domingo, 25 de julio de 2010

Circuito Integrado

1952 AD AL 1970 AD

LOS PRIMEROS CIRCUITOS INTEGRADOS

Los transistores empacados individualmente eran mucho mas pequeños que sus predecesores, los tubos al vacio, pero los disenadores todabia deseaban dispositivos electronicos mas pequenos. Lo que aumento la demanda de miniaturizacion y motorizo la investigacion en ese sentido fue el desarrollo del programa Americano de Investigacion Espacial (American Space Program).

Desde algun tiempo fatras los ingenieros y cientificos habian estado pensando que seria una buena idea tener disponibilidad para fabricar circuitos enteros en na sola pieza de semiconductor.

La primera discusion publica sobre esta idea se debe a un ingles experto en radares llamado G.W.A. Summer, por un escrito publicado en 1952. De todas formas no fue hasta el verano de 1958, que el Sr. Jack Kilby, trabajando para Texas Instruments, progreso en la fabricacion de componentes multiples en una sola pieza de semiconductor. El primer prototipo de Kilby fue un oscilador de fase y, a pesar de que las tecnicas de manufactura subsecuentemente tomaran caminos diferentes a los tomados por Kilby, el sigue teniendo el credito de haber creado el primer verdadero circuito integrado.

En el 1963, FAIRCHILD manufacturo un dispositivo llamado el 907 que contenia dos compuertas logicas, las cuales consistian en cuatro transistores bipolares y cuatro resistores. El 907 tambien utilizo capas aislantes y estructuras internas, las cuales son caracteristicas comunes en los circuitos integrados modernos.

En 1967, FAIRCHILD introdujo un dispositivo llamado el micromosaico, el cual contenia algunos cientos de transistores. La principal caracteristica del micromosaico era que los transistores no estaban conectados entre si. Un disenador usaba un programa de computadoras para especificar la uncion pue se requeria que el dispositivo realice, y el programa determinaba las interconecciones necesarias de los transistores y construia las fotomascaras requeridas para completar el dispositivo. El micromosaico esta acreditado como puntero de los circuitos integrados de aplicaciones especificas, y tambien como el primer dispositivo anadido con aplicacion real en el diseno de computadoras.

En 1970, FAIRCHILD introdujo la rimera memoria RAM (Random Access Memory) estatica de 256 bits llamada 4100, mientras Intel aunciaba la primera RAM dinamica de 1024 bits llamada 1103, en el mismo ano.

1971 AD al 1976 AD

Con los beneficios que aporto el uso de los circuitos integrados aparece el adnienimiento de los microprocesadores. Esto era evidente por si mismo por numerosas razones, entre las cuales se encuentran el gran tamano que tenian las computadoras, su alto precio, y lo tedioso o dificultoso que era el utilizarlas.

Debido a que las computadoras eran muy grandes y por lo tanto caras, solamente las grandes instituciones podian comprarlas y solo eran utilizadas para tareas computacionalmente interinas y complicadas, lo cal explica porque las computadoras en esa epoca eran pocas y separadas por distancias abismales, y reduciendo a un grupo elite y exclusivo el grupo de personas que podian utilizarlas y conocer como estas trabajaban.

Debido a que la tecnologia de los circuitos integrados estaba en su infancia o etapa inicial y todabia no era posible construir miles de transistores en un solo circuito integrado hasta fines de los 60's y mediados de los 70's, las computadoras se encontraban sumidas en n letardo hasta que aparecieron y se desarrolaron las distintas escalas de integracion.

Las escalas de integracion de los circuitos integrados aparecieron y se fueron desarrollando en la siguiente secuencia de acuerdo a la densidad de integracion que poseian:

1)- Aparecieron los circuitos SSI (Small Scale Integration). Estos son los circuitos de baja escala de integracion, los cuales solo contienen un maximo de 10 compuertas logicas o 100 transistores y comprenden la epoca de investigacion de los IC's.

2)- Aparecen los Circuitos MSI (Medium Scale Integration). Estos son los circuitos de media escala de integracion, los cuales contienen entre 10 y 100 compuertas logicas o de 100 a 1000 transistores utilizados ya mas comercialmente.

3)- Se introducen los Circuitos LSI (Large Scale Integration). Estos contienen entre 100 y 1000 puertas logicas o de 1000 a 10000 transistores los cuales expandieron un poco el abanico de uso de los IC's.

4)- Aparecen los Circuitos VLSI (Very Large Scale Integration). Los cuales contienen mas de 1000 puertas logicas o mas de 10000 transistores, los cuales aparecen para consolidar la industria de los IC's y para desplazar definitivamente la tecnologia de los componentes aislados y dan inicio a la era de la miniaturizacion de los equipos apareciendo y haciendo cada vez mas comun la manufactura y el uso de los equipos portatiles.

Las distintas necesidades existentes en cuanto al uso de IC's dieron origen a distintas familias logicas que cumplieron con las especificaciones de potencia, voltaje y corriente de los circuitos que se disenan en la actualidad. Por estas razones y otras mas surgieron distintas familias logicas, que se enumeran en el siguiente listado:

a. Familia RTL (Logica de Resistores)

b. Familia DTL (Logica de diodos y transistores)

c. Familia TTL (Logica de transistores y transitores)

d. Familia TTL Schottky (Logica de transistores y transistores Schottky)

e. Serie TTL 7400/5400

f. Familia IGFET o ENHANCEMENT: Efecto intensificador EMOSFET (logica de transistores de efecto de campo complementario de oxido de metal)

g. Serie CMOS 74C/54C

h. Familia ECL (EMITTER COUPLED LOGIC)

i. Compuerta de logica de tres estados (TRI STATE LOGIC GATE)

j. Acoplamiento entre compuertas (INTERFACE)

k. Logica TTL con colector abierto (OPEN COLLECTOR TTL)

l. Compuerto de transmision (BILATERAL SWITCH)

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.



No hay comentarios:

Publicar un comentario en la entrada