Circuito integrado

Um circuito integrado, também conhecido como chip, reúne componentes e ligações num semicondutor. Em 1949, Werner Jacobi apresentou um pedido de patente que descrevia vários estágios de amplificação num mesmo semicondutor. Os contadores dos anos 1950 e os trabalhos posteriores de Kilby e Noyce desenvolveram diferentes formas de integração.

O que é

Um circuito integrado reúne componentes eletrónicos numa pequena peça de material semicondutor, com as ligações necessárias para desempenharem uma função comum. O chip pode tratar sinais, guardar informação ou controlar uma temporização. A sua função depende dos componentes que contém e da forma como estão ligados. Os processadores são uma das suas aplicações. A integração reduz o número de peças a montar separadamente e as ligações a fazer entre elas.

O encapsulamento protege o chip e fornece terminais suficientemente grandes para o ligar a um aparelho. O NE555 é um temporizador atualmente comercializado, disponível na variante NE555P com encapsulamento PDIP de oito pinos. Este modelo é posterior ao protótipo de Kilby. Com resistências e condensadores externos, permite gerar um intervalo de tempo ou uma oscilação. O chip semicondutor fica dentro do encapsulamento fechado; o invólucro protege-o e dá acesso às suas ligações.

Como funciona

Os componentes são formados em determinadas regiões do semicondutor e ligados de acordo com um desenho previamente definido. Na estrutura planar proposta por Robert Noyce, pistas metálicas sobre uma camada de óxido estabelecem as ligações entre componentes. O óxido separa os condutores do silício nos locais onde não deve passar corrente entre ambos. Aberturas permitem o contacto nos pontos previstos. As ligações e o isolamento entre regiões dão aos elementos vizinhos uma função elétrica conjunta.

O entalhe permite orientar o encapsulamento de oito pinos ao consultar a distribuição dos terminais.

No NE555 em encapsulamento PDIP, o pino oito recebe a alimentação positiva, o pino um corresponde à massa e o pino três fornece a saída. No interior, comparadores vigiam as tensões e um circuito biestável conserva o estado que comanda a saída. Nas montagens de temporização, um condensador externo carrega ou descarrega. As variações da sua tensão determinam a mudança de estado. A duração depende, por isso, também dos componentes ligados em redor do chip.

Um encapsulamento fechado oculta o tamanho do chip e o número de componentes que contém. Dois dispositivos com a mesma forma podem ter funções e distribuições de pinos diferentes. Para identificar uma peça real, leia a referência e consulte a documentação correspondente do fabricante. Uma alimentação inadequada ou uma descarga eletrostática pode danificar o componente. Os limites elétricos indicados dizem respeito a um modelo concreto; para outro chip, é necessário consultar as especificações desse dispositivo.

Como fazer

Uma lâmina de silício, ou wafer, recebe sucessivamente camadas condutoras, isolantes ou semicondutoras. A fotolitografia transfere padrões para uma resina sensível à luz. As zonas delimitadas permitem tratar certas regiões enquanto outras ficam protegidas. As operações repetem-se, com controlos ao longo do processo, até se formarem as estruturas e as ligações do circuito.

Numa lâmina são fabricados numerosos circuitos, separados depois em chips individuais.

Alguns tratamentos alteram localmente as propriedades do semicondutor; outros acrescentam ou retiram material. As medições verificam os resultados durante o fabrico. Depois de concluídos os padrões, a lâmina é cortada em chips individuais, que recebem os seus encapsulamentos de proteção. A limpeza do ambiente conta: uma partícula depositada no local errado pode inutilizar um circuito.

Estes processos exigem instalações industriais preparadas para os produtos químicos e as máquinas que utilizam. Mantenha o encapsulamento intacto: não o abra, decape, aqueça nem desbaste. Para uma observação sem alimentação elétrica, examine o exterior e compare a orientação com o desenho do fabricante. Uma ampliação em papel permite seguir a ordem dos pinos sem mexer nas ligações internas. Durante a observação, o componente deve permanecer desligado de qualquer fonte de alimentação.

História e evolução

Em 1949, Werner Jacobi apresentou um pedido de patente que descrevia vários estágios de amplificação num mesmo semicondutor, com acoplamentos entre estágios. A patente foi publicada em 1952. Nesse ano, Geoffrey Dummer propôs publicamente um bloco eletrónico sólido sem fios de ligação.

Rick Dill contou mais tarde ter construído na IBM um contador com vários estados durante o verão de 1954, sob a direção de Joe Logue. Arthur D’Asaro situou no final de 1955 o funcionamento de um contador dos Bell Labs que reunia vários comutadores numa peça de silício. Estes testemunhos descrevem funções integradas especializadas.

Elementos de germânio unidos por finos fios de ouro: estas ligações dificultavam o fabrico em série.

A 12 de setembro de 1958, na Texas Instruments, Jack Kilby demonstrou um oscilador com elementos de germânio unidos por finos fios de ouro. O semicondutor podia fornecer elementos ativos e passivos. As ligações com fios dificultavam, porém, o fabrico em série.

Kilby apresentou o pedido de patente a 6 de fevereiro de 1959. Na Fairchild, Robert Noyce apoiou-se no processo planar de Jean Hoerni e propôs ligações metálicas sobre o óxido protetor do silício. Apresentou o seu pedido a 30 de julho de 1959. Uma equipa da Fairchild fabricou circuitos monolíticos funcionais em maio de 1960. Foi também necessário resolver o isolamento dos componentes entre si.

A Texas Instruments comercializou um dispositivo inicial em 1960, ainda limitado pelas ligações com fios. A solução planar permitiu depois a produção em série e continua na base do fabrico de circuitos integrados. Kilby e Noyce são reconhecidos como coinventores pelos seus diferentes contributos. Os chips passaram a equipar computadores e muitos outros aparelhos, com funções que vão muito além do cálculo realizado por um processador.