Los circuitos integrados son circuitos "comprimidos" en una microplaqueta (chip) que realizan la misma función que un circuito compuesto de transistores, diodos, resistencias, etc., cuyo número puede llegar a superar el millón de componentes. Con la aparición de los circuitos integrados (CI) a finales de la década de 1.950 se ha producido un cambio total en la forma de fabricar los circuitos electrónicos. El factor más importante de este cambio es la gran reducción que se ha conseguido en el tamaño de dichos circuitos.
Esta reducción ha traído consigo que todos los aparatos electrónicos sean mucho más pequeños y más manejables para todo el mundo y de ahí viene el gran "bum" de los ordenadores en las últimas décadas, así como de las calculadoras, relojes, etc. Pero ¿qué es exactamente un CI?. Se denomina CI a un circuito electrónico metido en una cápsula de dimensiones muy reducidas, y que está constituido por un conjunto de diodos, transistores, resistencias y condensadores. Se fabrica todo sobre un substrato común y en un mismo proceso según diferentes técnicas que más adelante se mostrarán. Lo importante es que cada CI puede desempeñar una función concreta sin interesarnos los componentes que contiene en su interior.
VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS CI
Además de su reducido tamaño, los circuitos integrados tienen numerosas ventajas. Una de las consecuencias de la implantación de los CI, a la que apenas se le ha dado importancia, es que ahora las personas que se dedican a diseñar, fabricar, manipular aparatos electrónicos han tenido que cambiar por completo su mentalidad y su preparación. Ya no es tan necesario saber perfectamente de que está compuesto el circuito, ni hay que preocuparse de las múltiples conexiones que antes tenía cualquier aparato, sin embargo hay que saber manejar aparatos más sofisticados, como osciloscopios, computadoras, etc. Dentro de un solo circuito integrado van "integrados", como su nombre indica, numerosos componentes, resistencias, transistores, diodos, etc., que juntos desempeñan una función. Pues bien, de ese CI sólo interesa saber la función que realiza y cómo se acopla al aparato que se esté fabricando, y prácticamente no interesa nada sobre cómo está constituido internamente, ni sus conexiones, ni los elementos que lo forman, ni la función que desempeña cada uno de ellos individualmente. Por lo tanto, los CI forman parte de circuitos electrónicos cuyo coste total es más barato al ser más fácil su diseño.
Como ha visto, un circuito integrado contiene muchos componentes electrónicos y, aunque la fabricación de cada CI resulte más cara que la de un componente discreto, es tal la popularidad de los CI debido a sus grandes ventajas, que se construyen un número muy elevado de ellos cada vez, consiguiendo así que el precio de cada unidad sea bastante bajo.
Otra de las metas que continuamente tienen los diseñadores de circuitos electrónicos es conseguir aumentar la velocidad de respuesta de sus componentes. Esto, como cabe esperar, se consigue totalmente con los CI, ya que, al estar todos los elementos en un espacio tan reducido, las señales pasan rápidamente de unos a otros aumentándose así la velocidad considerablemente.
Los aparatos realizados con CI son los más fiables por varios motivos; primero, porque en los fabricados con componentes discretos se tiene que juntar la fiabilidad de cada uno de los elementos que componen el circuito para obtener la fiabilidad total que tiene; segundo, porque se utilizan técnicas de fabricación muy modernas, muy estudiadas y se fabrican con mucha minuciosidad en cada una de las fases por las que pasan. Al ser mucho más reducido el espacio de interconexión, las posibilidades de fallo son mucho menores y, por último, se debe pensar en el encapsulado de este tipo de CI que hace que estén mucho más protegidos.
Al sustituir los circuitos integrados a un montón de "piezas" dentro de un circuito se consiguen varias cosas: primero se produce una reducción muy importante en los errores de montaje, ya que éste suele ser sencillo y con pocas conexiones, al producirse una avería se puede localizar mucho mejor y no es necesario tener un montón de repuestos de cada elemento. Por último, y aunque en principio pueda parecer un inconveniente, se sabe que cuando se produce una avería en un CI es muy difícil de solucionar y suele ser necesario reemplazarlo por otro nuevo, esto supone una ventaja debido al tiempo, materiales y conocimiento del funcionamiento interno que se ahorra y, como se ha visto antes, el coste de un CI no es muy elevado.
A pesar de su enorme utilización, no todo son ventajas en estos diminutos elementos. Existen algunos inconvenientes, aunque no tan importantes como para conseguir influir en la enorme popularidad de los circuitos integrados. Entre los inconvenientes se puede decir que no todos los elementos discretos que se conocen pueden ser integrados en un CI. Así, las bobinas o inductores no se pueden integrar, y con las resistencias y los condensadores se tienen limitaciones en los valores que pueden alcanzar, debido a que cuanto mayor sea el CI mucho mayor será su coste. Por esta razón, una resistencia suele estar limitada a tener como mucho 50 kW y un condensador 100 pf. Debido a esta limitación, estos elementos, condensadores y resistencias, se sacan muchas veces fuera de los CI y al montar el circuito se montan exteriormente. También se produce un inconveniente al no ser muy recomendable integrar juntos transistores PNP y NPN, ya que hay muchos circuitos que están compuestos de ambos tipos de transistores. La tensión que se le puede aplicar también está limitada, siendo recomendable que el valor de ésta no exceda los 20 V. Se ha dicho que el precio de un circuito integrado es bastante reducido y esto no es cierto del todo, ya que para que esto sea verdad se tiene que cumplir una condición y es que el circuito integrado se debe fabricar en grandes cantidades, pues si se desea un CI adaptado a necesidades particulares resultará muy costosa su fabricación.
Por último, dentro de los inconvenientes se pude tener problemas con la potencia disipada, ya que, al estar los elementos tan juntos, las corrientes grandes pueden producir calor y, al aumentar mucho la temperatura, se puede llegar a estropear el circuito.
MEJORAS GRACIAS A LOS CI
Una de las aplicaciones de los CI que ha crecido más espectacularmente en los últimos años ha sido la de los microprocesadores. Un microprocesador es un CI compuesto por una de las partes más importantes de un computador: la CPU, unidad central de proceso. Como todos los CI el microprocesador tiene un tamaño muy reducido. Gracias al tamaño reducido, y a otros avances tecnológicos, se ha conseguido pasar en pocos años de las grandes computadoras (que ocupaban habitaciones enteras y que son difíciles de manejar por lo que necesita de profesionales muy calificados que dediquen muchas horas para hacer pequeñas operaciones), a los ordenadores personales, PC, mucho más pequeños, manejables, fáciles de usar y económicos, por lo que han pasado a formar parte de todas las facetas de la vida: medicina, banca, industria, investigación, etc.
La importancia de los CI es incalculable y cada día que pasa se van reduciendo más sus dimensiones y aumentando su velocidad de respuesta.
CLASIFICACIÓN DE LOS CI
Se puede hacer varios tipos de clasificaciones según el criterio que se use. Una de estas clasificaciones está basada en el tipo de transistores que se emplée. Así, se puede tener un CI bipolar, si se fabrica a base de transistores bipolares, NPN y PNP, y circuitos integrados MOS, si lo que se usan son transistores de efecto campo más conocidos como MOS. Según la manera de fabricar un CI se puede encontrar circuitos integrados monolíticos, en los cuales se forman todos los componentes a la vez en el substrato semiconductor. Circuitos integrados multiláminas formados por capas gruesas, o circuitos integrados de capas delgadas. Y, por último, dentro de esta clasificación se pueden encontrar los circuitos híbridos que combinan la fabricación monolítica con la de multilámina o la de capas delgadas.
Según el número de componentes que contengan se puede dividir los circuitos integrados en SSI (Small Scale Integrated), formados por pocos componentes, MSI (Mediun Scale Integrated), varios cientos de componentes, LSI (Large Scale Integrated), miles de componentes y los VLSI (Very Large Scale Integrated), que han superado el millón de componentes.
Por último, si se tiene en cuenta el tipo de señales con las que van a trabajar los circuitos integrados, se puede encontrar CI digitales que, como su nombre indica, trabajan con señales digitales y los CI analógicos, que trabajan con señales analógicas.
FABRICACIÓN DE UN CIRCUITO INTEGRADO
En los circuitos integrados monolíticos todos los componentes se encuentran en una sola pastilla de silicio. Para fabricar un circuito integrado monolítico se parte de una lámina de silicio denominada "oblea" la cual a su vez está dividida en un gran número de plaquetas cuadradas o chips, cada uno de los cuales va a constituir un CI. Por lo tanto, con una oblea se puede fabricar a la vez un montón de CI. Se suele partir de un semiconductor tipo P y por la técnica epitaxial se coloca encima una capa de silicio tipo N.
Para este proceso se utiliza un horno epitaxial. Este tipo de crecimiento va a asegurar que la región tipo N que se acaba de añadir tiene estructura de un solo cristal, al igual que la región tipo P.
Seguidamente, le se coloca una capa de óxido a la oblea, para ello se introduce en un horno de oxidación formándose una capa delgada de dióxido de silicio (SiO2) que recubre a la oblea y cuyas funciones más importantes van a ser la de proteger al circuito contra la contaminación.
La siguiente etapa se denomina fotoprotección. Consiste en colocar una sustancia orgánica que sea sensible a la luz ultravioleta, denominada fotoprotector, sobre la capa de óxido.
En esta capa se coloca una máscara que tiene unas ventanas opacas en la zona donde se va a realizar la siguiente difusión (por ejemplo, se quiere integrar un transistor NPN se tiene que tener bien definidas tres regiones: el colector, la base y el emisor. Estas tres zonas determinarán cómo será la máscara y dónde tendrá las ventanas opacas) . Se expone la oblea a rayos ultravioleta y el barniz fotosensible que había debajo de las ventanas opacas se va a eliminar y va a aparecer la capa de dióxido de silicio.
Después se ataca a la oblea con ácido fluorhídrico y las zonas de SiO
2 que han quedado al descubierto se van a destruir quedando ahora al descubierto la capa de material tipo N.
El siguiente paso es realizar una difusión tipo P. Se introduce la oblea en un horno de difusión y se dopa con gran cantidad de impurezas tipo P. Así se convierte en tipo P la zona que queda al descubierto de la capa epitaxial tipo N. Se ha conseguido aislar una zona tipo N, que ha quedado rodeada por semiconductor tipo P y por dióxido de silicio. Si se estuviese haciendo un transistor esta zona aislada podría ser, por ejemplo, el colector. Se repite el proceso de oxidación y de fotoprotección y se colocan unas máscaras diferentes, por ejemplo, para formar la base. Se difunde nuevamente impurezas tipo P. Para formar el emisor se podrían repetir todos los pasos pero con la diferencia de que al final se añaden impurezas tipo N.
Para conectar todas las regiones "n" y "p" se suele usar una película delgada de un material conductor por ejemplo el aluminio. Se coloca nuevamente una capa de oxidación y un fotoprotector y la máscara que pone ahora tiene ventanas que van a permitir que se realicen las conexiones eléctricas, por ejemplo, entre la base y el colector. Después de realizar la metalización y una vez que las conexiones eléctricas se hayan hecho, se cortan los diferentes chips de la oblea.
Después de separarlos, se realizan las conexiones necesarias de cada chip con los pines de la cápsula que va a contener el circuito integrado, estas conexiones se realizan soldando hilo de aluminio muy delgado. Para acabar, se introduce el chip dentro de la cápsula que lo va a proteger, y así termina el proceso de fabricación de un CI.
AISLAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DEL CI
Dentro de un circuito integrado puede encontrarse una gran cantidad de componentes. Estos componentes pueden ser de diferentes tipos: resistencias, transistores, condensadores, etc., o del mismo tipo. Una de las necesidades que se presenta es separar los elementos, no físicamente ya que todos forman parte del mismo circuito integrado, sino que han de ser aislados eléctricamente para que cada uno pueda seguir comportandose según sus características, es decir, que, por ejemplo, los transistores sean exactamente iguales y cumplan las mismas propiedades que tiene un transistor discreto (que no forma parte de un circuito integrado).
Hay varias formas de conseguir el aislamiento eléctrico entre los diferentes elementos que componen un circuito integrado: la más usada de todas ellas, debido a lo económica que resulta, es la denominada "aislamiento de unión". Supóngase que se quieren separar dos transistores, este método consiste en polarizar inversamente las regiones N y P y, al no circular corriente, se produce el deseado aislamiento eléctrico entre los dos transistores.
Otra forma es usando dióxido de silicio, SiO
2, recubriendo cada región de colector de cada uno de los transistores, el dióxido de silicio se comporta como un aislante. Por último, hay un tipo de aislamiento denominado "tipo viga" que es parecido al aislamiento de unión. La diferencia radica en que en el tipo viga, al realizar la metalización, se forma una capa muy gruesa encima de la oblea. Después se remueve el silicio que sobra en el substrato tipo P. Se forma una estructura con los circuitos conectados semirrígidamente y todos los elementos separados unos de otros.
TECNOLOGÍA DE PELÍCULA DELGADA Y GRUESA
En los circuitos integrados monolíticos se ha visto que se forman todos los componentes a la vez en un substrato semiconductor. En la tecnología de película delgada y en la de película gruesa no ocurre lo mismo. Las resistencias y condensadores de valores pequeños se fabrican en el substrato, pero las resistencias y los condensadores de valores grandes y algunos circuitos monolíticos son exteriores al chip y se conectan formando un circuito híbrido. Este tipo de circuitos tiene la peculiaridad de que no se forman sobre la superficie de un semiconductor sino que lo hacen sobre un material aislante que puede ser vidrio o un material cerámico.
La técnica de fabricación de películas delgadas consiste en ir haciendo una deposición por medio de una evaporación al vacío o pulverización catódica. La superficie que contiene el substrato actúa como el ánodo, y el material que se va depositando por la deposición como cátodo. Los pasos para el procesamiento de un circuito integrado por tecnología de película delgada son muy similares a los que se han explicado de los circuitos monolíticos.
En la tecnología de película gruesa se utiliza un circuito impreso sobre el cual se van a depositar las resistencias, condensadores, etc. Una de las ventajas de esta tecnología es que resulta más barata que la de película delgada.
Puede parecer complicado al principio, pero el tema de las normalizaciones que rodea al mundo de los integrados, bien en encapsulados o bien en cuanto a zócalos y conexiones, es sencillo si se enfoca desde un punto de vista práctico.
Toda la gama de circuitos integrados disponibles se engloba dentro de cierta familia o apartado. Podemos ver una primera subdivisión de los circuitos integrados en función de su aplicación específica. Una segunda clasificación podría ser aquella que nos permite clasificar los chips según estos se dividan por el tipo de encapsulado. Pero a pesar de existir cierta norma, los fabricantes suelen hacer sus propias subclasificaciones, lo cual suele desembocar en un más que aparente caos.
Antes de continuar con este tema conviene aclarar que la forma en que se aplican encapsulados a los circuitos integrados ha motivado en los últimos años la aparición en el mercado electrónico de conjuntos de componentes discretos típicos -como, por ejemplo, las resistencias- que han aprovechado la "normativa" impuesta por los chips en su propio beneficio, acogiéndose a los tamaños y encapsulados de aquellos, lo cual simplifica diseños y facilita la colocación de ingentes cantidades de componentes en un espacio bastante reducido. Por esta razón no debe sorprendernos encontrar un "aparente" chip o circuito integrado dentro de un moderno circuito y que tal chip no es más que un conjunto de 8 ó 10 resistencias de idéntico valor óhmico, con lo que esto representa en cuanto a ahorro, tanto en la parte económica como en la de espacio, cuestión a tener muy en cuenta en el diseño electrónico moderno.
LOS INTEGRADOS SEGÚN SEA SU APLICACIÓN
Podríamos decir que por cada aplicación específica que se nos ocurra y que haya sido diseñada en forma de componentes discretos -esto es, no integrados- existe un circuito monolítico capaz de implementar la misma función. Esto, como es lógico, no deja de ser una pequeña exageración pero lo que no es menos cierto es que la evolución tecnológica y el abaratamiento de costes de los circuitos integrados hacen que aparezcan más y más modelos de circuitos integrados cada día. No es extraño que la evolución tecnológica tienda a esto: ¿a quién no le encantaría realizar una pequeña aplicación electrónica y meterla luego dentro de un encapsulado único y fácil de colocar en cualquier circuito? Podemos avanzar que esto es ya una realidad para el aficionado a la electrónica, pero esto... es ya otra historia. TIPOS DE CHIPs O INTEGRADOS
Dentro de la familia de los circuitos integrados disponibles hoy en día en el mercado -no olvidemos que esto varía en horas- podemos encontrar tras apartados fundamentales:
1º) Circuitos integrados lineales.
2º) Circuitos integrados digitales.
3º) Circuitos de tipo híbrido.
Puede que esta no sea la división perfecta, pero nos servirá para los fines didácticos que perseguimos.
De una lado tenemos los circuitos lineales, denominación que normalmente se aplica a circuitos integrados de uso específico y que no se englobe en el amplio grupo de las aplicaciones digitales. Puede decirse que esta gama de circuitos reproduce comportamientos implementables con circuitería analógica de tipo discreto. Por poner un ejemplo, los amplificadores operacionales pueden ser reproducidos transistor a transistor de forma independiente, lo cual, hoy en día, parece un asunto fuera de toda lógica.
Por otro lado, los circuitos integrados digitales se dedican a trabajar con señales de tipo "todo o nada" o "cero y uno",asunto este dedicado, casi en exclusividad, al mundo de los ordenadores y la informática.
En último lugar aparecen una gama de circuitos integrados a los que hemos dado en denominar híbridos. Esta familia abarca toda la gama de integrados que no puede colocarse de forma contundente a un lado u otro dentro de los dos grupos anteriores.
Para poder tener una idea más clara de a qué grupo pertenece cada circuito integrado vamos a abordar unos ejemplos dentro de cada grupo comentado.
CIRCUITOS LINEALES ANALÓGICOS
Queda claro que las aplicaciones de carácter analógico han precedido, de forma histórica, a las de carácter digital. Por esta razón cabría pensar que la realización de integrados de tipo analógico pasa sólo por el trámite de colocar un circuito que opere correctamente con componentes discretos y encapsularlo en un formato monolítico. Además de esto es preciso que dicho circuito sea rentable, tanto en el campo económico como en el de la prosperidad de futuras aplicaciones para el mismo.
Como ejemplo ya mencionado destaca el amplificador operacional, pero hay otros tan interesantes como éste. Podemos mencionar los amplificadores integrados que equipan tanto los modernos equipos de radiocasete para coche como los equipos Hi-Fi caseros. También destacan los integrados destinados a los equipos de recepción (y emisión) de radio, TV y comunicaciones en general. Otro campo de aplicación de los integrados lineales es el de los sensores integrados, aunque este apartado lo comparten con los circuitos de tipo híbrido que luego comentaremos. CIRCUITOS DIGITALES BIT A BIT
La parte mínima de un circuito digital está introducida en un chip y responde a la denominación de puerta lógica. Es posible, cómo no, implementar esta misma puerta en modo de componentes discretos.
Una puerta lógica, como ya veremos, realiza la parte más sencilla de la operativa de un circuito digital. Por ejemplo, cuando introducimos un cero lógico (p. ej. cero voltios) en una puerta que realice la función lógica "inversor" obtendremos en la salida de dicho chip un uno lógico ( +5 V si trabajamos en norma TTL ). Además de estas sencillas funciones los circuitos digitales pueden contener:
- Funciones lógicas complejas, memoria volátil y no volátil, Unidad Central de Proceso o CPU, microcontroladores, registros de desplazamiento, etc.
CIRCUITOS HÍBRIDOS
Para finalizar este breve repaso por los circuitos integrados existentes en el mercado vamos a abordar el apartado que hemos dado en llamar "circuitos híbridos".
A este apartado pertenecen circuitos tales como los convertidores de nivel, los convertidores A/D o sus homónimos D/A.
Un convertidor de nivel será, por ejemplo, aquel que está destinado a compatibilizar las diferentes familias lógicas. Por comentar un caso claro, la familia de circuitos digitales denominada TTL responde a niveles lógicos típicos de 0 = cero voltios y 1 = cinco voltios, mientras que los niveles típicos de la familia lógica CMOS son de 0 = cero voltios y 1 = depende de la alimentación.
Queda claro que para intercambiar datos entre un formato y otro deberemos utilizar un tipo de chip que nos permita convertir niveles, con lo cual queda clara la aplicación de éstos.
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