Nos anos 50, o mundo já utilizava a eletrônica de estado sólido em larga escala, milhões de rádios portáteis e dispositivos transistorizados movimentavam a indústria e o comercio com a miniaturização dos componentes eletrônicos, com o uso de transistores. Muitas indústrias começavam a surgir para atender as novas demandas crescentes da eletrônica doméstica, mas também as telecomunicações se beneficiavam deste grande desenvolvimento de uma eletrônica cada vez mais inovadora e pujante. A integração de muitos minúsculos transistores em um pequeno chip resulta em circuitos de magnitude menor, mais rápidos e menos dispendiosos, do que aqueles construídos com componentes discretos. A capacidade do circuito integrado de produção em massa, assegurou confiabilidade na construção de projetos eletrônicos e permitiram que circuitos lógicos fossem implementados. Garantindo a rápida evolução dos sistemas digitais substituindo os analógicos, utilizados até então, nas telecomunicações a digitalização começou pelos sistemas de transporte de sinais de medias distâncias (entre 10 a 50 km), com a utilização de multiplexadores digitais entre as centrais analógicas de telefonia existentes. A técnica consistia basicamente em transformar a voz humana em pequenos pulsos de sinais digitalizados, numa velocidade de amostragem que permitisse no outro lado integrar o sinal original. Esta é uma tecnologia que merece, e vou dedicar mais adiante um capítulo à parte.

O circuito integrado ou CI, ou IC (Integrated Circuit- na abreviatura em inglês), ou também conhecido como Chip é uma estrutura miniaturizada de um circuito eletrônico que contém muitos componentes, como transistores, diodos, resistores etc. e pode conter muitas funções, analógicas ou digitais, que corretamente utilizadas podem suprir qualquer necessidade onde o uso da eletrônica pode resolver, como por exemplo, computadores, eletrodomésticos digitais, telefones celulares e outros que fazem parte de nossa sociedade moderna. Os circuitos integrados tem duas vantagens principais sobre os circuitos discretos: custo e desempenho. O custo é baixo porque os chips, com todos os seus componentes, transistores, resistores, diodos e capacitores são impressos como uma única unidade fotolitografia, em vez de serem construídos um transistor de cada vez, além disso os chips empacotados usam muito menos material do que os circuitos discretos. Quanto ao desempenho é alto, porque os componentes do chip são construídos muito rapidamente e consomem relativamente pouca energia devido ao seu tamanho e proximidade entre os elementos. A única desvantagem dos circuitos integrados ou chips é o alto custo para projetá-los e fabricar as máscaras necessárias para sua construção. Este alto custo inicial significa que os Circuitos Integrados só se tornam viáveis quando grandes volumes de produção são previstos.

Um pouco de História.

Os primeiros desenvolvimentos de um circuito integrado remontam a 1949, quando o engenheiro alemão Werner Jacobi da Siemens, criou um dispositivo de amplificação constituído de semicondutor, mostrando cinco transistores em um substrato semelhante a um circuito integrado, formando um amplificador de som.

Em 1952 a ideia de um circuito integrado foi apresentada pelo cientista Geoffrey Dummer no Simpósio de Progresso em Componentes Eletrônicos em Washington. Dummer era funcionário do Royal Radar Establishment do Ministério da Defesa Britânico, e embora tenha mostrado sua ideia em muitos simpósios públicos, não teve sucesso. Em 1957, uma ideia precursora de Jack Kilby para o circuito integrado foi criar pequenos quadrados cerâmicos, cada um contendo um único componente miniaturizado, estes componentes seriam integrados e conectados em uma grade tridimensional, criando um Micromodule. Esta era uma ideia que parecia ser muito promissora, no entanto quando estava ganhando força o próprio Kilby, que agora trabalhava para a Texas Instruments, surgiu com um novo design revolucionário para o CI (Circuito Integrado), que consistia de “um único corpo de material semicondutor, onde todos os componentes do circuito eletrônico estavam integrados”. Meio ano depois de Kilby, Robert Noyce da Fairchild Semiconductor, desenvolveu uma nova variedade de circuitos integrados. O projeto de Noyce era feito de silício, enquanto o de Kilby era feito de germânio, entretanto Kilby ganhou o prêmio Nobel de Física no ano 2000 por sua participação na invenção do circuito integrado. Noyce creditou a Kurt Lehovec, da Sprague Eletric o princípio do isolamento da junção P- N, um conceito chave no circuito integrado, porque este isolamento permite que cada transistor opere independentemente, apesar de fazer parte da mesma peça de silício. A Fairchild Semiconductor também desenvolveu a primeira tecnologia de Circuito Integrado de porta de silício com portas auto-alinhadas, a base de todos os circuitos integrados CMOS modernos e foi desenvolvida pelo físico italiano Federico Faggin em 1968.

Os Circuitos integrados em ação.

Os circuitos integrados podem ser usados em várias funções, analógicas e digitais. Os circuitos integrados analógicos funcionam processando sinais contínuos, como circuitos gerenciadores de energia, amplificadores operacionais, entre outros. Uma parte importante dos circuitos integrados, é que eles aliviam o trabalho dos projetistas de circuitos, uma vez que já existem circuitos analógicos habilmente projetados, evitando projetar um circuito analógico difícil, do zero. Na fig 1 abaixo mostramos um circuito integrado com a função de amplificador.

Fig 1

Os circuitos integrados digitais podem ser caracterizados como circuitos integrados lógicos, chips de memória, interface entre outros. Os circuitos integrados digitais permitem implementar lógicas para as mais diversas funções, na construção de calculadoras eletrônicas, computadores e circuitos lógicos em geral, usados em elevadores verticais, na industria automobilística, e na industria de produção automatizada em geral. Na Fig 2 abaixo mostramos um circuito integrado com a função temporizador.

Fig 2

Desde suas origens na década de 1960, o tamanho, velocidade e capacidade dos circuitos integrados progrediram enormemente, impulsionados por avanços tecnológicos da segunda metade do século 20, que permitiram que o número de transistores em um circuito integrado ou chip, dobrasse a cada 18 meses, uma tendência conhecida como Lei de Moore, em chips de mesma dimensão. Um chip moderno pode conter muitos bilhões de transistores numa área do tamanho de uma unha humana, e possuem milhões de vezes a capacidade e milhares de vezes a velocidade dos chips de computador no início dos anos 70. Esta capacidade também diminuiu os custos e aumentou as funcionalidades, quando o tamanho diminui, quase todos os aspectos da operação de um circuito integrado melhoram, o custo por transistor e o consumo de energia de chaveamento por transistor diminui, enquanto que a capacidade de memória e a velocidade de operação sobem. Ao longo dos anos, os tamanhos dos transistores diminuíram de 10 mícrons no início dos anos 1970, para 10 nanômetros em 2017, com um aumento de milhões de vezes em transistores por unidade de área.

Outras Tecnologias seguindo os Circuitos Integrados

O sucesso dos circuitos integrados levou a integração de outras tecnologias, na tentativa de obter as mesmas vantagens de tamanho pequeno e baixo custo, estas tecnologias incluem dispositivos mecânicos, óticos e sensores. Dispositivos sensores de pixel ativos são chips sensíveis á luz, eles substituíram amplamente o filme fotográfico em aplicações cientificas, médicas e de consumo. Bilhões desses dispositivos são produzidos anualmente para aplicativos como celulares, tablets e câmeras. Pequenos dispositivos mecânicos movidos a eletricidade do tamanho de um "acaro" podem ser integrados em chips, uma tecnologia conhecida como sistemas microeletromecânicos (MEM) desenvolvidos no final da década de 1980, são usados em uma variedade de aplicações comerciais e militares. Os exemplos incluem projetores DLP, impressoras jato de tinta e acelerômetros e giroscópios.

Desde o inicio dos anos 2000, a integração da funcionalidade óptica em chips de silício tem sido ativamente utilizada tanto na pesquisa acadêmica, quanto na industria, resultando na comercialização bem sucedida de transceptores ópticos integrados baseados em silício combinando dispositivos ópticos, mas este é um assunto para um próximo artigo.

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