Circuito integrado ( IC , IC, inglés IC ); microcircuito , m / s , chip ( ing. chip : "placa delgada": originalmente el término se refería a una placa de cristal de microcircuito ) - dispositivo microelectrónico - un circuito electrónico de complejidad arbitraria (cristal) hecho sobre un sustrato semiconductor ( oblea o película) y colocado en una carcasa no separable o sin ella en el caso de inclusión en el microconjunto [1].
La mayoría de los microcircuitos se fabrican en paquetes de montaje superficial .
A menudo, un circuito integrado (IC) se entiende como un cristal o una película con un circuito electrónico, y un microcircuito (MC) es un IC encerrado en una caja. Al mismo tiempo, la expresión componentes de chip significa " componentes para montaje en superficie " (a diferencia de componentes para soldar a través de orificios en la placa ).
El 7 de mayo de 1952, el ingeniero de radio británico Geoffrey Dummer propuso por primera vez la idea de combinar muchos componentes electrónicos estándar en un cristal semiconductor monolítico . La implementación de estas propuestas en esos años no pudo llevarse a cabo debido al insuficiente desarrollo de la tecnología.
A fines de 1958 y en la primera mitad de 1959, se produjo un gran avance en la industria de los semiconductores. En 1959, Eduard Keondjian desarrolló el primer prototipo de circuito integrado. [2] [3] [4] [5] Tres hombres que representaban a tres corporaciones estadounidenses privadas resolvieron tres problemas fundamentales que impedían la creación de circuitos integrados. Jack Kilby de Texas Instruments patentó el principio de fusión, creó los primeros prototipos de circuitos integrados imperfectos y los llevó a la producción en masa. Kurt Lehovec de Sprague Electric Company inventó un método para aislar eléctricamente componentes formados en un solo chip semiconductor ( aislamiento de unión pn ) . Robert Noyce de Fairchild Semiconductor inventó un método para conectar eléctricamente componentes IC ( recubrimiento de aluminio ) y propuso una versión mejorada de aislamiento de componentes basada en la última tecnología plana de Jean Hoerni . El 27 de septiembre de 1960, el grupo de Jay Last creó el primer circuito integrado de semiconductor viable en Fairchild Semiconductor basado en las ideas de Noyce y Ernie. Texas Instruments , propietaria de la patente de la invención de Kilby, lanzó una guerra de patentes contra sus competidores, que terminó en 1966 con un acuerdo de resolución sobre licencias cruzadas de tecnología .
Los primeros circuitos integrados lógicos de esta serie se construyeron literalmente a partir de componentes estándar , cuyos tamaños y configuraciones fueron establecidos por el proceso tecnológico. Los ingenieros de circuitos que diseñaron circuitos integrados lógicos de una familia en particular operaron con los mismos diodos y transistores típicos. En 1961-1962. El paradigma del diseño fue roto por el diseñador líder de Sylvania , Tom Longo , quien fue pionero en el uso de diferentes configuraciones de transistores en un solo IC , dependiendo de su función en el circuito. A fines de 1962, Sylvania lanzó la primera familia de lógica transistor-transistor (TTL) de Longo, históricamente el primer tipo de lógica integrada que logró hacerse un hueco permanente en el mercado. En circuitos analógicos , Bob Widlar , diseñador de amplificadores operacionales de Fairchild , hizo un avance de este nivel en 1964-1965 .
El primer microcircuito en la URSS se creó en 1961 en el TRTI (Instituto de Ingeniería de Radio de Taganrog) bajo la dirección de LN Kolesov [6] . Este evento atrajo la atención de la comunidad científica del país, y TRTI fue aprobado como líder en el sistema del Ministerio de Educación Superior en el problema de crear equipos microelectrónicos de alta confiabilidad y automatizar su producción. El propio L. N. Kolesov fue nombrado Presidente del Consejo de Coordinación para este problema.
El primero en el circuito integrado híbrido de película gruesa de la URSS (serie 201 "Tropa") se desarrolló en 1963-65 en el Instituto de Investigación de Tecnología de Precisión (" Angstrem "), producción en serie desde 1965. Especialistas del NIEM (ahora Argon Research Institute ) participaron en el desarrollo [7] [8] .
El primer circuito integrado de semiconductores en la URSS se creó sobre la base de tecnología planar , desarrollado a principios de 1960 en NII-35 (luego renombrado NII "Pulsar" ) por un equipo, que luego fue transferido a NIIME (" Micron ") . La creación del primer circuito integrado de silicio doméstico se centró en el desarrollo y la producción con aceptación militar de una serie de circuitos integrados de silicio TS-100 (37 elementos, el equivalente a la complejidad del circuito de un disparador , un análogo de los circuitos integrados estadounidenses de la serie SN - 51 de Texas Instruments ). Prototipos y muestras de producción de circuitos integrados de silicio para reproducción se obtuvieron de EE. UU. El trabajo se llevó a cabo en NII-35 (director Trutko) y la Planta de Semiconductores Fryazinsky (director Kolmogorov) bajo una orden de defensa para su uso en un altímetro autónomo de un sistema de guía de misiles balísticos . El desarrollo incluyó seis circuitos planos de silicio integrados típicos de la serie TS-100 y, con la organización de la producción piloto, tomó tres años en NII-35 (de 1962 a 1965). Se necesitaron otros dos años para dominar la producción en fábrica con aceptación militar en Fryazino (1967) [9] .
Paralelamente, se llevó a cabo el trabajo en el desarrollo de un circuito integrado en la Oficina Central de Diseño en la Planta de Dispositivos Semiconductores de Voronezh (ahora JSC NIIET ). En 1965, durante una visita a VZPP del Ministro de Industria Electrónica A.I. Shokin, se instruyó a la planta para que realizara un trabajo de investigación sobre la creación de un circuito monolítico de silicio: R & D "Titan" (Orden del Ministerio No. 92 del 16 de agosto , 1965), que se completó antes de lo previsto a finales de año. El tema se presentó con éxito a la Comisión Estatal, y una serie de 104 circuitos lógicos de diodo-transistor se convirtió en el primer logro fijo en el campo de la microelectrónica de estado sólido, que se reflejó en la orden del Ministerio de Desarrollo Económico del 30 de diciembre. 1965 N° 403 [10] [11] .
Dependiendo del grado de integración, se utilizan los siguientes nombres de circuitos integrados:
Anteriormente, ahora también se usaban nombres obsoletos: un circuito integrado de ultra gran escala (ULSI): de 1 a 10 millones a mil millones de elementos en un cristal [12] [13] y, a veces, un circuito integrado giga-grande ( GBIC): más de mil millones de elementos en un cristal. Actualmente, en la década de 2010, los nombres "UBIS" y "GBIS" prácticamente no se utilizan, y todos los microcircuitos con más de 10 mil elementos se clasifican como VLSI.
Circuitos integrados analógicos : las señales de entrada y salida varían como una función continua de tensión de alimentación positiva a negativa.
Microcircuitos digitales : las señales de entrada y salida pueden tener dos valores: un cero lógico o uno lógico, cada uno de los cuales corresponde a un cierto rango de voltaje. Por ejemplo, para microcircuitos de tipo TTL con una tensión de alimentación de +5 V, el rango de tensión de 0 ... 0,4 V corresponde a un cero lógico, y el rango de 2,4 a 5 V corresponde a uno lógico; para chips lógicos ESL con una tensión de alimentación de -5,2 V, el rango de -0,8 a -1,03 V es una unidad lógica y de -1,6 a -1,75 V es un cero lógico.
Los circuitos integrados de analógico a digital combinan formas de procesamiento de señales digitales y analógicas , como un amplificador de señal y un convertidor de analógico a digital .
Un circuito integrado puede tener una funcionalidad completa y arbitrariamente compleja, hasta una microcomputadora completa ( microcomputadora de un solo chip ).
El ( micro ) circuito integrado analógico ( AIS , AIMS ) es un circuito integrado cuyas señales de entrada y salida cambian según la ley de una función continua (es decir, son señales analógicas ).
En 1958 , Texas Instruments en los EE . UU. creó una muestra de laboratorio de un circuito integrado analógico . Era un generador de cambio de fase . En 1962, apareció la primera serie de microcircuitos analógicos: SN52. Tenía un amplificador de baja frecuencia de baja potencia , un amplificador operacional y un amplificador de video [14] .
En la URSS, se obtuvo una gran variedad de circuitos integrados analógicos a fines de la década de 1970. Su uso hizo posible aumentar la confiabilidad de los dispositivos, simplificar la configuración del equipo y, a menudo, incluso eliminar la necesidad de mantenimiento durante la operación [15] .
A continuación se muestra una lista parcial de dispositivos cuyas funciones pueden ser realizadas por circuitos integrados analógicos. A menudo, un microcircuito reemplaza a varios de ellos a la vez (por ejemplo, K174XA42 contiene todos los nodos de un receptor de radio FM superheterodino [16] ).
Los microcircuitos analógicos se utilizan en equipos de amplificación y reproducción de sonido, en grabadoras de video , televisores , tecnología de comunicaciones, instrumentos de medición, computadoras analógicas , fuentes de alimentación secundarias , etc.
En computadoras analógicasUn circuito integrado digital (digital circuit) es un circuito integrado diseñado para convertir y procesar señales que cambian según la ley de una función discreta .
Los circuitos integrados digitales se basan en interruptores de transistores que pueden estar en dos estados estables: abierto y cerrado. El uso de interruptores de transistores permite crear varios circuitos lógicos, disparadores y otros circuitos integrados. Los circuitos integrados digitales se utilizan en dispositivos discretos de procesamiento de información para computadoras electrónicas ( computadoras ), sistemas de automatización, etc.
Los circuitos integrados digitales tienen una serie de ventajas sobre los analógicos:
El circuito integrado analógico a digital (microcircuito analógico a digital) es un circuito integrado diseñado para convertir señales que cambian según la ley de una función discreta en señales que cambian según la ley de una función continua , y viceversa.
A menudo, un microcircuito realiza las funciones de varios dispositivos a la vez (por ejemplo, los ADC de aproximación sucesiva contienen un DAC, por lo que pueden realizar conversiones bidireccionales). Lista de dispositivos (incompleta), cuyas funciones pueden ser realizadas por circuitos integrados de analógico a digital:
El elemento principal de los microcircuitos analógicos son los transistores ( bipolares o de campo ). La diferencia en la tecnología de fabricación de transistores afecta significativamente las características de los microcircuitos. Por lo tanto, la tecnología de fabricación a menudo se indica en la descripción del microcircuito para enfatizar las características generales de las propiedades y capacidades del microcircuito. Las tecnologías modernas combinan tecnologías de transistores bipolares y de efecto de campo para lograr un mejor rendimiento del chip.
Niveles de diseño:
tanto como
Actualmente (2022), la mayoría de los circuitos integrados se diseñan utilizando sistemas CAD especializados , que permiten automatizar y agilizar significativamente los procesos de producción , por ejemplo, obteniendo fotomáscaras topológicas.
Actualmente, los microcircuitos analógicos son fabricados por muchas empresas: Analog Devices , Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments, etc.
La transición a tamaños submicrométricos de elementos integrales complica el diseño de AIMS. Por ejemplo, los MOSFET con una longitud de puerta corta tienen una serie de características que limitan su uso en bloques analógicos: un alto nivel de ruido de parpadeo de baja frecuencia ; una fuerte dispersión del voltaje de umbral y la pendiente, lo que lleva a la aparición de un gran voltaje de compensación de amplificadores diferenciales y operacionales ; baja resistencia de baja señal de salida y amplificación de cascadas con carga activa ; bajo voltaje de ruptura de las uniones pn y la brecha entre el drenaje y la fuente , lo que provoca una disminución en el voltaje de suministro y una disminución en el rango dinámico [22] .
Tecnologías por tipo de lógica:
Usando el mismo tipo de transistores, se pueden construir microcircuitos usando diferentes metodologías, como estática o dinámica .
Las tecnologías CMOS y TTL (TTLSh) son las lógicas de chip más comunes. Donde es necesario ahorrar consumo de corriente se utiliza tecnología CMOS, donde la velocidad es más importante y no se requiere consumo de energía se utiliza tecnología TTL. El punto débil de los microcircuitos CMOS es la vulnerabilidad a la electricidad estática : basta con tocar la salida del microcircuito con la mano y su integridad ya no está garantizada. Con el desarrollo de las tecnologías TTL y CMOS, los microcircuitos se acercan en términos de parámetros y, como resultado, por ejemplo, la serie 1564 de microcircuitos se fabrica utilizando tecnología CMOS, y la funcionalidad y la ubicación en la carcasa son similares a las de TTL. tecnología.
Los chips fabricados con tecnología ESL son los más rápidos, pero también los que consumen más energía, y se utilizaron en la producción de tecnología informática en los casos en que el parámetro más importante era la velocidad de cálculo. En la URSS, las computadoras más productivas del tipo ES106x se fabricaron con microcircuitos ESL. Ahora bien, esta tecnología rara vez se utiliza.
Microcircuito semiconductor: todos los elementos y las conexiones entre elementos se realizan en un cristal semiconductor (sustrato).
Sustrato : generalmente una oblea semiconductora de un solo cristal , diseñada para crear películas , heteroestructuras y hacer crecer capas de un solo cristal mediante el proceso de epitaxia ( heteroepitaxia , homoepitaxia , endotaxia ), cristalización , etc. [23] Silicio , germanio , arseniuro de galio , vidrio - cerámica [24] ] , el zafiro es uno de los materiales para sustratos de microcircuitos.
En la fabricación de microcircuitos se utiliza el método de la fotolitografía (proyección, contacto, etc.), mientras que el circuito se forma sobre un sustrato (normalmente silicio ) obtenido cortando monocristales de silicio en delgadas obleas con discos de diamante. Debido a la pequeñez de las dimensiones lineales de los elementos de los microcircuitos, se abandonó el uso de luz visible e incluso radiación ultravioleta cercana durante la iluminación.
Como característica del proceso de producción del microchip , las dimensiones mínimas controladas de la topología del fotorrepetidor (ventanas de contacto en óxido de silicio, ancho de puerta en transistores, etc.) y, en consecuencia, las dimensiones de los transistores (y otros elementos) en un chip se indican. Este parámetro, sin embargo, es interdependiente con una serie de otras posibilidades de producción: la pureza del silicio obtenido, las características de los inyectores, los métodos de fotolitografía, métodos de grabado y pulverización catódica .
En la década de 1970, el tamaño mínimo controlable de los microcircuitos producidos en masa era de 2-8 µm , en la década de 1980 se redujo a 0,5-2 µm [25] .
En la década de 1990, debido a una nueva ronda de "guerras de plataformas", los métodos experimentales comenzaron a introducirse en la producción y se mejoraron rápidamente: a principios de la década de 1990, los procesadores (por ejemplo, los primeros Pentium y Pentium Pro ) se fabricaron usando 0.5-0.6 tecnología de micras (500-600 nm), luego la tecnología alcanzó 250-350 nm. Los siguientes procesadores ( Pentium II , K 6-2 +, Athlon ) ya se fabricaban con tecnología de 180 nm. En 2002-2004 se dominaron los procesos de fabricación de 90 nm (Winchester AMD 64, Prescott Pentium 4) [25] .
Los siguientes procesadores se fabricaron utilizando luz ultravioleta ( láser excimer ArF , longitud de onda 193 nm). En promedio, la introducción de nuevos procesos técnicos por parte de los líderes de la industria según el plan ITRS se produjo cada 2 años, mientras se duplicaba el número de transistores por unidad de área: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011) [ 26] [27] , 14 nm (2014) [28] , 10 nm (2018), 5 nm (2020), 3 nm (2022) [29] .
En 2015, hubo estimaciones de que la introducción de nuevos procesos técnicos se ralentizará [30] .
Para controlar la calidad de los circuitos integrados se utilizan mucho las denominadas estructuras de prueba .
Los microcircuitos analógicos y digitales se producen en serie. Una serie es un conjunto de microcircuitos que tienen un único diseño y diseño tecnológico y están destinados a un uso conjunto. Los microcircuitos de la misma serie, por regla general, tienen los mismos voltajes de las fuentes de alimentación, se combinan en términos de resistencias de entrada y salida, niveles de señal.
Una carcasa de microcircuito es una estructura diseñada para proteger el cristal del microcircuito de influencias externas, así como para la conveniencia de montar el microcircuito en un circuito electrónico. Contiene el propio cuerpo hecho de material dieléctrico (plástico, menos a menudo cerámica), un conjunto de conductores para la conexión eléctrica del cristal con circuitos externos por medio de cables , marcado.
Hay muchas opciones para paquetes de microcircuitos, que difieren en la cantidad de pines de microcircuitos, el método de montaje y las condiciones de funcionamiento. Para simplificar la tecnología de montaje, los fabricantes de microcircuitos están tratando de unificar los paquetes mediante el desarrollo de estándares internacionales.
A veces, los microcircuitos se producen en un diseño sin marco, es decir, un cristal sin protección. Los chips sin paquete generalmente están diseñados para montarse en un microensamblaje híbrido. Para productos masivos baratos, es posible el montaje directo en una placa de circuito impreso .
Intel fue el primero en fabricar un microcircuito que realizaba las funciones de un microprocesador ( microprocesador en inglés ) - Intel 4004 . Basado en los microprocesadores 8088 y 8086 mejorados , IBM lanzó sus conocidas computadoras personales .
El microprocesador forma el núcleo de la computadora, las funciones adicionales, como la comunicación con los periféricos , se realizaron utilizando conjuntos de chips especialmente diseñados ( chipset ). Para las primeras computadoras , el número de chips en los conjuntos se estimaba en decenas y centenas; en los sistemas modernos, este es un conjunto de uno, dos o tres chips. Recientemente, ha habido tendencias de transferencia gradual de funciones del conjunto de chips (controlador de memoria, controlador de bus PCI Express ) al procesador.
Los microprocesadores con memoria RAM y ROM incorporadas, controladores de memoria y E/S y otras funciones adicionales se denominan microcontroladores .
En 2017, el mercado global de circuitos integrados se estimó en $700 mil millones [31]
Los principales productores y exportadores están en Asia: Singapur ($115 mil millones), Corea del Sur ($104 mil millones), China ($80,1 mil millones) y Malasia ($55,7 mil millones). El mayor exportador europeo es Alemania (1.400 millones de dólares), el estadounidense es EE. UU. (28.900 millones de dólares). Los mayores importadores son China ($207 mil millones), Hong Kong ($168 mil millones), Singapur ($57,8 mil millones), Corea del Sur ($38,6 mil millones) y Malasia ($37,3 mil millones).
La legislación rusa proporciona protección legal para topologías de circuitos integrados. La topología de un circuito integrado es la disposición espacial-geométrica del conjunto de elementos de un circuito integrado y las conexiones entre ellos fijados en un soporte material (Artículo 1448 del Código Civil de la Federación Rusa ).
El autor de la topología del circuito integrado posee los siguientes derechos intelectuales:
El autor de la topología del circuito integrado también posee otros derechos, incluido el derecho a la remuneración por el uso de la topología del servicio.
El derecho exclusivo a la topología es válido por diez años. El titular del derecho durante este período podrá, si así lo desea, registrar la topología ante el Servicio Federal de Propiedad Intelectual, Patentes y Marcas . [32]
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