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Circuitos integrados
( Publicado en Revista Creces, Junio 2001 )
Hemos recorrido un largo camino desde los días de los tubos de vacío. Desde
que se construyo el primer microprocesador en 1971, ha sido posible construir
computadores más y más pequeños, permitiendo una gran variedad de
inventos. Pero ¿Cómo se construyen los circuitos integrados en chips tan
diminutos y que nos espera en el futuro?
Cuando se conectó el primer computador electrónico del mundo en la Universidad de
Pennsylvania, Filadelfia, en Febrero de 1946, el equipo ocupaba toda una sala y
requería más de 18.000 tubos de vacío para funcionar. Los tubos de vacío fueron
vitales ya que ellos actuaron como interruptores electrónicos para realizar los cálculos.
El grupo que operó el ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) se
desanimó al comprobar que los tubos se quemaban pues generaban temperaturas de
hasta 200ºC. Los tubos de vacío eran reemplazados tan frecuentemente que parecía
que su falibilidad estaba destinada a sofocar la edad del computador antes de
comenzar. Sin embargo, la ayuda llegó.
Un par de años más tarde, en 1948,William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain
en los mundialmente famosos Laboratorios Bell en New Jersey inventaron el transistor.
A diferencia de los tubos de vacío que eran frágiles y costosos, los transistores
resultaron fáciles de hacer, pequeños, robustos y sobre todo baratos. En unos pocos
años los transistores revolucionaron la forma de construir equipos electrónicos. Los
equipos de radio, de televisión, de navegación, audífonos y equipos médicos fueron
más baratos, más fáciles de construir y más avanzados como consecuencia de este
invento. Tal fue la influencia del transistor que en 1956, Shockley y sus colegas fueron
galardonados con el premio Nobel de física. Pero el mayor impacto del transistor estaba
aún por llegar.
Al principio, los investigadores hacían transistores uno a la vez, soldándolos en tarjetas
de circuito junto con los otros componentes requeridos. Pero mientras un transistor era
altamente durable, los delgados cables que los conectaban a la tarjeta del circuito eran
frágiles y propensos a dañarse. Así, en 1950, Robert Noyce en Fairchild Semiconductor,
una compañía establecida en los alrededores de San José, California (área que sería
llamada más tarde Silicon Valley), y Jack Kilby en Texas Instruments en Dallas
diseñaron y construyeron el primer circuito en el cual todos los componentes fueron
integrados en diferentes capas en un trozo de silicio. Estos circuitos integrados fueron
baratos, fáciles de construir y más seguros que cualquier otra cosa existente hasta
entonces. En el año 1960, muchas de las investigaciones y los desarrollos de circuitos
integrados fueron conducidos por el programa espacial Apolo. En 1970 estos circuitos
contenían más de 30.000 componentes en una sola placa de silicio, el "chip".
En 1971, la compañía manufacturera americana de chips Intel, dio otro gran paso. Los
ingenieros de Intel pusieron todos los componentes de un computador -la unidad
central de procesos, la memoria, los registros de almacenamiento de datos, las
unidades de control de entrada y salida- en un minúsculo chip para crear el primer
computador en un chip o microprocesador. Intel fue realmente notable comparado con
el ENIAC, su dispositivo fue 30.000 veces más barato, consumía una milésima de
potencia y podía ser colocado en la punta de un dedo. Fue 200 veces más rápido y
tenía encapsulado 2300 transistores. Desde entonces, el número de transistores que
podía ser comprimido en un chip fue duplicándose cada 18 meses, fenómeno que es
conocido como la Ley de Moore, llamada después Gordon Moore, uno de los fundadores
de Intel. El estado del arte de los chips permite almacenar 30 millones o más
transistores y es un indicador de que la ley de Moore puede romperse en un tiempo
próximo.
Los microprocesadores han tenido un profundo impacto en la sociedad humana. La
construcción compacta de computadores ha hecho posible un amplio rango de
dispositivos, tales como los computadores personales, calculadoras de bolsillo, relojes
digitales y juegos de video. Los microchips son tan baratos que muchas fábricas los
usan para el control de todo equipo electrónico desde autos y aeronaves hasta
máquinas lavadoras y tostadoras.
La idea clave dentro de los circuitos integrados es que los componentes electrónicos
tales como los transistores y condensadores se pueden fabricar conectando capas de
materiales con diferentes propiedades electrónicas. Los ingenieros comprendieron que
en vez de fabricar los componentes individualmente y unirlos para construir un circuito,
el circuito entero podía ser pensado como un conjunto de capas colocadas una encima
de otra, razón por la cual usaron la tecnología "complementary metal oxide
semiconductor" o "tecnología CMOS para construir los chips".
La base del circuito integrado es silicio ultra puro, una dura sustancia cristalina con una
estructura atómica similar al carbón del diamante. El silicio posee cuatro electrones en
su órbita más externa, que usa para unir cuatro átomos de silicio más cercanos. Debido
a estos enlaces, no existen electrones disponibles para conducir electricidad y así el
silicio es pobre conductor a temperatura ambiente.
Las propiedades eléctricas se pueden cambiar, sin embargo, sumando otros átomos a
su estructura un proceso conocido como doping o dopamiento. El fósforo, el antimonio
y el arsénico, por ejemplo, tienen cinco electrones en su órbita externa. Cuando ellos
son adicionados como "dopantes" a la matriz de silicio, cuatro de esos electrones se
usan para conectarse con átomos de silicio de los alrededores dejando un electrón libre
para vagar a través del material. El colocar un voltaje en el material produce que se
muevan los electrones, creando una corriente eléctrica. Este tipo de material es
conocido como un semiconductor tipo n, debido a que las cargas que se mueven, los
electrones, son negativas.
Sin embargo, se puede también sumar átomos con sólo tres electrones en la órbita más
externa tales como el boro, indio y el galio. En este caso, los átomos sólo pueden
unirse con tres átomos vecinos. Esto deja una vacante de un electrón, conocida como
hole u hoyo, el cual puede moverse a través del material de átomo a átomo. Un hueco
se parece mucho a una carga positiva, que fluye en dirección contraria a los electrones
cuando se aplica un voltaje al material. El Silicio dopado con estos elementos se conoce
como semiconductor tipo p, debido a que las cargas se mueven como si fueran
positivas.
Una revolución en el dopamiento
Ausencia de electrones
Lo interesante de todo esto comienza cuando materiales tipo-p y tipo-n se colocan cara
a cara formando una juntura pn. En un lado de la juntura predominan cargas tipo-p o
tipo-n pero en la juntura misma, los electrones y los huecos se combinan, formando un
área sin cargas libres. Esto es conocido como capa de reducción y puede actuar como
un aislante entre dos materiales. Este tipo de material posee la muy útil propiedad de
permitir que circule corriente en una dirección y en la otra no. Si se coloca un voltaje a
través de la juntura tal que el lado p es negativo respecto al lado n, el campo eléctrico
resultante empuja a los electrones y huecos hacia fuera de la juntura pn. Esto hace que
la capa de reducción sea más grande de manera que la corriente no puede circular. Al
invertir el voltaje los electrones y huecos son atraídos hacia la juntura produciendo el
flujo de corriente. Este dispositivo electrónico es conocido como rectificador o diodo.
Como los transistores, condensadores y resistores, los diodos son un bloque
constituyente de un circuito integrado.
El más importante bloque es el transistor. Un típico transistor esencialmente consiste
de dos regiones de semiconductores tipo n conocidos como fuente (source) y el drenaje
(drain) separados por una región tipo p conocida como compuerta (gate). Las tres
partes de este transistor tienen conectados electrodos. A primera vista, este arreglo se
parece al equivalente electrónico de una represa. Si se aplica un voltaje tal que la
fuente sea negativa y el drenaje sea positivo los electrones son capaces de fluir
fácilmente a través de la juntura entre los materiales tipo-p y tipo-n. Pero la capa de
reducción en la otra juntura pn crece y no circula la corriente. Sin embargo, si usted
aplica un voltaje a la compuerta tal que sea positiva respecto del drenaje todo cambia.
Esta polarización extra concentra electrones en el material tipo-p en la región cercana a
la compuerta permitiendo que circule la corriente a través de él. Así es como el
transistor trabaja como un interruptor: aplica un voltaje a la compuerta y circula la
corriente, remueve el voltaje de la compuerta y la corriente se corta. Este tipo de
dispositivo es conocido como "metal oxide semiconductor field-effect" o transistor
MOSFET.
Debido a que no existen partes móviles o componentes delicados el transistor es
extremadamente robusto y seguro. Esto es importante. Los modernos chips contienen
millones de transistores y si un pequeño porcentaje no trabaja, el chip puede quedar
inutilizado. Los transistores no usan mucha potencia y generan poco calor, de manera
que ellos pueden ser empaquetados en un área muy pequeña. El tamaño del transistor
está determinado por la distancia entre la fuente y el drenaje, que es conocida como
tamaño típico. Hoy día es posible construir transistores con tamaño típico tan pequeños
como 0.18 micrómetros, un ciento de veces más delgado que un cabello humano, y
ellos serán más pequeños en el futuro.
Los circuitos integrados se beneficiaron enormemente con la reducción del tamaño de
los componentes que contienen. La velocidad a la cual un transistor puede conmutar, o
cambiar del estado de conducción al estado de corte, está determinada por la distancia
en que fluye la corriente de un lado al otro. Mientras más pequeños son los transistores
más rápidamente trabajan. El empaquetamiento de más transistores en un área más
pequeña significa que los componentes alámbricos son más cortos y ello aumenta la
velocidad de operación del chip. El primer microprocesador realizó 60.000 instrucciones
por segundo. Los más modernos pueden ejecutar un billón.
¿Cómo se construyen los circuitos integrados? El proceso de construcción comienza con
un único gran cristal de silicio, con forma de salchicha cortada en rodajas, de alrededor
de 20 centímetros de espesor. Se hacen diferentes chips de cada rodaja y se separan al
final del proceso de fabricación. Primero cada rodaja es pulida para dar un acabado casi
perfecto y luego es cocida en una atmósfera rica en oxígeno de manera que crece una
delgada capa de óxido de silicio, un vidrio aislante, en la superficie.
Cada capa se hace cubriendo la rodaja con una delgada película de material sensible a
la luz conocido como fotoresistor. Un fotoresistor tiene la especial propiedad de que la
luz cambia su estructura química, permitiéndole reaccionar con otro producto químico y
puede ser removido lavándolo. La luz es irradiada sobre el fotoresistor a través de una
plantilla o máscara según sea la forma requerida y las regiones expuestas son
removidas a través del lavado. Esto deja al material inferior en el patrón requerido,
listo para el siguiente paso. Este proceso es conocido como litografía modelada
(patterned lithography).
Pueden llegar a ser aun más pequeños
Difícil tarea para los fabricantes
Reducir el tamaño de las figuras que se pueden definir por el método litográfico es uno
de los mayores desafíos que enfrentan los fabricantes de chips, ya que mientras los
transistores sean empaquetados más densamente resultan más rápidos y los chips son
más poderosos. El factor limitante en el tamaño de la figura es la longitud de onda de
la luz proyectada a través de la plantilla al fotoresistor. Mientras más pequeña es la
longitud de onda más pequeña es la figura que se puede definir. Los fabricantes de
chips han logrado usar luz ultravioleta para definir figuras de hasta 130 nanómetros de
espesor. Pero para reducir aún más la longitud de onda es necesario moverse a los
rayos X, que son difíciles de producir y manejar. Además, los rayos X atraviesan los
materiales sin afectarlos, haciendo la fabricación de plantillas demasiado difícil.
Alternativas a los rayos X incluye la litografía de emisión de electrones y de iones, en la
cual la longitud de onda asociada con electrones y con iones se usa para definir las
figuras.
Después que el fotoresistor expuesto a la luz se ha removido, el material inferior
revelado puede ser tratado de una de las tres formas siguientes: por dopamiento,
deposición o corrosión. Dopamiento es el proceso en el cual los átomos de fósforo o
boro se adhieren a la estructura del silicio creando ya sea un semiconductor tipo-p o un
semiconductor tipo-n. A estos átomos se les quita electrones para crear iones y luego
acelerarlos hacia la superficie del chip a alta velocidad. Estos chips se calientan y se les
permite enfriar lentamente para evitar daños causados por su bombardeo y permitir a
los recién llegados difundirse en la estructura. Esta difusión puede ser un problema
mayor para los fabricantes si ocurre posteriormente, cuando el chip está siendo usado
en un computador, es decir, si los átomos se secan demasiado rápido se pueden
conectar con otras regiones de chips, cambiando las propiedades del semiconductor y
causando un mal funcionamiento. Con el fotoresistor ubicado en su lugar, los átomos
dopantes se adhieren a la parte irradiada del chip. El fotoresistor puede ser entonces
removido completamente a través del lavado.
Deposición es el proceso de crear una delgada película en el chip. Una de las maneras
más comunes de hacer esto es el denominado chisporroteo (sputtering), un proceso en
el cual el material a ser depositado es bombardeado por un chorro de iones que causa
que los átomos y moléculas floten en su superficie. A estos átomos y moléculas se les
permite depositarse sobre el chip. Con el patrón fotoresistor en su lugar constituyen
una delgada capa con la forma requerida. El chisporroteo es usado para poner capas de
materiales aisladores tales como el dióxido de silicio, o capas de materiales conductores
de metal como el aluminio o el cobre.
Corrosión es una manera de remover selectivamente materiales de la superficie para
descubrir lo que está debajo. La corrosión es usualmente tratada por exposición de la
rodaja a un gas altamente ionizado conocido como plasma. El plasma reacciona con la
superficie y físicamente saca los átomos como un arenador dejando la capa de abajo
expuesta en la forma deseada.
Cuando se completa uno de estos procesos, el resto del fotoresistor es removido y se
prepara la próxima capa. Es común para los modernos chips requerir hasta 30 capas y
hasta 600 pasos de fabricación. Aunque esto suena como demasiado, es pequeño
comparado a los millones de componentes que se ha logrado montar en un chip.
Finalmente, la rodaja es cubierta en un revestimiento protector de dióxido de silicio y
nitruro de silicio, antes de que se pruebe cada chip para asegurarse que trabaja bien.
La rodaja es entonces cortada en chips separados. Los defectuosos son apartados y los
chips buenos son colocados en encapsulados plásticos.
El encapsulado es una parte importante del proceso. El encapsulado debe proveer las
uniones de conectores externos a alambres extremadamente finos que conectan los
contactos de entrada y de salida de varios chips. El encapsulado permite al chip ser
conectado fácilmente en una tarjeta de circuitos conocida como tarjeta madre
(motherboard), la cual conecta al chip con el resto del computador y provee protección
de los contaminantes externos y golpes del uso diario.
La complejidad de los chips significa que diseñarlos es una tarea enorme. Desde que se
inició el desarrollo de los chips, el proceso ha ido cambiando desde aquel que se
realizaba enteramente en forma manual hasta el que se hace ahora sustancialmente
automático. En efecto, los circuitos son ahora tan complejos que es muy difícil hacerlos
manualmente. Se ha desarrollado un poderoso software computacional industrial que
provee un sistema de diseño por computador para la fabricación de chips.
El proceso de diseño está por sí mismo dividido en un número de niveles que permite al
diseñador ver a los chips de diferentes maneras. Por ejemplo, un diseñador puede
especificar el propósito de las diferentes partes del circuito, qué data será de entrada y
cuál será de salida y cómo las diferentes partes del circuito enfrentan el problema a
resolver. Este nivel es conocido como diseño funcional. El diseño lógico determina los
pasos matemáticos necesarios para implementar el diseño funcional y los componentes
necesarios para realizarlos.
Ayudando a los ciegos
Un laboratorio en un chip
En el diseño de circuitos se trabaja con voltajes y corriente que circulan a través del
sistema. En el diseño físico, se determina la geometría de los componentes, cómo ellos
calzan dentro de los límites dados por el fabricante de equipos y cómo los chips se
construyen realmente. Esta es la etapa en la cual se determina la forma de la plantilla
litográfica para el fotoresistor.
Continuando con el proceso, el diseño se refina, se simplifica y se perfecciona. Se
utiliza el software computacional "Meanwhile" para trabajar los cambios que alterarán
la función del chip y almacenar los cambios para futuras referencias.
Antes de que el fabricante invierta millones o aún billones de dólares en hacer un chip,
el diseño se simula en un computador. Este chequea la velocidad de operación del chip
y examina cualquier retardo o falla en la lógica del sistema. Finalmente, se puede
aplicar un sistema de testeo el que puede determinar totalmente cuando un nuevo chip
ha sido fabricado correctamente o no. Se genera una gran cantidad de señales de
chequeo que alimentan al chip y de salidas específicas que el chip genera como
resultado.
Sin embargo, no es el caso de los microcomputadores y las memorias que usan la
tecnología CMOS. En años recientes los ingenieros han analizado cómo utilizar este
proceso para construir componentes sensibles a la luz en un chip. En primer lugar, los
chips sensibles a la luz tienen que ser hechos de una manera enteramente diferente a
la lógica que los chips necesitan para procesar la data que generan. Pero el nuevo
método posibilita hacer chips que manejan no sólo el medio sensible a la luz, sino
también el poderoso cálculo para el análisis de imágenes. Esta nueva producción de los
chips conocida como "chips visión", está siendo usada en robots para permitirles
detenerse y remover componentes dañados en líneas de ensamblado o navegar a
través de laberintos.
Los chips visión han sido implantados en ojos humanos para ayudar a las personas con
ceguera con formas específicas. Ellos trabajan convirtiendo la luz enfocada en el ojo en
una señal electrónica que puede ser usada para activar las fibras del nervio óptico. Sin
embargo, los chips no son permanentes debido a que no pueden ser fijados en forma
segura dentro del ojo. Algunos experimentos han permitido a las personas realizar
tareas simples como el reconocimiento de patrones y evitar obstáculos, y los futuros
chips prometen mayor resolución y durabilidad.
Otro desarrollo relativamente reciente es el uso de litografía para construir máquinas
en miniatura de silicio que son controladas por circuitos integrados en el chip. Los
denominados dispositivos microelectromecánicos o MEM, son diseñados en capas de la
misma manera de los circuitos integrados. Uno de los más usados MEM es la
construcción de acelerómetros en bolsas de aire de los vehículos. Los investigadores
también han construido dispositivos MEM que operan como microinterruptores para
asegurar que las armas nucleares no sean manipuladas indebidamente, y como bombas
diminutas y tubos de ensayo que actúan como un laboratorio en un chip para análisis
químico. Hasta un proyector digital usa MEMs -numerosos arreglos de diminutos
espejos que reflejan la luz en una pantalla remota- y que podría poner fin a la
tradicional película usada en la proyección cinematográfica.
Aunque William Shockley falleció en1986, él vivió lo suficiente para ver muchos de los
maravillosos desarrollos que su dispositivo produjo. Cuesta imaginar cómo sería el
mundo de hoy si estuviéramos aún usando los tubos de vacío.
1: ¿Cuál es la velocidad de un chip?
Las diferentes partes de un chip deben ser coordinadas de tal forma que las
operaciones lógicas se realicen en el orden correcto. Cada chip posee un reloj interno
que genera una señal regular alternando un voltaje alto y bajo. La velocidad del reloj
actúa como un cronómetro, sincronizando las acciones del resto del chip como un
director de orquesta. La velocidad es usualmente medida en Megahertz, que significa
un millón de veces por segundo. Así un chip de 500 Megahertz tiene un reloj que
genera una señal con quinientos voltajes alto y bajo en un segundo. En general, la
mayor velocidad de un tipo particular de chip, produce una mayor cantidad de cálculos.
Por ejemplo, un chip Pentium III de 750 megahertz será más rápido que un chip
Pentium III de 500 megahertz. Sin embargo, no siempre es real comparar la velocidad
del reloj de los diferentes tipo de chips. Así un chip Pentium original de 60 megahertz,
por ejemplo, será más rápido que un Intel 486 de 100 megahertz.
2: Algunas esperanzas futuras
Por el hecho de que los transistores están siendo cada vez más pequeños, los
ingenieros han comenzado a preguntarse si la tecnología de la litografía quedará algún
día obsoleta. Los investigadores han comenzado ya a experimentar con transistores
hechos de nanotubos de carbón y moléculas individuales. Estos dispositivos pueden
trabajar como interruptores electrónicos pero uno de los problemas que los científicos
encaran es cómo trabajar para conectar los transistores juntos. Nadie ha descubierto
cómo hacer circuitos útiles de estas cosas.
Hoy día los transistores operan con billones de electrones que pasan a través de ellos.
La conducta de estos electrones es como bolas de billar y se puede predecir y simular
fácilmente. Cuando un gran número de electrones pasa a través de un transistor puede
pensarse como un estado "on" o estado "1", en leguaje binario. Cuando unos pocos
electrones pasan por un transistor puede pensarse como un estado "off" o estado "0".
¿Pero qué sucede cuando los transistores llegan a ser tan pequeños que ellos trabajan
con un solo electrón al mismo tiempo? Los electrones individuales se comportan en
forma diferente que en grandes grupos. Por ejemplo, de acuerdo a la ley de la
mecánica cuántica, ellos pueden representar un 0 o un 1 en el mismo tiempo, un
fenómeno conocido como superposición de estados. Los físicos piensan que cuando el
transistor llegue a ser más pequeño un especial y poderoso computador cuántico será
posible. Los computadores cuánticos podrán realizar cálculos usando ambos estados del
electrón al mismo tiempo, o en otras palabras un cálculo del 0 o del 1 en paralelo. Esta
propiedad promete hacer al computador cuántico más poderoso que los computadores
existentes hoy día. Los investigadores están intentando construir computadores
cuánticos y predicen que ellos serán útiles para criptografía, supercálculos y para
simular el Universo en más detalle que antes.
Justin Mullins. Escritor Científico
Traducción de su artículo aparecido en New Scientist, Diciembre, 2000. Inside
Sciencie N° 136.
Artículo extraído de CRECES EDUCACIÓN - www.creces.cl