Circuito integrado

Componentes y conexiones en un chip

Fecha
1949
Época
Época moderna
Etapa
V Era eléctrica
Dificultad
Contenido
Leyenda
  1. 1Encapsulado aislante del temporizador NE555
  2. 2Muesca de orientación del encapsulado
  3. 3Terminal de alimentación positiva
  4. 4Terminal de masa
  5. 5Terminal de salida

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Un circuito integrado, también llamado chip, reúne componentes y conexiones sobre un semiconductor. En 1949, Werner Jacobi solicitó una patente que describía varias etapas de amplificación en un mismo semiconductor. Los contadores de los años cincuenta y los trabajos posteriores de Kilby y Noyce desarrollaron distintas formas de integración.

Qué es

Un circuito integrado reúne componentes electrónicos en una pequeña pieza de material semiconductor, junto con las conexiones que necesitan para cumplir una función común. El chip puede tratar señales, almacenar información o controlar una temporización. Su trabajo depende de los componentes que contiene y de cómo están conectados. Los procesadores son una de sus muchas aplicaciones. La integración reduce la cantidad de piezas que hay que montar por separado y las conexiones necesarias entre ellas.

El encapsulado protege el chip y ofrece terminales suficientemente grandes para conectarlo a un aparato. El NE555 es un temporizador que se comercializa en la actualidad, con una variante NE555P en encapsulado PDIP de ocho terminales. Este modelo es posterior al prototipo de Kilby. Con resistencias y condensadores externos permite generar un intervalo de tiempo o una oscilación. El chip semiconductor y la envoltura que lo protege son partes distintas del componente terminado.

Cómo funciona

Los componentes se forman en determinadas regiones del semiconductor y se conectan según un diseño previo. En la estructura planar propuesta por Robert Noyce, unas pistas metálicas situadas sobre una capa de óxido enlazan los componentes. El óxido separa los conductores del silicio donde no debe circular corriente entre ambos. Unas aberturas permiten establecer contacto en los puntos previstos. Para obtener un circuito utilizable, los elementos necesitan tanto conexiones como aislamiento entre sus distintas regiones.

Un encapsulado rectangular cerrado con una muesca y dos filas de cuatro terminales, apoyado en un trozo de cartón La muesca permite orientar el encapsulado de ocho terminales al consultar su distribución de conexiones.

En el NE555 con encapsulado PDIP, el terminal ocho recibe la alimentación positiva, el uno corresponde a masa y el tres proporciona la salida. En el interior, unos comparadores vigilan las tensiones y un biestable conserva el estado que controla la salida. En los circuitos de temporización, un condensador externo se carga o descarga. Los cambios de su tensión determinan cuándo cambia el estado. Por eso, la duración también depende de los componentes añadidos alrededor del chip.

Un encapsulado cerrado oculta el tamaño del chip y la cantidad de componentes que contiene. Dos piezas con la misma silueta pueden tener funciones y distribuciones de terminales diferentes. Para identificar un componente, lea su referencia y consulte la documentación correspondiente del fabricante. Una alimentación inadecuada o una descarga electrostática pueden dañarlo. Los límites eléctricos indicados para un modelo concreto deben consultarse para ese modelo, sin extenderlos al resto de los circuitos integrados.

Cómo hacerlo

Una oblea de silicio recibe sucesivas capas conductoras, aislantes o semiconductoras. La fotolitografía transfiere patrones a una resina sensible a la luz. Las zonas delimitadas permiten tratar unas regiones mientras otras quedan protegidas. La repetición de estas operaciones, acompañada de controles, construye las estructuras del circuito y los enlaces entre ellas.

Una oblea circular con una cuadrícula regular de chips repetidos y celdas parciales en el borde La oblea contiene numerosos circuitos que después se separan en chips individuales.

Algunos tratamientos modifican localmente las propiedades del semiconductor; otros añaden o retiran material. Durante el proceso se realizan mediciones para comprobar los resultados. Una vez terminados los patrones, la oblea se corta en chips individuales que reciben su encapsulado protector. La limpieza del entorno importa: una partícula en un punto inadecuado puede inutilizar un circuito.

Estos procesos requieren instalaciones industriales preparadas para sus productos químicos y sus máquinas. Mantenga el encapsulado intacto: no lo abra, decape, caliente ni rectifique. Para una observación sin alimentación eléctrica, examine el exterior y compare su orientación con el dibujo del fabricante. Un esquema ampliado sobre papel permite seguir el orden de los terminales sin acceder a las conexiones internas. El componente debe permanecer desconectado de cualquier fuente de alimentación durante esta observación.

Historia y evolución

En 1949, Werner Jacobi solicitó una patente que describía varias etapas de amplificación sobre un mismo semiconductor, con acoplamientos entre ellas. La patente se publicó en 1952. Ese mismo año, Geoffrey Dummer propuso públicamente un bloque electrónico sólido sin cables de unión.

Rick Dill relató años después que había construido un contador de varios estados en IBM durante el verano de 1954, bajo la dirección de Joe Logue. Arthur D’Asaro situó a finales de 1955 el funcionamiento de un contador de Bell Labs que reunía varios conmutadores en una pieza de silicio. Estos testimonios describen funciones integradas especializadas.

Una barrita delgada de germanio gris fijada sobre una pequeña placa de vidrio, con cuatro contactos dorados; finos hilos de oro forman arcos entre los contactos de la barrita y van de sus contactos extremos a cuatro pequeños contactos en las esquinas del vidrio Elementos de germanio unidos por finos hilos de oro: estas uniones dificultaban la fabricación en serie.

El 12 de septiembre de 1958, en Texas Instruments, Jack Kilby presentó un oscilador con elementos de germanio unidos por finos hilos de oro. Demostró que un semiconductor podía aportar elementos activos y pasivos. Las uniones por hilos dificultaban, sin embargo, la fabricación en serie.

Kilby solicitó su patente el 6 de febrero de 1959. En Fairchild, Robert Noyce se apoyó en el proceso planar de Jean Hoerni y propuso conexiones metálicas sobre el óxido protector del silicio. Presentó su solicitud el 30 de julio de 1959. Un equipo de Fairchild fabricó circuitos monolíticos funcionales en mayo de 1960. También hubo que resolver el aislamiento de los componentes entre sí.

Texas Instruments comercializó un dispositivo temprano en 1960, todavía limitado por las conexiones mediante hilos. La vía planar permitió después la fabricación en serie y sigue siendo la base de la producción de circuitos integrados. Kilby y Noyce son reconocidos como coinventores por aportaciones diferentes. Los chips pasaron a formar parte de los ordenadores y de muchos otros equipos, con funciones mucho más amplias que el cálculo de un procesador.


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