahren, sowie Diffusionsprozesse genutzt. Mithilfe dieser Techniken entstanden 1970 auch die ersten Mikroprozessoren Intel 4004, Texas Instruments TMS 1000 und der CADC von Garrett AiResearch. Die ersten integrierten Schaltungen der small-scale integration (SSI) besaßen nur ein dutzend Transistoren.

Im Laufe der Entwicklungsgeschichte wurden die Schaltungen wesentlich komplexer und gleichzeitig auch kleiner. Einige hundert Transistoren und passive Bauelemente beinhaltete die sogenannte MSI – medium-scale-integration. Etliche tausend Bauteile basieren auf der LSI – large-scale-integration. 1970 war man erstmals in der Lage, in einem Chip einen vollständigen Mikroprozessor zu integrieren. Dadurch konnten die Herstellungskosten der Computer wesentlich verringert werden.

1980 konnten mithilfe der VLSI – very-large-scale-integration einige hunderttausend Transistoren auf einem Chip integriert werden. Nun war man in der Lage größere Speicherchips (RAM) mit einer Größe zwischen 256 KB bis hin zu 1 MB zu entwickeln. Darauf aufbauend wurden die Fertigungstechniken dank einer höheren Entwurfsautomation, sowie die Fertigung von Fotomasken so erweitert, dass immer komplexere Schaltungen möglich waren. Ein Beispiel stellt der Nvidia Tesla Grafikprozessor dar, der bis 3 Milliarden Transistoren enthält. Der Intel Core i7 Prozessor beinhaltet bis zu 1,17 Milliarden Transistoren.

Verschiedene Arten von Chips

Nach der jeweiligen Fertigungstechnologie werden die Chips in mehrere Arten unterteilt. Die monolithischen Schaltungen bestehen aus einem Substrat einkristallinen Halbleitermaterials. Dabei werden die Bauelemente beispielsweise durch Dotierung direkt an der Oberfläche des Substrats beziehungsweise durch Schichtauftrag dort integriert. Bei den Bauelementen handelt es sich um Dioden, Transistoren, MOSFET-Schaltungen, Widerstände, Kondensatoren und Leiterzüge. Bekannte Beispiele dieser Chips sind TTLs, CMOS, CCD oder die Bipolar-Technologie.

Daneben gibt es noch die sogenannten Dünnschicht-Schaltkreise. Sie werden auf einem Glassubstrat durch Bedampfen aufgebracht. Meist handelt es sich hierbei um Widerstandsnetzwerke, die durch einen Elektronenstrahlabgleich sehr präzise hergestellt werden können. Geschützt sind diese Chips durch eine Tauchlackierung. TFTs, wie sie in Flachbildschirmen Anwendung finden, gehören ebenfalls zu dieser Gruppe. Eine weitere Gruppe bilden die Dickschicht-Hybridschaltkreise. Hierbei handelt es sich um mehrere monolithische Chips, Widerstände und Leiterzüge, die im Dickschichtverfahren auf keramischem Trägermaterial aufgebracht sind.

Neben der verschiedenartigen Fertigung unterscheiden sich Chips auch nach der jeweiligen Signalart. So gibt es digitale ICs, analoge Linear-ICs, sowie Mixed-Signal-ICs, die alle Signale verarbeiten können. Chips in Digitalkameras oder zur Temperaturmessung gehören beispielsweise hierzu.

Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal ist die Aufgabe des jeweiligen Chips. So dienen Mikroprozessoren in Computern als Rechen- und Steuereinheit, Halbleiterchips zur Speicherung von digitalen Daten, digitale Signalprozessoren (DSPs) verarbeiten digitale und analoge Signale in rein digitaler Form, sowie A/D- und D/A-Wandler. Viele weitere Aufgaben übernehmen Chips, zum Beispiels als Mikrocontroller, Standard-Logik-ICs, zur Signalsteuerung in Hifi-Verstärkern oder als sogenanntes System-on-a-Chip, einem kompletten Computer auf einem einzigen Chip.

Herstellung eines Chips

Die Grundlage für die Herstellung von Chips bildet eine einkristalline Halbleiterscheibe. Sie wird auch als Wafer bezeichnet. Bei dieser monolithischen Fertigung werden auf einem Wafer bis zu mehreren tausend Schaltungen parallel hergestellt in Abschnitte unterteilt hergestellt. Dies senkt natürlich auch die Herstellungskosten.

Zunächst muss der Wafer selbst hergestellt werden. Bei dieser Substratherstellung muss das Ausgangsmaterial gereinigt werden. Mehr als 99 Prozent aller Chips verwenden als Grundmaterial Silicium. Als Ergebnis erhält man die großen Einkristalle, sogenannte Ingots. Anschließend müssen durch Bearbeiten des Substratmaterials die integrierten Schaltungen auf dem Wafer untergebracht werden. Man nennt dies Front-End-of-Line. Beim Back-End-of-Line werden die Bauelemente miteinander verbunden. Es erfolgt eine Passivierung der Oberfläche. Im letzten Schritt werden die Einzelchips aus dem Wafer herausgeschnitten und in Kunststoffgehäuse verpackt. Dies nennt man Back-End. Die dünnen Leitungsdrähte, die nach außen führen, bezeichnet man als Bonddrähte.

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