Unión PN

Se denomina unión P-N a la estructura fundamental de los componentes electrónicos comúnmente denominados semiconductores, principalmente diodos y transistores BJT. Está formada por la unión metalúrgica de dos cristales, generalmente de Silicio (Si), aunque también se fabrican de Germanio (Ge), de naturalezas P y N según su composición a nivel atómico. Estos tipos de cristal se obtienen al dopar cristales de metal puro intencionadamente con impurezas, normalmente con algún otro metal o compuesto químico.

Silicio puro o "intrínseco"

Los cristales de Silicio están formados a nivel atómico por una malla cristalina basada en enlaces covalentes que se producen gracias a los 4 electrones de valencia del átomo de Silicio. Junto con esto existe otro concepto que cabe mencionar: el de hueco. Los huecos, como su nombre indica, son el lugar que deja un electrón cuando deja la capa de valencia y se convierte en un electrón libre. Esto es lo que se conoce como pares electrón - hueco y su generación se debe a la temperatura (como una aplicación, al caso, de las leyes de la termodinámica) o a la luz (efecto fotoeléctrico). En un semiconductor puro (intrínseco) se cumple que, a temperatura constante, el número de huecos es igual al de electrones libres.

Silicio "extrínseco" tipo "P"

Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, sustituyéndole algunos de los átomos de un semiconductor intrínseco por átomos con menos electrones de valencia que el semiconductor anfitrión, normalmente trivalente, es decir con 3 electrones en la capa de valencia (normalmente boro), al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos, huecos).

Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como impurezas aceptoras.

El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, una impureza trivalente deja un enlace covalente incompleto, haciendo que, por difusión, uno de los átomos vecinos le ceda un electrón completando así sus cuatro enlaces. Así los dopantes crean los "huecos". Cada hueco está asociado con un ion cercano cargado negativamente, por lo que el semiconductor se mantiene eléctricamente neutro en general. No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado por un electrón. Por esta razón un hueco se comporta como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.

Silicio "extrínseco" tipo "N"

Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como impurezas donantes ya que cede uno de sus electrones al semiconductor.

El propósito del dopaje tipo N es el de producir abundancia de electrones libres en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo N considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo VA de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de electrones libres, el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donantes. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.

Barrera interna de potencial

Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je).

Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe diferentes denominaciones como barrera interna de potencial, zona de carga espacial, de agotamiento o empobrecimiento, de deplexión, de vaciado, etc.

A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.

Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V si los cristales son de germanio.

La anchura de la zona de carga espacial una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.

Polarización directa de la unión P - N

En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.

Para que un diodo esté polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:

El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.

El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.

Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.

Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.

De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final. Polarización directa: se produce cuando se conecta el polo positivo de la pila a la parte P de la unión P - N y la negativa a la N.

Polarización inversa de la unión P - N

En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:

El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.

El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.

Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.

En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fugas es despreciable.

Modelos de la Grande-señal

Modelo de Ebers-Moll

Las corrientes del emisor y de colector de la C.C. en modo activo son modeladas bien por una aproximación al modelo de Ebers-Moll:

La corriente interna baja está principalmente por la difusión (véase Ley de Fick) y

Donde

VT es voltaje termal kT/q (aproximadamente 26 milivoltios en la temperatura ambiente del ≈ de 300 K).

IE es la corriente del emisor

IC es la corriente de colector

αT es el aumento actual del cortocircuito delantero de la base común (0.98 a 0.998)

IES es la corriente reversa de la saturación del diodo del emisor de base (en la orden de 10−15 a 10−12 amperios)

VSEA es el voltaje del emisor de base

Dn es la constante de difusión para los electrones en el p-tipo base

W es la anchura baja

La corriente de colector es levemente menos que la corriente del emisor, desde el valor de αT está muy cerca de 1.0. En el BJT a la cantidad pequeña de corriente del emisor de base causa una cantidad más grande de corriente del collector-emitter. El cociente de la corriente permitida del collector-emitter a la corriente del emisor de base se llama aumento actual, β o hFE. Un valor del β de 100 es típico para los transistores bipolares pequeños. En una configuración típica, una corriente muy pequeña de la señal atraviesa la ensambladura del emisor de base para controlar la corriente del emisor-colector. el β se relaciona con el α con las relaciones siguientes:

Eficacia del emisor: ; es decir, el cociente de la corriente inyectado en la base a la corriente en el emisor; los dos diferencian debido a la inyección posterior de la base en el emisor y a la recombinación. Vea generación de portador y recombinación.

Unapproximated las ecuaciones de Ebers-Moll usadas para describir las tres corrientes en cualquier región de funcionamiento se dan abajo. Estas ecuaciones se basan en el modelo del transporte para un transistor de ensambladura bipolar. Vea, por ejemplo, a Sedra y a Smith. [21]

donde

iC es la corriente de colector

iB es la corriente de la base

iE es la corriente del emisor

βF es el aumento actual del emisor común delantero (20 a 500)

βR es el aumento actual del emisor común reverso (0 a 20)

IS es la corriente reversa de la saturación (en la orden de 10−15 a 10−12 amperios)

VT es voltaje termal (aproximadamente 26 milivoltios en la temperatura ambiente del ≈ de 300 K).

VSEA es el voltaje del emisor de base

VA.C. es el voltaje del base-colector

Modulación de la Base-anchura

Como el voltaje de collector-base aplicado (VBC) varía, la región de agotamiento del collector-base varía de tamaño. Un aumento en el voltaje de collector-base, por ejemplo, causa un mayor diagonal reverso a través de la ensambladura del collector-base, aumentando la anchura de la región de agotamiento del collector-base, y disminuyendo la anchura de la base. Esta variación en anchura baja a menudo se llama “Efecto temprano“después de su descubridor James M. Temprano.

El enangostar de la anchura baja tiene dos consecuencias:

Hay una poca ocasión para la recombinación dentro de la región baja “más pequeña”.

El gradiente de la carga se aumenta a través de la base, y por lo tanto, la corriente de los portadores de la minoría inyectados a través de los aumentos de la ensambladura del emisor.

Ambos factores aumentan el colector o “haga salir” la corriente del transistor en respuesta a un aumento en el voltaje de collector-base.

En región activa delantera el efecto temprano modifica la corriente de colector (iC) y el aumento actual del emisor común delantero (βF) según lo dado por las ecuaciones siguientes:[citación necesitada]

Donde

VCBES es el voltaje de collector-base

VA es el voltaje temprano (15 V a 150 V)

βF0 es el aumento actual del común-emisor delantero cuando VCB = 0 V

Características current-voltage

Las asunciones siguientes están implicadas al derivar las características current-voltage ideales del BJT

Inyección del nivel bajo

Doping uniforme en cada región con las ensambladuras precipitadas

Flujo actual unidimensional

Recombinación-generación insignificante en regiones de carga de espacio

Campos eléctricos insignificantes fuera de regiones de carga de espacio.

Es importante caracterizar las corrientes de difusión de la minoría inducidas por la inyección de portadores.

Con respecto al diodo de ensambladura del pn, una relación dominante es la ecuación de la difusión.

Una solución de esta ecuación está abajo, y dos condiciones de límite se utilizan para solucionar y para encontrar C1 y C2.

Las ecuaciones siguientes se aplican a la región del emisor y de colector, respectivamente, y a los orígenes 0, 0', y 0'' apliqúese a la base, al colector, y al emisor.

Una condición de límite del emisor está abajo:

Los valores de las constantes A1 y B1 es cero debido a las condiciones siguientes de las regiones del emisor y de colector como y .

Desde entonces A1 = B1 = 0, los valores de ΔnE(0'') y Δnc(0') sea A2 y B2, respectivamente.

Expresiones de IEn y ICn puede ser evaluado.

Puesto que ocurre la recombinación insignificante, el segundo derivado de ΔpB(x) es cero. Hay por lo tanto una relación linear entre exceso de densidad del agujero y x.

Los siguientes son condiciones de límite de ΔpB.

Substituya en la relación linear antedicha.

.

Con este resultado, derive el valor de IEp.

Utilice las expresiones de IEp, IEn, ΔpB(0), y ΔpB(W) para desarrollar una expresión de la corriente del emisor.

Semejantemente, una expresión de la corriente de colector se deriva.

Una expresión de la corriente baja se encuentra con los resultados anteriores.

Punchthrough

Cuando el voltaje del base-colector alcanza cierto (valor del específico del dispositivo), el límite de la región de agotamiento del base-colector resuelve el límite de la región de agotamiento del emisor de base. Cuando en este estado el transistor no tiene con eficacia ninguna base. El dispositivo pierde así todo el aumento cuando en este estado.

Modelo del cargar-control de Gummel-Poon

Modelo de Gummel-Poon[23] es un modelo cargar-controlado detallado de la dinámica de BJT, que ha sido adoptada y elaborada por otras para explicar dinámica del transistor en mayor detalle que lo hacen los modelos terminal-basados típicamente [2]. Este modelo también incluye la dependencia del transistor β- valores sobre los niveles actuales de la C.C. en el transistor, que son actual-independiente asumida en el modelo de Ebers-Moll. Vea, por ejemplo, a Sedra y a Smith.

Circuitos electrónicos y sus aplicaciones

Fuentes de Alimentación.

La mayoría de los equipos electrónicos requieren tensiones de CC para su funcionamiento. Estas tensiones pueden ser suministradas por baterías o por fuentes de alimentación internas que convierten la corriente alterna, que puede obtenerse de la red eléctrica que llega a cada vivienda, en tensiones reguladas de CC. El primer elemento de una fuente de alimentación de CC interna es el transformador, que eleva o disminuye la tensión de entrada a un nivel adecuado para el funcionamiento del equipo. La función secundaria del transformador es servir como aislamiento de masa (conexión a tierra) eléctrica del dispositivo a fin de reducir posibles peligros de electrocución. A continuación del transformador se sitúa un rectificador, que suele ser un diodo. En el pasado se utilizaban diodos de vacío y una amplia variedad de diferentes materiales (cristales de germanio o sulfato de cadmio) en los rectificadores de baja potencia empleados en los equipos electrónicos. En la actualidad se emplean casi exclusivamente rectificadores de silicio debido a su bajo coste y alta fiabilidad.

Las fluctuaciones y ondulaciones superpuestas a la tensión de CC rectificada (percibidas como un zumbido en los amplificadores de sonido defectuosos) pueden filtrarse mediante un condensador. Cuanto más grande sea el condensador, menor será el nivel de fluctuación de la tensión. Es posible alcanzar un control más exacto sobre los niveles y fluctuaciones de tensión mediante un regulador de tensión, que también consigue que las tensiones internas sean independientes de las fluctuaciones que puedan encontrarse en un artefacto eléctrico. Un sencillo regulador de tensión que se utiliza a menudo es el diodo de Zener, formado por un diodo de unión pn de estado sólido que actúa como aislante hasta una tensión predeterminada. Por encima de dicha tensión, se convierte en un conductor que deriva los excesos de tensión. Por lo general, los reguladores de tensión más sofisticados se construyen como circuitos integrados.

Circuitos amplificadores

Los amplificadores electrónicos se utilizan sobre todo para aumentar la tensión, la corriente o la potencia de una señal. Los amplificadores lineales incrementan la señal sin distorsionarla (o distorsionándola mínimamente), de manera que la salida es proporcional a la entrada. Los amplificadores no lineales permiten generar un cambio considerable en la forma de onda de la señal. Los amplificadores lineales se utilizan para señales de sonido y vídeo, mientras que los no lineales se emplean en osciladores, dispositivos electrónicos de alimentación, moduladores, mezcladores, circuitos lógicos y demás aplicaciones en las que se requiere una reducción de la amplitud. Aunque los tubos de vacío tuvieron gran importancia en los amplificadores, hoy día suelen utilizarse circuitos de transistores discretos o circuitos integrados.

Amplificadores de sonido

Los amplificadores de sonido, de uso común en radios, televisiones y grabadoras de cintas, suelen funcionar a frecuencias entre 2 y 20 kiloherz (1 kHz = 1.000 ciclos por segundo). Amplifican la señal eléctrica que, a continuación, se convierte en sonido con un altavoz. Los amplificadores operativos, incorporados en circuitos integrados y formados por amplificadores lineales multifásicos acoplados a la corriente continua, son muy populares como amplificadores de sonido.

Amplificadores de vídeo

Los amplificadores de vídeo se utilizan principalmente para señales con un rango de frecuencias de hasta 6 megaherz (1 MHz = 1 millón de ciclos por segundo). La señal generada por el amplificador se convierte en la información visual por ejemplo la que aparece en la pantalla de televisión, y la amplitud de señal regula el brillo de los puntos que forman la imagen. Para realizar esta función, un amplificador de vídeo debe funcionar en una banda ancha y amplificar de igual manera todas las señales, con baja distorsión.

Amplificadores de radiofrecuencia

Estos amplificadores aumentan el nivel de señal de los sistemas de comunicaciones GHz = 1.000 millones de ciclos por segundo), y pueden llegar incluso al rango de frecuencias de microondas.

Osciladores

Los osciladores constan de un amplificador y de algún tipo de realimentación: la señal de salida se reconduce a la entrada del amplificador. Los elementos determinantes de la frecuencia pueden ser un circuito de inductancia-capacitancia sintonizado o un cristal vibrador. Los osciladores controlados por cristal ofrecen mayor precisión y estabilidad. Los osciladores se emplean para producir señales de sonido y de radio en una amplia variedad de usos. Por ejemplo, los osciladores sencillos de radiofrecuencia se emplean en los modernos teléfonos de teclas para transmitir datos a la estación telefónica central al marcar un número. Los tonos de sonido generados por los osciladores también pueden encontrarse en relojes despertadores, radios, instrumentos electrónicos, computadoras y sistemas de alarma. Los osciladores de alta frecuencia se emplean en equipos de comunicaciones para controlar las funciones de sintonización y detección de señales. Las emisoras de radio y de televisión utilizan osciladores de alta frecuencia y de gran precisión para generar las frecuencias de transmisión.

Circuitos Lógicos

Los circuitos de conmutación y temporización, o circuitos lógicos, forman la base de cualquier dispositivo en el que se tengan que seleccionar o combinar señales de manera controlada. Entre los campos de aplicación de estos tipos de circuitos pueden mencionarse la conmutación telefónica, las transmisiones por satélite y el funcionamiento de las computadoras digitales.

La lógica digital es un proceso racional para adoptar sencillas decisiones de 'verdadero' o 'falso' basadas en las reglas del álgebra de Boole. El estado verdadero se representado por un 1, y falso por un 0, y en los circuitos lógicos estos numerales aparecen como señales de dos tensiones diferentes. Los circuitos lógicos se utilizan para adoptar decisiones específicas de 'verdadero-falso' sobre la base de la presencia de múltiples señales 'verdadero-falso' en las entradas. Las señales se pueden generar por conmutadores mecánicos o por transductores de estado sólido. La señal de entrada, una vez aceptada y acondicionada (para eliminar las señales eléctricas indeseadas, o ruidos), es procesada por los circuitos lógicos digitales. Las diversas familias de dispositivos lógicos digitales, por lo general circuitos integrados, ejecutan una variedad de funciones lógicas a través de las llamadas puertas lógicas, como las puertas OR, AND y NOT y combinaciones de las mismas (como 'NOR', que incluye a OR y a NOT). Otra familia lógica muy utilizada es la lógica transistor-transistor. También se emplea la lógica de semiconductor complementario de óxido metálico, que ejecuta funciones similares a niveles de potencia muy bajos pero a velocidades de funcionamiento ligeramente inferiores. Existen también muchas otras variedades de circuitos lógicos, incluyendo la hoy obsoleta lógica reóstato-transistor y la lógica de acoplamiento por emisor, utilizada para sistemas de muy altas velocidades.

Los bloques elementales de un dispositivo lógico se denominan puertas lógicas digitales. Una puerta Y (AND) tiene dos o más entradas y una única salida. La salida de una puerta Y es verdadera sólo si todas las entradas son verdaderas. Una puerta O (OR) tiene dos o más entradas y una sola salida. La salida de una puerta O es verdadera si cualquiera de las entradas es verdadera, y es falsa si todas las entradas son falsas. Una puerta INVERSORA (INVERTER) tiene una única entrada y una única salida, y puede convertir una señal verdadera en falsa, efectuando de esta manera la función negación (NOT). A partir de las puertas elementales pueden construirse circuitos lógicos más complicados, entre los que pueden mencionarse los circuitos biestables (también llamados flip-flops, que son interruptores binarios), contadores, comparadores, sumadores y combinaciones más complejas.

En general, para ejecutar una determinada función es necesario conectar grandes cantidades de elementos lógicos en circuitos complejos. En algunos casos se utilizan microprocesadores para efectuar muchas de las funciones de conmutación y temporización de los elementos lógicos individuales. Los procesadores están específicamente programados con instrucciones individuales para ejecutar una determinada tarea o tareas. Una de las ventajas de los microprocesadores es que permiten realizar diferentes funciones lógicas, dependiendo de las instrucciones de programación almacenadas. La desventaja de los microprocesadores es que normalmente funcionan de manera secuencial, lo que podría resultar demasiado lento para algunas aplicaciones. En tales casos se emplean circuitos lógicos especialmente diseñados.

Avances recientes

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. Los relojes digitales, las computadoras portátiles y los juegos electrónicos son sistemas basados en microprocesadores. Otro avance importante es la digitalización de las señales de sonido, proceso en el cual la frecuencia y la amplitud de una señal de sonido se codifica digitalmente mediante técnicas de muestreo adecuadas, es decir, técnicas para medir la amplitud de la señal a intervalos muy cortos. La música grabada de forma digital, como la de los discos compactos, se caracteriza por una fidelidad que no era posible alcanzar con los métodos de grabación directa.

La electrónica médica a llegado hasta a sistemas que pueden diferenciar aún más los órganos del cuerpo humano. Se han desarrollado asimismo dispositivos que permiten ver los vasos sanguíneos y el sistema respiratorio. También la alta definición promete sustituir a numerosos procesos fotográficos al eliminar la necesidad de utilizar plata.

La investigación actual dirigida a aumentar la velocidad y capacidad de las computadoras se centra sobre todo en la mejora de la tecnología de los circuitos integrados y en el desarrollo de componentes de conmutación aún más rápidos. Se han construido circuitos integrados a gran escala que contienen varios centenares de miles de componentes en un solo chip. Han llegado a fabricarse computadoras que alcanzan altísimas velocidades en las cuales los semiconductores son reemplazados por circuitos superconductores que utilizan las uniones de Josephson y que funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto.

CIRCUITOS INTEGRADOS ESPECIALES

Hoy día, para cualquier tipo de circuito que necesitemos, es muy probable que podamos encontrar algún modelo de circuito integrado que realice la misma función o parte de ella. Así, ya hemos visto que podemos encontrar osciladores, multivibradores y reguladores de tensión, como el 723, que forman parte de la electrónica integrada.

oscilador lineal controlado por tensión construido con un ICL8038

Los diferentes modelos de los circuitos integrados son numerosísimos y, por ello, resulta algo complicado saber exactamente cuál de todos los que existen se acoplará mejor a nuestro diseño. 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. A pesar de todo ello, con un poco de experiencia en manejar estos catálogos seremos capaces de conseguir encontrar el circuito integrado que nos va a resultar más útil, bien para realizar la aplicación concreta que necesitemos o bien para facilitarla, realizando parte de las funciones que deseemos.

Como ya sabemos, el número de tipos diferentes de circuitos integrados es inmenso y resulta muy difícil conocerlos todos. Vamos a intentar conocer un poco más a fondo algunos de ellos. Al haber tantos tipos de circuitos integrados las clasificaciones que se pueden hacer de ellos también son numerosas. Una de estas clasificaciones divide a los c.i. en tres tipos: analógicos o lineales, digitales y c.i. de gran consumo (radio, TV, etc.). Los circuitos integrados lineales son aquellos que admiten para la entrada un rango de señales dentro del cual se pueden tomar infinitos valores válidos, al igual que sucede en la salida. Los circuitos integrados digitales, como veremos más adelante, sólo admiten un conjunto finito de valores de entrada, siendo normalmente "dos" los elementos de dicho conjunto. Los circuitos lineales tienen que cumplir bastantes condiciones, a veces es necesario diseñar uno de estos circuitos sabiendo de antemano la función que va a desempeñar; aunque este tipo de fabricación resulta muy cara y, como ya vimos, al hacer muchos circuitos en serie el precio se abarata mucho. Por esta razón, normalmente se fabrican circuitos integrados muy versátiles de forma que un solo c.i. pueda ser empleado para realizar diferentes tipos de funciones.

El VCO

Un circuito integrado muy extendido es el VCO. Se trata de un generador de funciones de precisión. VCO son las siglas, en inglés, de este circuito integrado, que significan: voltage controlled oscilator. Un circuito integrado ICL8038 es un generador de funciones con el cual podemos generar señales con una gran exactitud y pueden ser formas sinusoidales, cuadradas, triangulares, dientes de sierra e impulsos. Para todo ello sólo se necesita el circuito integrado nombrado anteriormente y muy pocos componentes externos. Una aplicación muy importante de los VCO es su utilización en sintetizadores. Los VCO son el núcleo de un sintetizador. La estabilidad de todo el instrumento va a depender de las prestaciones del VCO. Entre las principales características de un VCO se encuentra la de poder seleccionar externamente la frecuencia en la que vamos a trabajar, pudiendo obtener un amplio margen de frecuencias útiles entre 0,001 Hz y 300 Hz. Esta selección se puede efectuar mediante resistencias y condensadores.

ICL8038 conectado para que la distorsión sea mínima

También podemos modular la frecuencia y el barrido con una tensión externa. Los VCO tienen un amplio margen de temperaturas para las que se consigue una salida estable. Si los conectamos con un PLL todavía se puede reducir más la deriva en temperatura. Otra característica importante es que con un VCO podemos obtener simultáneamente en la salida señales tipo seno, triangular y coseno. Si la salida es sinusoidal se produce una distorsión baja y normalmente la tensión que se obtiene a la salida es elevada. Además de todas estas cualidades, su manejo es bastante fácil y podemos conseguir que funcione perfectamente con unos pocos componentes externos.

El XR2206

El XR2206 es también un generador de funciones integrado. Con él podemos obtener a la salida una señal sinusoidal, cuadrada, triangular, del tipo diente de sierra o un tren de pulsos. Es bastante estable frente a las variaciones de temperatura y tiene una gran precisión. En estos circuitos, al igual que en los VCO, tenemos un amplio margen de frecuencias válidas, que va desde 0,01 Hz a más de 1 MHz y puede ajustarse externamente. Es posible, asimismo, modular la señal de salida en amplitud o frecuencia usando una tensión exterior. Este circuito integrado es bastante utilizado para comunicaciones e instrumentación, y, cuando necesitamos un tono sinusoidal modulado en FM o AM, también se utiliza. Podemos desplazar la frecuencia de oscilación usando una tensión de control exterior. Al hacer esto vamos a introducir un pequeño factor de distorsión pero que va a ser tan pequeño que nos merece la pena esta pequeña desventaja frente a los beneficios que produce. Estos circuitos integrados están formados por cuatro bloques: un VCO (oscilador controlado por tensión), un multiplicador analógico y configurador de onda, un amplificador de ganancia y un conjunto de interruptores de corriente. Las principales características de estos c.i. son su baja distorsión de la señal y una excelente estabilidad. Como ya hemos visto, también tienen un amplio desplazamiento de frecuencia, baja sensibilidad frente a variaciones en la alimentación y un alto margen de tensión de alimentación. Suelen ser usados como generadores de ondas sinusoidales, cuadradas, triangulares, etc. Generadores de AM y FM, generadores de tono, convertidores de tensión a frecuencia, etcétera.

Comparador de tensión

Ya sabemos que con un amplificador operacional unido a unos dispositivos externos, resistencias en su mayoría, podíamos construir un comparador de tensiones. También tenemos una serie de circuitos integrados, los LM710, que son comparadores de tensión de alta velocidad. Se han diseñado para ser utilizados en sensores digitales de precisión y también para reemplazar a los amplificadores operacionales que realizaban la función de comparar tensiones cuando necesitemos una alta velocidad de respuesta. Esta familia dispone de una entrada diferencia y tiene unos niveles de saturación que los hacen compatibles con la gran mayoría de las familias lógicas. Es un circuito integrado bastante estable frente a los cambios de temperatura. Está formado por un chip de silicio dopado con oro, siendo este tipo de dopaje el que hace que estos circuitos sean mucho más rápidos que los amplificadores operacionales. Además, no se pueden comparar las grandes ventajas que tienen los circuitos integrados debido a sus mínimas dimensiones y capacidad del cableado con las de los circuitos discretos que realizan la misma función. Entre las aplicaciones de los LM710 cabe destacar las siguientes: se pueden usar como moduladores del ancho de pulsos, comparadores de tensiones, convertidores A/D de alta velocidad y sensores de funcionamiento en equipos automáticos de medida. También hay algunas aplicaciones para estos circuitos integrados dentro de los sistemas digitales. Debido a su bajo coste suelen ser bastante utilizados.

El PLL

El nombre de PLL viene de las siglas de su denominación en inglés, Phase Locked Loop. Al hablar de un PLL nos estamos refiriendo a un circuito realimentado. Cuando hablamos del lazo del PLL debemos pensar que éste se comporta como cualquier servo o sistema de retroalimentación de lazo cerrado. El lazo está formado por un filtro, un detector de fase y un VCO. Dentro de un PLL también vamos a encontrar dos divisores, que suelen ser muy necesarios. Por ejemplo, podemos usar el PLL en un sistema de comunicación de datos para obtener un reloj estable y libre de fluctuaciones a partir de una entrada muy fluctuante. Si tenemos una variación cuya amplitud es muy grande, va a ser necesario dividir el reloj de entrada para reducir la amplitud de dicha variación y que ésta sea menor que un intervalo de tiempo.

esquema de un PLL

Otro ejemplo podría ser utilizar el PLL como sintetizador de frecuencia. Pero los divisores pueden traer algunos problemas, ya que si le introducimos un factor de división grande en el lazo de retroalimentación se puede reducir bastante la ganancia del lazo, y esto va a provocar un retroceso en la respuesta para cualquier cambio que se produzca en la entrada. Por lo tanto, los grandes divisores se deben evitar dentro del lazo de realimentación. Muchos de estos circuitos no tienen un comportamiento lineal debido a que la salida del detector de fase no es proporcional al error de fase y la frecuencia del VCO de salida tampoco guarda una relación lineal con el voltaje de control. Pero, en la mayoría de los casos, los PLL se comportan como un circuito lineal y así los vamos a ver.

Unos de los componentes más utilizados en los lazos de realimentación son los detectores de fase. Los detectores de fase, como su propio nombre indica, son capaces de determinar el desfase existente entre dos señales. Existe una gran variedad de ellos, de los que destacaremos los siguientes: detectores de fase muestreo y retención, detectores de fase de tipo discriminador, detectores de fase de tipo multiplicador y detectores de fase digitales. Dependiendo de la aplicación para la que vayamos a usar el PLL tendremos que ponerle un detector de fase u otro, ya que no hay uno que sea el mejor sino que depende del uso que le demos al circuito. Para elegir un detector u otro hay que tener en cuenta, principalmente, dos factores: el tipo de señal de entrada y el intervalo de error de fase de entrada en el cual la salida es lineal. Dependiendo del tipo de señal de entrada que le vamos a aplicar al PLL vamos a usar un tipo de detector de fase u otro ya que, por ejemplo, una entrada cosenoidal y una entrada digital requieren detectores de fase diferentes. Por otro parte, según sea el intervalo de error de fase de la entrada en el cual la salida es lineal también vamos a usar un detector de fase u otro. Cuanto más amplio sea dicho intervalo más útil va a ser el detector de fase para controlar el lazo y además el ruido va a afectar menos. Los detectores de fase de tipo multiplicador y los digitales son los que más se utilizan. Los primeros son útiles cuando la señal de entrada es de tipo cosenoidal y los segundos, como su nombre indica, son usados para señales de entrada de tipo digital.

Oscilador controlado por voltaje

Dentro del lazo de realimentación de un PLL aparte de un filtro y de un detector de fase se encuentra un VCO. Como ya sabemos, los VCO son osciladores controlados por voltaje. Hay varios tipos de VCO que se pueden usar en los PLL: osciladores de cristal, osciladores LC y multivibradores RC. Al igual que con los detectores de fase vamos a usar un VCO u otro dependiendo del tipo de aplicación que le vayamos a dar al PLL. Los dos factores que tenemos que analizar para elegir el tipo de VCO más adecuado son la estabilidad de fase y el intervalo de control. La frecuencia del VCO está sujeta a la señal de entrada, pero la relación de fase de salida del oscilador con la entrada va a depender de la frecuencia natural del oscilador. Por lo tanto, va a influir mucho el tipo de VCO que pongamos. La frecuencia natural de oscilación va a variar con la temperatura, el tiempo y el ruido de la entrada, produciéndose un cambio en la fase de salida que si es muy grande puede llegar a perderse la sujeción. Por lo tanto, para tener una buena estabilidad, la frecuencia del VCO debe ser lo menos variable posible frente a la temperatura, tiempo y ruido. Por otro lado, es conveniente que el VCO esté relacionado en un rango de frecuencias lo más grande posible, debido a que cuanto mayor sea el intervalo de control resulta más fácil para el lazo mantener dicho control.

PLL con un detector de fase y un detector de frecuencia

Estos dos factores no se pueden conseguir a la vez, es decir, tenemos que tener un compromiso para ver que precisamos más en cada aplicación debido a que si el intervalo de control es muy grande, la estabilidad de la fase frente al ruido y los cambios de temperatura va a ser bastante mala, y, al revés, si tenemos una estabilidad muy buena el intervalo de control será pequeño. Los osciladores de cristal son los más estables pero su intervalo de control resulta bastante pequeño. Son usados en los sintetizadores de frecuencia y en los sincronizadores de reloj. Sin embargo los multivibradores RC tienen un intervalo de control mucho más grande pero su estabilidad frente a los posibles cambios no es tan buena. Son utilizados como demoduladores de FM y decodificadores de tono.

Como ya hemos señalado, el ruido en la entrada de un PLL es un factor que, junto con la temperatura o el envejecimiento de los dispositivos, puede desestabilizar el circuito. Al hablar del ruido nos estamos refiriendo a señales no deseadas que se mezclan con la señal de entrada y pueden llegar a conseguir que no sepamos de qué tipo es la señal de entrada, o el tiempo de duración. Una característica muy importante en los PLL es el ancho de banda del ruido. Según la aplicación para la que vayamos a usar el PLL tenemos que decidir el ancho de banda de ruido.

Seguidor de modulación diseñado con un PLL

Normalmente tenemos dos tipos de PLL, unos de seguimiento de portadora y otros de seguimiento de modulación. Con los primeros podemos recobrar, por ejemplo, el reloj de la señal de entrada. Este reloj debe tener una modulación en frecuencia o en fase o una cantidad considerable de ruido y debido a esto debe tener una banda pasante lo más estrecha posible. Los otros tipos de PLL son los de seguimiento de modulación: trabajan como discriminadores, la salida del filtro debe reproducir el espectro de la banda base y la modulación en frecuencia o en fase. En este segundo caso, el ancho de banda del lazo debe ser más ancho que la mayor frecuencia moduladora. Un factor importante dentro del tratamiento del ruido es el umbral de ruido en los PLL. Hemos supuesto que, a pesar de tener ruido en la entrada, el lazo sigue "sujeto" y esto no es cierto del todo. Si ese ruido supera un cierto valor, denominado umbral de ruido, el lazo va a comenzar a perder ciclos y puede llegar a perder "la sujeción" pasando a no comportarse linealmente. El umbral de ruido de un PLL depende de la estructura de su lazo, más concretamente del detector de fase y del filtro. Otro factor que también tenemos que tener en cuenta para el buen funcionamiento del lazo en presencia de ruido de entrada es el espectro de frecuencia. Si nos mantenemos dentro de un rango de frecuencias adecuado, el lazo tolerará bastante bien el ruido, pero si nos salimos de ese rango tendremos muchos más problemas.

Un ejemplo de circuito integrado tipo PLL es el LM565. El lazo de realimentación de este PLL está formado por un VCO, un amplificador operacional que tiene una resistencia conectada a la salida y un detector de fase, que es de tipo multiplicador, como en la mayoría de los circuitos integrados monolíticos PLL. Al usar este tipo de detector de fase tenemos que asegurar que los notables cambios en la frecuencia de entrada no provoquen alteraciones muy grandes en la salida del detector. Este PLL puede tener varias aplicaciones, entre las que se encuentra su uso como seguidor de modulación.

Diagrama de bloques interno de un LM565

Los PLL son muy utilizados dentro de la electrónica tanto analógica como digital. Entre sus aplicaciones más comunes se encuentran los sintetizadores de frecuencia, demoduladores de frecuencia y fase, moduladores de amplitud coherente, decodificadores de tono, sincronizadores de bits, etc. Los PLL son usados como sintetizadores de frecuencia en los sistemas de comunicación que necesitan frecuencias de portadora en intervalos discretos para espacios fijos entre canales, como, por ejemplo, la banda de canal UHF. El PLL que vamos a utilizar en este tipo de aplicaciones lleva un contador programable en el lazo de realimentación. Otra de las aplicaciones de los PLL son los decodificadores de tono que usan el principio de que si el ancho de banda del lazo de un PLL es pequeño sólo se podrá tener una indicación de sujeción si la frecuencia de entrada es muy próxima al centro de la frecuencia natural del VCO. Por lo tanto, para detectar un tono la frecuencia central del VCO debe estar ajustada a dicho tono, por lo que vamos a necesitar un PLL para cada uno de los tonos que queramos detectar. Otro tipo de aplicación consiste en obtener una señal demodulada partiendo de una modulada.

Active Versus Passive Devices

Electronic components are classed into either being Passive devices or Active devices. Active devices are different from passive devices. These devices are capable of changing their operational performance, may deliver power to the circuit, and can perform interesting mathematical functions. While a device that does not require a source of energy for its operation.

What are Active Devices?

An active device is any type of circuit component with the ability to electrically control electron flow (electricity controlling electricity). In order for a circuit to be properly called electronic, it must contain at least one active device. Active devices include, but are not limited to, vacuum tubes, transistors, silicon-controlled rectifiers (SCRs), and TRIACs.

All active devices control the flow of electrons through them. Some active devices allow a voltage to control this current while other active devices allow another current to do the job. Devices utilizing a static voltage as the controlling signal are, not surprisingly, called voltage-controlled devices. Devices working on the principle of one current controlling another current are known as current-controlled devices. For the record, vacuum tubes are voltage-controlled devices while transistors are made as either voltage-controlled or current controlled types. The first type of transistor successfully demonstrated was a current-controlled device.

What are Passive Devices?

Components incapable of controlling current by means of another electrical signal are called passive devices. Resistors, capacitors, inductors, transformers, and even diodes are all considered passive devices.

Passive devices are the resistors, capacitors, and inductors required to build electronic hardware. They always have a gain less than one, thus they can not oscillate or amplify a signal. A combination of passive components can multiply a signal by values less than one, they can shift the phase of a signal, they can reject a signal because it is not made up of the correct frequencies, they can control complex circuits, but they can not multiply by more than one because they lack gain.

Diodes

Diodes are basically a one-way valve for electrical current. They let it flow in one direction (from positive to negative) and not in the other direction. Most diodes are similar in appearance to a resistor and will have a painted line on one end showing the direction or flow (white side is negative). If the negative side is on the negative end of the circuit, current will flow. If the negative is on the positive side of the circuit no current will flow. More on diodes in later sections.

Integrated Circuits

Integrated Circuits, or ICs, are complex circuits inside one simple package. Silicon and metals are used to simulate resistors, capacitors, transistors, etc. It is a space saving miracle. These components come in a wide variety of packages and sizes. You can tell them by their "monolithic shape" that has a ton of "pins" coming out of them. Their applications are as varied as their packages. It can be a simple timer, to a complex logic circuit, or even a microcontroller (microprocessor with a few added functions) with erasable memory built inside.

Transistors

A transistor is a semiconductor device, commonly used as an amplifier or an electrically controlled switch. The transistor is the fundamental building block of the circuitry in computers, cellular phones, and all other modern electronic devices.

Because of its fast response and accuracy, the transistor is used in a wide variety of digital and analog functions, including amplification, switching, voltage regulation, signal modulation, and oscillators. Transistors may be packaged individually or as part of an integrated circuit, some with over a billion transistors in a very small area - part of a trend of increasing transistor density known as Moore's Law.

Transistor stands for transit resistor, the temporary name, now permanent, that the inventors gave it. These semidconductors control the electrical current flowing between two terminals by applying voltage to a third terminal. You now have a minature switch, presenting either a freeway to electrons or a brick wall to them, depending on whether a signal voltage exists. Bulky mechanical relays that used to switch calls, like the crossbar shown above, could now be replaced with transistors. There's more.

Transistors amplify when built into a proper circuit. A weak signal can be boosted tremendously. Let's say you have ten watts flowing into one side of the transistor. Your current stops because silicon normally isn't a good conductor. You now introduce a signal into the middle of the transistor, say, at one watt. That changes the transistor's internal crystalline structure, causing the silicon to go from an insulator to a conductor. It now allows the larger current to go through, picking up your weak signal along the way, impressing it on the larger voltage. Your one watt signal is now a ten watt signal.

Transistors use the properties of semi-conductors, seemingly innocuous materials like geranium and now mostly silicon. Materials like silver and copper conduct electricity well. Rubber and porcelain conduct electricity poorly. The difference between electrical conductors and insulators is their molecular structure, the stuff that makes them up. Weight, size, or shape doesn't matter, it's how tightly the material holds on to its electrons, preventing them from freely flowing through its atoms.

First Transistor

Active Versus Passive Devices in the News

Seven Steps to Successful Analog-to-Digital Signal Conversion

Understand how to balance gain blocks and noise, and perform noise calculations for proper signal conditioning Signal processing - Business - Technology - Electronics - Integrated circuit

Class D Speaker Amplifier offers automatic level control.

Designed for battery-operated portable devices, 2.2 W MAX98500 integrates boost converter to provide constant output power. Class D amplifier is equipped with battery-tracking Automatic Level Control circuit that limits max output swing as supply voltage drops. ALC helps to avoid clipping and prevents battery voltage from collapsing. Housed in 2.1 x 2.1 mm WLP, MAX98500 accepts 2.5-5.5 V supply ...

Rohde & Schwarz find scope for expansion

Rohde & Schwarz is today launching its first dedicated oscilloscopes. It has developed its own ASICs and A to D converters to support the new design which is described as 20 times faster than existing devices. Oscilloscope - Technology - Theory of Measurements - Electronics - Integrated circuit

TRANSISTOR SPECIFICATIONS

Transistors are available in a large variety of shapes and sizes, each with its own unique characteristics. The characteristics for each of these transistors are usually presented on SPECIFICATION SHEETS or they may be included in transistor manuals. Although many properties of a transistor could be specified on these sheets, manufacturers list only some of them. The specifications listed vary with different manufacturers, the type of transistor, and the application of the transistor. The specifications usually cover the following items.

A general description of the transistor that includes the following information:

The kind of transistor. This covers the material used, such as germanium or silicon; the type of transistor(NPN or PNP); and the construction of the transistor(whether alloy-junction, grown, or diffused junction, etc.).

Some of the common applications for the transistor, such as audio amplifier, oscillator, rf amplifier, etc.

General sales features, such as size and packaging(mechanical data).

The "Absolute Maximum Ratings" of the transistor are the direct voltage and current values that if exceeded in operation may result in transistor failure. Maximum ratings usually include collector-to-base voltage, emitter-to-base voltage, collector current, emitter current, and collector power dissipation. The typical operating values of the transistor. These values are presented only as a guide. The values vary widely, are dependent upon operating voltages, and also upon which element is common in the circuit. The values listed may include collector-emitter voltage, collector current, input resistance, load resistance, current-transfer ratio(another name for alpha or beta), and collector cutoff current, which is leakage current from collector to base when no emitter current is applied. Transistor characteristic curves may also be included in this section. A transistor characteristic curve is a graph plotting the relationship between currents and voltages in a circuit. More than one curve on a graph is called a "family of curves." Additional information for engineering-design purposes.

TRANSISTOR IDENTIFICATION

Transistors can be identified by a Joint Army-Navy (JAN) designation printed directly on the case of the transistor. The marking scheme explained earlier for diodes is also used for transistor identification. The first number indicates the number of junctions. The letter "N" following the first number tells us that the component is a semiconductor. And, the 2- or 3-digit number following the N is the manufacturer's identification number. If the last number is followed by a letter, it indicates a later, improved version of the device. For example, a semiconductor designated as type 2N130A signifies a three-element transistor of semiconductor material that is an improved version of type 130:

You may also find other markings on transistors that do not relate to the JAN marking system. These markings are manufacturers' identifications and may not conform to a standardized system. If in doubt, always replace a transistor with one having identical markings. To ensure that an identical replacement or a correct substitute is used, consult an equipment or transistor manual for specifications on the transistor.

TRANSISTOR MAINTENANCE

Transistors are very rugged and are expected to be relatively trouble free. Encapsulation and conformal coating techniques now in use promise extremely long life expectancies. In theory, a transistor should last indefinitely. However, if transistors are subjected to current overloads, the junctions will be damaged or even destroyed. In addition, the application of excessively high operating voltages can damage or destroy the junctions through arc-over or excessive reverse currents. One of the greatest dangers to the transistor is heat, which will cause excessive current flow and eventual destruction of the transistor.

To determine if a transistor is good or bad, you can check it with an ohmmeter or a transistor tester. In many cases, you can substitute a transistor known to be good for one that is questionable and thus determine the condition of a suspected transistor. This method of testing is highly accurate and sometimes the quickest, but it should be used only after you make certain that there are no circuit defects that might damage the replacement transistor. If more than one defective transistor is present in the equipment where the trouble has been localized, this testing method becomes cumbersome, as several transistors may have to be replaced before the trouble is corrected. To determine which stages failed and which transistors are not defective, all the removed transistors must be tested. This test can be made by using a standard Navy ohmmeter, transistor tester, or by observing whether the equipment operates correctly as each of the removed transistors is reinserted into the equipment. A word of caution-indiscriminate substitution of transistors in critical circuits should be avoided.

The History of the Integrated Circuit

Our world is full of integrated circuits. You find several of them in computers. For example, most people have probably heard about the microprocessor. The microprocessor is an integrated circuit that processes all information in the computer. It keeps track of what keys are pressed and if the mouse has been moved. It counts numbers and runs programs, games and the operating system. Integrated circuits are also found in almost every modern electrical device such as cars, television sets, CD players, cellular phones, etc. But what is an integrated circuit and what is the history behind it?

Electric Circuits

The integrated circuit is nothing more than a very advanced electric circuit. An electric circuit is made from different electrical components such as transistors, resistors, capacitors and diodes, that are connected to each other in different ways. These components have different behaviors.

The transistor acts like a switch. It can turn electricity on or off, or it can amplify current. It is used for example in computers to store information, or in stereo amplifiers to make the sound signal stronger.

The resistor limits the flow of electricity and gives us the possibility to control the amount of current that is allowed to pass. Resistors are used, among other things, to control the volume in television sets or radios.

The capacitor collects electricity and releases it all in one quick burst; like for instance in cameras where a tiny battery can provide enough energy to fire the flashbulb.

The diode stops electricity under some conditions and allows it to pass only when these conditions change. This is used in, for example, photocells where a light beam that is broken triggers the diode to stop electricity from flowing through it.

These components are like the building blocks in an electrical construction kit. Depending on how the components are put together when building the circuit, everything from a burglar alarm to a computer microprocessor can be constructed.

The Transistor vs. the Vacuum Tube

Of the components mentioned above, the transistor is the most important one for the development of modern computers. Before the transistor, engineers had to use vacuum tubes. Just as the transistor, the vacuum tube can switch electricity on or off, or amplify a current. So why was the vacuum tube replaced by the transistor? There are several reasons.

The vacuum tube looks and behaves very much like a light bulb; it generates a lot of heat and has a tendency to burn out. Also, compared to the transistor it is slow, big and bulky

When engineers tried to build complex circuits using the vacuum tube, they quickly became aware of its limitations. The first digital computer ENIAC, for example, was a huge monster that weighed over thirty tons, and consumed 200 kilowatts of electrical power. It had around 18,000 vacuum tubes that constantly burned out, making it very unreliable.

When the transistor was invented in 1947 it was considered a revolution. Small, fast, reliable and effective, it quickly replaced the vacuum tube. Freed from the limitations of the vacuum tube, engineers finally could begin to realize the electrical constructions of their dreams, or could they?

The Tyranny of Numbers

With the small and effective transistor at their hands, electrical engineers of the 50s saw the possibilities of constructing far more advanced circuits than before. However, as the complexity of the circuits grew, problems started arising.

When building a circuit, it is very important that all connections are intact. If not, the electrical current will be stopped on its way through the circuit, making the circuit fail. Before the integrated circuit, assembly workers had to construct circuits by hand, soldering each component in place and connecting them with metal wires. Engineers soon realized that manually assembling the vast number of tiny components needed in, for example, a computer would be impossible, especially without generating a single faulty connection.

Another problem was the size of the circuits. A complex circuit, like a computer, was dependent on speed. If the components of the computer were too large or the wires interconnecting them too long, the electric signals couldn't travel fast enough through the circuit, thus making the computer too slow to be effective.

So there was a problem of numbers. Advanced circuits contained so many components and connections that they were virtually impossible to build. This problem was known as the tyranny of numbers.

Jack Kilby's Chip - the Monolithic Idea

In the summer of 1958 Jack Kilby at Texas Instruments found a solution to this problem. He was newly employed and had been set to work on a project to build smaller electrical circuits. However, the path that Texas Instruments had chosen for its miniaturization project didn't seem to be the right one to Kilby.

Because he was newly employed, Kilby had no vacation like the rest of the staff. Working alone in the lab, he saw an opportunity to find a solution of his own to the miniaturization problem. Kilby's idea was to make all the components and the chip out of the same block (monolith) of semiconductor material. When the rest of the workers returned from vacation, Kilby presented his new idea to his superiors. He was allowed to build a test version of his circuit. In September 1958, he had his first integrated circuit ready. It was tested and it worked perfectly!

Although the first integrated circuit was pretty crude and had some problems, the idea was groundbreaking. By making all the parts out of the same block of material and adding the metal needed to connect them as a layer on top of it, there was no more need for individual discrete components. No more wires and components had to be assembled manually. The circuits could be made smaller and the manufacturing process could be automated.

Jack Kilby is probably most famous for his invention of the integrated circuit, for which he received the Nobel Prize in Physics in the year 2000. After his success with the integrated circuit Kilby stayed with Texas Instruments and, among other things, he led the team that invented the hand-held calculator.

Robert Noyce

Robert Noyce came up with his own idea for the integrated circuit. He did it half a year later than Jack Kilby. Noyce's circuit solved several practical problems that Kilby's circuit had, mainly the problem of interconnecting all the components on the chip. This was done by adding the metal as a final layer and then removing some of it so that the wires needed to connect the components were formed. This made the integrated circuit more suitable for mass production. Besides being one of the early pioneers of the integrated circuit, Robert Noyce also was one of the co-founders of Intel. Intel is one of the largest manufacturers of integrated circuits in the world.

Chip Production Today - in Short

Chip production today is based on photolithography. In photolithography a high energy UV-light is shone through a mask onto a slice of silicon covered with a photosensitive film. The mask describes the parts of the chip and the UV-light will only hit the areas not covered by the mask. When the film is developed, the areas hit by light are removed. Now the chip has unprotected and protected areas forming a pattern that is the first step to the final components of the chip.

Next, the unprotected areas are processed so their electrical properties change. A new layer of material is added, and the entire process is then repeated to build the circuit, layer by layer. When all the components have been made and the circuit is complete a layer of metal is added. Just as before, a layer of photosensitive film is applied and exposed through a mask. However, this time the mask used describes the layout of the wires connecting all the parts of the chip. The film is developed and the unexposed parts are removed. Next, the metal not protected with film is removed to form the wires. Finally, the chip is tested and packaged.

When making chips today, a process called "stepping" is often used. On a big wafer of silicon the chips are made one next to the other. The silicon wafer is moved in steps under the mask and the UV-light to expose the wafer. In this way, chip after chip can be made using the same mask each time.

Below is a more sequential description of the process of making a modern integrated circuit. But let us first take a look at the special place where integrated circuits are produced - the clean room.

The Clean Room

The sizes of the components on chips produced in a modern chip fabrication plant are extremely small. For a better understanding of how small they are, pick a hair from your head and cut it in half. Now look at the cross section. On this tiny area, hard to see with the bare eye, you can fit thousands of modern transistors.

With sizes this small, the production of a chip demands precision at an atomic level. Tiny particles like a hair, a speck of dust, a dead skin cell, bacteria or even the single particles in tobacco smoke become huge objects that are big enough to ruin a chip.

Therefore, chip production takes place in a clean room. This is a specially designed room, where furniture is built from special materials that don't give off particles, and where extremely effective air filters and air circulation systems change the air completely up to ten times a minute.

To further prevent contamination, workers wear special suits called "bunny suits." These protective outfits are made of ultra clean material and sometimes have their own air filtering systems.

Chip Production Today - in Detail

Building an integrated circuit like a computer chip is a very complex process. It is divided into two major parts, front end and back end. In the front end, you make the components of the circuit. In the back end, you add metal to connect the components and then you test and package the chip. Below is a simplified description of the steps.