O que é um circuito integrado e como funciona?

O que é um Circuito integrado?

Um circuito integrado é um dispositivo eletrônico miniatura fabricado utilizando processos específicos de semicondutores que integram componentes eletrônicos, tais como transistores, resistores, capacitores, diodose suas vias de interconexão em uma única pastilha semicondutora ou substrato dielétrico. Esses componentes são estruturalmente formados em um todo completo e, após o encapsulamento, tornam-se uma estrutura miniaturizada com funções de circuito específicas.

Externamente, um circuito integrado normalmente se apresenta como um pequeno bloco embalado com vários pinos, mas por dentro há um microcosmo incrivelmente complexo. Nos diagramas de circuitos, os circuitos integrados são geralmente representados por símbolos como “IC” ou “N”.

Como funcionam os circuitos integrados?

Princípios básicos de funcionamento

A base do funcionamento dos circuitos integrados reside em propriedades dos semicondutores e o princípio de controle do campo elétrico. Em termos simples, eles processam, armazenam e transmitem informações controlando os estados de comutação de milhões ou até bilhões de transistores dentro do chip.

Fluxo de trabalho principal:

1. Entrada de sinal: Sinais elétricos externos entram no circuito integrado através dos pinos de entrada.
2. Processamento internoOs transistores dentro do chip amplificam, calculam ou convertem os sinais de acordo com a lógica projetada.
3. ResultadoOs sinais processados são transmitidos para outros componentes do circuito através dos pinos de saída.

Compreensão da estrutura hierárquica

Para entender melhor os circuitos integrados, podemos adotar uma estrutura hierárquica de cima para baixo:

• Nível do sistema: Sistema completo de dispositivo eletrônico (por exemplo, um smartphone)
• Nível do MóduloMódulos funcionais dentro do sistema (por exemplo, gerenciamento de energia, processamento de sinal)
• Nível de transferência de registro (RTL): Composto por registros e circuitos lógicos combinacionais
• Nível do portão: Circuitos lógicos básicos (portas AND, OR, NOT, etc.)
• Nível do transistor: As unidades de comutação semicondutoras mais básicas

Transistores: os elementos centrais dos circuitos integrados

Os transistores são os componentes básicos dos circuitos integrados, divididos principalmente em:

• Transistores de junção bipolar (BJT): Usado com mais frequência nos estágios iniciais, com maior consumo de energia.
• Transistores de efeito de campo de óxido metálico (MOSFET): Padrão nos circuitos integrados modernos, baixo consumo de energia, alta densidade de integração

Ao combinar transistores em várias portas lógicas e, em seguida, conectar essas portas lógicas em circuitos complexos por meio da tecnologia de interconexão multicamadas, obtêm-se, em última instância, recursos de processamento poderosos.

Sistema de classificação de circuitos integrados

Classificação por função e estrutura

• Circuitos integrados analógicosProcessar sinais analógicos que variam continuamente
• Circuitos integrados digitaisProcessar sinais digitais discretos
• Circuitos integrados de sinal mistoProcesse sinais analógicos e digitais simultaneamente.

Classificação por nível de integração

• SSICIntegração em pequena escala (10-100 componentes)
• MSICIntegração em média escala (100-1.000 componentes)
• LSICIntegração em grande escala (1.000-10.000 componentes)
• VLSICIntegração em muito grande escala (10.000-100.000 componentes)
• ULSIC: Integração em escala ultragrande (100.000 a 1 milhão de componentes)
• GSIC: Integração em escala gigabit (mais de 1 milhão de componentes)

Classificação por área de aplicação

• Circuitos integrados de uso geral: Circuitos padrão adequados para várias aplicações
• Circuitos integrados específicos para aplicações (ASIC): Circuitos personalizados para aplicações específicas
• Sistema em chip (SoC): Integra funções completas do sistema em um único chip

Processo de fabricação de circuitos integrados

A fabricação de circuitos integrados é um dos processos industriais mais complexos atualmente em uso. As principais etapas incluem:

1. Preparação da bolachaCortar cilindros de silício de alta pureza em finas placas.
2. Oxidação: Formação de uma camada isolante de dióxido de silício na superfície da pastilha
3. FotolitografiaTransferência de padrões de circuitos para o wafer utilizando máquinas de fotolitografia.
4. GravuraRemoção do excesso de material para formar estruturas de circuitos
5. Implantação de íons: Alteração das propriedades condutoras do silício
6. Metalização: Adicionando fios de interconexão
7. Testes e embalagem: Testar a funcionalidade do chip e aplicar embalagem protetora

Esse processo deve ser repetido dezenas de vezes para construir estruturas tridimensionais complexas em nanoescala.

Formas de embalagem de circuitos integrados

A embalagem não só protege o chip, mas também fornece conexões para circuitos externos:

• SOPPacote de contornos pequenos, pinos em forma de asas de gaivota
• PGA: Pin Grid Array, frequentemente utilizado em microprocessadores
• BGA: Matriz de grade de esferas, disposição de pinos de alta densidade
• DIP: Pacote Dual In-line, tradicional e amplamente utilizado

Características técnicas e vantagens dos circuitos integrados

1. Miniaturização: Comprime circuitos complexos em espaços extremamente pequenos
2. Baixo custoA produção em massa reduz significativamente o custo unitário.
3. Alto desempenho: Os caminhos curtos de transmissão de sinal permitem altas frequências operacionais.
4. Baixo consumo de energiaO design moderno de circuitos integrados enfatiza a otimização da eficiência energética.
5. Alta confiabilidade: Pontos de conexão externos reduzidos aumentam a estabilidade

Campos de aplicação dos circuitos integrados

Os circuitos integrados estão presentes em todos os cantos da tecnologia moderna:

• Eletrônicos de consumo: Smartphones, televisores, produtos digitais
• Sistemas de computação: CPUs, memória, controladores de armazenamento
• Equipamento de comunicação: Chips de estação base, processadores de rede
• Controle industrialSensores, controladores de automação
• Eletrônica automotivaControle do motor, sistemas de segurança
• Equipamentos médicos: Instrumentos de diagnóstico, dispositivos implantáveis
• Militar e AeroespacialRadar, navegação, sistemas de comunicação

Tendências de desenvolvimento futuro

À medida que a Lei de Moore se aproxima gradualmente de seus limites físicos, a tecnologia de circuitos integrados está se movendo em novas direções:

• Integração 3D: Aumentando a densidade de integração por meio do empilhamento vertical
• Novas aplicações de materiaisExploração de novos materiais, como nanotubos de carbono e grafeno.
• Integração heterogênea: Integrando chips de diferentes processos em um único pacote
• Computação quântica: Paradigmas computacionais totalmente novos baseados na mecânica quântica
• Computação neuromórfica: Projetos de chips que imitam os princípios de funcionamento do cérebro humano