Curso grátis de eletrônica: microeletrônica

A microeletrônica consiste em projetar e produzir circuitos utilizando componentes de tamanho microscópico. Usando materiais e técnicas apropriadas, é possível construir transistores, resistores, capacitores, diodos e indutores, cada um deles com tamanhos menores que 1 milésimo de milímetro. Os componentes tradicionais, comprados em forma avulsa no comércio e usados nos circuitos de som, rádio e TV, são chamados de componentes discretos. Um circuito integrado ou chip é um circuito complexo, porém de tamanho reduzido. É equivalente ao circuito de uma placa com componentes discretos, mas pelo fato de utilizar componentes integrados microscópicos, seu tamanho total é da ordem de 1 centímetro quadrado, ou mesmo menor.

Os componentes de um chip são como se fossem “pintados” na sua minúscula base, chamada substrato. O projeto de um chip e seu processo de fabricação, entretanto, é bem mais complexo que uma simples pintura. Trata-se de um processo um pouco químico, um pouco fotográfico, uma difusão de moléculas dentro da base de silício, formando camadas que compõem os circuitos.

A maioria dos materiais são divididos em duas categorias: condutores e isolantes. O condutor é um material que tem facilidade em conduzir corrente elétrica. Todos os metais são condutores. Já os isolantes são materiais que dificultam a passagem da corrente elétrica. A borracha é um exemplo típico de isolante, assim como o vidro, madeira, plásticos em geral, etc. Existem, entretanto, alguns materiais que ora se comportam como condutores, ora como isolantes. São os chamados semicondutores, e os principais deles são o silício e o germânio. A maioria dos transistores e chips utilizam o silício em sua fabricação. O germânio utilizado em alguns componentes especiais, como transistores para altas frequências.

Para que os semicondutores possam variar sua resistividade, é preciso que lhe sejam adicionados materiais especiais, chamados de dopagem. Existem dopagens tipos N e P (negativa e positiva), e a sua combinação é usada na formação dos transistores, diodos e demais circuitos no interior de um chip.

Foto ampliada do corte transversal de um microscópico trecho de um chip. A parte mostrada mede alguns poucos milésimos de milímetro.

Um chip é formado por sucessivas camadas de materiais diferentes. A base na qual um chip é construído (substrato) é feita de silício puro, ou seja, sem dopagem. Sobre esta base são aplicadas dopagens sucessivas, formando trechos tipos N e P. Eventuais ligações são feitas com camadas de alumínio ou cobre. Em certos trechos também são usadas camadas de óxidos como isolantes.

Funcionamento de um transistor MOS e seu símbolo.

A figura abaixo ilustra o funcionamento de um tipo especial de transistor usado para formar os chips. Trata-se do transistor MOS. Recebe este nome porque é formado por camadas de metal, óxido e semicondutor (Metal Oxide Semiconductor). Este transistor possui três terminais, chamados de source, drain e gate. O terminal source é ligado à tensão positiva da fonte, através de um resistor. Ele é a saída do circuito, que pode representar bits 0 ou 1. O terminal drain é ligado ao terra, ou seja, o polo negativo da bateria. O terminal de entrada é o gate, e é usado para controlar a corrente que passa entre source e drain.

Quando o gate é ligado a uma tensão baixa (bit 0), não passa corrente entre source e drain. Sendo assim, o source terá uma tensão elevada (bit 1), já que fica ligado ao polo positivo da bateria, através de um resistor. Quando o gate é ligado a uma tensão alta (bit 1), passará uma corrente entre source e drain. A resistência entre esses dois pontos será baixa, e a tensão medida no source será próxima de 0 volt. Teremos assim um bit 0 em sua saída. O circuito formado por este transistor e um resistor é o que chamamos de inversor, e é mostrado na figura abaixo. A operação lógica que realiza a inversão de bits. Ao ser aplicado um bit 1 na sua entrada, produzir um bit 0 na saída. Ao ser aplicado um bit 0 na entrada, produzir um bit 1 na saída.

Inversor MOS

Um fator bastante importante é a medida dos microscópicos transistores que formam os chips, como os mostrados na figura da página anterior. Com o passar dos anos, dimensões cada vez menores têm sido utilizadas. A unidade usada para medir esses transistores é o mícron (símbolo m). Cada mícron equivalente a um milésimo de milímetro. Os chips modernos apresentam transistores medindo uma fração do mícron. Usar transistores menores significa:

• Menor voltagem
• Menor dissipação de calor
• Menor custo de produção

A tabela que se segue mostra a evolução das tecnologias de fabricação nos últimos anos:

não apenas transistores podem ser construídos através de microeletrônica. Pequenos trechos de semicondutores podem formar resistores. Placas paralelas de metal formam capacitores, e trilhas de metal dispostas em forma espiral formam bobinas. Chips usados em telecomunicações utilizam no seu interior, bobinas e capacitores, além dos transistores e resistores. Chips usados em eletrônica digital (processadores, memórias, chipsets, etc..) em geral apresentam apenas transistores e alguns resistores. A figura abaixo mostra o trecho ampliado de um chip usado em telecomunicações, onde podemos ver as espirais que formam as bobinas e as grandes áreas que formam os capacitores.

Foto ampliada de um transistor com 0,13 m

Foto ampliada do interior de um chip contendo bobinas e capacitores.

Os chips são produzidos em grandes pastilhas circulares de 20 ou 30 cm de diâmetro chamadas waffers. A indústria tem trabalhado durante os últimos anos com waffers de 20 cm, e apenas em 2001 começaram a ser adotados os waffers de 30 cm, com várias vantagens. Em cada waffer são construídas dezenas ou centenas de chips, como vemos na figura abaixo. Depois de prontos os chips são separados um dos outros através de corte. São testados e finalmente encapsulados.

Vários chips em um waffer.

O processo de encapsulamento consiste em alojar a pastilha do chip em uma carcaça externa, que pode ser de plástico ou cerâmica. Também feita a ligação dos seus pontos de contato nos terminais externos (as “perninhas” do chip).