Circuitu integráu

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Circuitos integraos de memoria EPROM con una ventana de cristal de cuarzu que fai posible el so borráu por aciu radiación ultravioleta.

Un circuitu integráu (CI), tamién conocíu como chip o microchip, ye una estructura de pequeñes dimensiones de material semiconductor, de normal siliciu, de dellos milímetros cuadraos de superficie (área), sobre la que se fabriquen circuito electrónicos xeneralmente por aciu fotolitografía y que ta protexida dientro d'un encapsulado de plásticu o de cerámica.[1] El encapsulado tien conductores metálicos apropiaos pa faer conexón ente'l circuitu integráu y un circuitu impresu.

Los CI fixéronse posibles gracies a descubrimientos esperimentales qu'amosaben qu'artefactos semiconductores podíen realizar les funciones de los tubos de vacíu, según a les meyores científiques de la fabricación de semiconductores a mediaos del sieglu XX. La integración de grandes cantidaes de pequeños transistores dientro d'un pequeñu espaciu foi una gran meyora na ellaboración manual de circuitos utilizando componentes electrónicos discretos. La capacidá de producción masiva de los circuitos integraos, según la fiabilidá y acercamientu a la construcción d'una diagrama a bloques en circuitos, aseguraba la rápida adopción de los circuitos integraos estandarizados en llugar de diseños utilizando transistores discretos.

Los CI tienen dos principales ventayes sobre los circuitos discretos: costo y rendimientu. El baxu costo ye por cuenta de los chips; yá que tien tolos sos componentes impresos nuna unidá de fotolitografía en llugar de ser construyíos un transistor al empar. Entá más, los CI empaquetados usen muncho menos material que los circuitos discretos. El rendimientu ye alto yá que los componentes de los CI camuden rápido y peracaben pocu poder (comparáu los sos contrapartes discretes) como resultáu del so pequeñu tamañu y proximidá de tolos sos componentes. Dende 2012, l'intervalu d'área de chips típicos ye dende unos pocos milímetros cuadraos a alredor de 450  mm2, con hasta 9 millones de transistores por mm2.

Los circuitos integraos son usaos en práuticamente tolos equipos electrónicos anguaño, y revolucionaron el mundu de la electrónica. Computadores, teléfonos móviles, y otros dispositivos electrónicos que son parte indispensables de les sociedaes modernes, son posibles gracies a los baxos costos de los circuitos integraos.

Historia[editar | editar la fonte]

Geoffrey Dummer nos años 1950.

N'abril de 1958, l'inxenieru alemán Werner Jacobi[2] (Siemens AG) completa la primer solicitú de patente pa circuitos integraos con dispositivos amplificadores de semiconductores. Jacobi realizó una típica aplicación industrial pa la so patente, que nun foi rexistrada.

Más tarde, la integración de circuitos foi conceptualizada pol científicu de radares Geoffrey Dummer (1909-2002), que taba trabayando pa la Royal Radar Establishment del Ministeriu de Defensa Británicu, a finales de la década de 1940 y principios de la década de 1950.

El primer circuitu integráu foi desenvueltu en 1959 pol inxenieru Jack S. Kilby[2] (1923-2005) pocos meses dempués de ser contratáu pola firma Texas Instruments. Tratar d'un dispositivu de xermaniu qu'integraba seis transistores nuna mesma base semiconductora pa formar un oscilador de rotación de fase.

Nel añu 2000 Kilby foi galardonáu col Premiu Nobel de Física pola enorme contribución del so inventu al desenvolvimientu de la teunoloxía.[3]

Robert Noyce desenvolvió'l so propiu circuitu integráu, que patentó unos seis meses dempués. Amás resolvió dellos problemes prácticos que tenía'l circuitu de Kilby, como'l de la interconexión de tolos componentes; al simplificar la estructura del chip por aciu la adición de metal nuna capa final y l'eliminación de delles de les conexones, el circuitu integráu fíxose más fayadizu pa la so producción en masa. Amás de ser unu de los pioneros del circuitu integráu, Robert Noyce tamién foi unu de los co-fundadores de Intel Corporation, unu de los mayores fabricantes de circuitos integraos del mundu.[4]

Los circuitos integraos atópase en tolos aparatos electrónicos modernos, tales como relóes, automóviles, televisiones, reproductores MP3, teléfonos móviles, computadores, equipos médicos, etc.

El desenvolvimientu de los circuitos integraos foi posible gracies a descubrimientos esperimentales que demostraron que los semiconductor, particularmente los transistores, pueden realizar delles de les funciones de les válvules de vacíu.

La integración de grandes cantidaes de diminutos transistores en pequeños chips foi una enorme meyora sobre l'ensamblaxe manual de los tubos de vacíu (válvules) y na fabricación de circuitos electrónicos utilizando componentes discretos.

La capacidá de producción masiva de circuitos integraos, el so confiabilidad y la facilidá d'amesta-yos complexidá, llevó a la so estandarización, reemplazando circuitos completos con diseños qu'utilizaben transistores discretos, y amás, llevando rápido a la obsolescencia a les válvules o tubos de vacíu.

Son trés les ventayes más importantes que tienen los circuitos integraos sobre los circuitos electrónicos construyíos con componentes discretos: el so menor costo; el so mayor eficiencia enerxética y el so amenorgáu tamañu. El baxu costo ye por cuenta de que los CI son fabricaos siendo impresos como una sola pieza por fotolitografía a partir d'una oblea, xeneralmente de siliciu, dexando la producción en cadena de grandes cantidaes, con una bien baxa tasa de defectos. La elevada eficiencia deber a que, dada la miniaturización de tolos sos componentes, el consumu d'enerxía ye considerablemente menor, a iguales condiciones de funcionamientu qu'un circuitu electrónicu homólogu fabricáu con componentes discretos. Finalmente, el más notable atributu, ye'l so amenorgáu tamañu en relación a los circuitos discretos; pa ilustrar esto: un circuitu integráu puede contener dende miles hasta dellos millones de transistores nunos pocos milímetros cuadraos.[5]

Les meyores que fixeron posible'l circuitu integráu fueron, fundamentalmente, los desenvolvimientos na fabricación de dispositivos semiconductores a mediaos del sieglu XX y los descubrimientos esperimentales qu'amosaron qu'estos dispositivos podíen reemplazar les funciones de les válvules o tubos de vacíu, que se volvieron rápido obsoletos al nun poder competir col pequeñu tamañu, el consumu d'enerxía moderáu, los tiempos de conmutación mínimos, la confiabilidad, la capacidá de producción en masa y la versatilidad de los CI.[6]

Ente los circuitos integraos más complexos y avanzaos atópense los microprocesadores, que controlen numberosos aparatos, dende teléfonos móviles y fornu de microondes hasta computadores. Los chips de memories dixitales son otra familia de circuitos integraos, d'importancia crucial pa la moderna sociedá de la información. Ente que el costo de diseñar y desenvolver un circuitu integráu complexu ye abondo alto, cuando se parte ente millones d'unidaes de producción, el costo individual de los CI polo xeneral amenorgar al mínimu. La eficiencia de los CI ye alta por cuenta de que'l pequeñu tamañu de los chips dexa curties conexones que faen posible l'usu de lóxica de baxu consumu (como ye'l casu de CMOS), y con altes velocidaes de conmutación.

A midida que trescurren los años, los circuitos integraos van evolucionando: fabricar en tamaños cada vez más pequeños, con meyores característiques y prestaciones, ameyoren la so eficiencia y la so eficacia, y déxase asina que mayor cantidá d'elementos sían empaquetados (integraos) nun mesmu chip (vease la llei de Moore). De la que el tamañu amenórgase, otres cualidaes tamién ameyoren (el costo y el consumu d'enerxía mengüen, y al empar aumenta'l rendimientu). Anque estes ganancies son aparentemente pal usuariu final, esiste una feroz competencia ente los fabricantes pa utilizar xeometríes cada vez más delgaes. Esti procesu, y lo esperao pa los próximos años, ta perbién descritu pola International Technology Roadmap for Semiconductors. [7]

Popularidá[editar | editar la fonte]

Namái hai trascurrido mediu sieglu desque s'empecipió'l so desenvolvimientu y los circuitos integraos volviéronse casi omnipresentes. Computadores, teléfonos móviles y otres aplicaciones dixitales son agora partes de les sociedaes modernes. La informática, les comunicaciones, la manufactura y los sistemes de tresporte, incluyendo Internet, toos dependen de la esistencia de los circuitos integraos. Ello ye que munchos estudiosos piensen que la revolución dixital causada polos circuitos integraos ye unu de los sucesos más significativos de la hestoria de la humanidá.[8]

Tipos[editar | editar la fonte]

Esisten siquier tres tipos de circuitos integraos:

  • Circuitos monolíticos: tán fabricaos nun solu monocristal, davezu de siliciu,[1] pero tamién esisten en xermaniu, arseniuro de galio, siliciu-xermaniu, etc.
  • Circuitos híbridos de capa fina: son bien similares a los circuitos monolíticos, pero, amás, contienen componentes difíciles de fabricar con teunoloxía monolítica. Munchos conversores A/D y conversores D/A fabricar en teunoloxía híbrida hasta que los progresos na teunoloxía dexaron fabricar resistencias precises.
  • Circuitos híbridos de capa gruesa: estrémense abondo de los circuitos monolíticos. De fechu suelen contener circuitos monolíticos ensin cápsula, transistores, diodos, etc, sobre un sustrato dieléctricu, interconectaos con pistes conductores. Les resistencies depositar por serigrafía y afáense faciéndo-yos cortes con láser. Tou ello se encapsula, en cápsules plástiques o metáliques, dependiendo de la disipación d'enerxía calórica riquida. En munchos casos, la cápsula nun ta moldiada, sinón qu'a cencielles se cubrir el circuitu con una resina epoxi pa protexelo. Nel mercáu atopen circuitos híbridos p'aplicaciones en módulos de radio frecuencia (RF), fuentes d'alimentación, circuitos d'encendíu para automóvil, etc.[9]

Clasificación[editar | editar la fonte]

Atendiendo al nivel d'integración —número de componentes— los circuitos integraos pueden clasificase en:[10]

  • SSI (Small Scale Integration) pequeñu nivel: de 10 a 100 transistores
  • MSI (Medium Scale Integration) mediu: 101 a 1 000 transistores
  • LSI (Large Scale Integration) grande: 1 001 a 10 000 transistores
  • VLSI (Very Large Scale Integration) bien 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) giga grande: más d'un millón de transistores

Tocantes a les funciones integraes, los circuitos clasificar en dos grandes grupos:[11]

Circuitos integraos analóxicos.
Pueden constar dende simples transistores encapsulados xuntos, ensin unión ente ellos, hasta circuitos completos y funcionales, como amplificadores, osciladores o inclusive receptores de radiu completos.
Circuitos integraos dixitales.
Pueden ser dende básiques puertes lóxiques (AND, OR, NOT) hasta los más complicaos microprocesadores o microcontroladores.

Dalgunos son diseñaos y fabricaos pa cumplir una función específica dientro d'un sistema mayor y más complexu.

Polo xeneral, la fabricación de los CI ye complexa yá que tienen una alta integración de componentes nun espaciu bien amenorgáu, de forma que apuerten a microscópicos. Sicasí, dexen grandes simplificaciones con al respective de los antiguos circuitos, amás d'un montaxe más eficaz y rápido.

Llimitaciones de los circuitos integraos[editar | editar la fonte]

Esisten ciertes llendes físicu y económicu al desenvolvimientu de los circuitos integraos. Básicamente, son barreres que se van alloñando al ameyorar la teunoloxía, pero nun sumen. Les principales son:

Disipación de potencia[editar | editar la fonte]

Los circuitos eléctricos estenen potencia. Cuando'l númberu de componentes integraos nun volume dao crez, les esixencies tocantes a disipación d'esta potencia, tamién crecen, caleciendo'l sustrato y degradando el comportamientu del dispositivu. Amás, en munchos casos ye un sistema de realimentación positiva, de cuenta que cuanto mayor sía la temperatura, más corriente conducen, fenómenu que se suel llamar "embalamiento térmicu" y, que si non s'evita, llega a destruyir el dispositivu. El amplificadores d'audiu y el reguladores de tensión son gustantes a esti fenómenu, polo que suelen incorporar proteiciones térmiques.

Los circuitos de potencia, evidentemente, son los que más enerxía tienen d'estenar. Pa ello la so cápsula contién partes metáliques, en contautu cola parte inferior del chip, que sirven de conductu térmicu pa tresferir el calor del chip al disipador o al ambiente. L'amenorgamientu de resistividad térmica d'esti conductu, lo mesmo que de les nueves cápsules de compuestos de silicona,[12] dexen mayores disipaciones con cápsules más pequeñes.

Los circuitos dixitales resuelven el problema amenorgando la tensión d'alimentación y utilizando teunoloxíes de baxu consumu, como CMOS. Aun así nos circuitos con más densidá d'integración y elevaes velocidaes, la disipación ye unu de los mayores problemes, llegándose a utilizar esperimentalmente ciertos tipos de criostatos. Precisamente l'alta resistividad térmica del arseniuro de galio ye'l so talón d'Aquiles pa realizar circuitos dixitales con él.

Capacidaes y autoinducciones parásites[editar | editar la fonte]

Esti efeutu refierse principalmente a les conexones eléctriques ente'l chip, la cápsula y el circuitu onde va montada, llindando la so frecuencia de funcionamientu. Con pastillas más pequeñes amenórgase la capacidá y la autoinducción d'elles. Nos circuitos dixitales excitadores de buses, xeneradores de reló, etc, ye importante caltener la impedancia de les llinies y, inda más, nos circuitos de radio y de microondes.

Llendes nos componentes[editar | editar la fonte]

Los componentes disponibles pa integrar tienen ciertes llimitaciones, que difieren de les sos contrapartidas discretes.

  • Resistores. Son indeseables por precisar una gran cantidá de superficie. Por ello namái s'usen valores amenorgaos y en teunoloxíes MOS esaníciense casi totalmente.
  • Condensadores. Namái son posibles valores bien amenorgaos y a cuenta de muncha superficie. Como exemplu, nel amplificador operacional μA741, el condensador de estabilización vien ocupar un cuartu del chip.
  • Inductores. Úsense comúnmente en circuitos de radiofrecuencia, siendo híbridos munches vegaes. Polo xeneral nun s'integren.

Densidá d'integración[editar | editar la fonte]

Mientres el procesu de fabricación de los circuitos integraos van atropándose los defectos, de cuenta que ciertu númberu de componentes del circuitu final nun funcionar correchamente. Cuando'l chip integra un númberu mayor de componentes, estos componentes defectuosos mengüen la proporción de chips funcionales. Ye por ello qu'en circuitos de memories, por casu, onde esisten millones de transistores, fabríquense más de los necesarios, de manera que puede variase la interconexión final pa llograr la organización especificada.

Ver tamién[editar | editar la fonte]

Referencies[editar | editar la fonte]

  1. 1,0 1,1 Fitchen, Franklin C.. Circuito integraos y sistemes (en es). Reverte. ISBN 9788429134254.
  2. 2,0 2,1 «Circuitu integráu». Ingeniatic.
  3. «Jack Kilby - Biografía». Universidá de Murcia.
  4. Historia del circuitu integráu na páxina oficial de los Premios Nobel
  5. «Encruciyaes 50 - El desafíu del futuru editorial=Universidá Nacional de Buenos Aires».
  6. «The History of the Integrated Circuit». Nobelprize.org.
  7. «International Technology Roadmap for Semiconductors». ITRS. Archiváu dende l'orixinal, el 30 d'avientu de 2015.
  8. «Revolución dixital». Universidá de Málaga.
  9. Sistemes electrónicos dixitales (en es). Marcombo. ISBN 8426711707.
  10. Santamaría. Electrónica dixital y microprocesadores (en es). Univ Pontifica Comillas. ISBN 9788487840333.
  11. Montaxe y caltenimientu de los sistemes de control y regulación de parque eólicu (en es). Editorial Vértiz. ISBN 9788499312934.
  12. [1] Componentes internos (Montaxe y caltenimientu d'equipos), pag 79, en Google llibros

Enllaces esternos[editar | editar la fonte]





Circuito integrado