Circuitos integrados (ICs) são sinônimos de eletrônica. Onde quer que haja algum aparelho eletrônico, definitivamente há um ou mais CIs. Não há eletrônica sem ICs. A eletrônica tornou-se tão popular, amplamente aceitável e onipresentemente aplicável, tudo devido à invenção dos circuitos integrados. Os circuitos integrados são integração miniaturizada de circuitos eletrônicos completos em um único chip semicondutor. Os ICs são fabricados através de processos de fabricação rigorosos e complexos. É por isso que os CIs são altamente confiáveis, adequados para produção em larga escala, possuem circuitos grandes em dimensões extremamente pequenas, consomem menos energia e podem ser operados em alta frequência e velocidade.
O que é um circuito integrado?
A ideia de circuitos integrados foi contemplada pela primeira vez quando os transistores foram inventados. Convencionalmente, os circuitos eletrônicos eram produzidos através da montagem de diferentes componentes discretos e interconectando-os em uma prototipagem ou placa de circuito impresso. Com a introdução dos transistores, a tecnologia dos semicondutores deu um salto total, e os pesquisadores começaram a encontrar maneiras de obter não apenas transistores, mas circuitos eletrônicos completos em um único wafer de silício. Este foi apenas o começo.
O número de transistores e outros componentes eletrônicos que podem ser fabricados e interconectados em um único wafer de silício começou a aumentar rapidamente, quase dobrando a cada dois anos. Isso é popularmente conhecido como Lei de Moore. Desde 1965, quando a lei de Moore foi prevista, ela ainda é aplicável hoje em 2021. Atualmente, os circuitos integrados são microscópicos ou nanocircuitos integrados em um único chip semicondutor. O coração de qualquer IC é uma matriz, na qual é fabricado um circuito eletrônico completo e funcional em grande escala. As conexões são trazidas para fora deste circuito microscópico, colocadas sobre uma matriz compacta como parte da embalagem do IC.
Ao contrário dos circuitos discretos, os componentes fabricados em um CI não podem ser desmontados ou substituídos. O circuito permanece integrado como uma unidade única e não pode ser modificado. É por isso que esses circuitos microscópicos em pequenos dados são chamados de circuitos integrados.
Tipos de circuitos integrados
Os circuitos integrados são uma forma complexa de eletrônica. Eles vêm em uma ampla gama de características, embalagens, aplicações e complexidades. Ainda assim, é possível classificar de alguma forma vários circuitos integrados com base em alguns fatores de classificação amplos.
Qualquer circuito integrado é basicamente uma miniaturização de um circuito eletrônico integrado. Portanto, a escala em que a miniaturização é alcançada é um critério para classificar os chips IC. Isso é determinado por quantos transistores ou portas lógicas estão integrados em um único IC. Com base no tamanho do chip, os circuitos integrados são classificados da seguinte forma –
- Integração em pequena escala
- Integração em média escala
- Integração em grande escala
- Integração em larga escala
- Integração em escala ultragrande
Outro fator pelo qual os ICs são classificados é pelo tipo de circuito. Afinal, a eletrônica tem tudo a ver com sinais. Com base no tipo de sinal, os circuitos integrados são classificados da seguinte forma –
- Circuitos integrados digitais
- Circuitos integrados analógicos
- Circuitos integrados de sinais mistos
Uma terceira forma de classificar os CIs é pela sua técnica de fabricação. Com base nisso, os circuitos integrados são classificados da seguinte forma –
- CIs de filmes finos e grossos
- CIs monolíticos
- CIs híbridos/multichip
Classificação de CIs com base no tamanho do chip
A escala de integração sempre foi a inspiração e aspiração da indústria de semicondutores. A escala de integração denota o número de transistores ou portas integradas em um único chip. Nesta base, os circuitos integrados são do seguinte tipo:
Integração em pequena escala – No início da tecnologia IC, de 1961 a 1965, os ICs tinham apenas alguns componentes integrados em um chip, normalmente de 2 a 10 transistores. Atualmente, os circuitos integrados com 10 a 100 transistores em um único chip, formando cerca de 3 a 30 portas no chip, são classificados como CIs de integração de pequena escala. Esses ICs são usados para fazer flip-flops e ICs de portas lógicas.
Integração em média escala – O próximo nível superior de integração de IC é a escala média, na qual, normalmente, 100 a 1.000 transistores, formando 30 a 300 portas lógicas por chip, são fabricados em um único chip. A tecnologia de integração de média escala teve destaque entre os anos de 1966 e 1971. Essa tecnologia é usada para fazer multiplexadores, decodificadores, contadores e registradores.
Integração em grande escala – De 1971 a 1979, a tecnologia de integração em larga escala (LSI) assumiu o lugar da tecnologia MSI. Na integração em larga escala, milhares de transistores – normalmente de 1.000 a 20.000 transistores, resultando em 300 a 3.000 portas por chip – são fabricados em um único chip. Essa tecnologia é usada para fabricar RAM, ROM e microprocessadores.
Integração em larga escala – De 1980 a 1984, foi alcançada a integração em grande escala (VLSI). Na tecnologia VLSI, dezenas de milhares de transistores – normalmente 20.000 a 50.000 transistores formando 3.000 portas por chip – são fabricados em uma única matriz. Esta tecnologia é usada para projetar processadores de sinal digital (DSP), processadores RISC, microprocessadores e microcontroladores de 16 e 32 bits.
Integração em escala ultragrande – Após 1984 e até agora, a integração em escala ultra grande (ULSI) foi alcançada. Na tecnologia ULSI, de 50 mil a bilhões de transistores são fabricados em um único chip. A tecnologia ULSI é usada principalmente para projetar microprocessadores e controladores de 64 bits e superiores.
O futuro da escala de integração dos CIs reside na nanotecnologia. A Lei de Moore ainda é válida apesar do aumento dos custos de pesquisa e desenvolvimento. Os fabricantes de semicondutores ainda estão, e provavelmente sempre poderão, esperar alcançar um nível de integração ainda mais elevado. As aplicações modernas da eletrônica (inteligência artificial, aprendizado de máquina, aprendizado profundo, computação em nuvem, IoT, AIoT, realidade aumentada, realidade mista, realidade holográfica, supercomputação, computação científica, etc.) são cada vez mais exigentes em termos de memória e também de poder computacional. . A indústria de semicondutores poderá nunca chegar a um ponto de saturação e o nível de integração, talvez, nunca chegue ao fim.
Classificação com base no tipo de sinal –
A eletrônica tem tudo a ver com processamento de sinais. Assim, todos os circuitos eletrônicos, bem como os circuitos integrados, são classificados nos seguintes tipos:
CIs analógicos/lineares – Esses circuitos integrados são projetados para processar sinais contínuos. Nestes ICs, a entrada e a saída têm uma relação linear. Esses ICs são projetados para aplicações como amplificadores operacionais, amplificadores diferenciais, temporizadores, sensores, reguladores de tensão, multiplicadores analógicos, loops de fase bloqueada, moduladores, demoduladores, filtros de áudio, etc.
CIs Digitais – Estes circuitos integrados são projetados para processar sinais digitais, ou seja, 0 ou 1, ALTO ou BAIXO, LIGADO ou DESLIGADO. Esses ICs possuem entradas lógicas e geram uma ou outra função lógica. Os CIs digitais são os principais produtos da indústria de semicondutores. Esses ICs são projetados para aplicações como flip-flops, portas lógicas, contadores, registradores, multiplexadores, decodificadores, codificadores, microprocessadores e microcontroladores.
CIs de sinais mistos – Esses circuitos integrados são projetados para processar combinações de sinais analógicos e digitais. Esses são os mais complexos de projetar, pois os circuitos analógicos e digitais têm requisitos de energia, níveis de sinal e funcionamento diferentes. Esses ICs são projetados para aplicações como conversão analógico-digital, conversão digital-analógica, Ethernet, rádio e gerenciamento de energia.
Classificação com base na fabricação
A tecnologia IC é o núcleo da eletrônica. Os circuitos integrados são possíveis graças a vários processos de fabricação rigorosos. Com base na técnica de fabricação, os circuitos integrados são do seguinte tipo:
CIs de filmes finos e grossos – Nestes tipos de circuitos integrados, os componentes passivos são fabricados no chip, enquanto os transistores e diodos são conectados como componentes separados para formar um único circuito eletrônico completo. Esses ICs são basicamente uma combinação de componentes integrados e discretos em um único pacote que oferece uma função unificada. Na tecnologia de película fina, os componentes passivos como resistores e capacitores são fabricados no CI depositando uma película de material condutor sobre um substrato de vidro ou cerâmica. Variando a espessura do material condutor, propriedades elétricas passivas como resistividade e capacitância são controladas. Na tecnologia de filme espesso, os componentes passivos desejados são fabricados depositando material condutor usando a técnica de impressão em seda sobre um substrato cerâmico. Nesta técnica, as conexões do circuito são feitas por pastas condutoras ou dielétricas, e uma malha de fios de aço inoxidável é utilizada como tela. Depois de imprimir o circuito em um substrato cerâmico, ele é queimado em um forno em altas temperaturas para infundir o circuito na matriz.
CIs monolíticos – Em um CI monolítico, todos os componentes passivos, ativos e discretos são fabricados em um único cristal de silício. Esses são os tipos mais comuns de ICs usados atualmente. Eles são fáceis de produzir e altamente confiáveis em operação. Embora esta seja a técnica de fabricação de IC mais amplamente adotada, ela ainda enfrenta muitos desafios práticos. Os mais notáveis desses desafios são o isolamento deficiente, a potência limitada e o ruído do sinal.
CIs Híbridos/Multi-Chip – Nesses tipos de CIs, mais de um chip individual é interconectado em um único pacote. Os componentes ativos como transistores e diodos e componentes passivos como resistores e capacitores são difundidos no chip e interconectados por meio de conexões metálicas. Esses ICs são usados principalmente para aplicações de alta potência (5W a 50W) ou aplicações de alto desempenho. Os CIs híbridos são melhores em tecnologia e design em comparação com os CIs monolíticos.
Conclusão
Os circuitos integrados são o núcleo da eletrônica. Neste artigo, cobrimos apenas classificações simples de CIs modernos. Isso cobre apenas uma pequena parte das tecnologias de IC. Os processos de design e fabricação de IC são tópicos intermináveis. Há muito mais para saber sobre ICs. O futuro dos circuitos integrados está na nanoeletrônica. É mais um tema vasto e fascinante.
