Circuito integrado ¿Qué son y para qué Sirven?
El Componente Integrado, es un diminuto dispositivo electrónico empleado para llevar a cabo una tarea electrónica particular, tal como la amplificación. Suele unirse con otros elementos para constituir un sistema más sofisticado y se produce a través de la impregnación de contaminantes en el silicio cristalino, que actúa como sustrato semiconductor, o mediante la unión del silicio con un rayo de corriente de electrones.
Indice de Contenido
Introducción
Se manufacturan múltiples circuitos integrados idénticos simultáneamente en una placa de unos pocos centímetros de diámetro. Posteriormente, dicha placa es fragmentada en circuitos integrados singulares llamados chips. En la Integración a Escala Extensa (LSI, siglas de Large-Scale Integration), aproximadamente 5.000 componentes, como transistores y resistencias, son combinados en un cuadrado de silicio que mide cerca de 1,3 cm por lado. Numerosos de estos circuitos integrados son capaces de ser acomodados en una placa de silicio que oscila entre 8 y 15 cm de diámetro.
La Integración a Escala Ultra Extensa posibilita la creación de un chip de silicio que alberga millones de elementos. Dichos elementos son conectados entre sí a través de capas delgadas de material semiconductor o de metal que se encuentran aisladas del resto del circuito mediante capas dieléctricas. Los chips, a su vez, se colocan en envoltorios que contienen conectores eléctricos exteriores con el fin de poder interconectarlos con otros circuitos o componentes.
Así se simplifica su incorporación a placas. En los últimos tiempos, la habilidad funcional de los circuitos integrados ha sido progresivamente mayor, al mismo tiempo que su costo ha disminuido. Estos avances han generado transformaciones radicales en la manufactura de dispositivos electrónicos, los cuales han aumentado significativamente tanto en capacidad funcional como en confiabilidad.
Gracias a los circuitos integrados es viable la manufactura de los microcomputadores o microordenadores. Si no existieran, los circuitos aislados y sus elementos ocuparían demasiado espacio para lograr un diseño compacto. Conocido también como chip, un circuito integrado convencional se compone de diversos componentes, como transistores, reóstatos y condensadores, que están fusionados en una única estructura de silicio. En los modelos más pequeños, los elementos del circuito pueden medir únicamente unos pocos cientos de átomos, lo que ha hecho posible la construcción de computadoras sofisticadas del tamaño de un cuaderno. Una placa de circuitos de una computadora corriente incluye una variedad de circuitos integrados conectados entre sí.
Asimismo, se ha logrado disminuir el tamaño de los equipos, reducir su complejidad física y su consumo energético, lo que ha sido especialmente beneficioso para la tecnología de los ordenadores o computadoras. Actualmente, una sola pieza de integración a escala muy grande (VLSI, acrónimo de Very Large Scale Integration) conocida como microprocesador puede llevar a cabo las funciones lógicas y aritméticas de una pequeña computadora, mientras que todas las funciones lógicas, aritméticas y de memoria pueden almacenarse en una sola placa de circuito impreso, o incluso en un solo chip. A este dispositivo se le conoce como microordenador o microcomputadora.
Los circuitos integrados han permitido el desarrollo de una amplia gama de productos en la electrónica de consumo, incluyendo calculadoras y computadoras personales, relojes digitales y videojuegos. Además, se han utilizado para mejorar y reducir los costos de muchos productos existentes, como los televisores, los receptores de radio y los equipos de alta fidelidad. Su uso se ha extendido ampliamente en diversos sectores, tales como la industria, la medicina, el control de tráfico aéreo y terrestre, el monitoreo ambiental y las comunicaciones.
Historia
El 15 de abril de 1949 marcó un hito en la historia de la ingeniería cuando el ingeniero alemán Werner Jacobi2 de Siemens AG presentó la primera solicitud de patente para circuitos integrados con dispositivos amplificadores de semiconductores. Aunque su aplicación industrial no fue registrada oficialmente.
La concepción de la integración de circuitos fue adelantada por el científico de radares Geoffrey Dummer (1909-2002), quien trabajaba para la Royal Radar Establishment del Ministerio de Defensa Británico a finales de la década de 1940 y principios de la década de 1950.
Jack S. Kilby, recién contratado por Texas Instruments, plasmó sus ideas iniciales sobre el circuito integrado en julio de 1958, logrando el primer ejemplo funcional el 12 de septiembre de 1958. En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, Kilby describió su innovador dispositivo como "un cuerpo de material semiconductor [...] en el que todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados". Este dispositivo de germanio integraba seis transistores en una misma base semiconductora para formar un oscilador de rotación de fase. La Fuerza Aérea de los Estados Unidos fue su primer cliente.
En el año 2000, Kilby fue honrado con el Premio Nobel de Física por su destacada contribución al avance tecnológico.
Robert Noyce desarrolló su propio circuito integrado, patentándolo unos seis meses más tarde. Además, solucionó algunos problemas prácticos presentes en el diseño de Kilby, como la interconexión de los componentes, simplificando la estructura del chip mediante la adición de metal en una capa final y la eliminación de algunas conexiones. Noyce, además de ser uno de los pioneros del circuito integrado, fue cofundador de Intel Corporation, uno de los principales fabricantes mundiales de circuitos integrados.
Hoy en día, los circuitos integrados son componentes fundamentales en una amplia gama de dispositivos electrónicos modernos, desde relojes y automóviles hasta computadoras y equipos médicos.
El desarrollo de los circuitos integrados se basó en descubrimientos experimentales que demostraron la capacidad de los semiconductores, especialmente los transistores, para realizar funciones anteriormente reservadas a las válvulas de vacío.
La integración de numerosos transistores en diminutos chips representó un gran avance sobre los métodos de ensamblaje manual utilizando válvulas de vacío y componentes discretos.
Los circuitos integrados ofrecen varias ventajas sobre los circuitos electrónicos construidos con componentes discretos, incluyendo menor costo, mayor eficiencia energética y tamaño reducido.
Los avances que hicieron posible los circuitos integrados se basaron en desarrollos en la fabricación de dispositivos semiconductores y en descubrimientos experimentales que demostraron su superioridad sobre las válvulas de vacío en términos de tamaño, consumo de energía, confiabilidad y capacidad de producción en masa.
Los microprocesadores y los chips de memoria digital son ejemplos destacados de circuitos integrados avanzados que desempeñan un papel crucial en la sociedad moderna.
A medida que avanza el tiempo, los circuitos integrados continúan evolucionando, haciéndose más pequeños, eficientes y potentes, lo que permite empaquetar más funciones en un mismo chip. Esta evolución está bien documentada en la International Technology Roadmap for Semiconductors.
Limitaciones de los circuitos integrados
Existen diversas barreras físicas y económicas que afectan el desarrollo de los circuitos integrados, y aunque la tecnología avanza, estas limitaciones persisten:
-
Disipación de potencia: A medida que aumenta el número de componentes integrados en un espacio dado, la disipación de potencia también aumenta, lo que puede provocar problemas de calentamiento y degradación del dispositivo. Esto es especialmente crítico en amplificadores de audio y reguladores de tensión, que pueden experimentar un fenómeno llamado "embalamiento térmico". Los circuitos de potencia requieren disipadores de calor eficientes para evitar daños.
-
Capacidades y autoinducciones parásitas: Estos efectos limitan la frecuencia de funcionamiento de los circuitos al afectar las conexiones eléctricas entre el chip, la cápsula y el circuito donde se montan. A medida que los componentes se hacen más pequeños, estas capacidades y autoinducciones parásitas se reducen, pero aún así pueden afectar a circuitos digitales y especialmente a circuitos de radio y microondas.
-
Límites en los componentes: Los componentes disponibles para la integración tienen limitaciones específicas. Por ejemplo, los resistores necesitan mucha superficie, por lo que se utilizan en valores reducidos o se eliminan en tecnologías MOS. Los condensadores ocupan mucho espacio y solo son posibles en valores muy reducidos. Los inductores se utilizan comúnmente en circuitos de radiofrecuencia pero rara vez se integran en los chips.
-
Densidad de integración: Durante el proceso de fabricación, se acumulan defectos, lo que significa que algunos componentes del circuito pueden no funcionar correctamente. A medida que aumenta el número de componentes integrados, también lo hace la probabilidad de que haya defectos, lo que puede afectar la proporción de chips funcionales. En circuitos complejos como las memorias, se fabrican más chips de los necesarios para compensar estos defectos y garantizar la producción de chips funcionales.
