CIRCUITOS INTEGRADOS.historia,definicion, caracteristicas,clasificacion y diseño

Historia

El primer CI fue desarrollado en 1958 por el ingeniero Jack Kilby justo meses después de haber sido contratado por la firma Texas Instruments. Se trataba de un dispositivo de germanio que integraba seis transistores en una misma base semiconductora para formar un oscilador de rotación de fase.

En el año 2000 Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Física por la contribución de su invento al desarrollo de la tecnología de la información. La historia de los circuitos integrados podría explicar un poco porque nuestro mundo esta lleno de estos. Por ejemplo, el microprocesador es un circuito integrado que procesa toda la información en una computadora; este mantiene un registro de las teclas que se han presionado y de los movimientos del ratón, cuenta los números y ejecuta los programas, juegos y el sistema operativo. Los circuitos integrados también se encuentran en todos los aparatos electrónicos modernos como lo son los automóviles, televisores, reproductores de cd’s, reproductores de MP3, teléfonos móviles, etc. Los circuitos integrados fueron posibles gracias a descubrimientos experimentales que demostraron que los semiconductores pueden realizar las funciones de los tubos de vacío. La integración de grandes cantidades de diminutos transistores en pequeños chips fue un enorme avance sobre el ensamblaje manual de los tubos de vacío (válvulas) y circuitos utilizando componentes discretos. La capacidad de producción masiva de circuitos integrados, confiabilidad y facilidad de agregarles complejidad, impuso la estandarización de los CIs en lugar de diseños utilizando transistores que pronto dejaron obsoletas a las válvulas o tubos de vacío. Existen dos ventajas principales de los CIs sobre los circuitos convencionales: coste y rendimiento. El bajo coste es debido a que los chips, con todos sus componentes, son impresos como una sola pieza por fotolitografía y no construidos por transistores de a uno por vez.

Circuito Integrado

Un circuito integrado (CI) o chip, es una pastilla muy delgada en la que se encuentran una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos microelectrónicos interconectados, principalmente diodos y transistores, además de componentes pasivos como resistencias o condensadores. Su área es de tamaño reducido, del orden de un cm² o inferior.

Avances en los circuitos integrados

Los avances que hicieron posible el circuito integrado han sido, fundamentalmente, los desarrollos en la fabricación de dispositivos semiconductores a mediados del siglo XX y los descubrimientos experimentales que mostraron que estos dispositivos podían reemplazar las funciones de las válvulas o tubos de vacío,que se volvieron rápidamente obsoletos al no poder competir con el pequeño tamaño, el consumo de energía moderado, los tiempos de conmutación mínimos, la confiabilidad, la capacidad de producción en masa y la versatilidad de los CI.

Entre los circuitos integrados más avanzados se encuentran los microprocesadores, que controlan todo desde computadoras hasta teléfonos móviles y hornos microondas. Los chips de memorias digitales son otra familia de circuitos integrados que son de importancia crucial para la moderna sociedad de la información. Mientras que el costo de diseñar y desarrollar un circuito integrado complejo es bastante alto, cuando se reparte entre millones de unidades de producción el costo individual de los CIs por lo general se reduce al mínimo. La eficiencia de los CIs es alta debido a que el pequeño tamaño de los chips permite cortas conexiones que posibilitan la utilización de lógica de bajo consumo (como es el caso de CMOS) en altas velocidades de conmutación.

Con el transcurso de los años, los CIs están constantemente migrando a tamaños más pequeños con mejores características, permitiendo que mayor cantidad de circuitos sean empaquetados en cada chip. Al mismo tiempo que el tamaño se comprime, prácticamente todo se mejora (el costo y el consumo de energía disminuyen y la velocidad aumenta). Aunque estas ganancias son aparentemente para el usuario final, existe una feroz competencia entre los fabricantes para utilizar geometrías cada vez más delgadas. Este proceso, y el esperado proceso en los próximos años, está muy bien descrito por la International Technology Roadmap for Semiconductors, o ITRS.

Popularidad de los CIs

Solo ha trascurrido medio siglo desde que se inició su desarrollo y los circuitos integrados se han vuelto casi omnipresentes. Computadoras, teléfonos móviles y otras aplicaciones digitales son ahora partes inextricables de las sociedades modernas. La informática, las comunicaciones, la manufactura y los sistemas de transporte, incluyendo Internet, todos dependen de la existencia de los circuitos integrados. De hecho, muchos estudiosos piensan que la revolución digital causada por los circuitos integrados es uno de los sucesos más significativos de la historia de la humanidad.

Tipos

Existen tres tipos de circuitos integrados:

• Circuitos monolíticos: Están fabricados en un solo monocristal, habitualmente de silicio, pero también existen en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanio, etc.

• Circuitos híbridos de capa fina: Son muy similares a los circuitos monolíticos, pero, además, contienen componentes difíciles de fabricar con tecnología monolítica. Muchos conversores A/D y conversores D/A se fabricaron en tecnología híbrida hasta que los progresos en la tecnología permitieron fabricar resistencias precisas.

• Circuitos híbridos de capa gruesa: Se apartan bastante de los circuitos monolíticos. De hecho suelen contener circuitos monolíticos sin cápsula (dices), transistores, diodos, etc, sobre un sustrato dieléctrico, interconectados con pistas conductoras. Las resistencias se depositan por serigrafía y se ajustan haciéndoles cortes con láser. Todo ello se encapsula, tanto en cápsulas plásticas como metálicas, dependiendo de la disipación de potencia que necesiten. En muchos casos, la cápsula no está "moldeada", sino que simplemente consiste en una resina epoxi que protege el circuito. En el mercado se encuentran circuitos híbridos para módulos de RF, fuentes de alimentación, circuitos de encendido para automóvil, etc.

Clasificación

Atendiendo al nivel de integración - número de componentes - los circuitos integrados se clasifican en:

• SSI (Small Scale Integration) pequeño nivel: inferior a 12

• MSI (Medium Scale Integration) medio: 12 a 99

• LSI (Large Scale Integration) grande : 100 a 9999

• VLSI (Very Large Scale Integration) muy grande : 10 000 a 99 999

• ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande : igual o superior a 100000

En cuanto a las funciones integradas, los circuitos se clasifican en dos grandes grupos:

• Circuitos integrados analógicos: Pueden constar desde simples transistores encapsulados juntos, sin unión entre ellos, hasta dispositivos completos como amplificadores, osciladores o incluso receptores de radio completos.

• Circuitos integrados digitales: Pueden ser desde básicas puertas lógicas (Y, O, NO) hasta los más complicados microprocesadores.

Éstos son diseñados y fabricados para cumplir una función específica dentro de un sistema. En general, la fabricación de los CI es compleja ya que tienen una alta integración de componentes en un espacio muy reducido de forma que llegan a ser microscópicos. Sin embargo, permiten grandes simplificaciones con respecto los antiguos circuitos, además de un montaje más rápido.

Limitaciones de los circuitos integrados

Existen ciertos límites físicos y económicos al desarrollo de los circuitos integrados. Básicamente, son barreras que se van alejando al mejorar la tecnología, pero no desaparcen.

Las principales son:

1. Disipación de potencia-Evacuación del calor

Los circuitos eléctricos disipan potencia. Cuando el número de componentes integrados en un volumen dado crece, las exigencias en cuanto a disipación de esta potencia, también crecen, calentando el sustrato y degradando el comportamiento del dispositivo. Además, en muchos casos es un comportamiento regenerativo, de modo que cuanto mayor sea la temperatura, más calor producen, fenómeno que se suele llamar "embalamiento térmico" y, que si no se evita, llega a destruir el dispositivo. Los amplificadores de audio y los reguladores de tensión son proclives a este fenómeno, por lo que suelen incorporar "protecciones térmicas".

Los circuitos de potencia, evidentemente, son los que más energía deben disipar. Para ello su cápsula contiene partes metálicas, en contacto con la parte inferior del chip, que sirven de conducto térmico para transferir el calor del chip al disipador o al ambiente. La reducción de resistividad térmica de este conducto, así como de las nuevas cápsulas de compuestos de silicona, permiten mayores disipaciones con cápsulas más pequeñas.

Los circuitos digitales resuelven el problema reduciendo la tensión de alimentación y utilizando tecnologías de bajo consumo, como CMOS. Aun así en los circuitos con más densidad de integración y elevadas velocidades, la disipación es uno de los mayores problemas, llegándose a utilizar experimentalmente ciertos tipos de criostatos. Precisamente la alta resistividad térmica del arseniuro de galio es su talón de Aquiles para realizar circuitos digitales con él.

2. Capacidades y autoinducciones parásitas

Este efecto se refiere principalmente a las conexiones eléctricas entre el chip, la cápsula y el circuito donde va montada, limitando su frecuencia de funcionamiento. Con pastillas más pequeñas se reduce la capacidad y la autoinducción de ellas. En los circuitos digitales excitadores de buses, generadores de reloj, etc, es importante mantener la impedancia de las líneas y, todavía más, en los circuitos de radio y de microondas.

Límites en los componentes

Los componentes disponibles para integrar tienen ciertas limitaciones, que difieren de las de sus contrapartidas discretas.

• Resistencias. Son indeseables por necesitar una gran cantidad de superficie. Por ello sólo se usan valores reducidos y, en tecnologías mos, se eliminan casi totalmente.

• Condensadores. Sólo son posibles valores muy reducidos y a costa de mucha superficie. Como ejemplo, en el amplificador operacional uA741, el condensador de estabilización viene a ocupar un cuarto del chip.

• Bobinas. Sólo se usan en circuitos de radiofrecuencia, siendo híbridos muchas veces. En general no se integran.

Densidad de integración

Durante el proceso de fabricación de los circuitos integrados se van acumulando los defectos, de modo que cierto número de componentes del circuito final no funcionan correctamente. Cuando el chip integra un número mayor de componentes, estos componentes defectuosos disminuyen la proporción de chips funcionales. Es por ello que en circuitos de memorias, por ejemplo, donde existen millones de transistores, se fabrican más de los necesarios, de manera que se puede variar la interconexión final para obtener la organización especificada.

Diseño de circuitos

Detalle de un circuito integrado

El diseño de circuitos es la parte de la electrónica que estudia distintas metodologías con el fin de desarrollar un circuito electrónico, que puede ser tanto analógico como digital.

En función del número de componentes que forman el circuito integrado se habla de diferentes escalas de integración. Las fronteras entre las distintas escalas son difusas, pero se denominan SSI (Small Scale of Integration) los circuitos de baja complejidad (algunas docenas de componentes en un mismo chip), MSI (Medium Scale of Integration) y LSI (Large Scale Integration) los circuitos de media y alta complejidad, y finalmente VLSI (Very Large Scale Integration) para circuitos extraordinariamente complejos, hasta cientos de millones de transistores. En esta última categoría entrarían los microprocesadores modernos.

SSI

SSI es acrónimo del inglés Small-Scale Integration (integración a baja escala) y hace referencia a los primeros circuitos integrados que se desarrollaron. Cumplían funciones muy básicas, como puertas lógicas y abarcan desde unos pocos transistores hasta una centena de ellos.

Los circuitos SSI fueron cruciales en los primeros proyectos aerospaciales, y viceversa, ya que los programas espaciales como Apollo o el misil Minuteman necesitaban dispositivos digitales ligeros. El primero motivó y guió el desarrollo de la tecnología de circuitos integrados, mientras que el segundo hizo que se realizara una producción masiva.

Estos programas compraron prácticamente la totalidad de los circuitos integrados desde 1960 a 1963, y fueron los causantes de la fuerte demanda que originó un descenso de los precios en la producción de 1000 dólares la unidad (en dólares de 1960) hasta apenas 25 dólares la unidad (en dólares de 1963).

El siguiente paso en el desarrollo de los circuitos integrados, que tuvo lugar a finales de los 60, introdujo dispositivos que contenían cientos de transistores en cada chip y fue llamado MSI: Escala de Media Integración (Medium-Scale Integration).

VLSI

Acrónimo inglés de Very Large Scale Integration, integración en escala muy grande. La integración en escala muy grande de sistemas de circuitos basados en transistores en circuitos integrados comenzó en los años 1980, como parte de las tecnologías de semiconductores y comunicación que se estaban desarrollando.

Los primeros chip semiconductores contenían sólo un transistor cada uno. A medida que la tecnología de fabricación fue avanzando, se agregaron más y más transistores, y en consecuencia más y más funciones fueron integradas en un mismo chip. El microprocesador es un dispositivo VLSI.

La primera generación de computadoras dependía de válvulas de vacío. Luego vinieron los semiconductores discretos, seguidos de circuitos integrados. Los primeros CIs contenían un pequeño número de dispositivos, como diodos, transistores, resistencias y capacitores (aunque no inductores), haciendo posible la fabricación de compuertas lógicas en un solo chip. La cuarta generación (LSI) consistía de sistemas con al menos mil compuertas lógicas. El sucesor natural del LSI fue VLSI (varias decenas de miles de compuertas en un solo chip). Hoy en día, los microprocesadores tienen varios millones de compuertas en el mismo chip.

Hacia pricipios de 2006 se están comercializando microprocesadores con tecnología de hasta 65 nm, y se espera en un futuro cercano el advenimiento de los 45 nm.

MOS

MOS, acrónimo de las siglas en inglés de (Metal Oxide Semiconductor) hace referencia a una de las familias de FET, del tipo de óxido metálico semiconductor (MOSFET). Comúnmente son utilizados en electrónica y se encuentran en diferentes tipos.

CMOS

CMOS (del inglés Complementary Metal Oxide Semiconductor, "Semiconductor Complementario de Óxido Metálico") es una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados (chips). Su principal característica consiste en la utilización de conjunta de transistores de tipo pMOS y tipo nMOS configurados de tal forma que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas.

En la actualidad, la inmensa mayoría de los circuitos integrados que se fabrican son de tecnología CMOS. Esto incluye microprocesadores, memorias, DSPs y muchos otros tipos de chips digitales.

Principales fabricantes

La industria de los componentes es fundamental para la industria electrónica que a su vez lo es para el resto de industrias. El importante volumen de negocio de este tipo de industria en los países más desarrollados les hace jugar un importante papel en sus respectivas economías. En la siguiente tabla se muestra un listado con las principales empresas fabricantes de componentes electrónicos. La mayoría son multinacionales en las que la fabricación de componentes electrónicos representa tan sólo una parte de campo de actuación.

Símbolo	País	Tipos de componentes que fabrica	Web
AMD	Estados Unidos	Semiconductores	AMD
AD	Estados Unidos	Semiconductores	Analog Devices
CY	Estados Unidos	Semiconductores	Cypress S.
F	Estados Unidos	Semiconductores	Fairchild
FUJ	Japón	Semiconductores, condensadores,	Fujitsu
IBM	Estados Unidos	Memorias, microprocesadores, microcontroladores...	IBM
i	Estados Unidos	Memorias, microprocesadores y microcontroladores	Intel
	Japón	Semiconductores	Mitsubishi
M	Estados Unidos	Semiconductores	Motorola
NEC	Japón	Semiconductores, condensadores, relés...	NEC
OKI	Japón	Semiconductores	OKI
	Japón	Semiconductores, baterías, resistores...	Panasonic
	Holanda	Semiconductores	NXP Semiconductors
RMBS	Estados Unidos	Memorias	Rambus
	Sur Korea	Memorias, microcontroladores...	Samsung
ST	Suiza	Semiconductores	ST
	Japón	Memorias, microcontroladores, control de potencia...	Sharp
	Alemania	Semiconductores, reguladores...	Siemens
ti	Estados Unidos	Semiconductores	TI
	Estados Unidos	FPGA, CPLD	Xilinx
	Estados Unids	Microcontroladores, microprocesadores, periféricos...

Fabricación de circuitos integrados

La fabricación de circuitos integrados es un proceso complejo y en el que intervienen numerosas etapas. Cada fabricante de circuitos integrados tiene sus propias técnicas que guardan como secreto de empresa, aunque las técnicas son parecidas.

Los dispositivos integrados pueden ser tanto analógicos como digitales, aunque todos tienen como base un material semiconductor, normalmente el silicio.

Ejemplo de fabricación de un transistor

Pasos para fabricar un MOS

En la siguiente figura se muestra detalladamente el proceso de fabricación de un transistor MOS (MOSFET). No es la única forma de hacerlo, pero es un proceso típico:

1. Se parte de la oblea de material semiconductor.

2. Se hace crecer una capa de óxido (zona rayada) que servirá como aislante.

3. Se deposita un dieléctrico como el nitruro (capa roja) que servirá como máscara, también se podía usar simplemente el óxido anterior como máscara, depende del grosor y de los procesos siguientes.

4. Se deposita una capa de resina sensible a la radiación (capa negra), típicamente a la radiación luminosa. Se hace incidir la luz para cambiar las características de la resina en algunas de sus partes. Para ello sirven de ayuda las máscaras hechas antes con herramientas CAD.

5. Mediante procesos de atacado algunas zonas de la resina son eliminadas y otras permanecen.

6. Se vuelve a atacar, esta vez el nitruro. Este paso se podía haber hecho junto al anterior.

7. Implantación iónica a través del óxido.

8. Se crean las zonas que aislarán el dispositivo de otros que pueda haber cerca (zonas azules).

9. Se crece más óxido, con lo que éste empuja las zonas creadas antes hacia el interior de la oblea para conseguir un mejor aislamiento.

10. Eliminación del nitruro y parte del óxido.

11. Se hace crecer una fina capa de óxido de alta calidad que servirá de óxido de puerta al transistor.

12. Deposición de una capa de polisilicio (capa verde oscuro) mediante procesos fotolitográficos análogos a los vistos en los puntos 1 al 5. Este polisilicio será el contacto de puerta del transistor.

13. Atacado del óxido para crear ventanas donde se crearán las zonas del drenador y surtidor. El polisilicio anterior servirá de máscara al óxido de puerta para no ser eliminado.

14. Implantación iónica con dopantes que sirven para definir el drenador y el surtidor. El polisilicio vuelve a hacer de máscara para proteger la zona del canal.

15. Vemos en verde claro las zonas de drenador y surtidor.

16. Se deposita una capa de aislante (zona gris).

17. Mediante procesos fotolitográficos como los vistos antes se ataca parte del óxido.

18. Se deposita una capa metálica que servirá para conectar el dispositivo a otros.

19. Se ataca de la forma ya conocida el metal (capa azul oscuro) para dejar únicamente los contactos.

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Dato Inutil: "...sabias que la torre de Pisa dejó de ser la más inclinada del mundo? Ahora, la torre más inclinada del mundo es la de la capilla de Suurhusen, al oeste de Alemania."