viernes, 15 de octubre de 2010

Funciones de los Circuitos Integrados

El circuito integrado forma parte de la mayoría de las tarjetas electrónicas, cumpliendo una función fundamental para el correcto desempeño de esta.

El circuito integrado es utilizado para el desempeño de las funciones de los aparatos electrónicos como lo son:
   * Televisor
   * Microondas
   * Computadores
   * Equipos de sonido
   * Máquinas Industriales
   * Celulares

¿Cómo se fabrica un CI?

Diseño del Micro Circuito
La primera operación es el diseño del microcircuito, construir decenas de millones de transistores en un cuadrado de silicio, cada transistor ha de responder a la función asignada, cada combinación de grupo de transistores han de crear inversores, sumadores, decodificadores u otros.

Grabación
Durante de este paso la película de reserva que subsiste sobre superficie protege las regiones. Impidiendo que sean eliminados por los ácidos mordientes utilizados para la superficie de la oblea.

Adición de Extractos
Pasos de enmascaramiento y grabación van depositando menos materiales en el chip entre ellos se encuentran polisilicio, así como diversos óxidos y conductores metálicos de aluminio para impedir la formación de compuestos espurios.

Dopado
El dopado consiste en la adición deliberada de impurezas químicas como Boro o Arsénico a determinadas regiones de la oblea con el propósito de alterar el modo en que el Silicio de zona impurificada conduce la electricidad.

Interconexiones
Este último paso comienza con operaciones adicionales de enmascaramiento y grabación que abren una delgada capa de contactos eléctricos entre los extractos del chip.

¿De dónde provienen las obleas de silicio?
El silicio llega en una forma tan pura que sólo se permite un átomo de impureza por cada diez billones de átomos de silicio. En una atmósfera de gas inerte argón, el silicio se funde a 2.700 grados Fahrenheit dentro de crisoles desechables colocados en una ordenada línea de grandes hornos azules. Se añaden átomos de boro para aumentar su conductividad eléctrica. Sobre este caldo un aparato en forma de aguja hace descender una pequeña semilla de cristal de silicio, y después es jalada hacia arriba lentamente mientras esta da vueltas. Si todo sale bien, en las siguientes 72 horas, a medida que el silicio se enfríe para cristalizarse,  cada átomo de silicio se alineará en la posición adecuada y creará un solo cristal de silicio enorme de 4 pies de largo. Luego los enormes cristales cilíndricos se transportan de forma automatizada para reducirlos al diámetro cuadrado (8 pulgadas), luego serán sometidos a rayos x, tratamientos térmicos y otro tipo de procesos para simular las condiciones a las que el cliente podría someterlos. Después estos se cepillan de forma automática, para cortarse o aserrarse en trozos y luego en obleas. El aserrado se realiza con alambres de acero de alta tensión, cada uno del ancho de un cabello humano alrededor de tres tambores. Las cuchillas se mueven hacia adelante y hacia atrás arrastrando una mezcla de aceite y carborundo a lo largo del cristal del silicio, en siete horas, los grandes trozos de cristal se habrán rebanado nítidamente en obleas de 1/32 de pulgada de ancho. Un criterio importante de las obleas es que deben ser planas, de forma que los electrones cuenten con trayectorias uniformes para seguir.

Para la creación de los micrones o circuitos integrados, toma una gran cantidad de pulverización, pulido, calentamiento y limpieza para lograr una fabricación excelente.
Todos estos procesos de realizan sin la intervención de la mano humana, debido a que ésta es demasiado tosca para realizar este tipo de trabajo.
Dentro de las estaciones, pequeños brazos de metal empujan y jalan las obleas, mientras que otros brazos mecánicos parecen saludar con una precisión espectacular. Después de cada proceso las obleas son transportadas en cartuchos especiales que generalmente se mantienen sumergidos en el agua, para proteger sus superficies de contaminaciones.
Los cartuchos contenedores de las obleas son muy pesados, por lo cual un robot de alta tecnología se desplaza a lo largo de un riel y los levanta colocándolos en su siguiente estación.
Las obleas se limpian de forma química y mecánica, se inspeccionan visualmente bajo luces extremadamente brillantes y se reexaminan mediante rayos láser para verificar que no existan impurezas.
La creación de las obleas se realizan en cuartos llamados estéril. Se les denomina a los cuartos estériles de flujo laminar, es decir, partículas de un fluido o gas se mueven en capas paralelas,  en este caso significa que el aire en el cuarto estéril se mueve continuamente desde el techo hasta el piso, donde se extrae a través de rejillas. En estos cuartos el aire que fluye acarrea todo el material sucio. Una pequeña partícula de suciedad puede arruinar el microprocesador.
Para las personas que trabajan en estos cuartos estériles se ha creado un traje especial con el cual podrán desempeñarse sin preocupación alguna en estos sitios.
Mientras las diferentes máquinas y robots realizan sus diferentes procesos, las personas se encargan de monitorear cada proceso y que todas sus herramientas estén en correcto funcionamiento.
Para instalar los transistores en el circuito integrado, se basan en planos dibujados anteriormente, mapas hechos en tres dimensiones. La oblea se recubre con una sustancia llamada fotoresist, luego se coloca una mascarilla sobre la sustancia y se expone a la luz ultravioleta. Las partes del fotoresist que son alcanzadas por la luz UV forman un patrón enzima del dióxido de silicio. Cada circuito integrado sobre una oblea se espone de esta forma, y de aquí la oblea pasa a un microscopio de exploración de electrones, donde un técnico se asegura de que los patrones tengan el grosor correcto y que todo esté bien alineado.
Luego de estos procesos las obleas se llevan a grabar los circuitos. Los procesos de lito y de grabado se repiten una y otra vez. De esta forma, un circuito es construido con capas de distintos materiales. La prueba final se denomina ordenamiento, en la que una herramienta en forma de aguja revisa ligeramente los puntos de prueba.
Luego de hacer todas las revisiones ópticas y mecánicas, se procede  extraer todos los circuitos integrados de cada oblea, a esto se le llama como encapsulado, el circuito integrado se cubre con un sello epóxico, esto hará que el circuito en su parte interna no vuelva a ver la luz. Luego de finalizar esta etapa el circuito integrado está listo para instalarse y darle el uso que se necesite.

¿Cómo funcionan los Circuitos Integrados?

El circuito integrado SN74LS00N funciona principalmente gracias a unas compuertas lógicas denominadas NAND. Las cuales tienen como finalidad multiplicar negadamente, Por medio de este circuito integrado se pueden realizar todo tipo de osciladores.

¿Qué es una compuerta Lógica?

Es un dispositivo electrónico que consiste en una red de dispositivos interruptores que cumple las condiciones booleanas para el operador particular. Son esencialmente circuitos de conmutación integrados en un chip.
Las compuertas lógicas presentan diferentes tipos, pero en el circuito integrado SN74LS00N se maneja la compuerta NO-Y o más conocida como NAND, Estas puertas manejan dos entradas, y operan exactamente contraria a una compuerta AND, entregando una salida baja cuando todas sus entradas son altas y una salida alta mientras exista por lo menos un bajo en cualquiera de ellas.
La fórmula general de la compuerta NAND es:
Q = A*B  ó  Q = A y B Negado
Una compuerta NAND es equivalente a una compuerta AND seguida de un inversor.
LA compuerta NAND es uno de los dispositivos más versátiles y útiles, es posible implementar cualquier circuito lógico utilizando únicamente compuertas NAND como bloques fundamentales, estos circuitos son sin embargo más rápidos, operan frecuencias hasta de 100mhz. Tienen un rango de voltajes de operación más amplio, consumen menos corriente y poseen una impidencia de entrada más alta además son inmunes al ruido.

El circuito integrado SN74LS00N posee unas características de funcionamiento las cuales son:
   * Bajo poder de voltaje
   * Suicheo
   * Dos compuertas de entrada y un gatilleo
   * Varía su funcionamiento de acuerdo al usuario

En cuanto a las funciones integradas, los circuitos se clasifican en dos grandes grupos:
   *  Circuitos integrados analógicos.
Pueden constar desde simples transistores encapsulados juntos, sin unión entre ellos, hasta dispositivos completos como amplificadores, osciladores o incluso receptores de radio completos.

   *  Circuitos integrados digitales.
Pueden ser desde básicas puertas lógicas,  hasta los más complicados microprocesadores o microcontroladores.

Éstos son diseñados y fabricados para cumplir una función específica dentro de un sistema. En general, la fabricación de los CI es compleja ya que tienen una alta integración de componentes en un espacio muy reducido de forma que llegan a ser microscópicos. Sin embargo, permiten grandes simplificaciones con respecto los antiguos circuitos, además de un montaje más rápido.

Tipos de circuitos Integrados

Existen tres tipos de circuitos integrados:
Circuitos Monolíticos: Están fabricados en un solo mono cristal, habitualmente de
                                   silicio, pero también existen en germanio, arseniuro de galio,
                                   silicio-germanio, entre otros.

Circuitos Híbridos de Capa Fina: Son muy similares a los circuitos monolíticos, pero
                                                   además, contienen componentes difíciles de fabricar
                                                   con tecnología monolítica.

Circuitos Híbridos de Capa Gruesa: Se apartan bastante de los circuitos monolíticos.
                                                       De hecho suelen contener circuitos monolíticos
                                                       sin cápsula, transistores, diodos, etc, sobre un
                                                       sustrato dieléctrico, interconectados con pistas
                                                       conductoras. Las resistencias se depositan por
                                                       serigrafía y se ajustan haciéndoles cortes con
                                                       láser. Todo ello se encapsula, tanto en cápsulas
                                                       plásticas como metálicas, dependiendo de la
                                                       disipación de potencia que necesiten. En muchos
                                                       casos, la cápsula no está "moldeada", sino que
                                                       simplemente consiste en una resina epoxi que
                                                       protege el circuito. En el mercado se encuentran
                                                       circuitos híbridos para módulos de RF, fuentes
                                                       de alimentación, circuitos de encendido para
                                                       automóvil, etcétera.

¿Qué protege a los CI?

La pastilla del circuito integrado es muy delgada, está protegida dentro de un encapsulado de plástico o cerámica. El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre la pastilla y un circuito impreso. En ella se encuentran miles de dispositivos electrónicos interconectados, donde su mayoría son transistores, pero también incluye resistencias y capacitores. El área del circuito integrado puede ser de centímetros cuadrados o incluso inferior.
Este es un ejemplo de un circuito integrado:
El circuito integrado SN74LS00N es de forma rectangular, Las dimensiones que lo caracterizan son de largo 2cm, de espesor 0,5cm y de altura 0,3cm. El IC está compuesto por 14 pines y el largo de estos es de 0,5 cm. Los pines están hechos de un material semiconductor llamado silicio.

Un poco de Historia

Es en abril de 1949, cuando el ingeniero alemán Werner Jacobi completa la primera solicitud de patente para circuitos integrados (CI) con dispositivos amplificadores de semiconductores. Jacobi realizó una típica aplicación industrial para su patente, la cual no fue registrada.
El primer CI fue desarrollado en 1958 por el ingeniero Jack Kilby (1923-2005) pocos meses después de haber sido contratado por la firma Texas Instruments. Se trataba de un dispositivo de germanio que integraba seis transistores en una misma base semiconductora para formar un oscilador de rotación de fase.

En el año 2000 Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Física por la contribución de su invento al desarrollo de la tecnología de la información.
Los circuitos integrados se encuentran en todos los aparatos electrónicos modernos, como automóviles, televisores, reproductores de CD, reproductores de MP3, teléfonos móviles, etc.

El desarrollo de los circuitos integrados fue posible gracias a descubrimientos experimentales que demostraron que los semiconductores pueden realizar algunas de las funciones de las válvulas de vacío.
La integración de grandes cantidades de diminutos transistores en pequeños chips fue un enorme avance sobre el ensamblaje manual de los tubos de vacío (válvulas) y fabricación de circuitos utilizando componentes discretos.

Circuito Integrado (CI)

Un circuito integrado o en su forma abreviada "CI", es un pequeño circuito electrónico utilizado para realizar una función electrónica específica. Se combina por lo general con otros componentes para formar un sistema más complejo. Algunos de los circuitos integrados más avanzados son los microprocesadores que controlan múltiples artefactos: desde computadoras hasta electrodomésticose incluso también los celulares. Los avances que hicieron posible el circuito integrado han sido los desarrollos en la fabricación de dispositivos semiconductores a mediados del siglo XX y los descubrimientos experimentales que mostraron que estos dispositivos podían reemplazar las funciones de las válvulas o tubos de vacío, que se volvieron rápidamente obsoletos al no poder competir con el pequeño tamaño, el consumo de energía moderado, los tiempos de conmutación mínimos, la confiabilidad, la capacidad de producción en masa y la versatilidad de los CI.
Entre los circuitos integrados más avanzados se encuentran los microprocesadores, que controlan todo desde computadoras hasta celulares y microondas. Los chips de memorias digitales son otra familia de circuitos integrados  que son de importancia crucial para la moderna sociedad de la información. La eficiencia de los CI es alta debido a que el pequeño tamaño de los chips permite cortas conexiones que posibilitan la utilización de lógica de bajo consumo  en altas velocidades de conmutación.