Circuitos Integrados

UNIVESIDAD DE LOS ANDES- TACHIRA
DR. PEDRO RINCON GUTIERREZ
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS
CIRCUITOS INTEGRADOS
INTEGRANTES:
MEDINA ALVARO
MURILLO TUBARKAIN
PULIDO LEONEL
SAN CRISTOBAL, NOVIEMBRE DEL 2006
Introducción
La humanidad durante toda su existencia, ha intentado promover la forma
en como puede ser organizada como un sistema ejemplar, que permita flexibilizar
el trabajo y expandirse hacia otras áreas importantes del conocimiento. Para ello,
se han creado una infinidad de objetos con los cuales se ha permitido una mayor
facilidad en la realización de trabajos complejos, pasando a ser casos de la vida
cotidiana. Hasta la actualidad, contamos con significantes descubrimientos que
han permitido esto, y uno de ellos – entre los más importantes – es el circuito
integrado.
La historia de los circuitos integrados podría explicar un poco por que
nuestro mundo esta lleno de circuitos integrados, podemos encontrar muchos de
ellos en computadoras. Por ejemplo, la mayoría de las personas ha escuchado
probablemente de los microprocesadores. El microprocesador es un circuito
integrado que procesa toda la información en la computadora, este mantiene un
registro de las teclas que se han presionadas y de si el mouse ha sido movido,
cuenta los números y corre los programas, juegos y el sistema operativo.
Los circuitos integrados también pueden ser encontrados en todos los
aparatos electrónicos modernos como lo son los automóvil, televisores,
reproductores de cd’s, reproductores de MP3, teléfonos celulares, etc. Los
circuitos integrados fueron posibles gracias a descubrimientos experimentales que
demostraron que los semiconductores pueden realizar las funciones de los tubos
de vacío.
La integración de grandes cantidades de diminutos transistores en
pequeños chips fue un enorme avance sobre la ensamblaje manual de los tubos
de vacío (válvulas) y circuitos utilizando componentes discretos. La capacidad de
producción masiva de circuitos integrados, confiabilidad y facilidad de agregarles
complejidad, impuso la estandarización de los CIs en lugar de diseños utilizando
transistores que pronto dejaron obsoletas a las válvulas o tubos de vacío. Existen
dos ventajas principales de los CIs sobre los circuitos convencionales: coste y
rendimiento.
El bajo coste es debido a que los chips, con todos sus componentes, son
impresos como una sola pieza por fotolitografía y no construidos por transistores
de a uno por vez.
Circuito integrado
1. ¿Qué es un circuito integrado?
Un circuito integrado (CI) es una pastilla o chip muy delgado en el que se
encuentran miles o millones de dispositivos electrónicos interconectados,
principalmente diodos y transistores, aunque también componentes pasivos como
resistencia o capacitores. Su área puede ser de un cm2 o incluso inferior. Algunos
de los circuitos integrados más avanzados son los microprocesadores que
controlan múltiples artefactos: desde computadoras hasta electrodomésticos,
pasando por los teléfonos móviles. Otra familia importante de circuitos integrados
la constituyen las memorias digitales.
El transistor actúa como un switch. Este puede encenderse
electrónicamente o apagarse, o también puede amplificar corriente. Es utilizado
por ejemplo en computadoras para almacenar la información o en el
amplificadores de un estéreo para hacer la señal del sonido más fuerte. Las
resistencias limitan el flujo de electricidad y nos dan la posibilidad de controlar la
cantidad de corriente que es permitida para fluir, las resistencias son utilizadas,
entre otras cosas, para controlar el volumen en una televisión o en una radio.
Los capacitores almacenan electricidad y la liberan en un rápido impulso,
como en las cámaras fotográficas con una pequeña batería se puede provocar un
fuerte flash para iluminar toda la habitación por un instante. Los diodos detienen la
electricidad bajo alguna condición, y le permiten el paso tan solo cuando esta
condición cambia. Esto es utilizado por ejemplo, en las foto celdas donde un haz
de luz se corta y activa el diodo para detener el flujo a través de él.
Estos componentes son como los bloques para armar en un circuito
integrado, dependiendo de cómo son colocados los componentes se puede
obtener desde una simple alarma hasta un complejo microprocesador de una
computadora. El primer CI fue desarrollado en 1958 por el ingeniero Jack Kilby
justo meses después de haber sido contratado por la firma Texas Instruments. Se
trataba de un dispositivo de germanio que integraba seis transistores en una
misma base semiconductora para formar un oscilador de rotación de fase.
En el año 2000 Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Física por la
contribución de su invento al desarrollo de la tecnología de la información.
2. ¿tipos de circuito integrado?
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 D/A y A/D se fabricaron en
tecnología híbrida hasta que 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 laser. Todo ello se
encapsula, tanto en cápsulas plásticas como metálicas, dependiendo de la
disipación de potencia que necesiten. En al mercado se encuentran
circuitos híbridos para módulos de RF, fuentes de alimentación, circuitos de
encendido para automóvil, etc.
3.
¿Clasificación de los circuitos integrados?
3.1. Atendiendo al nivel de integración - número de componentes - los
circuitos integrados se clasifican en:
•
•
•
•
•
SSI (Small Scale Integration) pequeño nivel: inferior a 12
MSI (Medium Scale Integration) medio: 12 a 99
LSI (Large Scale Integration) grande : 100 a 9999
VLSI (Very Large Scale Integration) muy grande : 10 000 a 99 999
ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande : igual o superior a 100
000
A continuación se da una breve explicación de cada uno de los tipos de
circuito integrado:
a. 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).
b. MSI: A finales de los 60 se introdujeron dispositivos que contenían
cientos de transistores cada chip, llamados MSI, Integración a media escala
(Medium-Scale Integration).
Económicamente eran circuitos atractivos porque mientras producirlos
costaba ligeramente más que los dispositivos SSI, permitieron fabricar sistemas
electrónicos más complejos utilizando placas impresas más pequeñas, menos
trabajo al ensamblarlos (ya que contenían menos componentes) y otras ventajas.
c. 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 principios 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.
3.2. 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.
4. Un tipo especial de tecnología en la fabricación de CI.
Tecnología CMOS
CMOS
En
inglés
Complementary
Metal
Oxide
Semiconductor(Semiconductor complementario del óxido de metal.) Es una
tecnología utilizada para crear circuitos integrados, como pueden ser compuertas
lógicas, contadores (entre éstos, muy populares los Decimales Johnson), etc.
Consiste básicamente en dos transistores, uno PFET y otro NFET. De esta
configuración resulta el nombre.
Los chips CMOS consumen menos potencia que aquellos que usan otro
tipo de transistor. Tienen especial atractivo para emplearlo en componentes que
funcionen con baterías, como los ordenadores portátiles. Los ordenadores de
sobremesa también contienen dispositivos de memoria CMOS de bajo consumo
de potencia para almacenar la fecha, hora y configuraciones (BIOS).
Existen diversos tipos de pros y contras contra estos circuitos, siendo el
problema del daño por electricidad estática el fantasma que más afecta el uso
comercial de estos integrados.
Diversos estudios afirman que dicho planteamiento no es más que un mito
ya que deben darse muchos factores tanto ambientales, físicos aparte de lo
eléctrico para dañarlos.
Dentro de las ventajas mayores que tienen los CMOS destacan las siguientes
dos:
1. Funcionan con tensiones desde los 3 V hasta los 15 V, por ende no
necesitan una fuente de voltaje dedicada para ellos.
2. Se ha demostrado que un CMOS determinado tiene muchas más
aplicaciones (o dichas aplicaciones trabajan mejor en CMOS) que en un
TTL
MOSFET son las siglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor (transistor campo – efecto en oxido de metal). Consiste en un
transistor de efecto de campo basado en la estructura MOS.
Bibliografía
9 T. Andrew (2000). Sistemas Electrónicos Digitales: organización de
computadores – enfoque estructurado. Pearson educations. Ciudad de
México.
9 H, William (1993). Análisis De Circuitos En Ingeniería. Mc Graw Hill.
México.
9 S, donald. (2001). Circuitos Electrónicos Discretos e Integrados
9 Enciclopedia libre Wikipedia 2006. (www.wikipedia.com)
Nota: Las bibliografías han sido ubicadas en la Universidad Nacional
Experimental Del Táchira (U.N.E.T.)