3 1-los circuitos-integrados

UTN REG. SANTA FE - ELECTRONICA I ING. ELECTRICA
3-1- Los circuitos integrados
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Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli
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CAPITULO 3: AMPLIFICADOR DIFERENCIAL Y OPERACIONAL (3-1, 3-2,
3-4)
LOS CIRCUITOS INTEGRADOS
Un circuito integrado, o también llamado circuito monolítico, esta construido sobre una
pequeña porción de material “silicio”, ocupando un área que varia entre 1 a 5 mm2
y un
espesor de aprox. 0,25 mm. Dentro del mismo y sin variación de su estructura física o
mecánica, se crean miles de componentes semiconductores, destinados a llevar a cabo
desde 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 se
procesan por millares sobre obleas de silicio con diámetro que oscila entre 50 a 150 mm
Una vez procesadas y probadas las obleas, se dividen en “Chips individuales” para
luego encapsularlos y realizarles las pruebas eléctricas finales.
El proceso planar
La 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 de
silicio. 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 una
delgada capa aislante de oxido de silicio (O2 Si). Por medio de un protector fotográfico
y técnicas selectivas de grabado se crean “ventanas” en el oxido, para exponer el área
deseada de la superficie del silicio.
Oxidación:
A través de esas ventanas abiertas, que exponen al area interesada del silicio (el resto
de la superficie queda protegida por la mascarilla del oxido), se difunden impurezas de
otro material, como por ejemplo el Boro para formar el semiconductor tipo “P” o el
fósforo para generar el semiconductor tipo “N”. En este proceso las impurezas se
presentan en forma gaseosa sobre la oblea caliente, para facilitar la difusión. Esta
difusión, de impurezas, se produce tanto en forma vertical hacia el interior de la
superficie 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 y
transistores.
Este proceso de difusión, actualmente esta siendo reemplazado por la técnica de
“implantación de iones”, donde los iones del contaminante, acelerados por un potencial
eléctrico muy alto, penetran la superficie del cristal de silicio.
Metalización:
Una vez completadas todas las difusiones y formadas las estructuras del dispositivo, se
conectan para configurar el circuito, mediante el metalizado de la superficie, con una
delgada capa de aluminio, seguido por grabado (como en la fabricación de circuitos

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impresos pero a escala microscópica), para eliminar todo, excepto el patrón de
interconexión entre las estructuras (diodos, transistores, resistencias, capacitores).
Por el proceso planar, es posible fabricar muchos tipos de componentes electrónicos
como los diodos, transistores bipolares (BJT), transistores de efecto de campo (FET),
resistores y condensadores. A la fecha, no se han podido fabricar con éxito inductores
integrados. 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 y
una resistencia integrada:
Las estructuras integradas, como muestra la figura, se encuentran aisladas entre si. El
aislamiento es esencial en los circuitos integrados para minimizar la interacción no
deseada 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. Sobre
este sustrato se hace crecer una capa”epitaxial” cristalina de silicio tipo “N”. Una
difusión “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 con
el sustrato (el sustrato esta conectado al potencial mas negativo del circuito). En estos
“pozos”, se fabrican los transistores, diodos, resistencias y capacitores. Veamos el
dibujo esquemático de un capacitor integrado:
p+
p
n+
n
n+
p+
p+
n
p+
Sustrato tipo P
(Transistor BJT)
E B C (Resistencia)
Difusión de base p
Oxido de
silicio
Capa epitaxial tipo n
Aluminio
n
Sustrato tipo P

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Transistores bipolares integrados
Los BJT tipo npn se fabrican efectuando una difusión de base tipo P seguido de una
difusión de emisor tipo N+
. Una combinación de tiempo, temperatura y concentración
de contaminante, determina los perfiles de impurezas. La difusión N+
, también se aplica
al area de contacto del colector, porque la metalización de aluminio, que hace la
interconexión, es una impureza tipo P (grupo 3) y de otra manera crearía una unión
rectificadora indeseable en el contacto.
Además de los parámetros de difusión mencionados, el rendimiento de un BJT del tipo
planar, esta determinado por su geometría planar de superficie, es decir por las
mascarillas que abren las ventanas para realizar el proceso de difusión profunda en el
silicio. Si tenemos dos transistores con geometrías idénticas y se fabrican adyacentes
uno del otro (próximos unos 0,1mm), están sujetos a condiciones de procesamiento
prácticamente idénticas en términos de ganancia de corriente (β) y tensión base-emisor
(VBE), para una determinada corriente de colector IC. Como los transistores están muy
cercanos desde el punto de vista térmico, sus parámetros variaran prácticamente en la
misma medida con la variación de la temperatura. A esta caracteristica se le denomina
“comportamiento térmico”. En la practica los BJT tienen VBE coincidentes dentro de
los 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 de
silicio
p+
(Capacitor)
Metalización
aluminio
P+
Capa
Epitaxial n

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Es bastante mas difícil producir transistores bipolares PNP, en un proceso
esencialmente NPN que esta controlado para producir valores de ganancia de corriente y
voltajes de ruptura para dispositivos NPN. Es posible utilizar el sustrato en una
estructura PNP vertical que combine el sustrato como colector, el pozo tipo N como
base y la difusión de base tipo P como emisor. Esta estructura tiene dos desventajas: La
región de la base es mas bien ancha, lo que da un valor bajo de “β” , y el sustrato (el
colector del PNP) se debe conectar al potencial negativo del circuito a fin de lograr el
aislamiento 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 los
dispositivos NPN). Este transistor lateral, presenta un rendimiento pobre y variable
debido a las tolerancias de la mascarilla y procesamiento. Con frecuencia, los β no valen
más de 10. La ganancia en corriente de un transistor lateral PNP se puede mejorar si se
combina con un transistor NPN de β alta como se muestra en el dibujo:
Diodos integrados
pp p
p+
p+
Capa epitaxial tipo n
Colector emisor base
Sustrato tipo p Difusión de aislamiento

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Se 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 emisor
resulta 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 dispositivos
iguala la caracteristica de entrada de un BJT, a la que se aproxima mucho más una
juntura 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 tanto
lineales como digitales.
Resistores integrados
El valor en Ohm de un resistor integrado se logra definiendo con cuidado la geometría
de superficie de una difusión de base (o de emisor) que tiene una profundidad y una
resistividad controlada. El aislamiento de la región resistiva, lo proporciona la
polarización inversa de la juntura con el pozo del colector (o región de base). La
difusión de emisor, con su baja resistividad, es la preferida para resistencias de bajo
valor (10 a 10K ), mientras que la difusión de base, resulta apropiada para
resistencias 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 / t
Donde Rs se define como la resistividad de hoja (en Ohm por cuadrado), independiente
del 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, una
resistencia menor que Rs, tiene una razón de aspecto menor que la unidad (corta y
ancha). En teoría, el ancho real de la resistencia carece de importancia pues lo único que
cuenta es la razón de aspecto (para una Rs dada). En la practica, debido a limitaciones
fotográficas, los anchos de los resistores no son menores que 0,025 mm(1milesima de
pulgada).
Problema
Determine la longitud de un resistor integrado recto con difusión de base, con un valor
de 8 K , si la resistividad de hoja de la difusión de base es de 200 Ohm por cuadrado.
El ancho es de 25 µm.

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8000 / 200 /cuadrado 40 cuadrados
40 . 25 µm = 1000 µm
Problema:
Calcular la razón de aspecto de un resistor de difusión de base con un valor de 50 . La
resistividad de hoja de difusión de base es de 200 /cuadrado
200 / 50 = 4 → 1: 4 (corta y ancha)
Debido a variaciones en los procesos, el valor absoluto de un resistor integrado tiene
una amplia tolerancia (±20%) pero a igual que los BJT fabricados muy cercanos entre
ellos, 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 temperatura
y están sujetos a la misma temperatura. El efecto de esta caracteristica es que, si bien los
valores de los resistores individuales están sujetos a variaciones de temperatura y
tolerancias, las razones entre los valores de los resistores corresponden estrechamente a
una geometría de diseño y permanecen constantes con la temperatura.
Un problema importante de los resistores integrados, es el area que ocupan; un resistor
de 50 K (en difusión de base, ancho de 50 µm) ocupa un area de 0,625mm2
, en
comparación con los aproximadamente 0,05 mm2
de un BJT representativo de baja
potencia. Las imperfecciones de la estructuras del cristal están distribuidas de manera
aleatoria sobre el area de una oblea de silicio y, como cada imperfección puede
provocar un chips defectuoso, entonces el area del chips debe minimizarse, con el fin de
maximizar la producción de chips funcionales.
En vista de lo valioso del area del chips, la resistencia total de chips esta limitada a un
máximo absoluto de unos 500 k , pero lo que es mas importante, se utilizan técnicas
especiales de diseño de circuitos, para reducir la resistencia del chips sin preocuparse
por el numero de transistores. Esto es lo opuesto a la economía de diseño de circuitos
con componentes discretos, donde el costo de un transistor es por lo común de 5 a 10
veces el de un resistor, cualquiera sea un valor en Ohm.
Condensadores integrados
Nosotros sabemos que una juntura PN con polarización inversa presenta una
capacitancia de transición. Esta se puede utilizar en los circuitos integrados para obtener
condensadores, pero tenemos varis desventajas. El valor de la capacitancia de transición
depende del voltaje inverso y estos condensadores están polarizados. De igual manera la
capacitancia por unidad de area es muy pequeña. Una alternativa consiste en crear un
condensador no polarizado con electrodos formados por difusión de emisor de baja
resistividad y la metalización de aluminio separadas por un dieléctrico muy delgado
(500 Aº ) de oxido de silicio. Esta estructura también tiene una capacitancia muy baja
por unidad de area (aprox. 400 pF / mm2
) y , por esta razón, la capacitancia total del
chips esta limitada por lo general a un máximo de 100 pF. Por lo tanto es imposible
integrar condensadores con valores de nanofaradios, lo que implica que las técnicas de
diseño de los circuitos integrados, eviten en lo posible el uso de condensadores. Cuando
no se puede evitar el uso de condensadores de alto valor, estos se agregan al circuito
externamente. Sin embargo es posible incluir condensadores de condensadores de

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compensación interna de 3 a 10 pF como en el caso de los amplificadores operacionales
que se usan para compensar o estabilizar frente a oscilaciones.
Aspectos económicos
A pesar del uso intensivo de apoyos computacionales, el diseño de un circuito
integrado, es un proceso largo y costoso. Para que los circuitos integrados sean
económicos, deben producirse en masa y servir a un mercado amplio. Aunque es
posible diseñar circuitos integrados para satisfacer casi cualquier especificación
concebible, si se fabrican en cantidades pequeñas, su costo seria prohibitivo, anulando
las ventajas de tamaño pequeño, bajo peso, alto rendimiento y confiabilidad. Sin
embargo, el desarrollo a la medida de circuitos integrados especiales en ocasiones,
resulta viable para lograr la seguridad de un producto y una mayor confiabilidad, en
particular para equipos militares y espaciales.
Los circuitos integrados que es posible conseguir comercialmente, proporcionan una
sola 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, procesadores
de señal de televisión y circuitos para juegos electrónicos) o bien una función universal
como la de un amplificador operacional que, con unos cuantos componentes externos al
circuito integrado, pueden tener muchas aplicaciones en los circuitos y equipos
electrónicos.
Escalas de integración de los circuitos integrados
Esta clasificación esta basada en la densidad de integración de los componentes que
forman 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 1000
transistores.
Circuitos LSI: (alta escala de integración). 100 a 1000 puertas lógicas ò 1000 a 10000
transistores.
Circuitos VLSI: (circuitos de muy alta escala de integración).Mas de 10000 puertas
lógicas ò mas de 10000 transistores.
Circuitos ULSI: (circuitos de ultra escala de integración) Mas de 100000 puertas
lógicas ò mas de 1000000 (1 millón) de transistores
Circuitos GSI: (circuitos de giga escala de integración) Corresponde a aquellos que
tienen integrado mas de 1000000 de transistores.
Como ultimo dato obtenido, respecto al grado de integración de componentes en un solo
circuito integrado, podemos decir que el microprocesador para computadoras “Pentium
4” tiene aproximadamente 60 millones de transistores integrados. A la fecha, todavía
hay signos que muestran que esta cantidad de componentes integrados, siga en aumento
Durante el año que corre, 2007, se publicó la fabricación de un circuito integrado que
superó la barrera de los 100 millones de transistores.

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