Definición: Un circuito integrado, o IC, es un circuito electrónico completo contenido en un solo paquete, Figura 1. Este paquete a menudo incluye transistores, diodo, resistenciasy condensadores así como cableado de conexión y terminales. A se llama CI chip.
El transistor fue inventado por Brattain, Bardeen y Shockley de Bell Laboratories en 1947. El transistor tenía el mismo propósito que el triodo de Lee DeForest. refuerzopero no necesitaba calor para funcionar.
Además, el transistor era de estado sólido (solid state) y mucho más pequeño. Los transistores se utilizaron por primera vez en dispositivos pequeños, como audífonos y radios de transistores pequeños. Debido a su pequeño tamaño y funcionamiento eficiente, los transistores también fueron útiles en productos de defensa.
Figura 1. Circuito integrado (CI).
Los transistores también se utilizaron en circuitos electrónicos recientemente desarrollados en las décadas de 1950 y 1960.
Las computadoras usaban miles de circuitos de conmutación y los transistores podían realizar esta función de conmutación rápidamente. Pero a medida que los circuitos de computadora se hicieron más grandes y poderosos, los circuitos electrónicos tuvieron que ser más pequeños.
Dado que los componentes del circuito deben conectarse entre sí, producir circuitos más pequeños fue una tarea compleja. Las placas de circuito ayudaron, pero el cableado aún era difícil. Este problema se resolvió integrando todos estos componentes en una sola pieza de material sólido, el circuito integrado. Mira Figura 2.
Figura 2. Las ventajas y desventajas de los circuitos integrados en comparación con los transistores.
Historia del circuito integrado
En 1952, GWA Dummer del Royal Radar Establishment en Gran Bretaña tuvo la idea del circuito integrado. Sin embargo, sus ideas no se implementaron en este momento.
En 1957, Fairchild Semiconductors desarrolló un nuevo proceso para transistores planos. Como resultado, fue posible fabricar emisores, bases y otras partes semiconductoras en la superficie de una oblea de silicio.
A principios de 1958, Jack Kilby de Texas Instruments Corporation estaba desarrollando micromódulos. Estos debían fabricarse imprimiendo los componentes en una oblea de cerámica.
Se dio cuenta de que los semiconductores y otros componentes podían fabricarse en la misma superficie a través de un proceso de fabricación. El primer circuito integrado producido comercialmente resultó de este trabajo. Fue hecho en una delgada oblea de germanio. Sin embargo, todavía tenía conexiones por cable, lo que planteaba un gran problema al cablear una gran cantidad de transistores y otros conductores.
Casi al mismo tiempo, Fairchild Semiconductors estaba explorando otro proceso para fabricar circuitos integrados. Usando los principios de fabricación de transistores planos, Robert Noyce usó dopantes de dióxido de silicio para proteger y aislar las uniones PN.
El circuito integrado revolucionó el campo de la electrónica. En 1965, se podían colocar alrededor de 30 componentes en un chip de silicio cuadrado de cinco milímetros (3/16 pulgadas).
Para 1982, ese número había aumentado a 1.000.000, imagen 3. Aunque el IC se ha vuelto cada vez más pequeño, llegando incluso a tamaños microscópicos, los principios de funcionamiento siguen siendo los mismos.
Imagen 3. Niveles de integración.
Construcción de un circuito integrado (CI).
Un circuito integrado consta de muchas capas delgadas de materiales de tipo P y N dispuestas en configuraciones tales como transistores, diodos, resistencias y capacitores. Un solo chip puede contener millones de transistores y ocupar menos de una pulgada cuadrada de área.
El diseñador de circuitos comienza el proceso de producción diseñando el circuito integrado. Un factor que afecta el diseño es el uso previsto del IC. Con esto en mente, el diseñador tiene la intención de utilizar el mejor IC. Él o ella pone el diseño terminado en forma de diagrama esquemático.
A partir de este diagrama básico, el fabricante de modelos crea un dibujo técnico detallado. El circuito se dibuja a una escala mucho mayor que el producto final, por lo que cuando se reduzca la escala del dibujo, habrá mucho espacio entre las partes. Figura 4. Si alguna de las líneas se toca, el circuito se romperá durante la prueba.
Figura 4. Este diagrama de circuito se reducirá cientos de veces antes de que se use para hacer circuitos.
Luego, cada configuración de circuito se reduce a una foto. No es raro que el diseño se escale 1000 veces o más. Un diseño reducido permite colocar miles de circuitos en una sola placa.
Las placas de trabajo están hechas a partir de los dibujos reducidos. Estas placas se llaman Fotomasks. Cada fotomáscara corresponde a una determinada etapa del proceso de producción. Cada máscara contiene una gran cantidad de partes equivalentes a la vida. Las fotomáscaras ya están listas para usar y la producción del circuito integrado ya puede comenzar.
Una estructura de circuito integrado es cristal de silicio puro. Estos cristales puros primero deben ser producidos. Para hacer el cristal, se purifica el silicio líquido.
Una partícula sólida de silicio, o semilla, se sumerge en el silicio fundido. Se retira lentamente y se coloca en un lugar fresco, Figura 5.
El cristal desarrollado se corta en rodajas de aproximadamente 0,5 mm de espesor. Luego, las rebanadas se pulen para eliminar la rebanada. arañazos superficiales y contaminantes. Luego se agregan pequeñas porciones de impureza. Las impurezas dan al silicio sus características eléctricas.
Figura 5. Cristales de silicio puro. (Motorola)
En las delgadas obleas de silicio dopado, comienza el proceso de construcción de la base. El circuito se construye capa por capa, sobre la oblea o sustrato de silicio. Cada capa obtiene un patrón de la máscara fotográfica.
En el ejemplo que se muestra en la Figura 6, la primera capa sobre el silicio es una capa de material tipo N. Se cultiva directamente en la oblea y se llama capa epitaxial. La epitaxia es el crecimiento de un cristal en la superficie de otro cristal. Es el transistor colector o elemento diodo.
Figura 6. Crecimiento de material de tipo N sobre el sustrato de tipo P.
A continuación, se cultiva una fina capa de dióxido de silicio sobre el material de tipo N exponiendo la oblea a una atmósfera de oxígeno a unos 1000 °C. Consulte la figura 7.
Imagen 7. Se coloca una capa de dióxido de silicio sobre la capa de tipo N.
A continuación, se coloca una fina capa de emulsión fotosensible sobre la capa N tipo N. La emulsión se llama Photoresist. en un proceso llamado fotografíala fotomáscara se coloca en la capa tipo N N. Luego, toda la oblea se expone a la luz ultravioleta, Figura 8. La luz hace que la imagen de la fotomáscara se transfiera a la oblea.
Imagen 8. El proceso de fotograbado
Endurece la fotoprotección expuesta. Las áreas cubiertas por la máscara permanecen suaves. Se utilizan ácidos o solventes para grabar el área no expuesta (blanda) de la fotoeléctrica. Esto deja expuesta la capa de silicio tipo N. figura 9.
Imagen 9. Los primeros recubrimientos y grabados de los componentes hacen un aislamiento.
La capa de tipo N expuesta se graba aún más con gases muy calientes. Un producto químico elimina cualquier fotoprotector curado restante para exponer todo el dióxido de silicio tipo N.
Cuando se construyen partes del circuito integrado, deben estar aisladas entre sí. Esto se hace por difusión.
La difusión es un proceso en el que las impurezas se dopan en la oblea de silicio para formar las uniones necesarias. La difusión crea islas de materiales de tipo N que soportan materiales de tipo P.
La oblea se difunde usando boro. El boro corta y forma material tipo P en todas las áreas no protegidas por el dióxido de silicio. La oblea tiene islas aisladas de material tipo N, Figura 10. Las uniones NP se forman alrededor de cada isla. Cada isla de tipo N tiene diodos adosados.
Imagen 10. El material de tipo N permanece después de la difusión de P.
Durante la difusión, se forma una nueva capa de dióxido de silicio en las áreas de tipo P difundidas, así como en la parte superior de las islas, Figura 11.
Figura 11. Difusión de tipo P en dióxido de silicio de tipo N. (Lattice Semiconductor)
La oblea se recubre nuevamente con fotosíntesis y se expone bajo una fotomáscara. Las áreas de islas tipo N están grabadas. Una vez más, la oblea está sujeta a una dispersión de tipo P que forma áreas para las regiones base de transistores, resistencias o elementos de diodos o condensadores. La oblea luego se reoxida Figura 12.
Imagen 12. Las regiones de tipo P están dispersas en islas de tipo N.
La oblea se cubre de nuevo y se expone a ventanas abiertas en las regiones de tipo P. Se utiliza un esparcidor de fósforo para producir regiones de tipo N para diodos y condensadores.
También se graban pequeñas ventanas en la capa N para las conexiones eléctricas, Figura 13. Toda la oblea recibe nuevamente una capa de óxido.
Imagen 13. Windows se abre en regiones de tipo P.
El circuito monolítico ahora está completo excepto por las interconexiones de aluminio. Una interconexión de aluminio conecta a las islas. También conectan el circuito a otros circuitos y otros dispositivos.
Una fina capa de aluminio se reviste al vacío sobre todo el circuito. Luego, el revestimiento de aluminio se sensibiliza y se expone a través de otra máscara especial. Después del grabado, solo queda el aluminio interconectado. Crea un patrón entre transistores, diodos y resistencias, Figura 14.
Imagen 14. Interconexiones de aluminio. (Motorola)
Las interconexiones IC pueden estar hechas de metal o aleación. Actualmente, se recomienda el uso de cables enchapados en oro solo con dispositivos IC tipo enchufe.
El oro crea una unión débil cuando se usa en una conexión tipo soldadura. Esto da como resultado una conexión dañada cuando la placa se somete a vibraciones excesivas o se dobla.
Luego se prueban los circuitos completos. Imagen 15. En las pruebas individuales, los circuitos se utilizan para realizar una serie de tareas eléctricas, Imagen 16.
Imagen 15. La prueba de plaquetas debe realizarse en un área estéril. Incluso una pequeña cantidad de polvo puede dañar un circuito. Esta máquina prueba automáticamente las piezas de semiconductores para las especificaciones eléctricas. (Motorola)
Imagen 16. Pinza de prueba IC.
Después de la prueba, las obleas se separan en chips individuales, generalmente inscribiéndolas con una herramienta de diamante. Luego se colocan los chips en una cajita o caja plana, figura 17. Se pegan los cables y se lavan los circuitos integrados. Las cavidades que contienen los circuitos integrados se sellan y, finalmente, los circuitos integrados se envían a un distribuidor.
Imagen 17. Paquetes de circuitos integrados. (Motorola)
resistencias
El proceso descrito se utiliza para fabricar materiales semiconductores para circuitos integrados. Este proceso se puede utilizar para fabricar resistencias, condensadores y diodos.
Recuerde que los materiales tipo N o tipo P tienen cierta resistencia. La resistencia depende del tamaño físico del material (longitud o área) y el número de dopantes en el material.
Los semiconductores están hechos con silicio muy puro. A través del proceso de dopaje, se agregan átomos trivalentes o pentavalentes impuros para producir el material de sustrato tipo N o tipo P.
Por ejemplo, se utiliza como sustrato un material de silicio de tipo P. El material de tipo N se difunde en la superficie del chip, figura 18. Luego se agrega otro material de tipo P al material de tipo N. Los alambres de metal se unen al extremo de este material de tipo P. El material y sus dos enlaces se utilizan como resistencia.
Imagen 18. Resistencias hechas de circuito integrado
Condensadores
Al igual que las resistencias, los capacitores se pueden convertir en un circuito integrado. Los valores de estos condensadores son muy bajos. Sin embargo, aún pueden proporcionar funciones de acoplamiento y almacenamiento. La Figura 19 muestra cómo se puede convertir un capacitor en un circuito integrado.
Imagen 19. Los capacitores están hechos en un circuito integrado.
Juntar
En la Figura 20 se muestra un ejemplo de cómo se pueden integrar un transistor, una resistencia y un capacitor en un circuito. Tenga en cuenta que miles de estos circuitos se pueden colocar en un área igual a la cabeza de un broche.
Imagen 20. Varios componentes integrados en un pequeño circuito.
Tipos comunes de circuitos integrados (CI)
Hay dos tipos básicos de circuitos integrados. El tipo depende de su función. Estos tipos son lineales y numéricos.
Circuitos integrados lineales tienen salidas variables, controladas por entradas variables. Estos circuitos integrados también se denominan dispositivos o circuitos analógicos. Los circuitos integrados lineales se utilizan como componentes en amplificadores lineales, amplificadores operacionales, reguladores/amortiguadores de voltaje, comparadores de voltaje, interruptores analógicos y circuitos amplificadores de audio.
circuitos integrados digitales utilizados como interruptores. Su salida opera bajo condiciones de encendido o apagado. Se encuentran en muchos circuitos lógicos y de puertas de computadoras.
Algunos diseños de circuitos integrados, incluidos los sistemas de numeración de pines y las dimensiones, se muestran en la Figura 21.
Imagen 21. Una visión general de varios tipos de circuitos integrados. Tenga en cuenta cómo se numeran los pines. (Semiconductor Nacional)
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