Transistores y Circuitos Integrados Universidad Los Angeles de Chimbote Alumno: Christian Miñano Lozano Curso: Electrónica Básica
INTRODUCCION •El primer circuito Integrado fue creado por Jack Kilby en la empresa Texas Instruments en el año de 1959; poco mas de una década después de la invención del transistor en los laboratorios Bell en 1947. A finales de la década de 1960 apareció el circuito integrado (CI), que posibilitó la fabricación de varios transistores en un único sustrato de silicio en el que los cables de interconexión iban soldados. Los circuitos integrados han hecho posible la fabricación del microordenadores y las microcomputadora.
Transistores
Transistores
El transistor bipolar de unión (BJT)
Emisor
Emisor
Base Colector
P
N
Colector
P
Base
e
I
Emisor
Emisor N
Base Colector P
N
Colector
Base
Base poco dopada Emisor más dopado que colector
Configuraciones del transistor Hay 4 variables que dependen el tipo de conexión: Vsalida, Ventrada, Isalida, Ientrada. E
C
C
B
Variables:
VBE, VCB, IE, IC
C
E
B
Base común
E
B
Emisor común Variables:
VBE, VCE, IB, IC
Colector común Variables: VCB, VCE, IB, IE
Transistor de unión: amplificador IE
E
P Emisor
N Base
B
P Colecto r
IB
IC
A
C RL
D VEB
V ∆VAD = RL∆IC
∆(IC) = gm ∆VEB
gm : transconductancia
ΔV AD
ΔV EB
=R L g m
Aplicaciones: circuitos lógicos puertas AND y OR, lógica de diodos Puerta “OR” con diodos
Puerta “AND” con diodos 10 V
A
Vs Vs
B
R
R
1N914
1N914
Del vacío al CMOS 1950: Abandono de las válvulas de vacío y sustitución por transistores individuales 1960: Circuitos integrados en sustrato de silicio 1980: Transistores de efecto campo 1993: Tecnología CMOS
Aplicaciones: circuitos lógicos tecnología CMOS
Inversor (NOT)
Aplicaciones: memorias RAM DRAM
BIT D
Se almacena un “1” en la celda cargando el condensador mediante una VG en fila y VD en bit
S
La lectura se hace aplicando VG en fila y midiendo la corriente en la línea bit
G
FILA
La lectura es un proceso destructivo. Hay que restaurar el valor leído
SRAM
Aplicaciones: memorias ROM
EPROM MOSFET ROM
Aplicaciones: CCD
CMOS sensor CCD
Aplicaciones: TFT
Estructura DRAM con celda LCD i LED
RGB
Circuito Integrado
Circuito: Conjunto de conductores que recorre una corriente eléctrica, y en el cual hay generalmente intercalados aparatos productores o consumidores de esta corriente. Circuito integrado: Combinación de elementos de circuito miniaturizados que se alojan en un único soporte o chip, generalmente de silicio. Fuente: Diccionario de la Real Academia Española (www.rae.es)
Circuito Integrado
Circuito integrado: Conjunto de transistores y circuitos eléctricos construidos sobre un mismo cristal. Los circuitos integrados actuales no miden más de un centímetro de largo y pueden contener millones de transistores. Fuente: Diccionario de la Real Academia Española (www.rae.es)
Algunas Definiciones
MSI: Medium Scale Integration, tipo de integración de chip capaz de albergar entre 10 y 500 transistores. LSI: Large Scale Integration, tipo de integración de chip capaz de albergar entre 1.000 y 10.000 transistores. VLSI: Very Large Scale Integration, tipo de integración de chip capaz de albergar sobre 100.000 transistores. ULSI: Ultra Large Scale Integration, tipo de integración de chip capaz de albergar sobre 10.000 circuitos. Hoy en día VLSI y ULSI se confunden
COMPONENTES DE UN CI: Los circuitos Integrados contienen cientos de estos componentes distribuidos de manera ordenada; utilizando la técnica llamada fotolitografía la cual permite ordenar miles de componentes en una pequeña placa de silicio. El transistor actúa como un switch . Las resistencias limitan el flujo de electricidad . Los capacitares almacenan electricidad y la liberan en un rápido impulso. Los diodos detienen la electricidad bajo alguna condición.
CARACTERISTICAS Rara vez se pueden reparar; es decir si un solo componente de un circuito integrado llegara a fallar, se tendría que cambiar la estructura completa; esto se debe al tamaño diminuto y los miles de componentes que poseen. Tamaño; ya que puede contener 275, 000 transistores, además de una multitud de otros componentes como son transistores, diodos, resistencias, condensadores y alambres de conexión, y medir desde menos de un centímetro a poco mas de tres centímetros.
CLASIFICACIÒN SEGÚN NIVELES DE INTEGRACIÓN:
SSI (Small Scale Integration) . Se refiere a los CI con menos de 12 componentes integrados. La
mayoría de los chips SSI utilizan resistores, diodos y transistores bipolares integrados Varias compuertas lógicas en un solo paquete hacen un dispositivo con integración a pequeña escala . ejemplos: compuertas.
MSI ( Medium Scale Integration) 1970 Se refiere a los CI que tienen de 12 a 100 componentes integrados por chip. comprenden la época de investigación Ejemplos: codificadores, registros, contadores , multiplexores, de codificadores y de multiplexores. Estos integrados son los que se usaban en los primeros ordenadores.
LSI (LargeScale Integration) 1971 Se refiere a CI con más de 100 componentes. Ya que toma pocos pasos hacer un transistor MOS integrado, un fabricante puede producir más de estos en un chip en vez de transistores bipolares. Ejemplos: Memorias, unidades aritméticas y lógicas (alu's), microprocesadores de 8 y 16 bits. Son utilizados para la fabricación de: los relojes de pulsera, detectores de humos, televisores y calculadoras quedan dentro de esta categoría. Los circuitos integrados utilizados en temporizadores de electrodomésticos son los mismos que los empleados en los relojes industriales, y el microprocesador
VLSI (Very Large Scale Integration) 1980 La integración en escala muy grande de sistemas de circuitos basados en transistores en CI que van de 10 000 a 99 999 , como parte de las tecnologías 10 000 a 99 999 de semiconductores y comunicación que se estaban desarrollando, Dan inicio a la era de la miniaturización. Ejemplos: Microprocesadores de 32 bits, microcontroladores, sistemas de adquisición de datos.
ULSI(Ultra Large Scale Integration )
Son módulos de construcción básica de los dispositivos electrónicos modernos, tales como radios, TV, sistemas de telefonía, computadoras y en general productos electrodomésticos caseros e industriales
El Primer Computador
The Babbage Difference Engine (1832) 25,000 parts cost: £17,470
Evolución Histórica
ENIAC – El Primer Computador Electrónico (1946)
Evolución Tecnológica
Circuitos Integrados (Integrated Circuits IC) En un IC se implementa un circuito electrónico completo (Resistencias, condensadores, diodos, transistores, etc) realizado sobre el mismo circuito semiconductor (Substrato).
DATOS EN EL ENCAPSULADO DE UN CIRCUITO INTEGRADO
µA FABRICANTE AD Analog Devices µA Fairchild CR RCA LM National Semiconductor MC Motorola NE/SE Signetics OP Precision Monolithics RC/RH Raytheon SG Silicon General TL Texas Instrument
ENCAPSULADO
74 1 I
D,P: Plástico J, N: Cerámico M: Metálico
P
RANGO TEMPERATURA C: Comercial 0ºC hasta 70ºC I: Industrial 40ºC hasta 85 ºC DESIGNADOR
M: Militar 55ºC hasta 125 ºC
Nombre/función del dispositivo 741 Amplificador de propósito general 081 Amplificador entrada FET 311 Comparador rápido
DATOS EN EL ENCAPSULADO DE UN CIRCUITO INTEGRADO
6
Pin número 1
5
1
4 2 3
Orden para numerar los pines
Encapsulado típico DIL 6 DIL = Dual In Line SIL = Serial In Line
Transistor 2 Transistores
2.300 Transistores
1945 1948 1958 1960 1971 ENIAC TransistorPrimer ICMOSFET Primer µP 1er Computador Lab. Bell Kilby 4004 válvulas Schokley, INTEL Brattain, Bardeen
La evolución del tamaño de los circuitos integrados ha sido espectacular. Teniendo sus máximos de capacidad de integración, en el mundo de la Electrónica Digital (Microprocesadores)
42 millones de transistores 2001 Pentium IV INTEL
LOS CIRCUITOS INTEGRADOS PUEDEN LLEGAR A TENER MUCHÍSIMOS COMPONENTES REALIZADOS SOBRE EL MISMO CIRCUITO INTEGRADO
Buscando errores sobre un esquema de un Circuito Integrado
CIRCUITOS INTEGRADOS: UNA AUTENTICA REVOLUCIÓN Hoy día podemos considerar a los circuitos integrados como componentes electrónicos. El diseño de aplicaciones con componentes sueltos (o discretos) (diodos, transistores, resistencias, condensadores, etc) cada vez está mas restringido a aplicaciones muy especiales (Electrónica de potencia, muy altas frecuencias, etc). Hoy día podemos decir que existen una variedad de circuitos integrados "casi" específicos para nuestra aplicación: Electrónica Analógica (amplificadores, comparadores, multiplicadores, generadores de señal, etc) Electrónica Digital (microprocesadores, conversores A/D y D/A, etc) Comunicaciones (Emisores, receptores, etc) Electrónica de Potencia (Circuitos de control de motores, Drivers, etc) Y una multitud de ejemplos mas (solo hay que ver las páginas web de los distintos fabricantes (MOTOROLA, TEXAS, IR, SGS, NATIONAL, etc). ES PRÁCTICAMENTE IMPOSIBLE CONOCER TODOS LOS CIRCUITOS INTEGRADOS EXISTENTES EN EL MERCADO. DEBEMOS SABER BUSCAR EL NECESARIO PARA NUESTRA APLICACIÓN
DETALLE DE UN CIRCUITO REAL
DETALLE DE UN CIRCUITO REAL
Detalle de un circuito real
EJEMPLO TÍPICO DE CIRCUITO INTEGRADO DE PROPÓSITO GENERAL:
DIP8
CONCLUSIONES Los Circuitos Integrados son pequeños circuitos electrónicos que han ido evolucionando con el paso del tiempo; ya que su funciones han crecido y su tamaño a disminuido considerablemente; la llamada “Miniaturización”. Los circuitos integrados han hecho posible el desarrollo de muchos nuevos productos, como computadoras y calculadoras personales, relojes digitales y videojuegos. El desarrollo de los circuitos integrados ha revolucionado los campos de las comunicaciones, la gestión de la información y la informática. Los circuitos integrados han permitido reducir el tamaño de los dispositivos con el consiguiente descenso de los costes de fabricación y de mantenimiento de los sistemas. Al mismo tiempo, ofrecen mayor velocidad y fiabilidad.