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3 1-los circuitos-integrados

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3 1-los circuitos-integrados

  1. 1. UTN REG. SANTA FE - ELECTRONICA I ING. ELECTRICA3-1- Los circuitos integrados---------------------------------------------------------------------------------------------------------___________________________________________________________________Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli1CAPITULO 3: AMPLIFICADOR DIFERENCIAL Y OPERACIONAL (3-1, 3-2,3-4)LOS CIRCUITOS INTEGRADOSUn circuito integrado, o también llamado circuito monolítico, esta construido sobre unapequeña porción de material “silicio”, ocupando un área que varia entre 1 a 5 mm2y unespesor de aprox. 0,25 mm. Dentro del mismo y sin variación de su estructura física omecánica, se crean miles de componentes semiconductores, destinados a llevar a cabodesde la “simple lógica combinacional”, pasando por “la amplificación analógica”,hasta la de generar las funciones lógicas muy complejas como la que se requieren en los“microprocesadores”.Estos circuitos, denominados “Chips”, no se fabrican en forma individual, sino que seprocesan por millares sobre obleas de silicio con diámetro que oscila entre 50 a 150 mmUna vez procesadas y probadas las obleas, se dividen en “Chips individuales” paraluego encapsularlos y realizarles las pruebas eléctricas finales.El proceso planarLa posibilidad de hacer circuitos integrados, se debe por completo al proceso “planar”,que, como su nombre lo indica, implica el procesamiento de un solo lado de la oblea desilicio. Este proceso esta compuesto de tres operaciones fundamentales: Oxidación,Difusión y mentalización.Oxidación:La superficie del silicio se oxida con facilidad a altas temperaturas para formar unadelgada capa aislante de oxido de silicio (O2 Si). Por medio de un protector fotográficoy técnicas selectivas de grabado se crean “ventanas” en el oxido, para exponer el áreadeseada de la superficie del silicio.Oxidación:A través de esas ventanas abiertas, que exponen al area interesada del silicio (el restode la superficie queda protegida por la mascarilla del oxido), se difunden impurezas deotro material, como por ejemplo el Boro para formar el semiconductor tipo “P” o elfósforo para generar el semiconductor tipo “N”. En este proceso las impurezas sepresentan en forma gaseosa sobre la oblea caliente, para facilitar la difusión. Estadifusión, de impurezas, se produce tanto en forma vertical hacia el interior de lasuperficie expuesta de silicio, como en forma lateral, formando una “juntura o unión”bajo el oxido protector. El enmascaramiento sucesivo, seguidos de las difusiones tipo“P” y tipo “N”, hacia el interior del silicio, produce estructuras verticales de diodos ytransistores.Este proceso de difusión, actualmente esta siendo reemplazado por la técnica de“implantación de iones”, donde los iones del contaminante, acelerados por un potencialeléctrico muy alto, penetran la superficie del cristal de silicio.Metalización:Una vez completadas todas las difusiones y formadas las estructuras del dispositivo, seconectan para configurar el circuito, mediante el metalizado de la superficie, con unadelgada capa de aluminio, seguido por grabado (como en la fabricación de circuitos
  2. 2. UTN REG. SANTA FE - ELECTRONICA I ING. ELECTRICA3-1- Los circuitos integrados---------------------------------------------------------------------------------------------------------___________________________________________________________________Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli2impresos pero a escala microscópica), para eliminar todo, excepto el patrón deinterconexión entre las estructuras (diodos, transistores, resistencias, capacitores).Por el proceso planar, es posible fabricar muchos tipos de componentes electrónicoscomo los diodos, transistores bipolares (BJT), transistores de efecto de campo (FET),resistores y condensadores. A la fecha, no se han podido fabricar con éxito inductoresintegrados. Los inductores se los puede simular con circuitos electrónicos especiales(giradores de impedancia).En el dibujo que sigue, vemos una sección, fuera de escala, de un transistor bipolar yuna resistencia integrada:Las estructuras integradas, como muestra la figura, se encuentran aisladas entre si. Elaislamiento es esencial en los circuitos integrados para minimizar la interacción nodeseada entre los componentes, lográndose de la siguiente forma: El punto de partida es,por lo general una oblea de silicio con contaminante tipo “P”, llamada sustrato. Sobreeste sustrato se hace crecer una capa”epitaxial” cristalina de silicio tipo “N”. Unadifusión “P+” profunda a través de la capa tipo N, se une al sustrato formando “pozos”tipo “N” que se aíslan unos de otros mediante la polarización inversa de sus uniones conel sustrato (el sustrato esta conectado al potencial mas negativo del circuito). En estos“pozos”, se fabrican los transistores, diodos, resistencias y capacitores. Veamos eldibujo esquemático de un capacitor integrado:p+pn+nn+p+p+np+Sustrato tipo P(Transistor BJT)E B C (Resistencia)Difusión de base pOxido desilicioCapa epitaxial tipo nAluminionSustrato tipo P
  3. 3. UTN REG. SANTA FE - ELECTRONICA I ING. ELECTRICA3-1- Los circuitos integrados---------------------------------------------------------------------------------------------------------___________________________________________________________________Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli3Transistores bipolares integradosLos BJT tipo npn se fabrican efectuando una difusión de base tipo P seguido de unadifusión de emisor tipo N+. Una combinación de tiempo, temperatura y concentraciónde contaminante, determina los perfiles de impurezas. La difusión N+, también se aplicaal area de contacto del colector, porque la metalización de aluminio, que hace lainterconexión, es una impureza tipo P (grupo 3) y de otra manera crearía una uniónrectificadora indeseable en el contacto.Además de los parámetros de difusión mencionados, el rendimiento de un BJT del tipoplanar, esta determinado por su geometría planar de superficie, es decir por lasmascarillas que abren las ventanas para realizar el proceso de difusión profunda en elsilicio. Si tenemos dos transistores con geometrías idénticas y se fabrican adyacentesuno del otro (próximos unos 0,1mm), están sujetos a condiciones de procesamientoprácticamente idénticas en términos de ganancia de corriente (β) y tensión base-emisor(VBE), para una determinada corriente de colector IC. Como los transistores están muycercanos desde el punto de vista térmico, sus parámetros variaran prácticamente en lamisma medida con la variación de la temperatura. A esta caracteristica se le denomina“comportamiento térmico”. En la practica los BJT tienen VBE coincidentes dentro delos 5 mV con menos de 10 µv /ºC de desviación y sus ganancias de corriente, β,coinciden dentro de un ± 10 %El dibujo siguiente, muestra un transistor integrado tipo “PNP”.n+Oxido desiliciop+(Capacitor)MetalizaciónaluminioP+CapaEpitaxial n
  4. 4. UTN REG. SANTA FE - ELECTRONICA I ING. ELECTRICA3-1- Los circuitos integrados---------------------------------------------------------------------------------------------------------___________________________________________________________________Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli4Es bastante mas difícil producir transistores bipolares PNP, en un procesoesencialmente NPN que esta controlado para producir valores de ganancia de corriente yvoltajes de ruptura para dispositivos NPN. Es posible utilizar el sustrato en unaestructura PNP vertical que combine el sustrato como colector, el pozo tipo N comobase y la difusión de base tipo P como emisor. Esta estructura tiene dos desventajas: Laregión de la base es mas bien ancha, lo que da un valor bajo de “β” , y el sustrato (elcolector del PNP) se debe conectar al potencial negativo del circuito a fin de lograr elaislamiento de los otros dispositivos.Se puede crear una estructura lateral para el transistor PNP, como la figura anterior,difundiendo al mismo tiempo el colector tipo P y el emisor (la difusión de base para losdispositivos NPN). Este transistor lateral, presenta un rendimiento pobre y variabledebido a las tolerancias de la mascarilla y procesamiento. Con frecuencia, los β no valenmás de 10. La ganancia en corriente de un transistor lateral PNP se puede mejorar si secombina con un transistor NPN de β alta como se muestra en el dibujo:Diodos integradospp pp+p+Capa epitaxial tipo nColector emisor baseSustrato tipo p Difusión de aislamiento
  5. 5. UTN REG. SANTA FE - ELECTRONICA I ING. ELECTRICA3-1- Los circuitos integrados---------------------------------------------------------------------------------------------------------___________________________________________________________________Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli5Se puede fabricar un diodo de juntura con voltaje de ruptura relativamente alto(≈30 volt) usando la juntura colector base de un BJT integrado. La difusión de emisorresulta innecesaria. Como alternativa, se puede usar la juntura base-emisor (BV≈7 volt)para aplicaciones de bajo voltaje o de diodo de ruptura. Ninguno es estos dispositivosiguala la caracteristica de entrada de un BJT, a la que se aproxima mucho más unajuntura base-emisor con el colector en corto con la base como muestra el dibujo:Este transistor conectado como diodo, se usa mucho en circuitos integrados tantolineales como digitales.Resistores integradosEl valor en Ohm de un resistor integrado se logra definiendo con cuidado la geometríade superficie de una difusión de base (o de emisor) que tiene una profundidad y unaresistividad controlada. El aislamiento de la región resistiva, lo proporciona lapolarización inversa de la juntura con el pozo del colector (o región de base). Ladifusión de emisor, con su baja resistividad, es la preferida para resistencias de bajovalor (10 a 10K ), mientras que la difusión de base, resulta apropiada pararesistencias de valores altos (hasta 50 K ).Los valores de las resistencias integradas se calculan mediante el concepto de“resistividad de hoja” : El material resistivo tiene una resistividad masiva ( ρ en ohm-cm) que relaciona la resistencia “R” con las dimensiones del resistor, longitud (l), ancho(w) y espesor (t)R = ρ. (l / w.t)Si se supone una geometría cuadrada (l = w) la resistencia entre caras opuestas vale:Rs = ρ. (l / l.t) = ρ / tDonde Rs se define como la resistividad de hoja (en Ohm por cuadrado), independientedel tamaño del cuadrado.Una resistencia de valor n . Rs, se logra empleando una forma de superficie con “n”cuadrados de largo, una razón de aspecto n:1(larga y delgada). En forma alternativa, unaresistencia menor que Rs, tiene una razón de aspecto menor que la unidad (corta yancha). En teoría, el ancho real de la resistencia carece de importancia pues lo único quecuenta es la razón de aspecto (para una Rs dada). En la practica, debido a limitacionesfotográficas, los anchos de los resistores no son menores que 0,025 mm(1milesima depulgada).ProblemaDetermine la longitud de un resistor integrado recto con difusión de base, con un valorde 8 K , si la resistividad de hoja de la difusión de base es de 200 Ohm por cuadrado.El ancho es de 25 µm.
  6. 6. UTN REG. SANTA FE - ELECTRONICA I ING. ELECTRICA3-1- Los circuitos integrados---------------------------------------------------------------------------------------------------------___________________________________________________________________Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli68000 / 200 /cuadrado 40 cuadrados40 . 25 µm = 1000 µmProblema:Calcular la razón de aspecto de un resistor de difusión de base con un valor de 50 . Laresistividad de hoja de difusión de base es de 200 /cuadrado200 / 50 = 4 → 1: 4 (corta y ancha)Debido a variaciones en los procesos, el valor absoluto de un resistor integrado tieneuna amplia tolerancia (±20%) pero a igual que los BJT fabricados muy cercanos entreellos, la tolerancia es de ±1% de desvío, del valor de diseño.Así mismo, aunque el valor de los resistores integrados varia con la temperatura (+0,2%/ ºC), los resistores físicamente adyacentes, tienen el mismo coeficiente de temperaturay están sujetos a la misma temperatura. El efecto de esta caracteristica es que, si bien losvalores de los resistores individuales están sujetos a variaciones de temperatura ytolerancias, las razones entre los valores de los resistores corresponden estrechamente auna geometría de diseño y permanecen constantes con la temperatura.Un problema importante de los resistores integrados, es el area que ocupan; un resistorde 50 K (en difusión de base, ancho de 50 µm) ocupa un area de 0,625mm2, encomparación con los aproximadamente 0,05 mm2de un BJT representativo de bajapotencia. Las imperfecciones de la estructuras del cristal están distribuidas de maneraaleatoria sobre el area de una oblea de silicio y, como cada imperfección puedeprovocar un chips defectuoso, entonces el area del chips debe minimizarse, con el fin demaximizar la producción de chips funcionales.En vista de lo valioso del area del chips, la resistencia total de chips esta limitada a unmáximo absoluto de unos 500 k , pero lo que es mas importante, se utilizan técnicasespeciales de diseño de circuitos, para reducir la resistencia del chips sin preocuparsepor el numero de transistores. Esto es lo opuesto a la economía de diseño de circuitoscon componentes discretos, donde el costo de un transistor es por lo común de 5 a 10veces el de un resistor, cualquiera sea un valor en Ohm.Condensadores integradosNosotros sabemos que una juntura PN con polarización inversa presenta unacapacitancia de transición. Esta se puede utilizar en los circuitos integrados para obtenercondensadores, pero tenemos varis desventajas. El valor de la capacitancia de transicióndepende del voltaje inverso y estos condensadores están polarizados. De igual manera lacapacitancia por unidad de area es muy pequeña. Una alternativa consiste en crear uncondensador no polarizado con electrodos formados por difusión de emisor de bajaresistividad y la metalización de aluminio separadas por un dieléctrico muy delgado(500 Aº ) de oxido de silicio. Esta estructura también tiene una capacitancia muy bajapor unidad de area (aprox. 400 pF / mm2) y , por esta razón, la capacitancia total delchips esta limitada por lo general a un máximo de 100 pF. Por lo tanto es imposibleintegrar condensadores con valores de nanofaradios, lo que implica que las técnicas dediseño de los circuitos integrados, eviten en lo posible el uso de condensadores. Cuandono se puede evitar el uso de condensadores de alto valor, estos se agregan al circuitoexternamente. Sin embargo es posible incluir condensadores de condensadores de
  7. 7. UTN REG. SANTA FE - ELECTRONICA I ING. ELECTRICA3-1- Los circuitos integrados---------------------------------------------------------------------------------------------------------___________________________________________________________________Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli7compensación interna de 3 a 10 pF como en el caso de los amplificadores operacionalesque se usan para compensar o estabilizar frente a oscilaciones.Aspectos económicosA pesar del uso intensivo de apoyos computacionales, el diseño de un circuitointegrado, es un proceso largo y costoso. Para que los circuitos integrados seaneconómicos, deben producirse en masa y servir a un mercado amplio. Aunque esposible diseñar circuitos integrados para satisfacer casi cualquier especificaciónconcebible, si se fabrican en cantidades pequeñas, su costo seria prohibitivo, anulandolas ventajas de tamaño pequeño, bajo peso, alto rendimiento y confiabilidad. Sinembargo, el desarrollo a la medida de circuitos integrados especiales en ocasiones,resulta viable para lograr la seguridad de un producto y una mayor confiabilidad, enparticular para equipos militares y espaciales.Los circuitos integrados que es posible conseguir comercialmente, proporcionan unasola función, que ha de usarse en grandes cantidades, como los circuitos digitales(compuertas lógicas, contadores microprocesadores, chips de memoria ,microcontroladores, etc.) y circuitos de consumo (amplificadores de audio, procesadoresde señal de televisión y circuitos para juegos electrónicos) o bien una función universalcomo la de un amplificador operacional que, con unos cuantos componentes externos alcircuito integrado, pueden tener muchas aplicaciones en los circuitos y equiposelectrónicos.Escalas de integración de los circuitos integradosEsta clasificación esta basada en la densidad de integración de los componentes queforman la estructura circuital del circuito integrado.Circuitos SSI : ( baja escala de integración). 10 puertas lógicas ò hasta 100 transistores.Circuitos MSI: (media escala de integración). 10 a 100 puertas lógicas `o 100 a 1000transistores.Circuitos LSI: (alta escala de integración). 100 a 1000 puertas lógicas ò 1000 a 10000transistores.Circuitos VLSI: (circuitos de muy alta escala de integración).Mas de 10000 puertaslógicas ò mas de 10000 transistores.Circuitos ULSI: (circuitos de ultra escala de integración) Mas de 100000 puertaslógicas ò mas de 1000000 (1 millón) de transistoresCircuitos GSI: (circuitos de giga escala de integración) Corresponde a aquellos quetienen integrado mas de 1000000 de transistores.Como ultimo dato obtenido, respecto al grado de integración de componentes en un solocircuito integrado, podemos decir que el microprocesador para computadoras “Pentium4” tiene aproximadamente 60 millones de transistores integrados. A la fecha, todavíahay signos que muestran que esta cantidad de componentes integrados, siga en aumentoDurante el año que corre, 2007, se publicó la fabricación de un circuito integrado quesuperó la barrera de los 100 millones de transistores.

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