Circuíto integrado

Circuítos integrados de memoria cunha fiestra de cristal de cuarzo que posibilita o seu borrado mediante radiación ultravioleta.

Un circuíto integrado (CI), tamén coñecido como chip ou microchip, é unha pastilla pequena de material semicondutor, dalgúns milímetros cadrados de área, sobre a que se fabrican circuítos electrónicos xeralmente mediante fotolitografía e que está protexida dentro dun encapsulado de plástico ou cerámica. O encapsulado posúe condutores metálicos apropiados para facer conexión entre a pastilla e un circuíto impreso.

Introdución

Geoffrey Dummer nos anos 1950.

En abril de 1949, o enxeñeiro alemán Werner Jacobi (Siemens AG) completa a primeira solicitude de patente para circuítos integrados con dispositivos amplificadores de semicondutores. Jacobi realizou unha típica aplicación industrial para a súa patente, a cal non foi rexistrada.

Máis tarde, a integración de circuítos foi conceptualizada polo científico de radares Geoffrey W.A. Dummer (1909-2002), que estaba traballando para a Royal Radar Establishment do Ministerio de Defensa Británico, a finais da década de 1940 e principios da década de 1950.

O primeiro circuíto integrado foi desenvolvido en 1959 polo enxeñeiro Jack Kilby (1923-2005) poucos meses logo de ser contratado pola firma Texas Instruments. Tratábase dun dispositivo de xermanio que integraba seis transistores nunha mesma base semicondutora para formar un oscilador de rotación de fase.

No ano 2000 Kilby foi galardoado co Premio Nobel de Física pola enorme contribución do seu invento ao desenvolvemento da tecnoloxía.

Ao mesmo tempo que Jack Kilby, pero de forma independente, Robert Noyce desenvolveu o seu propio circuíto integrado, que patentou uns seis meses despois. Ademais resolveu algúns problemas prácticos que posuía o circuíto de Kilby, como o da interconexión de todos os compoñentes; ao simplificar a esctructura do chip mediante a adición do metal nunha capa final e a eliminación dalgunhas das conexións, o circuíto integrado fíxose máis adecuado para a produción en masa. Ademais de ser un dos pioneiros do circuíto integrado, Robert Noyce tamén foi un dos co-fundadores de Intel, un dos maiores fabricantes de circuítos integrados do mundo.

Os circuítos integrados atópanse en todos os aparellos electrónicos modernos, como automóbiles, televisores, reprodutores de CD, reprodutores de MP3, teléfonos móbiles, computadoras etc.

O desenvolvemento dos circuítos integrados foi posible grazas a descubrimentos experimentais que demostraron que os semiconductores poden realizar algunhas das funcións das válvulas de baleiro.

A integración de grandes cantidades de diminutos transistores en pequenos chips foi un enorme avance sobre a ensamblaxe manual dos tubos de baleiro (válvulas) e na fabricación de circuítos electrónicos utilizando compoñentes discretos.

A capacidade de produción masiva de circuítos integrados, a súa confiabilidade e a facilidade de agregarlles complexidade, levou á súa estandarización, substituíndo deseños que utilizaban transistores discretos, e que pronto deixaron obsoletas ás válvulas ou tubos de baleiro.

Son tres as vantaxes máis importantes que teñen os circuítos integrados sobre os circuítos electrónicos construídos con compoñentes discretos: o seu menor custo; a súa maior eficiencia enerxética e o seu reducido tamaño. O baixo custo é debido a que os CI son fabricados sendo impresos como unha soa peza por fotolitografía a partir dunha oblea, xeralmente de silicio, permitindo a produción en cadea de grandes cantidades, cunha moi baixa taxa de defectos. A elevada eficiencia débese a que, dada a miniaturización de todos os seus compoñentes, o consumo de enerxía é considerablemente menor, a iguais condicións de funcionamento que un homólogo fabricado con compoñentes discretos. Finalmente, o máis notable atributo, é o seu reducido tamaño en relación aos circuítos discretos; para ilustrar isto: un circuíto integrado pode conter desde miles ata varios millóns de transistores nuns poucos centímetros cadrados.

Avances nos circuítos integrados

Os avances que fixeron posible o circuíto integrado foron, fundamentalmente, os desenvolvementos na fabricación de dispositivos semiconductores a mediados do século XX e os descubrimentos experimentais que mostraron que estes dispositivos podían substituír as funcións das válvulas ou tubos de baleiro, que se volveron rapidamente obsoletos ao non poder competir co pequeno tamaño, o consumo de enerxía moderado, os tempos de conmutación mínimos, a confiabilidade, a capacidade de produción en masa e a versatilidade dos CI.

Entre os circuítos integrados máis complexos e avanzados atópanse os microprocesadores, que controlan numerosos aparellos, desde computadoras ata teléfonos móbiles e fornos microondas. Os chips de memorias dixitais son outra familia de circuítos integrados, de importancia crucial para a moderna sociedade da información. Mentres que o custo de deseñar e desenvolver un circuíto integrado complexo é bastante alto, cando se reparte entre millóns de unidades de produción, o custo individual dos Cis polo xeral redúcese ao mínimo. A eficiencia dos CI é alta debido a que o pequeno tamaño dos chips permite curtas conexións que posibilitan a utilización de lóxica de baixo consumo (como é o caso de CMOS), e con altas velocidades de conmutación.

A medida que transcorren os anos, os circuítos integrados van evolucionando: fabrícanse en tamaños cada vez máis pequenos, con mellores características e prestacións, melloran a súa eficiencia e a súa eficacia, e permítese así que maior cantidade de elementos sexan empaquetados (integrados) nun mesmo chip (véxase a lei de Moore). Á vez que o tamaño redúcese, outras calidades tamén melloran (o custo e o consumo de enerxía diminúen, á vez que aumenta o rendemento). Aínda que estas ganancias son aparentemente para o usuario final, existe unha feroz competencia entre os fabricantes para utilizar xeometrías cada vez máis delgadas. Este proceso, e o esperado para os próximos anos, está moi ben descrito pola International Technology Roadmap for Semiconductors.

Popularidade

Só ha trascurrido medio século desde que se iniciou o seu desenvolvemento e os circuítos integrados volvéronse case omnipresentes. Computadoras, teléfonos móbiles e outras aplicacións dixitais son agora partes das sociedades modernas. A informática, as comunicacións, a manufactura e os sistemas de transporte, incluíndo Internet, todos dependen da existencia dos circuítos integrados. De feito, moitos estudosos pensan que a revolución dixital causada polos circuítos integrados é un dos sucesos máis significativos da historia da humanidade.

Tipos

Existen polo menos tres tipos de circuítos integrados:

• Circuítos monolíticos: Están fabricados nun só monocristal, habitualmente de silicio, pero tamén existen en xermanio, arseniuro de galio, silicio-xermanio etc.
• Circuítos híbridos de capa fina: Son moi similares aos circuítos monolíticos, pero, ademais, conteñen compoñentes difíciles de fabricar con tecnoloxía monolítica. Moitos conversores A/D e conversores D/A fabricáronse con tecnoloxía híbrida ata que os progresos na tecnoloxía permitiron fabricar resistores máis precisos.
• Circuítos híbridos de capa grosa: Apártanse bastante dos circuítos monolíticos. De feito adoitan conter circuítos monolíticos sen cápsula, transistores, díodos etc, sobre un substrato dieléctrico, interconectados con pistas condutoras. Os resistores deposítanse por serigrafía e axústanse facéndolles cortes con láser. Todo iso encapsulase, en cápsulas plásticas ou metálicas, dependendo da disipación de enerxía calórica requirida. En moitos casos, a cápsula non está "moldeada", senón que simplemente cóbrese o circuíto cunha resina epoxi para protexelo. No mercado atópanse circuítos híbridos para aplicacións en módulos de radio frecuencia (RF), fontes de alimentación, circuítos de aceso para automóbil etc.

Clasificación

Atendendo ao nivel de integración -número de compoñentes- os circuítos integrados pódense clasificar en:

• SSI (Small Scale Integration) pequeno nivel: de 10 a 100 transistores
• MSI (Medium Scale Integration) medio: 101 a 1.000 transistores
• LSI (Large Scale Integration) grande: 1.001 a 10.000 transistores
• VLSI (Very Large Scale Integration) moi grande: 10.001 a 100.000 transistores
• ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande: 100.001 a 1 000 000 transistores
• GLSI (Giga Large Scale Integration) xiga grande: máis dun millón de transistores

En canto ás funcións integradas, os circuítos clasifícanse en dous grandes grupos:

Circuítos integrados analóxicos.

Poden constar desde simples transistores encapsulados xuntos, sen unión entre eles, ata circuítos completos e funcionais, como amplificadores, osciladores ou ata receptores de radio completos.

Circuítos integrados dixitais.

Poden ser desde básicas portas lóxicas (AND, OR, NOT) ata os máis complicados microprocesadores ou microcontroladores.

Algúns son deseñados e fabricados para cumprir unha función específica dentro dun sistema maior e máis complexo.

En xeral, a fabricación dos CI é complexa xa que teñen unha alta integración de compoñentes nun espazo moi reducido, de forma que chegan a ser microscópicos. Con todo, permiten grandes simplificacións con respecto os antigos circuítos, ademais dunha montaxe máis eficaz e rápida.

Limitacións dos circuítos integrados

Existen certos límites físicos e económicos ao desenvolvemento dos circuítos integrados. Basicamente, son barreiras que se van afastando ao mellorar a tecnoloxía, pero estes non desaparecen. As principais son:

Disipación de potencia

Os circuítos eléctricos disipan potencia. Cando o número de compoñentes integrados nun volume dado crece, as esixencias en canto a disipación desta potencia, tamén crecen, quentando o substrato e degradando o comportamento do dispositivo. Ademais, en moitos casos é un sistema de realimentación positiva, de modo que canto maior sexa a temperatura, máis corrente conducen, fenómeno que se adoita chamar "embalamento térmico" e, que se non se evita, chega a destruír o dispositivo. Os amplificadores de son e os reguladores de tensión son proclives a este fenómeno, polo que adoitan incorporar proteccións térmicas.

Os circuítos de potencia, evidentemente, son os que máis enerxía deben disipar. Para iso a súa cápsula contén partes metálicas, en contacto coa parte inferior do chip, que serven de conduto térmico para transferir a calor do chip ao disipador ou ao ambiente. A redución de resistividade térmica deste conduto, así como das novas cápsulas de compostos de silicona, permiten maiores disipacións con cápsulas máis pequenas.

Os circuítos dixitais resolven o problema reducindo a tensión de alimentación e utilizando tecnoloxías de baixo consumo, como CMOS. Aínda así nos circuítos con máis densidade de integración e elevadas velocidades, a disipación é un dos maiores problemas, chegándose a utilizar experimentalmente certos tipos de criostatos. Precisamente a alta resistividade térmica do arseniuro de galio é o seu talón de Aquiles para realizar circuítos dixitais con el.

Capacidades e autoinducións parasitas

Este efecto refírese principalmente ás conexións eléctricas entre o chip, a cápsula e o circuíto onde vai montada, limitando a súa frecuencia de funcionamento. Con pastillas máis pequenas redúcese a capacidade e a autoindución delas. Nos circuítos dixitais excitadores de buses, xeradores de reloxo etc, é importante manter a impedancia das liñas e, aínda máis, nos circuítos de radio e de microondas.

Límites nos compoñentes

Os compoñentes dispoñibles para integrar teñen certas limitacións, que difiren das das súas contrapartidas discretas.

• Resistores. Son indesexables por necesitar unha gran cantidade de superficie. Por iso só se usan valores reducidos e en tecnoloxías MOS elimínanse case totalmente.
• Condensadores. Só son posibles valores moi reducidos e á conta de moita superficie. Como exemplo, no amplificador operacional μA741, o condensador de estabilización vén ocupar un cuarto do chip.
• Indutores. Úsanse comunmente en circuítos de radiofrecuencia, sendo híbridos moitas veces. En xeral non se integran.

Densidade de integración

Durante o proceso de fabricación dos circuítos integrados vanse acumulando os defectos, de modo que certo número de compoñentes do circuíto final non funcionan correctamente. Cando o chip integra un número maior de compoñentes, estes compoñentes defectuosos diminúen a proporción de chips funcionais. É por iso que en circuítos de memorias, por exemplo, onde existen millóns de transistores, fabrícanse máis dos necesarios, de maneira que se pode variar a interconexión final para obter a organización dexesada.

Véxase tamén

Outros artigos

• Transistor
• Etiqueta RFID
• CMOS
• Transistor de unión bipolar

Ligazóns externas

• Documentación sobre Jack Kilby e o seu descubrimento no sitio web da empresa Texas Instruments (en inglés)