l c i rc u iti i nteg rati sono così i m portanti c h e a b b i a m o dedi cato ad essi il resto di q u esto l i bro. Poichè essi fanno uso di diodi e d i transistori che funzionano esattamente come quel l i che avete già studiato, non ci sono da i m parare del le n u ove specifiche. P i uttosto, ci occorre vedere come q uesti d i spositivi vengono messi in sieme su u n pezzo d i s i l icio per compiere una funzione c i rcu itale com pleta. CHE COS'E' UN C I R CU ITO I NTEGRATO?
Un c i rcu ito i nteg rato (o I C) è un c i rcuito elettro n i co com pleto, contenente dei transistori e spesso dei diodi, dei resistori e dei condensatori, i nsieme con i loro cond uttori elettrici d ' i ntercon nessione, trattato e conten uto i nteramente entro u n u n ico c h i p d i si l i c i o. I l c i rcuito i nteg rato f u inventato a l l a Texas l nstru ments nel 1 958 da J ack K i l by. l n F i g u ra 1 0. 1 si può vedere l'aspetto generale di un c i rc u ito i nteg rato.
Figura 1 0.1
La F i g u ra fa vedere come esso ap pari rebbe se la custod i a in plastica fosse semi-trasparente. Cuore del dispositivo è il m i n uscolo c h i p di s i l i c i o che si vede al centro. Esso è solo u n poco più g rande del ch i p usato per un t i p i co transistore discreto per picco l i seg nal i . l ch i p deg l i I C hanno delle d i mensioni maggiori, come ved remo più avanti , ma le d i mensioni del c h i p rappresentato in q u esta fi g u ra e nel la pross i m a non sono i nsol ite. Essi m isurano appross i m ativamente 0,060 pol l i c i ( 1 ,524 m m ) - ossia c i rca 1 /1 6 d i pol l ice quadrato (0,403 c m2) .
Tutta l a restante massa del d ispositivo provvede sem p l i cemente alla com u n i cazione con l'am biente esterno ed a l l a protezione da esso. l massicci term i n a l i me tal l i c i sono abbastanza rig i d i da permetterne l'i nserzione i n u na scheda a c i rcu ito stam pato e il robusto contenitore in plasti ca può ven i r ri battuto su una scheda senza dan neg g i are il c i rcuito integ rato.
U n t i pico c h i p é rappresentato, molto i n g rand ito, i n F i g u ra 1 0.2. S i tratta d i u n c h i p molto sem p l ice, q u i usato per fi n i i l l ustrativi - la maggior parte d e i c h i p I C è p i ù
Figura 1 0.2
g rossa e contiene molti p i ù com ponenti d i q u esto. Le scritte s u l l a figura ind icano alcune delle struttu re più i m portanti.
La ci rcu iteria elettrica conten uta i n u n I C è una versione m i n i aturizzata d i un c i rcu ito che potrebbe essere costitu ito altrettanto bene con deg l i ord i nari com po nenti d iscret i . I nfatti, nei pri m i tem pi dello svi l u p po deg l i ! C, i c i rcuiti venivano prima costruiti i n forma tradizionale i m p iegando dei componenti discreti - ossia realizzati su " basette" - per essere sicuri che fu nzionassero a dovere, dopodiché venivano messi sotto forma d i IC. O g n i g i u nzione ed og n i col l egamento ha i l suo equ ivalente nel l ' ! C.
Ma, come abbiamo pu ntualizzato nel trattare i c i rcuiti ed i sistem i , è suffi cien te, per l a maggior parte dei nostri fi n i , pensare i c i rcu iti - e q u esto vale anche per i c i rcuiti i nteg rati - come a blocchi costitutivi. I n altre parole, quello a c u i dobbiamo
pen sare è cosa fan n o i c i rcuiti e come funzionano, senza preoccu parci d i come i lo ro componenti l avorano i nsieme. I l blocco costitutivo del l'l C rappresentato i n Figu ra 1 0.2, per esem pio, è sem p l i cemente costitu ito da tre gate NAN O con tre i n g ressi ciasc u n o e aventi certe p restazioni specifi cate nel rel ativo data sheet.
Come tutti i c i rcuiti elettrici, i c i rcuiti i nteg rati sono suddivisi i n due classi: commuta tori e amplificatori. Nel mondo deg l i I C , i c i rcuiti com m u tatori ven gono di sol ito chiamati digitali e i c i rcu iti amplificatori vengono d i sol ito chiamati lineari. QUALI VANTAG G I PRESENTANO l CIRCUITI INTEGR ATI?
Tre sono i p ri ncipali vantaggi ottenuti nel fare u n c i rcu ito e l ettro n i co i n forma i nteg rata pi uttosto che in forma discreta: le piccole dimensioni, il basso costo e l'ele vata affidabilità. l vantaggi dati dall'avere del le piccole d i mensi o n i van no ben oltre i casi ovvi d i particol ari sistemi m i n i atu rizzati , come g l i ap parecchi per i sord i e i vei col i spazi a l i . U na c i rcu iteria m i n iaturizzata permette a siste m i c o m p l i catiss i m i , co me i g randi calcolatori, di avere delle d i mensioni fisiche conten ute - tali da riem p i re una stanza i nvece d i un magazzzino. Non solo ciò fa risparm i are denaro sul l'hardware, g l i armad i , i fi l i e l'i ngom bro dei sistem i - ma i c i rcuiti p i cco l i consu mano di meno, per cui essi ri ch iedono m i nori investi menti i n apparecch iatu re d i ali mentazione e d i condizionamento. l n oltre, la velocità di funzionamento d i un siste ma viene accresci uta rid ucendo le sue d i mensi o n i , perchè il tempo d i trasferi mento delle informazio n i fra le varie parti del sistema è più breve. I n conseg uenza d i ciò, un sistema più piccolo può espletare in un dato l asso d i tempo un maggior n u mero di compiti decisional i che non una versione più g rande dello stesso sistema.
l ris parm i risu ltanti dall' uso dei c i rcuiti integ rati non sono, però, solo q u el l i che vengono resi possi bi l i dalle m i n o ri d i mensi o n i . G ran parte dell'economia viene dal d i m i n u ito costo di fabbricazione dei c i rcuiti stessi . Il costo d i lavorazione d i un chip semi cond uttore - sia che esso conten g a u n u n ico transistore o u n I C co m p l esso - è, g rosso modo, proporzionale alla sua area, perchè, appross i m ativamente, lo stesso nu mero di operazioni di fabbricazione è necessario per produ rre u n a piastrina. Co sì , concentrando più com ponenti i n meno area d i c h i p , si riduce i l costo per com po nente. Fonte di altri risparm i ancora è i l fatto che g l i IC s i g n ificano u n m i n o r n u m ero di parti da ordi nare, da i m m agazzinare e da assiem are nel sistema.
T uttavia, per i m portanti che siano i vantagg i d i avere delle piccole d i mensioni e u n basso costo, essi vengono messi i n o m b ra dal vantag g i o rappresentato da una maggiore affidab i l ità. Affidab i l ità sign ifica c.he u n c i rcuito o u n sistema fu nzionerà per u n l u ngo periodo d i tempo senza essere affetto d a cattive p restaz i o n i o da rottu re ( b reakdowns) . Un sistema a IC ha molte mi nor probabi l ità di g u astarsi che non u n a versione di screta del lo stesso sistema. La rag ione pri n c i pale d e l l'affidabil ità estremamente elevata dei sistemi a I C è che essi ric h i edono molto meno g i u nti a sal dare e con nessioni meccaniche. l n qualsiasi sistema a sem icond uttori, è il g uastarsi di q u este i nterco n n essio n i - e non il g uastarsi dei componenti - che d eterm i na i l maggior n u mero d i dan n i a l sistema. I noltre, poichè l' usò d i I C s i g n ifica u n m i nor n u mero di componenti montati separatam ente, c'è meno probabi l ità che vengano fatti errori nell'assemblaggio e usati dei d i spositivi d ifettosi.
In u n senso più esteso, i vantagg i dei c i rcu iti i nteg rati vengono apprezzati nel modo m i g l i o re q u ando si tiene co nto della tendenza storica dei sistemi vers o una sempre maggior complessità. Un n u mero sempre m ag g i o re d i componenti e d i f u n zioni c i rcu ital i viene usato i n o g n i sistema. La nostra civiltà domanda , a n n o dopo an no, dei siste m i elettro n i ci p i ù complessi . Per arrivare, a q u esta complessità, i l co sto e le dimensioni dei sistem i devono ven i r manten uti entro l i miti rag ionevo l i . E l'af fidab i l ità d i og n i parte deve conti n u amente m i g l i orare, i n modo che i sistemi possa no fu nzio nare senza g u astarsi ogni poc h i m i n uti.Con i c i rcu iti i nteg rati s i sono fatti passi da g igante verso i l rag g i u n g i mento d i q uesta estrema com p l essità.
QUALI SONO LE LIM ITAZ I O N I DEl CIRCUITI INTEGRATI?
M a l g rado g l i straord i n ari preg i deg l i IC, le cui capacità conti nuano ad aumen ta re di anno in a n n o e che soppiantano un n u mero sem pre maggi ore di componenti elettronici d iscreti, essi hanno tuttora delle l i m itazioni ben defi n ite (al momento in cui scriviamo) . La p i ù i m po rtante è che gli LC devono l i m itarsi a dei valori com parativamente bass i della potenza e della tensione e ad u n l i m itato assortimen to d i componenti che posson o essere i nteg rati econom icam ente.
La l i m itazione di potenza è, principal mente, una conseguenza delle piccole d i mensioni d eg l i I C . Q uanta p i ù corrente u n dispositivo porta, tanto più calore esso genera, come abbiamo visto. Se q u esto calore è concentrato in un m i n uscolo d ispo sitivo, esso prod uce delle tem peratu re abbastanza elevate da poter danneggiare o distruggere l'el emento. l n conseg uenza, i l preg io rappresentato dalle d i mensio n i deg l i I C è soggetto a d e i com promessi c h e sacrificano l a capacità d i portare corren te. Ciò l i m ita la maggior parte deg l i IC a delle app l i cazi o n i aventi a che fare con l'in
formazione, piuttosto che con il lavoro. Perfi no i modern i calcolatori, che fan no uso
d i IC per l'elaborazione di i nformazi o n i , usano tuttora dei c i rcuiti d i screti a transi stori di potenza per l'emissione ai d ispositivi d i lavoro.
Analogamente, le tensioni neg l i IC devono essere manten ute piuttosto basse, perchè l' isolamento, fra g l i elementi di un c i rcu ito, è relativamente basso, per il fatto che i componenti sono molto ravvici nati fra loro in u n o stesso c h i p d i materiale. I l ti pico valore n o m i nale della tensione d eg l i IC è com preso fra ci nque e venti Volt. Se si su pera q u esta tensione, l' isol ante si perfora in un pu nto o nell'altro, provocando u n corto c i rcu ito.
Diciamo che l'assorbimento dei componenti è l i m itato, perchè, benchè il s i l i cio d i u n c h i p d i I C sia i l materiale ideale per i transistori e i d i o d i , esso non fu nziona troppo bene per gli altri componenti dei c i rcuiti. l resistori, per esem pio, tendono a dare dei valori d i resistenza non g i ust i . M a l g rado i p i ù precisi control l i , son o tipiche delle tolleranze d i resistenza del 1 5% - contro delle tol leranze dell'1 % per dei transi stori d iscreti economici. I noltre, quanto più alto è il valore della resistenza, tanto p i ù
spazio richiede u n resisto r e i n u n c i rcu ito i nteg rato; u n resisto r e da 40.000 O rappre
senta il l i m ite economico approssimativo e rich iede altrettanto spazio quanto d iver si transistori. l condensatori presentano dei problemi d i spazio an cora maggiori che non i resistori .
Questi serbatoi per l ' i m magazzin amento tem poran eo d eg l i el ettro n i ri chiedono del le g randi aree. Un valore d i capacità di sol i 20 picofa rad (20 tri l iones i m i di Farad) ri ch iede più spazio di vari transistori . P u rtroppo, molti com u n i c i rcuiti el ettronici ri ch iedono capacità m i l i o n i d i volte mag g iori . Analogamente, gli i n duttori, come i trasformatori , sono q u asi i m possi b i l i da produ rre su u n c h i p d i s i l i cio.
A causa delle l i m itazion i , i siste m i elett ronici tipici i m piegano i l m i nor n u mero poss i b i l e d i q u esti componenti d i ffici l i da i nteg rare. M a ess i , tuttavia, richiedono pu r sempre alcu n i resistori, condensatori , i n d uttori , trasfo rmatori e dispositivi sem i con d uttori d i potenza d i scret i . Deg l i i n geg nosi progettisti d i siste m i hanno agg i rato queste l i m itazioni creando dei c i rcuiti che fan n o uso dei transistori e diodi d i bassa potenza - che sono economici e fac i l i da i n teg ra re - per costru i re dei c i rcu iti che fun zionano altrettanto bene q uanto quel l i che richiedono dei com ponenti d i d iffi c i l e in teg razione.
Le rico m pense sono grandi e i siste m i i n c u i i componenti d i fficoltosi sono stati e l i m i n ati com p l etamente sono i tipi di siste m i p i ù rad ical mente i nteg rati - un classi co esempio di questo orientamento è dato dai potenti calcolatori d i g ital i . Da parte loro, i fabbricanti di c i rcu iti i nteg rati stanno conti n u amente ampl iando g l i orizzonti delle applicazi o n i , specialmente nell 'area del l a capac ità d i portare potenza.
Eppure, malgrado q u este l i m itazion i , il valore in dollari deg l i IC venduti è d i g ran l u nga superiore a quello d e i dispos itivi d i screti; al momento i n cui scriviamo, gli I C sono il pu nto d i riferi mento delle vendite futu re.
COME VENGONO FABBRI CATI l C H I P DEl CIRCU ITI I NTEGRATI?
Siamo di nuovo su un terreno che ci è fam i l i are, perchè i c h i p a IC vengono fatti con l e tec n i che di diffusione planare che abbiamo precedentemente trattato. U n a ti pica piastrina a IC del d iametro d i due pol l i c i ( Fi g u ra 1 0.3) , q uando è comp letamen te diffusa, può contenere centi naia d i chip I C , og n u no dei quali è, i n se stesso, u n
Figura 1 0.3
ci rcu ito completo. La pi astri na a c i rcuito i nteg rato q u i considerata, contiene p i ù d i 600 c i rc u iti i nteg rati , noti c o m e t i po " S N 7400".
In F i g u ra 1 0.4 si può vedere i l pri n c i p i o su cui si basa la struttu ra d i un sem p l i ce c i rcuito su u n c h i p a c i rcu ito i nteg rato.
Q u esto non è un c i rcu ito particolarmente uti le m a serve da i l l ustrazione. Esso mostra la struttura e la tec n i ca d ' i ntercon nessione per i tre com p o nenti IC p i ù co m u n i - un resistore, un d iodo e un transistore N P N .
Partiamo da u n a pi astri n a d i si l i c i o tag l i ata da u n cristallo d i t i p o P otten uto per accresci mento. Vengono q u i n d i fatte tre successive diffusioni di i m p u rità ( N , P , N ) , attraverso delle f i n estre d i forma opportu na, aperte con acido s u l l a pel l i co l a d i ossi do d i s i l i cio. Dopo ogni d iffusione, le finestre vengono ricoperte da un n u ovo strato di ossido. Dopo che un com p l esso defi n i tivo di finestre è stato aperto, s u l l'ossido viene depositato u n o strato d i oro o d i al l u m i n io meta l l izzato, che penetra attraverso l ' u lt i m o com plesso di finestre entrando in contatto con il si l i cio. A n cora u n a volta si fa uso di acido per corrodere e asportare tutto il meta l l o, ad eccezione di certe stri sce, di c u i si desidera la p resenza. l n q u esto modo si forma un tracciato di cond utto-
ri elettrici e si formano p u re del le " p i azzol e d i fissagg io" ag l i estremi d i certi cond ut tori , dove, d u rante i l processo d i assiemaggio, dopo che i l c h i p è stato tag l i ato dal la pi astri na, vengono attaccati dei sott i l i fi l i d i oro.
Sono evidenti i n F i g u ra 1 0.4 la struttu ra del transistore N PN e quella del d iodo PN. I l resistore è sem p l i cemente una striscia l u nga e stretta di materiale tipo P ( c i r condata da u n a reg ione N ) , attraverso la q uale viene i n canalata la corrente per mez zo d i connessioni meta l l izzate appl icate ai due estremi. S i può ottenere i l valore d i resistenza vol uto ag g i ustando la l u ng hezza e la larghezza di d iffusione d e l resistore tipo P d u rante la progettazione del c i rcu ito.