Circuito integrado

circuito integrado - Wikilingue - Encydia

Chips de cor com uma janela de cristal de cuarzo que possibilita seu apagado mediante luz ultravioleta.

Um circuito integrado (CI), é uma pastilla pequena de material semiconductor, de alguns milímetros quadrados de área, sobre a que se fabricam circuitos electrónicos geralmente mediante fotolitografía e que está protegida dentro de um encapsulado de plástico ou cerâmica. O encapsulado possui condutores metálicos apropriados para fazer conexão entre a pastilla e um circuito impresso.

Conteúdo

1 Introdução
2 Avanços nos circuitos integrados
3 Popularidade dos CI
4 Tipos
5 Classificação
- 5.1 Limitações dos circuitos integrados
6 Disipación de potência-Evacuação do calor
7 Capacidades e autoinducciones parásitas
8 Limites nos componentes
9 Densidade de integração
10 Veja-se também
11 Enlaces externos

Introdução

Geoffrey Dummer nos anos 1950.

Em abril de 1949, o engenheiro alemão Werner Jacobi (Siemens AG) completa a primeira solicitação de patente para circuitos integrados (CI) com dispositivos amplificadores de semiconductores. Jacobi realizou uma típica aplicação industrial para seu patente, a qual não foi registada.

Mais tarde, a integração de circuitos foi conceptualizada pelo cientista de radares Geoffrey W.A. Dummer (1909-2002), que estava a trabalhar para a Royal Radar Establishment do Ministério de Defesa Britânico, no final da década dos 1940s e princípios dos 1950s.

O primeiro CI foi desenvolvido em 1958 pelo engenheiro Jack Kilby (1923-2005) poucos meses após ter sido contratado pela assinatura Texas Instruments. Tratava-se de um dispositivo de germanio que integrava seis transistores em uma mesma base semiconductora para formar um oscilador de rotação de fase.

No ano 2000 Kilby foi galardoado com o Prêmio Nobel de Física pela contribuição de sua invento ao desenvolvimento da tecnologia da informação.

Os circuitos integrados encontram-se em todos os aparelhos electrónicos modernos, como automóveis, televisores, reprodutores de CD, reprodutores de Mp3, telefones móveis, etc.

O desenvolvimento dos circuitos integrados foi possível graças a descobertas experimentales que demonstraram que os semiconductores podem realizar algumas das funções das válvulas de vazio.

A integração de grandes quantidades de diminutos transistores em pequenos chips foi um enorme avanço sobre a montagem manual dos canos de vazio (válvulas) e fabricação de circuitos utilizando componentes discretos.

A capacidade de produção em massa de circuitos integrados, sua confiabilidad e a facilidade de agregar-lhes complexidade, impôs a estandardização dos circuitos integrados em lugar de desenhos utilizando transistores discretos que cedo deixaram obsoletas às válvulas ou canos de vazio.

Existem duas vantagens importantes que têm os circuitos integrados sobre os circuitos convencionais construídos com componentes discretos: seu baixo custo e seu alto rendimento. O baixo custo é como os CI são fabricados sendo impressos como uma sozinha peça por fotolitografía a partir de uma oblea de silício, permitindo a produção em corrente de grandes quantidades com uma taxa de defeitos muito baixa. O alto rendimento deve-se a que, devido à miniaturización de todos seus componentes, o consumo de energia é consideravelmente menor, a iguais condições de funcionamento.

Avanços nos circuitos integrados

Os avanços que fizeram possível o circuito integrado têm sido, fundamentalmente, os desenvolvimentos na fabricação de dispositivos semiconductores em meados do século XX e as descobertas experimentales que mostraram que estes dispositivos podiam substituir as funções das válvulas ou canos de vazio, que se voltaram rapidamente obsoletos ao não poder competir com o pequeno tamanho, o consumo de energia moderado, os tempos de conmutación mínimos, a confiabilidad, a capacidade de produção em massa e a versatilidad dos CI.

Entre os circuitos integrados mais avançados encontram-se os microprocesadores, que controlam tudo desde computadores até telefones móveis e fornos microondas. Os chips de memórias digitais são outra família de circuitos integrados que são de importância crucial para a moderna sociedade da informação. Enquanto o custo de desenhar e desenvolver um circuito integrado complexo é bastante alto, quando se reparte entre milhões de unidades de produção o custo individual dos CIs pelo geral se reduz ao mínimo. A eficiência dos CI é alta como o pequeno tamanho dos chips permite curtas conexões que possibilitam a utilização de lógica de baixo consumo (como é o caso de CMOS ) em altas velocidades de conmutación.

Com o transcurso dos anos, os CI estão constantemente migrando a tamanhos mais pequenos com melhores características, permitindo que maior quantidade de circuitos sejam empacotados na cada chip (se veja a lei de Moore). Ao mesmo tempo que o tamanho se comprime, praticamente tudo se melhora (o custo e o consumo de energia diminuem ao mesmo tempo que aumenta a velocidade). Ainda que estes ganhos são aparentemente para o utente final, existe uma feroz concorrência entre os fabricantes para utilizar geometrias a cada vez mais delgadas. Este processo, e o esperado processo nos próximos anos, está muito bem descrito pela International Technology Roadmap for Semiconductors, ou ITRS.

Popularidade dos CI

Só tem trascurrido meio século desde que se iniciou seu desenvolvimento e os circuitos integrados se voltaram quase omnipresentes. Computadores, telefones móveis e outras aplicações digitais são agora partes inextricables das sociedades modernas. A informática, as comunicações, a manufactura e os sistemas de transporte, incluindo Internet, todos dependem da existência dos circuitos integrados. De facto, muitos estudiosos pensam que a revolução digital causada pelos circuitos integrados é um dos acontecimentos mais significativos da história da humanidade.

Tipos

Existem três tipos de circuitos integrados:

Circuitos monolíticos: Estão fabricados em um sozinho monocristal, habitualmente de silício, mas também existem em germanio , arseniuro de galio, silício-germanio, etc.
Circuitos híbridos de capa fina: São muito similares aos circuitos monolíticos, mas, ademais, contêm componentes difíceis de fabricar com tecnologia monolítica. Muitos conversores A/D e conversores D/A fabricaram-se em tecnologia híbrida até que os progressos na tecnologia permitiram fabricar resistências precisas.
Circuitos híbridos de capa grossa: Apartam-se bastante dos circuitos monolíticos. De facto costumam conter circuitos monolíticos sem cápsula (dizes), transistores, diodos, etc, sobre um sustrato dieléctrico, interconectados com pistas condutoras. As resistências depositam-se por serigrafía e ajustam-se fazendo-lhes cortes com laser. Todo isso se encapsula, tanto em cápsulas plásticas como metálicas, dependendo da disipación de potência que precisem. Em muitos casos, a cápsula não está "moldada", senão que simplesmente consiste em uma resina epoxi que protege o circuito. No mercado encontram-se circuitos híbridos para módulos de RF, fontes de alimentação, circuitos de ignição para automóvel, etc.

Classificação

Atendendo ao nível de integração - número de componentes - os circuitos integrados classificam-se em:

SSI (Small Scale Integration) pequeno nível: de 10 a 100 transistores
MSI (Medium Scale Integration) médio: 101 a 1.000 transistores
LSI (Large Scale Integration) grande: 1.001 a 10.000 transistores
VLSI (Very Large Scale Integration) muito grande: 10.001 a 100.000 transistores
ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande: 100.001 a 1.000.000 transistores
GLSI (Giga Large Scale Integration) giga grande: mais de um milhão de transistores

Quanto às funções integradas, os circuitos classificam-se em dois grandes grupos:

Circuitos integrados analógicos.

Podem constar desde simples transistores encapsulados juntos, sem união entre eles, até dispositivos completos como amplificadores, osciladores ou inclusive receptores de rádio completos.

Circuitos integrados digitais.

Podem ser desde básicas portas lógicas (E, Ou, NÃO) até os mais complicados microprocesadores ou microcontroladores.

Estes são desenhados e fabricados para cumprir uma função específica dentro de um sistema. Em general, a fabricação dos CI é complexa já que têm uma alta integração de componentes em um espaço muito reduzido de forma que chegam a ser microscópicos. No entanto, permitem grandes simplificações com respecto os antigos circuitos, além de uma montagem mais rápida.

Limitações dos circuitos integrados

Existem certos limites físicos e económicos ao desenvolvimento dos circuitos integrados. Basicamente, são barreiras que se vão afastando ao melhorar a tecnologia, mas não desaparecem. As principais são:

Disipación de potência-Evacuação do calor

Os circuitos eléctricos dissipam potência. Quando o número de componentes integrados em um volume dado cresce, as exigências quanto a disipación desta potência, também crescem, aquecendo o sustrato e degradando o comportamento do dispositivo. Ademais, em muitos casos é um sistema de realimentación positiva, de modo que quanto maior seja a temperatura, mais corrente conduzem, fenómeno que se costuma chamar "embalamiento térmico" e, que se não se evita, chega a destruir o dispositivo. Os amplificadores de audio e os reguladores de tensão são proclives a este fenómeno, pelo que costumam incorporar protecções térmicas.

Os circuitos de potência, evidentemente, são os que mais energia devem dissipar. Para isso sua cápsula contém partes metálicas, em contacto com a parte inferior do chip, que servem de conduto térmico para transferir o calor do chip ao disipador ou ao ambiente. A redução de resistividad térmica deste conduto, bem como das novas cápsulas de compostos de silicona , permitem maiores disipaciones com cápsulas mais pequenas.

Os circuitos digitais resolvem o problema reduzindo a tensão de alimentação e utilizando tecnologias de baixo consumo, como CMOS. Ainda assim nos circuitos com mais densidade de integração e elevadas velocidades, a disipación é um dos maiores problemas, se chegando a utilizar experimentalmente certos tipos de criostatos. Precisamente a alta resistividad térmica do arseniuro de galio é seu talón de Aquiles para realizar circuitos digitais com ele.

Capacidades e autoinducciones parásitas

Este efeito refere-se principalmente às conexões eléctricas entre o chip, a cápsula e o circuito onde vai montada, limitando sua frequência de funcionamento. Com pastillas mais pequenas reduz-se a capacidade e a autoinducción delas. Nos circuitos digitais excitadores de autocarros, geradores de relógio, etc, é importante manter a impedancia das linhas e, ainda mais, nos circuitos de rádio e de microondas .

Limites nos componentes

Os componentes disponíveis para integrar têm certas limitações, que diferem das de suas contrapartidas discretas.

Resistências. São indeseables por precisar uma grande quantidade de superfície. Por isso só se usam valores reduzidos e em tecnologias MOS se eliminam quase totalmente.
Condensadores. Só são possíveis valores muito reduzidos e a costa de muita superfície. Como exemplo, no amplificador operacional μA741, o condensador de estabilização vem a ocupar um quarto do chip.
Bobinas. Usam-se comummente em circuitos de radiofrequência, sendo híbridos muitas vezes. Em general não se integram.

Densidade de integração

Durante o processo de fabricação dos circuitos integrados vão-se acumulando os defeitos, de maneira que verdadeiro número de componentes do circuito final não funcionam correctamente. Quando o chip integra um número maior de componentes, estes componentes defeituosos diminuem a proporção de chips funcionais. É por isso que em circuitos de memórias, por exemplo, onde existem milhões de transistores, se fabricam mais dos necessários, de maneira que se pode variar a interconexión final para obter a organização especificada.