Circuito integrado para niños
Un circuito integrado (también conocido como chip o microchip) es una pieza muy pequeña, hecha de un material especial llamado semiconductor (como el silicio). Mide solo unos pocos milímetros cuadrados. Dentro de esta pequeña pieza, se construyen circuitos electrónicos usando una técnica llamada fotolitografía. Luego, el chip se protege con una cubierta de plástico o cerámica que tiene conexiones metálicas para unirlo a otros circuitos.
Los circuitos integrados existen gracias a descubrimientos que mostraron que los materiales semiconductores podían hacer el trabajo de los antiguos tubos de vacío. Además, los avances en la fabricación de semiconductores a mediados del siglo XX fueron clave. Poner muchos transistores diminutos en un espacio tan pequeño fue un gran paso. Antes, los circuitos se hacían a mano con piezas separadas. La posibilidad de fabricar circuitos integrados en grandes cantidades, su fiabilidad y su diseño sencillo hicieron que se usaran rápidamente en lugar de los circuitos con transistores separados.
Los circuitos integrados tienen dos grandes ventajas sobre los circuitos hechos con piezas separadas: son más económicos y funcionan mejor. Son baratos porque todos sus componentes se imprimen juntos en una sola pieza, en lugar de construir cada transistor por separado. Además, los chips usan menos material. Su rendimiento es alto porque sus componentes son muy pequeños y están muy cerca unos de otros, lo que les permite funcionar rápidamente y usar poca energía. En 2012, un chip típico podía tener entre unos pocos milímetros cuadrados y unos 450 milímetros cuadrados, con hasta nueve millones de transistores por milímetro cuadrado.
Hoy en día, los circuitos integrados se usan en casi todos los aparatos electrónicos. Han cambiado por completo el mundo de la electrónica, las computadoras, los teléfonos móviles y otros dispositivos. Gracias a su bajo costo, estos aparatos son una parte esencial de nuestra vida moderna.
Contenido
¿Cómo surgieron los circuitos integrados?
La idea de los circuitos integrados comenzó a tomar forma a mediados del siglo XX.
Primeras ideas y patentes
El 15 de abril de 1949, el ingeniero alemán Werner Jacobi, de Siemens AG, presentó la primera solicitud de patente para circuitos integrados que incluían dispositivos amplificadores de semiconductores. Aunque fue una aplicación industrial importante, esta patente no se registró ampliamente.
Más tarde, el científico de radares Geoffrey Dummer (1909-2002), que trabajaba para el Ministerio de Defensa Británico, también pensó en la integración de circuitos a finales de los años 40 y principios de los 50.
Los pioneros: Kilby y Noyce
Jack S. Kilby, quien trabajaba para Texas Instruments, tuvo sus primeras ideas sobre el circuito integrado en julio de 1958. El 12 de septiembre de 1958, logró demostrar con éxito el primer circuito integrado que funcionaba. En su solicitud de patente de febrero de 1959, Kilby describió su invento como "un cuerpo de material semiconductor [...] en el que todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados". Era un dispositivo de germanio que tenía seis transistores en una misma base para crear un oscilador. El primer cliente de esta nueva invención fue la Fuerza Aérea de los Estados Unidos.
En el año 2000, Jack Kilby recibió el Premio Nobel de Física por la enorme contribución de su invento al desarrollo de la tecnología.
Robert Noyce desarrolló su propio circuito integrado y lo patentó unos seis meses después. Noyce resolvió algunos desafíos prácticos del diseño de Kilby, como la forma de conectar todos los componentes. Al añadir una capa de metal y simplificar las conexiones, su circuito integrado fue más fácil de fabricar en grandes cantidades. Además de ser uno de los pioneros del circuito integrado, Robert Noyce fue uno de los fundadores de Intel Corporation, una de las empresas más grandes en la fabricación de circuitos integrados.
Ventajas y evolución
Los circuitos integrados se encuentran en todos los aparatos electrónicos modernos, como relojes, automóviles, televisores, reproductores de música, teléfonos móviles y computadoras.
La integración de muchísimos transistores diminutos en pequeños chips fue un avance enorme. Antes, los circuitos se hacían a mano con tubos de vacío o componentes separados. La capacidad de producir circuitos integrados en masa, su fiabilidad y la facilidad para hacerlos más complejos llevaron a que se convirtieran en el estándar, reemplazando a los circuitos antiguos y haciendo que los tubos de vacío quedaran obsoletos.
Las tres ventajas más importantes de los circuitos integrados son: su menor costo, su mayor eficiencia energética y su tamaño reducido. Son baratos porque se fabrican imprimiéndolos como una sola pieza, generalmente de silicio, lo que permite una producción masiva con pocos errores. Son muy eficientes porque, al ser tan pequeños, consumen mucha menos energía. Y su tamaño es asombroso: un circuito integrado puede contener desde miles hasta millones de transistores en solo unos pocos milímetros cuadrados.
Los avances en la fabricación de dispositivos semiconductores y el descubrimiento de que podían reemplazar a los tubos de vacío fueron clave. Los tubos de vacío no podían competir con el tamaño pequeño, el bajo consumo de energía, la rapidez, la fiabilidad, la producción en masa y la versatilidad de los circuitos integrados.
Entre los circuitos integrados más complejos están los microprocesadores, que controlan muchos aparatos, desde teléfonos móviles y horno de microondas hasta computadoras. Los chips de memorias digitales también son muy importantes para la sociedad actual. Aunque diseñar un circuito integrado complejo es costoso, el precio individual de cada chip se reduce mucho cuando se fabrican millones de unidades.
Con el tiempo, los circuitos integrados siguen mejorando: se hacen más pequeños, con mejores características y funcionan mejor. Esto permite que se integren más elementos en un mismo chip (como predice la ley de Moore). A medida que el tamaño se reduce, otras cualidades también mejoran: el costo y el consumo de energía disminuyen, y el rendimiento aumenta.
¿Qué es la Ley de Moore?
En 1965, Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel, propuso una idea conocida como la Ley de Moore. Esta ley dice que el número de transistores que se pueden poner en un microchip se duplica aproximadamente cada dos años. Esta idea ha permitido que las computadoras sean cada vez más potentes y económicas. Sin embargo, a partir de 2010, el ritmo de esta mejora ha comenzado a ser más lento. Fabricar un microchip de última generación requiere una tecnología muy costosa y compleja.
¿Por qué son tan populares los chips?
En solo medio siglo, los circuitos integrados se han vuelto casi indispensables. Las computadoras, los teléfonos móviles y otros dispositivos digitales son parte de nuestra vida diaria. La informática, las comunicaciones, la manufactura y los sistemas de transporte, incluyendo Internet, dependen de la existencia de los circuitos integrados. Muchos expertos creen que la revolución digital causada por los circuitos integrados es uno de los eventos más importantes en la historia de la humanidad.
Tipos de circuitos integrados
Existen al menos tres tipos principales de circuitos integrados:
- Circuitos monolíticos: Se fabrican en una sola pieza de material, generalmente silicio. También pueden ser de germanio, arseniuro de galio, o silicio-germanio.
- Circuitos híbridos de capa fina: Son muy parecidos a los monolíticos, pero también incluyen componentes que son difíciles de fabricar con la tecnología monolítica.
- Circuitos híbridos de capa gruesa: Son bastante diferentes de los monolíticos. Suelen contener chips monolíticos sin su cubierta, transistores y diodos, colocados sobre una base aislante y conectados con pistas conductoras. Las resistencias se añaden con una técnica de impresión y se ajustan con láser. Todo esto se cubre con una cápsula de plástico o metal para protegerlo. Se usan en módulos de radio frecuencia, fuentes de alimentación y sistemas de encendido para automóvil.
Clasificación de los circuitos integrados
Los circuitos integrados se pueden clasificar según la cantidad de componentes que tienen:
- SSI (Small Scale Integration): Tienen de 10 a 100 transistores.
- MSI (Medium Scale Integration): Tienen de 101 a 1000 transistores.
- LSI (Large Scale Integration): Tienen de 1001 a 100 000 transistores.
- VLSI (Very Large Scale Integration): Tienen de 10 001 a 100 000 transistores.
- ULSI (Ultra Large Scale Integration): Tienen de 100 001 a 1 000 000 transistores.
- GLSI (Giga Large Scale Integration): Tienen más de un millón de transistores.
También se clasifican en dos grandes grupos según las funciones que realizan:
- Pueden ser desde simples transistores agrupados sin conexión entre ellos, hasta circuitos completos y funcionales como amplificadores, osciladores o incluso receptores de radio completos.
- Pueden ser desde puertas lógicas básicas (como AND, OR, NOT) hasta los microprocesadores o microcontroladores más complejos.
Algunos chips se diseñan para una función específica dentro de un sistema más grande. En general, fabricar circuitos integrados es complejo porque tienen muchos componentes en un espacio muy pequeño, a veces microscópicos. Sin embargo, simplifican mucho los circuitos antiguos y hacen que el montaje sea más rápido y eficiente.
Desafíos de los circuitos integrados
Existen algunos límites físicos y económicos en el desarrollo de los circuitos integrados. Estos límites se van superando a medida que la tecnología mejora, pero no desaparecen del todo. Los principales desafíos son:
El calor que producen
Los circuitos eléctricos generan calor. Cuando se integran más componentes en un espacio pequeño, la necesidad de disipar este calor aumenta. Esto puede calentar el chip y afectar su funcionamiento. En algunos casos, si la temperatura sube mucho, el chip puede dañarse. Los circuitos de potencia, que manejan mucha energía, son los que más calor deben disipar. Por eso, sus cubiertas suelen tener partes metálicas que ayudan a transferir el calor fuera del chip.
Los circuitos digitales resuelven este problema usando menos voltaje y tecnologías que consumen poca energía, como CMOS. Aun así, en los chips más complejos y rápidos, la disipación de calor es uno de los mayores problemas.
Conexiones internas y sus efectos
Este desafío se refiere a las conexiones eléctricas dentro del chip, su cubierta y el circuito donde se monta. Estas conexiones pueden limitar la velocidad a la que funciona el chip. Al hacer los chips más pequeños, se reducen estos efectos. En circuitos digitales importantes para la comunicación de datos o la generación de señales, es crucial mantener la calidad de estas conexiones.
Limitaciones de los componentes internos
Los componentes que se pueden integrar en un chip tienen ciertas limitaciones, que son diferentes de las piezas electrónicas separadas:
- Resistencias: No son ideales porque necesitan mucho espacio en el chip. Por eso, solo se usan valores pequeños y en algunas tecnologías se evitan casi por completo.
- Condensadores: Solo se pueden integrar valores muy pequeños y ocupan mucho espacio.
- Inductores: Se usan comúnmente en circuitos de radiofrecuencia, pero generalmente no se integran directamente en el chip.
Densidad de componentes
Durante la fabricación de los circuitos integrados, pueden aparecer pequeños defectos. Esto significa que algunos componentes del chip final podrían no funcionar correctamente. Cuando un chip tiene muchísimos componentes, la probabilidad de que haya defectos aumenta, lo que reduce la cantidad de chips que funcionan perfectamente. Por ejemplo, en los chips de memoria, que tienen millones de transistores, se fabrican más de los necesarios para poder ajustar las conexiones y asegurar que el chip funcione como se espera.
Véase también
En inglés: Integrated circuit Facts for Kids
