¿Cómo funcionan físicamente los circuitos integrados?

Los circuitos integrados se definen como el circuito que comprende elementos inseparables y eléctricamente interconectados de tal manera que el IC no puede separarse por razones comerciales y de construcción. Se puede utilizar una miríada de tecnologías para construir dicho circuito. Lo que hoy llamamos un circuito integrado se conocía originalmente como un circuito integrado monolítico. Se cree que Kilby creó el primer circuito integrado funcional en 1958 y ganó el Premio Nobel de Física en 2000 por su arduo trabajo. El primer comprador de este invento fue la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Este artículo trata sobre una descripción general del circuito integrado y cómo funciona.


¿Qué es un circuito integrado?

Un circuito integrado (IC), a veces llamado chip o microchip, es una oblea semiconductora en la que se fabrican miles o millones de diminutas resistencias, condensadores y transistores. Un circuito integrado puede ser un amplificador, un oscilador, un temporizador, un contador, una memoria de computadora o una función de microprocesador. Un circuito integrado exacto se clasifica como lineal (analógico) o digital dependiendo de su futura aplicación.

Los circuitos integrados han distorsionado todo eso. La idea fundamental era obtener un circuito completo, con numerosos componentes y las conexiones entre ellos, y reconstruir el conjunto de forma microscópica sobre la superficie de una pieza de silicio. Fue una idea increíblemente inteligente e hizo posible todo tipo de dispositivos «microelectrónicos», desde relojes digitales y calculadoras de bolsillo hasta cohetes para alunizar y armas con navegación satelital incorporada.

¿Quién inventó los circuitos integrados?

El circuito integrado es inventado por Jack Kilby y Robert Noyce, mientras que el desarrollo del circuito integrado se puede realizar en Fairchild por Noyce. Entonces, Jack Kilby implementó el mismo concepto en Texas Instruments, Dallas. En el año 195, July Noyce presentó una solicitud de derechos de autor por su origen IC. Ceruzzi no cubrió el descubrimiento de la separación de componentes de circuitos integrados.

Del 8 de noviembre de 1923 al 20 de junio de 2005, un ingeniero eléctrico estadounidense llamado Jack St. Clair Kilby participó con Robert Noyce en el reconocimiento del circuito integrado primario mientras trabajaba en TI o Texas Instruments en 1958. Así, recibió el Premio Nobel. en Física el 10 de diciembre de 2000.

Generaciones de circuitos integrados

Desde el comienzo de la formación de los circuitos integrados, ha habido diferentes generaciones de circuitos integrados que comprenden una serie de transistores y puertas lógicas para cada chip. La lista de generaciones de CI con su capacidad se muestra a continuación.

EEI: En SSI o Tecnología de integración a pequeña escala, se han utilizado los transistores 1 a 10 y las puertas lógicas 1 a 12.

MSI: En MSI o tecnología de integración de escala media, se han utilizado de 10 a 500 transistores y de 13 a 99 puertas lógicas.

LSI: En LSI o tecnología de integración a gran escala se han utilizado transistores del 500 al 20.000 y puertas lógicas del 100 al 9.999.

VLSI: En VLSI o tecnología de integración a muy gran escala se han utilizado transistores del 20.000 al 1.000.000 y puertas lógicas del 10.000 al 99.999.

ULSI: En ULSI o tecnología de integración ultra ancha, se utilizaron 1.000.000 de transistores y 100.000 puertas lógicas.

Estructura del CI

En un circuito integrado, el chip es una parte de un material semiconductor como el silicio o el Si. La transformación de este puede llevarse a cabo en un circuito funcional mediante un proceso de fabricación como el dopaje, la metalización, la deposición química de vapor y la fotolitografía. De hecho, este proceso genera varios circuitos compuestos por una oblea, luego separados por corte. La matriz se puede encerrar en una caja y cables conductores mediante conexiones eléctricas entre los terminales de la caja, llamados pines, y los nodos equivalentes de la matriz en el circuito integrado.

Marcado de polaridad y numeración de pines

Todos los circuitos integrados están sesgados donde cada pin de ese circuito integrado es único en función y ubicación, lo que significa que el paquete debe incluir una técnica para comunicarse. La mayoría de los circuitos integrados usarán un punto o una muesca para especificar qué pin es el pin principal. A medida que identifica la ubicación del pin principal, los otros números de pin aumentan en orden a medida que se mueve en sentido contrario a las agujas del reloj a través de la región del chip.

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¿Cómo funciona un circuito integrado?

El funcionamiento de un circuito integrado es similar al de un amplificador, un temporizador, un microprocesador, un oscilador y también una memoria de computadora. Un circuito integrado está hecho de silicio y es una pequeña oblea que consta de miles de componentes como resistencias, transistores, condensadores, etc. Son pequeños componentes que pueden realizar diferentes cálculos para almacenar datos a través de tecnología analógica o digital.

Los circuitos integrados digitales utilizan puertas lógicas, que simplemente funcionan con ceros y valores. Se puede enviar una señal baja a un componente a través de un IC digital que genera un valor cero, mientras que una señal alta genera un valor 1. Los circuitos integrados digitales se encuentran comúnmente en productos electrónicos de consumo, equipos de redes y computadoras.

Diferentes circuitos integrados como funciones analógicas y lineales con valores permanentes, lo que significa que un componente electrónico en un circuito integrado lineal puede usar cualquier tipo de valor y generar otro valor. Entonces se usa el IC lineal porque el valor o/p es la función lineal de las entradas. Por lo general, los circuitos integrados lineales se utilizan en la amplificación de audio y RF.

¿Cómo se hacen los circuitos integrados?

¿Cómo se construye un chip de memoria o procesador para una computadora? Todo comienza con un elemento compuesto en bruto como el silicio, que se trata químicamente o se dopa para crearlo y tiene diferentes propiedades eléctricas.

símbolo de circuito integrado

dopaje de semiconductores

Convencionalmente, la gente piensa que los equipos se dividen en dos categorías distintas: los que permiten que la electricidad pase a través de ellos con bastante facilidad (conductores) y los que no (aislantes). Los metales constituyen la mayor parte de los conductores, mientras que los no metales, como los plásticos, la madera y el vidrio, son aislantes.

De hecho, los efectos son mucho más complejos que eso, especialmente cuando se trata de definir elementos en el centro de la tabla periódica (en los grupos 14 y 15), incluidos el silicio y el germanio. Normalmente, los aislantes son los elementos que están preparados para funcionar más como conductores si les introducimos pequeñas cantidades de impurezas en un procedimiento conocido como dopaje.

diseño de circuitos integrados
diseño de circuitos integrados

Si agrega antimonio al silicio, le proporciona algunos electrones más de los que normalmente incluiría el poder de conducir electricidad. El silicio «dopado» de esta manera se llama silicio de tipo n. Cuando agrega boro en lugar de antimonio, elimina algunos de los electrones del silicio, dejando «agujeros» que funcionan como «electrones negativos»; luego llevar una corriente eléctrica positiva en la dirección opuesta.

Este tipo de silicio se llama tipo p. Poner las regiones de silicio de tipo n y tipo p una al lado de la otra para crear uniones en las que los electrones actúan de manera muy atractiva es la forma en que generamos electrónicamente dispositivos semiconductores como diodos, transistores y memorias.

Dentro de una fábrica de chips

El proceso de hacer un circuito integrado comienza con un solo cristal grande de silicio, con la forma de un tubo largo y sólido, que se «corta» en discos delgados (aproximadamente del tamaño de un disco compacto) llamados obleas.

Los cortes se delimitan en un gran número de áreas formas cuadradas o rectangulares idénticas, cada una de las cuales será un solo chip de silicio (a veces llamado microchip). Luego, se producen miles, millones o miles de millones de dispositivos en cada chip dopando áreas diferentes de la superficie en silicio tipo n o tipo p.

Funcionamiento del chip en el interior
Funcionamiento del chip en el interior

El dopaje se completa con una multiplicidad de procesos diferentes. En uno, conocido como pulverización catódica, los iones del material dopante se disparan contra la oblea de silicio, como las balas de un arma. Otro procedimiento llamado deposición de vapor consiste en introducir el material dopante en forma de gas y permitir que se concentre para que los átomos de impureza generen una película delgada en la superficie de la oblea de silicio. La epitaxia de haz molecular es una forma mucho más precisa de la declaración.

Por supuesto, construir circuitos integrados que empaqueten cientos, millones o miles de millones de dispositivos en un chip de silicio del tamaño de una uña es un poco más difícil de lo que parece. Imagine el caos cuando una mota de suciedad podría resonar al trabajar en la escala microscópica (o, a veces, incluso nanoscópica). Es por eso que los semiconductores se preparan en ambientes prístinos de laboratorio llamados cuartos limpios, donde el aire se filtra escrupulosamente y los empleados deben entrar y salir a través de esclusas de aire agotando todo tipo de ropa protectora.

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Construcción

Los pasos involucrados en la fabricación de un IC son dos, como la fabricación y el embalaje.

Fabricación

La fabricación no es más que el procedimiento de fabricación de ICS o circuitos integrados. Es una serie de pasos químicos y fotográficos donde se diseñan diferentes circuitos sobre un material semiconductor llamado oblea. Los diversos pasos involucrados en la fabricación incluyen los siguientes.

Litografía

En la litografía, se aplica una capa de líquido fotorresistente al exterior de la oblea/semiconductor. Después de eso, se apoya y se endurece.

Grabado

En este procedimiento, se puede desprender material innecesario del inserto. Después de eso, el patrón fotorresistente se transfiere a la oblea.

Declaración

Durante la deposición, se aplican diferentes películas de materiales a la oblea y este proceso se puede realizar a través de dos métodos de deposición, vapor químico o vapor físico.

Oxidación

En este método, las capas de Si en la parte superior se cambian a Sio2 a través de moléculas de oxígeno o agua.

La difusión

La difusión se puede realizar hacia los defectos de la red de recocido.

embalaje

Otro nombre para el empaque es ensamblaje o encapsulación.

Esta es la última fase de fabricación de circuitos integrados. Inicialmente, el empaque de los circuitos integrados se puede realizar en paquetes planos de cerámica. Por lo tanto, este método se utilizó principalmente durante varios años después de la introducción del paquete Dual-in-line o DIP. Después de unos días, se introdujeron otros métodos como Pin Grid Array & Surface mount. AMD e Intel se han pasado a los paquetes de matriz de cuadrícula terrestre. El procedimiento de empaquetado incluye ciertos pasos que deben seguir ciertos pasos como el siguiente.

  • Adjunto de matriz
  • unión de circuitos integrados
  • voltear el chip
  • Embalaje de edredón
  • Arreglando la película
  • encapsulación de circuitos integrados

La mayoría de las veces, los ICS están encerrados en un aislamiento de cerámica/plástico opaco. En el paquete hay pines de metal, que se utilizan para conectarse con el mundo exterior.

diseño de circuitos integrados

Hay diferentes métodos lógicos disponibles para diseñar circuitos específicos para diseñar un circuito integrado. En el diseño de circuitos integrados, hay dos categorías que incluyen lo siguiente.

  • Diseño digital
  • Diseño analógico

En el método de diseño digital se diseñan memorias como ROM, RAM, FPGA, microprocesadores. Este tipo de diseño asegura que los circuitos sean precisos y tengan la mayor densidad. La eficiencia global del circuito es extremadamente alta.

Alternativamente, el diseño analógico se utiliza para diseñar filtros, osciladores, amplificadores operacionales, PLL (bucles de bloqueo de fase) y reguladores de línea. Este tipo de diseño juega un papel clave donde la disipación de energía, la resistencia y la ganancia deben ser perfectas. Estos circuitos se están diseñando utilizando herramientas de diseño automatizadas porque la demanda de diseño está aumentando de manera alarmante y los diseños deben realizarse con extrema rapidez. En el proceso de diseño, se deben seguir algunos pasos de la siguiente manera.

  • Informe de estimación de tamaño y posibilidad
  • Diseño de circuito
  • Simulación de circuito
  • planificación de suelos
  • Revisión de diseño
  • Plano de diseño
  • Análisis de calendario
  • Generación automática de patrones de prueba
  • diseño de fabricación
  • Preparación de datos de máscara
  • fabricación de obleas
  • Prueba de matriz
  • embalaje
  • Caracterización del dispositivo
  • Generación de hoja de datos
  • última producción
  • Análisis de fiabilidad
  • Analisis fallido

El diseño digital incluye el diseño ESL en el que el usuario crea especificaciones utilizando lenguajes de programación como C++, Matlab, Verilog, etc. Después de eso, las especificaciones del usuario en el diseño de ESL se transforman en una descripción RTL (nivel de transferencia de registro). En el diseño RTL, define las interconexiones a entradas y salidas. El diseño final es el diseño físico en el que se puede crear el diseño final del chip a través de las puertas lógicas y RTL.

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Las herramientas de simulación de circuitos en el diseño analógico se utilizan principalmente para diseñar circuitos integrados de alta eficiencia para realizar cálculos difíciles. Si existen errores en el diseño del ciclo, se utilizan herramientas de simulación de circuitos para localizarlos y corregirlos antes del método de fabricación. Algunos otros factores, como la concentración de dopaje y la temperatura, se pueden monitorear continuamente para decidir si el diseño del circuito integrado está listo para la fabricación.

Tipos de circuitos integrados

Los diferentes tipos de un circuito integrado que incluye lo siguiente

circuitos integrados digitales

Este tipo de IC tiene dos niveles definidos: 1 y 0, lo que implica que operan en matemáticas binarias donde 1 significa encendido y 0 significa apagado. Estos circuitos integrados se fabrican diligentemente porque contienen millones de flip-flops, puertas lógicas, etc., todo integrado en un solo chip. Los ejemplos de circuitos integrados digitales incluyen microcontroladores y microprocesadores.

Tipos de circuitos integrados
Tipos de circuitos integrados
  • Circuitos integrados lógicos
  • chips de memoria,
  • Circuitos integrados de interfaz (cambiadores de nivel, serializador/deserializador, etc.)
  • Circuitos integrados de administración de energía
  • Dispositivos programables

Circuitos integrados analógicos

Los circuitos integrados analógicos funcionan mediante el procesamiento de señales continuas y son capaces de realizar tareas como filtrado, amplificación, demodulación y modulación, etc. Los sensores, OP-AMP son básicamente circuitos integrados analógicos.

Señal mixta

Cuando se utilizan circuitos integrados digitales y analógicos en un solo chip; el circuito integrado resultante se conoce como circuitos integrados de señal mixta.

  • Circuitos integrados de adquisición de datos (incluidos convertidores A/D, convertidores D/A, potenciómetros digitales)
  • IC de reloj/sincronización

Usos de los circuitos integrados

El circuito integrado utiliza un material semiconductor (chips de lectura) como mesa de trabajo y, a menudo, se selecciona silicio para esta tarea. Entonces los componentes componentes eléctricos como diodos, transistores y resistencias, etc. se agregan a este chip en una forma minimizada. Los componentes eléctricos se ensamblan de tal manera que pueden realizar múltiples tareas y cálculos. El silicio se llama oblea en este conjunto.

¿Por qué son importantes los circuitos integrados?

El circuito integrado o circuito integrado consta de miles a millones de componentes electrónicos como resistencias, transistores y condensadores que se fabrican en un solo chip. Actualmente, casi todos los dispositivos como teléfonos celulares, televisores, computadoras y relojes digitales utilizan circuitos integrados debido a su pequeño tamaño y alta eficiencia y confiabilidad. Por lo tanto, sin el uso de circuitos integrados, los aparatos electrónicos se volverán lentos y engorrosos. Esta es la razón por la que se utilizan circuitos integrados en diferentes aplicaciones.

Ventajas

Las ventajas de los circuitos integrados incluyen lo siguiente.

  • Talla pequeña
  • El consumo de energía es menor
  • Fiabilidad
  • Menos costos
  • menos peso
  • El reemplazo se puede hacer muy fácilmente.
  • Mas consistente
  • Velocidad de funcionamiento y rendimiento mejorados
  • Funciona a altas temperaturas.
  • Adecuado para operación de señal pequeña

Desventajas

Las desventajas de los circuitos integrados incluyen lo siguiente.

  • El IC simplemente maneja una cantidad limitada de energía.
  • La disipación de energía está limitada a 10 vatios
  • En este caso, un ensamblaje PNP de alta potencia no es factible.
  • La operación de alto voltaje y menos ruido no se logra simplemente.
  • No se puede lograr un coeficiente de temperatura bajo
  • Los indicadores/bobinas no se pueden montar.
  • Delicado

Aplicaciones de los circuitos integrados

Las aplicaciones de un IC incluyen las siguientes

  • Radar
  • Relojes de pulsera
  • Televisores
  • Máquinas de jugo
  • computadora
  • Procesadores de video
  • Amplificadores de audio
  • Dispositivos de memoria
  • Dispositivos lógicos
  • Codificadores y decodificadores de radiofrecuencia

En este artículo, hemos discutido una visión general del circuito integrado brevemente que es un circuito integrado, como se hacen los circuitos integrados, etc. Se han utilizado dos tipos de procesos para construir circuitos integrados utilizando un semiconductor dopante, dentro de una fábrica de chips. Hemos tratado los diferentes tipos de circuitos integrados como circuitos integrados digitales, circuitos integrados analógicos y finalmente señales mixtas con ejemplos. Además, también se han discutido los usos de los circuitos integrados y las aplicaciones de los circuitos integrados.

Además, para cualquier consulta relacionada con este concepto o para implementar los proyectos eléctricos y electrónicos, brinde sus valiosas sugerencias comentando en la sección de comentarios a continuación. Aquí hay una pregunta para ti, ¿Cuál es la función principal de un IC?

Javired
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