Circuito Integrado.docx

Electrónica Básica - Cap 10. Circuitos Integrados

Circuitos integrados, también conocidos como chips o "IC" abreviatura del inglés: Integrated Circuit

ÍNDICE

01. Definición. Qué es un circuito integrado 02. Historia. 03. Clasificación según su construcción

3.1. Monolíticos 3.2. De película delgada o gruesa 3.3. Híbridos

04. Clasificación según el tipo

4.1. Según la función: Analógicos y digitales 4.2. Según la escala de integración 05. Saber lo esencial de un circuito integrado. El Datasheet 06. Encapsulados. Zócalos. 07. Reconocer el orden de los terminales en un circuito integrado. 08. Algunas funciones típicas de los circuitos integrados

8.1. Propósito general 8.2. Memorias 8.3. Microcontroladores / Microprocesadores 09. Ejemplo de utilización de un circuito integrado: Pequeño amplificador de audio

10. RINCÓN DE LA TEORÍA. El EFECTO LARSEN.

11. El vídeo

1. Definición. Qué es un circuito integrado. Un circuito integrado es una pequeña superficie o pastilla (chip) hecha con material semiconductor en la que se construye un circuito electrónico que puede constar desde unos pocos componentes hasta miles o incluso millones de ellos. Este chip -al igual que otros semiconductores: Transistor, diodo, triac, etc.- va protegido por un encapsulado, y de él asoman los terminales o pines para ser conectado al circuito que lo incorpore.

2. Historia.

La necesidad de miniaturizar los equipos fue la que propició el invento del circuito integrado. Casi de forma simultánea fueron al menos tres personas las que hicieron realidad este componente: - Jack Kilby, trabajaba para la empresa Texas Instruments, se le ocurrió integrar seis transistores en una única pastilla semiconductora para hacer un circuito oscilador con el mínimo tamaño. - Werner Jacobi, un ingeniero alemán que también contribuyó a la expansión y auge de los c.integrados. - Rober Noyce, uno de los fundadores de la empresa Intel, fue de los primeros en comercializar un circuito integrado. También fundó la conocida empresa "Fairchild Semiconductor". Desde entonces y hasta hoy, estos primeros (y "sencillos") circuitos integrados han visto mejorar sus prestaciones en una carrera meteórica. Se han solucionado infinidad de problemas que tenían estos primeros c.integrados, y sobretodo, se ha conseguido un proceso de fabricación que permite hacer cantidades ingentes, lo que permite un precio final bastante bajo, teniendo en cuenta lo complejo y costoso del diseño de uno de estos circuitos integrados

3. Clasificación según su construcción 3.1. Monolíticos A esta clase pertenecen la gran mayoría. Como su nombre deja ver, constan de un sólo cristal de semiconductor en donde van todos los componentes. Tienen la limitación de que sólo sirven para potencias reducidas (del orden de uno o pocos W).

Circuito 555, típico representante de fabricación en formato monolítico

3.2. De película delgada o gruesa. Para potencias mayores que los monolíticos, también ocupan mas espacio aunque siguen siendo de tamaño mas reducido que el equivalente con componentes "discretos". Se entiende por componente "discreto" aquél "de toda la vida", es decir, componentes por separado, clásicos: resistencias, condensadores, transistores, diodos, bobinas...

3.3. Híbridos Es una combinación de los dos anteriores. Los circuitos híbridos se usan también para potencias relativamente altas, como los amplificadores de audio. La conocida serie STK pertenece a esta categoría.

Circuito integrado HIBRIDO

4. Clasificación según el tipo 4.1. Según la función: Analógicos y digitales - Analógicos: Tratan señales de tipo analógico. Por ejemplo, amplificadores, osciladores, procesadores de señal (audio, vídeo, señal de radio, datos, tensiones que equivalen a una magnitud física...). Suelen tener una función concreta y definida, aunque a menudo tienen cierta flexibilidad en su uso según qué componentes se asocien a ellos: A sus terminales se conectan una serie de componentes externos, discretos. Según la disposición y el valor de estos componentes discretos, el integrado se comportará de una manera u otra. Ejemplo de esto son los circuitos operacionales.

- Digitales: Emulan el álgebra de boole, por lo tanto en lugar de trabajar con cualquier valor de tensión como los analógicos, funcionan mas bien con dos tensiones bien diferenciadas que simulan ser el "1" y el "0". Así, se puede establecer una correspondencia entre cada uno de estos dos valores de tensión y el álgebra de Boole:

0: Falso, no conectado, tensión cero 1: Verdadero, conectado, tensión 5 voltios Estos integrados digitales llevan en su interior muchos transistores que simulan el 1 y el 0 según conduzcan o no. Existen las llamadas puertas lógicas, que son la unidad básica en electrónica digital (dedicaré un capítulo a las puertas lógicas). Hay integrados que contienen varias puertas lógicas en su interior, y es el usuario quien conecta estas puertas por medio de los terminales del circuito integrado. El siguiente dibujo es un circuito integrado "7408" que incorpora cuatro puertas "and". Emulando el Álgebra de Boole, la salida de cada puerta sólo es "verdad" si ambas entradas son verdad:

Circuito 7408, consta de cuatro puertas "AND" de dos entradas cada una.

Otro tipo de integrado digital, ya mas avanzado, son las memorias, los microprocesadores, multiplexores y demultiplexores, codificadores y decodificadores...

4.2. Según la escala de integración Un circuito integrado, atendiendo al número de componentes que contenga en su interior, puede ser:

SSI. Short Scale Integration: Es la escala menor. Comprende hasta unos 100 transistores. MSI. Medium Scale Integration: Hasta 1000 transistores LSI. Large Scale Integration: Hasta 10.000 transistores, lo que permite implementar mas de 1000 puertas lógicas. Con esto ya se puede hacer un circuito que realice operaciones concretas, como un display digital, una calculadora básica, un driver... VLSI. Very Large Scale Integration: Hasta 100.000 transistores. Esta escala de integración hizo posible la miniaturización y simplificación de la electrónica de consumo. El concepto "portátil" comienza a hacerse realidad. ULSI. Ultra Large Scale Integration: Hasta 1.000.000 de transistores. GLSI. Gyga Large Scale Integration: Más de 1.000.000 de transistores. Los microprocesadores con esta escala de integración son realmente potentes y son la base de los actuales ordenadores, tablets, smartphones, etc.

5. Saber lo esencial de un circuito integrado: El datasheet Como con el resto de semiconductores (transistor, diodo, triac, tiristor) hallaremos en datasheet la información mas relevante de un circuito integrado. Lo mas importante es: - Qué función realiza - Orden y función de las patillas o terminales - Configuraciones (cuando proceda, y no siempre) Por ejemplo, tenemos a continuación la información del conocido circuito 555 en versión LM555 (National Semiconductor) en datasheet donde podemos ver dos de las doce páginas de información. Allí se describe para qué sirve este integrado, sus características principales, el orden y función de los terminales...

Internet puede ser nuestro aliado para obtener esta información. Basta con poner en un buscador el código del circuito para que aparezcan páginas con información. 6. Encapsulados. Zócalos Como ocurre con todos los semiconductores, el verdadero componente va recubierto de una envoltura protectora que se conoce como "encapsulado", que suele ser de plástico o cerámico. Hay gran variedad de formatos y encapsulados para circuitos integrados, incluyendo el formato SMD que se usa de forma casi exclusiva para los dispositivos modernos como ordenadores y smartphones. Los encapsulados mas comunes son: DIP (Dual In line Package) Los terminales van dispuestos en dos hileras paralelas a ambos lados del integrado. El número de patillas puede variar desde un mínimo de 8 (cuatro a cada lado) hasta 64 patillas (32 a cada lado) como es el caso de los microprocesadores de algunos electrodomésticos como TV, los antiguos vídeos...

Circuito integrado DIP

Este encapsulado es de los más antiguos, se usa en integrados de baja y media escala de integración. El integrado se inserta en el circuito impreso por el lado de los componentes de la misma forma que un componente discreto, y se sueldan sus terminales por el lado de las pistas de cobre. Para este encapsulado existe la opción de usar un zócalo de modo que no se suelda el integrado sino que se acopla a dicho zócalo, lo que hace más rápida y cómoda la operación de poner/quitar el integrado en el circuito, además de evitar el stress de la soldadura. Esto es muy útil para circuitos integrados programables ya que tienen que ser retirados del circuito para programarlos.

Zócalos para circuitos integrados DIP

SIP (Single In line Package) También es uno de los primeros formatos de encapsulado, y al igual que el DIP, se usa en pequeña y mediana escala de integración. Constan de una sola hilera de terminales (de 4 a 24). Se fijan al circuito igual que los DIP: Por el lado de los componentes y soldando sus terminales por el lado del cobre.

Encapsulado SIP

Los dos encapsulados anteriores son los mas sencillos de manejar por el aficionado, pues se sueldan en un circuito como un componente más, además, la distancia entre terminales es relativamente grande, lo que hace que su soldadura/desoldadura no sea problemática. A continuación veremos unos cuantos formatos más de encapsulado, ya no tan fáciles de manejar, pues son SMD (montados en superficie), es decir, se sueldan directamente en el lado del cobre y sus terminales están bastante próximos, lo que hace necesaria una gran pericia para manipularlos y en ocasiones disponer de estaciones de soldadura específicas.

SOIC (Small Outline Integrated Circuit) Recuerdan al formato DIP, pero éstos son para montaje SMD. También se les conoce como "alas de gaviota" por la forma de sus terminales.

Encapsulado SOIC

SOJ (Small Outline J-Lead) Sus terminales recuerdan la letra "J" y de ahí su nombre.

Este encapsulado se utiliza para hacer memorias DRAM

Encapsulado SOJ

TSOP (Thin Small Outline Package) Se utilizaron inicialmente para hacer módulos de memoria SIMM, ahora también forman módulos de memoria DRAM. Este encapsulado tiene terminales con la forma de "ala de gaviota", como las SOIC.

Encapsulado TSOP

PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier)

Los terminales aparecen ahora por los cuatro lados del chip. El chip puede ser cuadrado o rectangular. Los terminales tienen forma de J para ahorrar espacio. Pueden tener más de 100 terminales. Existen zócalos para este tipo de encapsulado.

Encapsulado PLCC

QFP (Quad Flat Package)

Una variante del anterior, ahora los terminales vuelven a tener forma de "ala de gaviota" en lugar de forma de "J". Los hay desde unos pocos pines (terminales) hasta más de 200. Se sueldan con una pasta especial y también existe la opción del zócalo para este encapsulado.

Encapsulado QFP

PGA (Pin Grid Array)

En este encapsulado la novedad consiste en que los pines o terminales del chip van

por debajo (y no a los lados), lo que reduce notablemente el espacio. Es el formato típico de los microprocesadores.

Encapsulado PGA

BGA (Ball Grid Array)

Parecido al anterior, la mejora consiste en que en lugar de terminales con forma de pin, son de forma esférica. Esto permite aumentar el número de pines sin aumentar el volumen del integrado ni disminuir mucho la distancia (ya bastante reducida) entre pines.

Encapsulado BGA

Hay muchos mas formatos de encapsulado que los aquí expuestos, y además, surgen nuevos formatos con frecuencia debido al gran avance de estas tecnologías.

7. Reconocer el orden de los terminales en un c.integrado A la hora de hacer alguna medición en un pin concreto de un integrado, o simplemente por conocer el orden de dichos pines, vamos a ver cómo reconocer en que orden van dispuestos.

Lo más práctico y fiable es el la hoja de especificaciones o datasheet

En circuitos con:

encapsulado DIP:

Orden de los pines (terminales) en un circuito integrado DIP, SIP y SMD

En el dibujo sobre estas líneas vemos una señal en un extremo del chip (el chip mas a la izquierda). A veces esta señal es una muesca o hendidura, otras veces es un

punto impreso en el encapsulado. Esta señal marca el pin número 1. A continuación, siempre en sentido contrario a las agujas del reloj, iremos contando progresivamente 2, 3, 4 hasta llegar al final de la hilera.

A continuación subimos a la otra hilera de pines y ahora numeramos de derecha a izquierda. Iremos numerando siempre en sentido contrario a las agujas del reloj. Y así hasta llegar al pin más de la izquierda.

encapsulado SIP: En el mismo dibujo anterior, el chip del centro es de tipo SIP. Aquí es bastante intuitiva la cosa: Mirando hacia nosotros el chip por la parte que pone su código, numeramos de izquierda a derecha, empezando por la patilla "1" tal como si estuviésemos leyendo.

Tipos SMD Para los restantes tipos de encapsulado (chip a la derecha del dibujo), suele haber una marca en una esquina que determina el pin número uno. También aquí, en sentido contrario a las agujas del reloj, iremos numerando.

8. Algunas funciones típicas de los circuitos integrados 8.1. Propósito general No hay prácticamente función o trabajo que no pueda hacer un circuito integrado. Se diseñan para cualquier propósito. Los hay que realizan funciones básicas, tales como amplificadores, osciladores, contadores, divisores de frecuencia, comparadores, funciones lógicas, interpretación de melodías musicales; y también los hay que realizan funciones mas complejas e incluso una función completa por sí misma, como el control de una calculadora, un receptor de ondas de radio, alarmas, el control de un GPS, un mando a distancia codificado...

8.2. Memorias

Como los circuitos integrados están basados en miles o millones de componentes y uno de los componentes más fáciles de incluir es el transistor, esto lo hace candidato ideal para hacer memorias con ellos, ya que un transistor puede emular la lógica de boole que está basada en el código binario (ceros y unos) según el transistor adopte uno u otro de los dos estados que le son caracteristicos: En corte (no conduce) o en saturación (conduce). Cada día se hacen memorias con más y más capacidad. Hace unos pocos años, los PC tenían unas pocas K de memoria. El mismo Bill Gates dijo: "Con 640 Kb de RAM se debería poder hacer cualquier cosa". Hoy, cualquier ordenador tiene varios miles de veces mas memoria RAM. Por ejemplo, dos GB (que hoy ya no es nada espectacular) son unas 3000 veces mas memoria que 640 Kb... Y nada parece indicar que la carrera de mejora en las memorias se vaya a detener...

Módulo de memoria con ocho chips

8.3. Microcontroladores / Microprocesadores Otro uso por excelencia para los circuitos integrados. De no ser por ellos no existirían los ordenadores tal y como los conocemos en la

actualidad. Los primeros ordenadores (sin circuitos integrados) ocupaban habitaciones enteras e incluso la planta entera de un edificio, toda llena de electrónica "clásica", y con un consumo digno de una pequeña central. Así eran los primeros ordenadores, y no tenían la potencia de los actuales, ni mucho menos...

Microprocesador actual

9. Práctica con un circuito integrado: Pequeño amplificador de audio En el vídeo del siguiente enlace, de la colección "circuitos útiles", podemos hacer un circuito práctico basándonos en un circuito integrado como componente principal. Pequeño amplificador de sonido con circuito integrado LM386

10. Rincón de la Teoría. El EFECTO LARSEN

También conocido como Realimentación o -del inglés- "feedback". Es un fenómeno que ocurre en la naturaleza y también puede suceder en los equipos electrónicos.

Este fenómeno ocurre cuando un hecho "A" favorece que se produzca otro hecho "B", y a su vez el hecho "B" favorece que se produzca el hecho "A", y así se establece un bucle que va en aumento hasta que algún límite impide que vaya a más.

Esto tiene especial importancia en el mundo del sonido. Todos hemos escuchado de un escenario ese potente y molesto pitido. Decimos que hay "acople", nombre con el que también se conoce este fenómeno.

Realimentación. Efecto Larsen

En el dibujo vemos cómo se produce este fenómeno:

a) Por ejemplo, la voz del cantante es captada por el micrófono

b) La señal del micrófono se envía al amplificador y actúa sobre los altavoces

c) El sonido proveniente de los altavoces actúa de nuevo sobre el micrófono, que vuelve a enviar la misma señal al amplificador y de ahí a los altavoces...

d) Y se repite el proceso en un bucle, originando ese molesto pitido cuya intensidad y frecuencia dependerá de muchos factores: Distancia entre micro y altavoces, direccionalidad del micro, curva de respuesta del equipo...

Cómo evitar el efecto Larsen:

- Usar micrófonos direccionales - No dirigir el micrófono a los altavoces - Situar los micrófonos lejos de los altavoces - El micrófono, siempre detrás de los altavoces - Si se dispone de ecualizador, atenuar la banda de frecuencia a la que se produce el acople. - Reducir el volumen del equipo

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PORTADA TECNOLOGÍA

La historia de los circuitos integrados

La historia de los circuitos integrados

Vicente Burgos

El circuito Integrado (IC), es una pastilla o chip muy delgado en el que se encuentran una cantidad enorme de dispositivos microelectrónicos interactuados, principalmente diodos y

transistores, además de componentes pasivos como resistencias o condensadores. El primer Circuito Integrado fue desarrollado en 1958 por el Ingeniero Jack St. Clair Kilby, justo meses después de haber sido contratado por la firma Texas Instruments. Los elementos más comunes de los equipos electrónicos de la época eran los llamados “tubos de vacío”, las lámparas usadas en radio y televisión y el transistor de germanio (Ge). En el verano de 1958 Jack Kilby se propuso cambiar las cosas. Entonces concibió el primer circuito electrónico cuyos componentes, tanto los activos como los pasivos, estuviesen dispuestos en un solo pedazo de material, semiconductor, que ocupaba la mitad de espacio de un clip para sujetar papeles. El 12 de Septiembre de 1958, el invento de Jack Kilby se probó con éxito. El circuito estaba fabricado sobre una pastilla cuadrada de germanio (Ge), un elemento químico metálico

y cristalino, que medía seis milímetros por lado y contenía apenas un transistor, tres resistencias y un condensador. El éxito de Kilby supuso la entrada del mundo en la microelectrónica. El aspecto del circuito integrado era tan nimio, que se ganó el apodo inglés que se le da a las astillas, las briznas, los pedacitos de algo: chip. En el año 2000 Jack Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Física por la contribución de su invento al desarrollo de la tecnología de la información. Los circuitos integrados fueron posibles gracias a descubrimientos experimentales que demostraron que los semiconductores pueden realizar las funciones de los tubos de vacío o circuitos de varios transistores. La integración de grandes cantidades de diminutos transistores en pequeños chips fue un enorme avance sobre la ensamblaje manual de los tubos de vacío (válvulas) y circuitos utilizando componentes discretos. La capacidad de producción masiva de circuitos integrados, con fiabilidad y facilidad de agregarles complejidad, impuso la estandarización de los circuitos integrados en lugar de diseños utilizando transistores que pronto dejaron obsoletas a las válvulas o tubos de vacío. Existen dos ventajas principales de los circuitos integrados 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. Algunos de los circuitos integrados más avanzados son los microprocesadores, que son usados en múltiples artefactos, desde ordenadores hasta electrodomésticos, pasando por los teléfonos móviles. Los chips de memorias digitales son otra familia de circuitos integrados que son de importancia crucial para la moderna sociedad de la información. Mientras el coste del diseño y desarrollo de un circuido integrado complejo es bastante alto, cuando se reparte entre millones de unidades de producción el coste individual, por lo general, se reduce al mínimo. La eficiencia de los circuitos integrados 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 los TTL y CMOS) en altas velocidades de conmutación.

Las estructuras de los microchips se volvieron más y más pequeñas. Los fabricantes tuvieron éxito al duplicar el número de transistores en un chip cada 18 meses, tal como lo predijo la ley de Moore. Sin embargo, a medida que los tamaños se han reducido a escalas de átomos, los fabricantes se están acercando cada vez más a los límites de la miniaturización. Ha llegado el tiempo de probar acercamientos completamente nuevos. Para esto, los investigadores están actualmente buscando soluciones tales como el uso de pequeños “mini tubos de grafeno”, los cuales esperan utilizar en los microchips del futuro. Tan sólo ha pasado medio siglo desde el inicio de su desarrollo y ya se han vuelto ubicuos. De hecho, muchos académicos creen que la revolución digital impulsada por los circuitos integrados es una de los sucesos más destacados de la historia de la humanidad. Existen tres tipos de circuitos integrados: -Circuito monolítico: La palabra monolítico viene del griego y significa “una piedra”. La palabra es apropiada porque los componentes son parte de un chip. El Circuito monolítico es el tipo más común de circuito integrado, ya que desde su intervención los fabricantes han estado produciendo los circuitos integrados monolíticos para llevar a cabo todo tipo de funciones. Los tipos comercialmente disponibles se pueden utilizar como amplificadores, reguladores de voltaje, conmutadores, receptores de AM, circuito de televisión y circuitos de ordenadores. Pero tienen limitadores de potencia. Ya que la mayoría de ellos son del tamaño de un transistor discreto de señal pequeña, generalmente tiene un índice de máxima potencia menor que 1W. Están fabricados en un solo monocristal, habitualmente de silicio, pero también existen en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanio, etc. -Circuito híbrido de capa fina: Son muy similares a los circuitos monolíticos, pero además, contienen componentes difíciles de fabricar con tecnología monolítica. Muchos conversores A/D – D/A se fabricaron en tecnología híbrida hasta que progresos en la tecnología permitieron fabricar resistencias precisas. -Circuito híbrido 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

de

los

Circuitos

Integrados:

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 100 000. En cuanto a las funciones integradas, existen dos clasificaciones fundamentales de circuitos integrados (IC): -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 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 circuitos integrados 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 a 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. Son barreras que se van alejando al mejorar la tecnología, pero no desaparecen. Las principales son: -Disipación de potencia-Evacuación del calor: Los circuitos electrónicos 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 como consecuencia, el llamado “efecto avalancha”, 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 TTL o 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. 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 digitales, 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.Los circuitos más usados son los resonantes (bobina-condensador; bien en serie o en paralelo), que actualmente son sustituidos por cristales de cuarzo 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.

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Circuito integrado. Pequeño circuito electrónico utilizado para realizar una función electrónica específica, como la amplificación. Se combina por lo general con otros componentes para formar un sistema más complejo y se fabrica mediante la difusión de impurezas

Circuito integrado

Son utilizados para el ensamblaje de equipos electrónicos.

en silicio monocristalino, que sirve como material semiconductor, o mediante la soldadura del silicio con un haz de flujo de electrones. La fabricación de estos es compleja, ya que tienen una alta integración de componentes en un espacio muy reducido, en ocasiones llegando a ser microscópicos, clasificándose en dos grandes grupos, lo analógicos y los digitales.

Sumario [ocultar]    o o o o o o 

1 Historia 2 Circuitos integrados analógicos 3 Circuitos integrales digitales 3.1 Operaciones con circuitos digitales 3.2 Codificadores 3.3 Decodificadores 3.4 Multiplexores 3.5 Demultiplexores 3.6 Comparadores de fase

o o o

4 Otros tipos de circuitos integrados 4.1 Microcontroladores 4.2 Osciladores 4.3 Otros circuitos integrados diversos



5 Fuentes

Historia El primer circuito integrado fue desarrollado en 1958 por el ingeniero Jack St. Clair Kilby, justo meses después de haber sido contratado por la firma "Texas

Instruments". Los elementos más comunes de los equipos electrónicos de la época eran los llamados "tubos al vacío". En el verano de 1958 Jack Kilby concibió el primer circuito electrónico, cuyos componentes, tanto los activos como los pasivos, estuviesen dispuestos en un solo material, semiconductor, que ocupaba la mitad de espacio de un clip para sujetar papeles. El 12 de septiembre de 1958, el invento de Jack Kilby se probó con éxito. El circuito estaba fabricado sobre una pastilla cuadrada de germanio, un elemento químico metálico y cristalino, que medía seis milímetros por lado y contenía apenas un transistor, tres resistencias y un condensador. Las escalas de integración de los circuitos integrados aparecieron y se fueron desarrollando en la siguiente secuencia de acuerdo a la densidad de integración que poseían: 

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Aparecieron los circuitos SSI (Small Scale Integration). Estos son los circuitos de baja escala de integración, los cuales solo contienen un máximo de 10 compuertas lógica o 100 transistores y comprenden la época de investigación de los IC's. Aparecen los Circuitos MSI (Medium Scale Integration). Estos son los circuitos de media escala de integración, los cuales contienen entre 10 y 100 compuertas lógicas o de 100 a 1000 transistores utilizados ya mas comercialmente. Se introducen los Circuitos LSI (Large Scale Integration). Estos contienen entre 100 y 1000 puertas lógicas o de 1000 a 10000 transistores los cuales expandieron un poco el abanico de uso de los IC's. Aparecen los Circuitos VLSI (Very Large Scale Integration). Los cuales contienen mas de 1000 puertas lógicas o mas de 10000 transistores, los cuales aparecen para consolidar la industria de los IC's y para desplazar definitivamente la tecnología de los componentes aislados y dan inicio a la era de la miniaturización de los equipos apareciendo y haciendo cada vez mas común la manufactura y el uso de los equipos portátiles.

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 integrales digitales Pueden ser desde básicas puertas lógicas (And, Not, Or, Xor) hasta los más complicados microprocesadores. Existen muchos catálogos de diferentes fabricantes, en los cuales suelen estar especificadas las aplicaciones de cada circuito integrado. Pero uno de los factores más importantes, que raramente viene reflejado en estos catálogos, es el tipo y cantidad de dispositivos externos que vamos a necesitar para realizar la función que deseemos con el circuito integrado.

Operaciones con circuitos digitales Un calculador digital debe contener, evidentemente, circuitos que efectúen operaciones aritméticas, por ejemplo suma, resta, multiplicación y división. Las operaciones básicas son la suma y la resta, ya que la multiplicación es fundamentalmente, una suma repetitiva y la división una resta encadenada.

Codificadores Al diseñar un sistema digital es necesario representar o codificar en forma binaria la información numérica y alfanumérica que se obtiene de dicho sistema y, para ello, existen los circuitos combinatorios denominados codificadores.

Decodificadores En el tema de los codificadores se mostró en qué consistía un codificador, es decir, se explicó cómo pasar una información utilizada usualmente a una forma codificada que pueda entender al ordenador. Seguidamente, se describirá el modo de realizar la función opuesta mediante los llamados decodificadores.

Multiplexores Los multiplexores son circuitos combinacionales con varias entradas y una salida de datos, y están dotados de entradas de control capaces de seleccionar una, y sólo una, de las entradas de datos para permitir su transmisión desde la entrada seleccionada a la salida que es única.

Demultiplexores El demultiplexor es un circuito destinado a transmitir una señal binaria a una determinada línea, elegida mediante un seleccionador, de entre las diversas líneas existentes. El dispositivo mecánico equivalente a un demultiplexor será un conmutador rotativo unipolar, de tantas posiciones como líneas queramos seleccionar. El seleccionador determina el ángulo de giro del brazo del conmutador.

Comparadores de fase Los comparadores, en general, tienen dos entradas y una salida. El comparador ideal tiene una salida constante. La entrada se compara con la referencia y la salida es un dígito que toma uno de los dos estados 0 ó 1. En otras palabras, el comparador se comporta como un convertidor analógico/digital de 1 bit. Asimismo, hay que destacar que el comparador emite ondas fuertemente no lineales, ya que la salida no tiene ninguna semejanza con la forma de entrada. Éstos, se emplean principalmente para transformar una señal que varía lentamente en otra que cambia bruscamente, cuando el valor de entrada alcanza una determinada cifra de referencia.

Otros tipos de circuitos integrados    

SERIE 4XXX. Serie C-MOS de las series 4XXX y 45XX alimentación 3 a 15/18 V MEMORIAS. Eprom, EEprom, RAM

Microcontroladores           

Series Microchip (Pic de 8, 18, 20 y 28 pines) Series Atmel Serie Motorola Serie Philips SERIE 74FXX. Serie 74FXX Lógica rápida alimentación 5V +/- 10% SERIE 74HCXXX Y 74HCTXXX Serie 74HCXX C-MOS rápido alimentación de 2 a 6 V Serie 74HCTXX C-MOS rápido alimentación de 4,5 a 5,5 V SERIE 74LSXXX Serie 74LSXXX Lógica estándar 5V +/- 10%

Osciladores Un oscilador es un dispositivo capaz de convertir la energía de corriente continua en corriente alterna a una determinada frecuencia. Tienen numerosas aplicaciones: generadores de frecuencias de radio y de televisión, osciladores locales en los receptores, generadores de barrido en los tubos de rayos catódicos, etc.

Otros circuitos integrados diversos Aquí están todos los circuitos integrados de propósito general mas comunes, amplificadores, operaciones, comparadores, analógicos, conversores, BF, osciladores, timers, grabadores sonido, etc.

Fuentes   

Articulo: Laboratorio Electrónico. Disponible en: "www.angelfire.com". Consultado: 6 de febrero de 2012. Articulo: Isocom Components – Historia del Microchip. Disponible en: "www.angelfire.com". Consultado: 6 de febrero de 2012. Articulo: El rincón del vago – Historia de los circuitos integrados. Disponible en: "www.angelfire.com". Consultado: 6 de febrero de 2012.

Partidarios de Guaidó irrumpen en una concentración a favor de Maduro en Madrid

¿Grupos musicales españoles fascistas? Cuando todo es provocación o postureo OPINION · UN POCO DE CIENCIA, POR FAVOR

El circuito integrado: la tecnología que cambió nuestra vida Ignacio Mártil    

Ignacio Mártil En la ciencia se encuentra nuestro futuro como individuos y como sociedad. En este blog pretendo explicar cuestiones del ámbito científico que repercuten directamente en la sociedad, con un lenguaje asequible a un público amplio e interesado por los avances científicos, pero sin formación especializada. Soy Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid. Realizo mi actividad investigadora en el campo de los semiconductores y soy co-autor de más de 160 artículos científicos publicados en revistas de alto impacto de ámbito internacional. Interesado por la ciencia, por la historia, por la divulgación científica, considero que tanto individual como colectivamente, deberíamos aplicarnos con frecuencia la máxima de Einstein: “Si buscas resultados distintos, no hagas siempre lo mismo”@IgnacioMartil

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15 ABRIL, 2016 Ignacio Mártil Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física 1. Antecedentes: el cuello de botella del transistor Al poco tiempo de aparecer en el mercado el transistor, cuya historia he descrito en un reciente artículo publicado en este mismo blog, este dispositivo se reveló como el sustituto fiable y seguro de la válvula de vacío, tanto tiempo añorado y buscado, y se convirtió rápidamente en la clave para el funcionamiento de productos comerciales de electrónica de consumo, centralitas telefónicas, los primeros ordenadores, etc. Al incorporarse a estos últimos, pronto se vio que se necesitaban fabricar cada vez más reducidos de tamaño. En efecto, cuando

se empezaron a diseñar ordenadores de gran complejidad, enseguida se vio que se necesitaba cada vez un mayor número de transistores, por lo que reducir su tamaño se convirtió en una prioridad. Y ahí es donde el transistor estuvo a punto de morir de éxito, al poco de nacer, puesto que había un límite en cómo de pequeño se podía hacer cada uno, debido a que después había que conectarlos entre sí para que funcionaran y miles de transistores juntos necesitaban cientos de miles de cables de interconexión. Imposible e inviable prácticamente, ya que los transistores tenían un tamaño que estaba en el límite de lo que las manos y las pinzas con las que se manipulaban podían manejar. Algunos científicos empezaron a pensar que la solución pasaba por hacer todo el circuito y sus componentes (transistores, resistencias, condensadores e interconexiones entre ellos) en una única pieza de semiconductor. Pensaron acertadamente que si todos los elementos del circuito se pudieran hacer en un solo bloque, todas las partes se podrían hacer mucho más pequeñas, con lo que se podrían realizar equipos electrónicos de gran complejidad, de tamaños compactos y fiables en su funcionamiento. Esa solución es lo que hoy día conocemos como Circuito Integrado (en lo que sigue, CI). Describo a continuación la historia de la invención y su posterior desarrollo [1]. 2. 1958: el año en que nació en Circuito Integrado La idea del CI la tuvieron, de manera independiente y casi simultánea, dos científicos de dos empresas rivales: Jack Kilby (Texas Instrument) y Robert Noyce (Fairchild Semiconductors). En julio de 1958, a poco de entrar a trabajar en Texas Instruments, Jack Kilby imaginó que todas las partes de un circuito electrónico y no sólo el transistor, podrían ser fabricadas sobre una misma pieza de silicio, con lo que todo el circuito en su conjunto sería más pequeño y más fácil de

realizar. El 12 de septiembre, Kilby ya había construido un prototipo y en febrero del año siguiente, Texas Instruments presentó una patente del mismo, al que denominó “Circuito Sólido”. En enero de 1959, Robert Noyce, uno de los fundadores de Fairchild Semiconductors, tenía ideas parecidas a las de Kilby, también se dio cuenta de que todo un circuito electrónico podría hacerse en una pieza única de semiconductor. Además, Noyce incidió especialmente en cómo conectar los elementos entre sí, aspecto que Kilby había dejado de lado en su invención. A la idea de Noyce la denominaron “Circuitos Unitarios” y también solicitaron una patente. Como estaban al corriente de la patente de Texas Instrument, escribieron una muy detallada, con la esperanza de no infringir la de Texas Instrument. La imagen muestra los dispositivos ideados por Kilby y por Noyce:

Izquierda: Circuito Sólido, el invento de Kilby; contenía un transistor, una resistencia y un condensador. La esquina inferior derecha muestra el dispositivo a tamaño real (~1,5 cm). Derecha: Circuito Unitario de Noyce; incorporaba 4 transistores y 5 resistencias. Las líneas que surcan la superficie son finas pistas metálicas de aluminio depositadas en la superficie que permiten conectar los componentes del circuito entre sí. El diámetro es similar al de una moneda de 2 euros (~2,5 cm)

El 25 de abril de 1961, la oficina de patentes de EEUU concedió la primera patente para un CI a la invención de Robert Noyce mientras que todavía mantuvo bajo análisis la solicitud de Kilby, aunque fue la que se presentó en primer lugar. La historia posterior fue un litigio por la autoría original de la invención que duró años, hasta que ambas compañías decidieron compartir sus tecnologías y durante un breve tiempo, fueron los líderes del mercado de los CIs. La fundación en 1968 de Intel Corporation propició un cambio de liderazgo, liderazgo que dicha empresa mantiene en la actualidad. Hoy en día toda la comunidad científica reconoce a Kilby y Noyce la autoría del CI, que es como los denominamos desde entonces. Kilby recibió el Premio Nobel de física del año 2000, galardón que no pudo obtener también Noyce al haber fallecido en 1990. 3. Desarrollo del Circuito Integrado: la ley de Moore El CI experimentó un desarrollo sin precedentes en los siguientes años, impulsado principalmente por el programa espacial y la industria militar de los EEUU. En efecto, en 1961 Fairchild Semiconductorscomercializó su primer CI, que se instaló en las calculadoras del ejército de los EEUU y en 1962, Texas Instrument comercializó el suyo, que se instaló en aviones de la fuerza aérea del mismo país y en el sistema de guía de los misiles Minuteman, uno de los programas de armamento más costosos de la historia militar. Fruto de estos avances motivados por la Guerra Fría, se fabricaban CIs cada vez más complejos y con mayor número de transistores. Si los primeros CIs integraban unas pocas decenas de transistores, muy pocos años después ya se comercializaban CIs con miles y decenas de miles y hoy día, hay CIs con miles de millones de transistores. El aumento del número de transistores por CI sigue desde entonces una tendencia conocida como Ley de Moore, debida al científico Gordon

Moore que la enunció en fecha tan temprana como 1965. Dicha ley constata que el número de transistores que tiene un CI se duplica cada dos años. La figura muestra dicha evolución:

Ley de Moore. Se muestran procesadores de la marca Intel para ilustrar como la cumplen los CI de mayor implantación en el mercado de los ordenadores. La escala vertical es logarítmica. 4. Los Circuitos Integrados en la actualidad Aumentar de manera tan descomunal en número de transistores en un CI ha sido posible gracias al gran desarrollo que ha experimentado su proceso de fabricación; la tecnología microelectrónica ha incorporado procedimientos que recuerdan parcialmente a la fabricación en cadena de los automóviles, de manera que sobre una única oblea semiconductora de silicio, se replican simultáneamente un gran número del mismo circuito completo. Este procedimiento consiste en esencia en la impresión de múltiples patrones geométricos en la superficie del silicio, que permiten definir cada uno de los dispositivos que lo integran, seguido de un

depósito selectivo de diversos materiales aislantes y conductores, para interconectar adecuadamente entre sí los distintos componentes del CI, pasos que se repiten sucesivamente gran número de veces hasta completar el CI [2]. La incorporación de cada vez mayor número de transistores en un chip de un tamaño de muy pocos centímetros cuadrados, lleva aparejado reducir las dimensiones de cada transistor a unos valores asombrosamente reducidos. La figura muestra una oblea semiconductora con los CIs fabricados en ella, así como imágenes obtenidas por microscopía electrónica de dos transistores como los que incorpora cada uno de los CI:

Izquierda: Oblea de silicio de 30 cm. de diámetro, con 118 CI. Derecha: imágenes de los dos tipos de transistores que componen un CI moderno (Bipolar y MOSFET) 1 nm = 0,000000001m. La reducción del tamaño de los transistores en los CIs, así como el desarrollo de la tecnología de su fabricación, tiene consecuencias de toda índole, tanto en el coste como en sus prestaciones. Si los CI se fabricaran de forma individual, su precio sería prohibitivo, pero el procedimiento de fabricación

descrito permite abaratar los costes unitarios drásticamente, de forma que si un transistor costaba a finales de los años 50 del orden de 100 € (a precios actuales), hoy día los CIs más complejos, con miles de millones de transistores en su interior, tienen unos precios del orden de 1000 €, con lo que el coste de cada transistor es insignificante. Para hacerse una idea de lo que supone la reducción del tamaño de los transistores, tanto en su precio como en alguna de sus prestaciones, se puede establecer una comparación con lo que habría sucedido si los automóviles hubieran experimentado una evolución similar en su tamaño y características a la de los CIs. La tabla lo muestra:

Valores de velocidad, peso y precio que tendría un automóvil en la actualidad si hubieran evolucionado de manera similar a como lo han hecho los CIs. Fuente: Elaboración propia; el Seat 600 se empezó a fabricar en 1957, un año antes que el CI; su precio esta actualizado al día de hoy. Todo indica que la ley de Moore está llegando a su final, debido a la imposibilidad física de construir transistores más pequeños que los actuales; pero esto no significa que el progreso en los CI se vaya a detener, basta con pensar en la industria aeronáutica y en lo que ha sucedido con los aviones militares en los últimos 50 años. El F-22 Raptor, el avión de combate más avanzado de la fuerza aérea de los EEUU, alcanza una velocidad máxima similar a la del F-104 Starfigther, caza que se incorporó al arsenal de ese país en 1958, pero son aviones radicalmente

diferentes: aviónica, materiales de construcción, prestaciones en vuelo, etc. Con los CI pasará algo parecido, la innovación continuará sin ninguna duda, pero será más matizada y compleja. En la actualidad, los circuitos integrados se utilizan en toda clase de equipos electrónicos y han revolucionado campos tales como las comunicaciones, proceso de datos, imagen, medicina, etc. Encontramos CIs en ordenadores (de mesa o portátiles), tablets, teléfonos móviles, Televisores, CD, DVD, Blu-ray, equipos de diagnóstico médicos (TAC, RMN), automóviles, control de tráfico aéreo (Radar), etc. Toda esta revolución ha sido posible gracias al enorme desarrollo y los bajos costes de los CI. La sinergia entre CI y algunas aplicaciones específicas, principalmente ordenadores personales y telefonía móvil ha propiciado un desarrollo simultáneo, de manera que unos y otras son inconcebibles e inseparables entre sí. La industria microelectrónica mueve cientos de miles de millones de dólares al año y los principales fabricantes del mudo se localizan principalmente en EEUU y Asia:

Ranking y ventas de los diez primeros fabricantes del mundo de CIs, en miles de millones de dólares. Fuente: IC insigths. La facturación de los diez es similar al PIB de Portugal. Para finalizar, una comparación que ilustra la “población” de transistores que tiene un CI: el país más densamente poblado de la Tierra es Mónaco, con 2 km² de extensión y 36.000 habitantes, lo que supone 18.000 personas/km². El Intel Core i7, chip que está incorporado a los ordenadores más recientes, es un cuadrado de 3,75 cm de lado (poco más de 14 cm² de superficie) y contiene 1.170 millones de transistores, es decir, unos 85 millones de transistores/cm² [3]. ¿Realmente Mónaco está muy poblado? _________ [1] Al Circuito Integrado también se le conoce con el nombre de “chip”. En este artículo, mantendré la denominación original. [2] La clave para replicar el mismo CI gran número de veces sobre la superficie de una oblea de silicio es una técnica denominada fotolitografía. El lector interesado puede consultar este artículo para conocer los detalles de la misma. [3] Datos del Intel Core i7 980x, con 6 núcleos.

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PORTADA TECNOLOGÍA

La historia de los circuitos integrados

La historia de los circuitos integrados

Vicente Burgos

El circuito Integrado (IC), es una pastilla o chip muy delgado en el que se encuentran una cantidad enorme de dispositivos microelectrónicos interactuados, principalmente diodos y transistores, además de componentes pasivos como resistencias o condensadores. El primer Circuito Integrado fue desarrollado en 1958 por el Ingeniero Jack St. Clair Kilby, justo meses después de haber sido contratado por la firma Texas Instruments. Los elementos más comunes de los equipos electrónicos de la época eran los llamados “tubos de vacío”, las lámparas usadas en radio y televisión y el transistor de germanio (Ge). En el verano de 1958 Jack Kilby se propuso cambiar las cosas. Entonces concibió el primer circuito electrónico cuyos componentes, tanto los activos como los pasivos, estuviesen dispuestos en un solo pedazo de material, semiconductor, que ocupaba la mitad de espacio de un clip para sujetar papeles. El 12 de Septiembre de 1958, el invento de Jack Kilby se probó con éxito. El circuito estaba fabricado sobre una pastilla cuadrada de germanio (Ge), un elemento químico metálico

y cristalino, que medía seis milímetros por lado y contenía apenas un transistor, tres resistencias y un condensador. El éxito de Kilby supuso la entrada del mundo en la microelectrónica. El aspecto del circuito integrado era tan nimio, que se ganó el apodo inglés que se le da a las astillas, las briznas, los pedacitos de algo: chip. En el año 2000 Jack Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Física por la contribución de su invento al desarrollo de la tecnología de la información. Los circuitos integrados fueron posibles gracias a descubrimientos experimentales que demostraron que los semiconductores pueden realizar las funciones de los tubos de vacío o circuitos de varios transistores. La integración de grandes cantidades de diminutos transistores en pequeños chips fue un enorme avance sobre la ensamblaje manual de los tubos de vacío (válvulas) y circuitos utilizando componentes discretos. La capacidad de producción masiva de circuitos integrados, con fiabilidad y facilidad de agregarles complejidad, impuso la estandarización de los circuitos integrados en lugar de diseños utilizando transistores que pronto dejaron obsoletas a las válvulas o tubos de vacío.

Existen dos ventajas principales de los circuitos integrados 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. Algunos de los circuitos integrados más avanzados son los microprocesadores, que son usados en múltiples artefactos, desde ordenadores hasta electrodomésticos, pasando por los teléfonos móviles. Los chips de memorias digitales son otra familia de circuitos integrados que son de importancia crucial para la moderna sociedad de la información. Mientras el coste del diseño y desarrollo de un circuido integrado complejo es bastante alto, cuando se reparte entre millones de unidades de producción el coste individual, por lo general, se reduce al mínimo. La eficiencia de los circuitos integrados 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 los TTL y CMOS) en altas velocidades de conmutación. Las estructuras de los microchips se volvieron más y más pequeñas. Los fabricantes tuvieron éxito al duplicar el número de transistores en un chip cada 18 meses, tal como lo predijo la ley de Moore. Sin embargo, a medida que los tamaños se han reducido a escalas de átomos, los fabricantes se están acercando cada vez más a los límites de la miniaturización. Ha llegado el tiempo de probar acercamientos completamente nuevos. Para esto, los investigadores están actualmente buscando soluciones tales como el uso de pequeños “mini tubos de grafeno”, los cuales esperan utilizar en los microchips del futuro. Tan sólo ha pasado medio siglo desde el inicio de su desarrollo y ya se han vuelto ubicuos. De hecho, muchos académicos creen que la revolución digital impulsada por los circuitos integrados es una de los sucesos más destacados de la historia de la humanidad. Existen tres tipos de circuitos integrados: -Circuito monolítico: La palabra monolítico viene del griego y significa “una piedra”. La palabra es apropiada porque los componentes son parte de un chip. El Circuito monolítico es el tipo más común de circuito integrado, ya que desde su intervención los fabricantes han estado produciendo los circuitos integrados monolíticos para llevar a cabo todo tipo de funciones. Los tipos comercialmente disponibles se pueden utilizar como amplificadores, reguladores de voltaje, conmutadores, receptores de AM, circuito de televisión y circuitos de ordenadores. Pero tienen limitadores de potencia. Ya que la mayoría de ellos son del tamaño de un transistor discreto de señal pequeña, generalmente tiene un índice de máxima potencia menor que 1W. Están fabricados en un solo monocristal, habitualmente de silicio, pero también existen en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanio, etc. -Circuito híbrido de capa fina: Son muy similares a los circuitos monolíticos, pero además, contienen componentes difíciles de fabricar con tecnología monolítica. Muchos conversores A/D – D/A se fabricaron en tecnología híbrida hasta que progresos en la tecnología permitieron fabricar resistencias precisas. -Circuito híbrido 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

de

los

Circuitos

Integrados:

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 100 000. En cuanto a las funciones integradas, existen dos clasificaciones fundamentales de circuitos integrados (IC): -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 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 circuitos integrados 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 a 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. Son barreras que se van alejando al mejorar la tecnología, pero no desaparecen. Las principales son: -Disipación de potencia-Evacuación del calor: Los circuitos electrónicos 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 como consecuencia, el llamado “efecto avalancha”, 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 TTL o 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. 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 digitales, 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.Los circuitos más usados son los resonantes (bobina-condensador; bien en serie o en paralelo), que actualmente son sustituidos por cristales de cuarzo 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. Fuente: www.ohmios.es

Conclusiones Un circuito integrado es un circuito formado por elementos tales como diodos, transistores, resistencias y condensadores, los cuales están interconectados y ubicados en una pastilla de silicio. Es de unas dimensiones muy reducidas y sus elementos no se pueden separar. Es decir, el sistema electrónico está formado por circuitos completos y cada uno de ellos contiene centenas de elementos, todos ellos situados en el cristal de silicio. Desde su creación solo ha trascurrido poco mas de 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, aunque tienen limitaciones son muy efectivos