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Microelectrónica · Diseño de CI

Condensadores
en chips


¿Qué es un condensador?

Un condensador (o capacitor) es el dispositivo pasivo más fundamental de la electrónica, junto con la resistencia. Su función es almacenar energía en forma de campo eléctrico entre dos conductores separados por un material aislante llamado dieléctrico.

Un condensador almacena carga eléctrica. Cuando aplicamos tensión entre sus dos placas, los electrones se acumulan en una de ellas y se evacuan de la otra — creando un campo eléctrico en el dieléctrico intermedio.

A diferencia de una batería, un condensador no convierte energía química: la almacena y la devuelve casi instantáneamente. Esto lo hace imprescindible para filtrar ruido, estabilizar tensiones, transferir señales de AC bloqueando DC, y sintonizar frecuencias.

Estado del condensador
Los electrones fluyen hacia la placa B
Separación d 1.0×
↑ d → ↓ C (menos capacidad)
Área A 1.0×
↑ A → ↑ C (más capacidad)
Capacidad relativa
1.00×
C = ε · A / d
Ratio respecto al condensador de referencia (d=1×, A=1×). Un valor de 2.00× significa que este condensador almacena el doble de carga por voltio que el de referencia.
C = ε · A / d
CCapacidad en Faradios [F] — cuánta carga almacena por voltio
εPermitividad del dieléctrico: ε₀ · εᵣ — mayor εᵣ, más capacidad
AÁrea efectiva de las placas [m²]
dDistancia entre placas [m] — reducirla es la clave del scaling

Esta fórmula lo explica todo: para aumentar C puedes aumentar el área (más footprint, ineficiente en chips), reducir d (dieléctricos más delgados, el motor del scaling) o aumentar εᵣ (materiales de alta permitividad, el camino moderno).

Analogía hidráulica
Depósito de agua
La carga Q es el agua almacenada. La tensión V es la presión. La capacitancia C es el volumen del depósito. Mayor depósito → más agua a misma presión.
En circuitos
Q = C · V
Duplicar la tensión V duplica la carga almacenada. Duplicar C almacena el doble a la misma tensión. Energía almacenada: E = ½ · C · V²
¿Por qué es crítico en chips? En un circuito integrado los condensadores son omnipresentes: filtran el ruido de la alimentación, acoplan señales entre etapas, sincronizan osciladores, almacenan bits en DRAM y definen la velocidad de los ADC. La diferencia es que aquí no son componentes discretos — son estructuras nanométricas construidas directamente en las capas del silicio o del metal.

AC pasa, DC se bloquea

El condensador no conduce corriente continua (DC). Una vez cargado, el dieléctrico impide cualquier flujo adicional — la corriente cae a cero. En cambio, con corriente alterna (AC) el condensador se carga y descarga continuamente siguiendo la oscilación, dejando pasar la señal.

Esto lo convierte en el filtro más básico de la electrónica: bloquea DC, deja pasar AC. En chips se usa constantemente para separar el nivel de polarización (DC) de la señal útil (AC).

Condensadores en placa

Los condensadores de PCB son componentes físicos soldados sobre la placa de circuito impreso. Se pueden clasificar de dos maneras complementarias: según el material dieléctrico (que define sus propiedades eléctricas) o según el modo de montaje (que define cómo se ensamblan en la placa).

El dieléctrico determina la permitividad relativa (εᵣ), la tensión máxima, la estabilidad con temperatura y la linealidad. Es la clasificación más usada por ingenieros electrónicos.

Tip   Marca el ✓ en la esquina de cada tarjeta para seleccionar (hasta 4) y luego pulsa Comparar para ver la tabla.
Dieléctrico cerámico
Cerámico (MLCC)
No polarizado
Valor1 pF – 100 µF
Tensiónhasta 5 kV
εᵣ típico30 (C0G) — 4000 (X7R)
MaterialTitanato de bario u óxidos
Cuándo usarlo Es el más utilizado en electrónica moderna. C0G/NP0 es muy estable con la temperatura — ideal para osciladores y RF. X7R y X5R para desacoplo y filtros generales.
Dieléctrico cerámico
Cerámico de disco
No polarizado
Valor1 pF – 100 nF
Tensión50 V – 15 kV
εᵣ típico30 (C0G) — 10000 (Y5V)
MaterialDisco de BaTiO₃ + epoxy
Cuándo usarlo Una sola capa cerámica con electrodo a cada cara — por eso da poca capacidad pero aguanta tensiones muy altas. Se usa en supresión de EMI (clase X/Y), fuentes conmutadas y alta tensión. En señal lo ha sustituido el MLCC.
Dieléctrico óxido de aluminio
Electrolítico
Polarizado ⚠
Valor1 µF – 100 000 µF
Tensión4 V – 500 V
εᵣ típico~10 (Al₂O₃)
MaterialÓxido de aluminio + electrolito
Cuándo usarlo Para valores altos de capacidad a bajo coste — bulk storage, filtros de baja frecuencia, fuentes. Respetar polaridad. El electrolito se seca con el tiempo.
Dieléctrico pentóxido de tántalo
Tántalo
Polarizado ⚠
Valor0.1 µF – 1000 µF
Tensión2 V – 50 V
εᵣ típico~27 (Ta₂O₅)
MaterialPentóxido de tántalo
Cuándo usarlo Alta capacidad en formato SMD compacto con buena estabilidad. Muy sensible a sobretensiones y a corriente inversa — puede entrar en cortocircuito.
Dieléctrico polímero (film)
Film
No polarizado
Valor1 nF – 100 µF
Tensión50 V – 2 kV
εᵣ típico2 — 3.5
MaterialPET, PP, PEN, PPS
Cuándo usarlo Audio de alta fidelidad, filtros de potencia, snubbers, supresión de EMI. Muy estables, baja autoabsorción, larga vida. PP en audio premium.
Dieléctrico mica natural
Mica plateada
No polarizado
Valor1 pF – 10 nF
Tensión100 V – 10 kV
εᵣ típico5 — 7
MaterialMica + electrodo de plata
Cuándo usarlo Aplicaciones de RF y alta tensión donde se necesita precisión, baja pérdida y enorme estabilidad. Caros pero casi insustituibles en radio profesional.
Doble capa electroquímica
Supercondensador
Polarizado ⚠
Valor0.1 F – 3000 F
Tensión2.5 V – 3 V por celda
εᵣ típicoNo aplica (mecanismo distinto)
MaterialCarbono activado + electrolito
Cuándo usarlo Backup de memoria, almacenamiento de energía intermitente entre batería y condensador clásico. Densidad de energía mucho mayor pero baja tensión.

El modo de montaje determina cómo se sueldan en la PCB y, en gran parte, el tamaño físico, la densidad de placa y el coste de ensamblaje.

Surface Mount Device
SMD / SMT SMD ≠ SMT

SMD = Surface Mount Device — el componente físico, la pieza que se suelda.

SMT = Surface Mount Technology — la tecnología y el proceso de montaje (pick&place, pasta de soldadura, reflow).

Un condensador 0603 es un SMD. La línea de producción que lo coloca usa SMT. En la práctica casi todo el mundo dice "SMD" para las dos cosas.
SoldaduraSobre pads — reflow oven
Tamaño0201 a 2225 (0.6 a 5.7 mm)
EnsamblajePick & place automático
TiposCerámico, tántalo, electrolítico SMD
Cuándo se usa Estándar en toda la electrónica moderna. Permite densidades altísimas (móviles, ordenadores, IoT). Ensamblaje completamente automatizado.
Through-Hole Technology
THT (patillas)
SoldaduraPatillas a través — wave soldering
Tamañodesde 4 mm hasta varios cm
EnsamblajeManual o semi-automático
VariantesRadial — patillas paralelas, mismo lado
Cuándo se usa Componentes grandes (altas tensiones, alta corriente), donde la fuerza mecánica importa, o donde es necesaria reparación manual. El radial es la geometría THT más común hoy: ocupa poco espacio horizontal y es fácil de insertar a máquina.

Condensadores en chip

En un circuito integrado los condensadores no son componentes físicos soldados: son estructuras geométricas construidas en las capas del proceso CMOS. Su capacidad, linealidad y densidad dependen completamente del stack tecnológico — no hay catálogo, se diseñan litográficamente.

Modelos 3D de las estructuras integradas tal como se construyen en el proceso CMOS. Arrastra para rotar, scroll para zoom. El botón ✂ Ver interior activa el corte transversal animado.

3D interactivo — MIM
M2 — routing
M3 — placa inferior
Dieléctrico SiN
M4 — placa superior ¿Por qué M4 es más pequeña?

Las dos placas se dibujan con máscaras distintas, y dos máscaras nunca caen perfectamente alineadas: siempre hay unas decenas de nm de desplazamiento, y además varía de una oblea a otra.

Si las dos placas fueran del mismo tamaño, ese desplazamiento recortaría una tira del solape y la capacidad cambiaría con él. Tendrías un condensador distinto en cada esquina de la oblea.

Metiendo M4 holgadamente dentro de M3, el truco funciona solo: por mucho que M4 se mueva, sigue estando entera encima de M3, así que el solape es siempre el área de M4 y nada más. La capacidad la define una única máscara y el desalineamiento deja de importar.

Pagas un poco de área a cambio de un condensador que se repite igual en toda la oblea. De propina, M3 apantalla M4 del substrato.
M5 — routing
Vías
Metal–Insulator–Metal

Condensador MIM

Dos placas de metal separadas por un dieléctrico de alta permitividad (SiN, HfO₂, Ta₂O₅) insertado entre capas de metal del back-end (BEOL). Alta densidad, excelente linealidad, bajo voltage coefficient.

Densidad1–10 fF/µm²
LinealidadMuy alta
VCC< 10 ppm/V²
Tensión maxVDD del proceso
DieléctricoSiN · HfO₂ · Ta₂O₅
Posición stackBEOL (Mx – Mx+1)
Cuándo usarlo Desacoplo de precisión, sample-and-hold, DAC/ADC de alta resolución. Es el condensador de referencia en diseño analógico cuando el proceso lo ofrece. Su coste: requiere máscaras adicionales.
Matching El mismatch de capacidad escala con 1/√A. Para maximizar matching: usar geometría cuadrada, común centroid, y guardar distancia a bordes de pista.
3D interactivo — MOS
Substrato p
N-well
p+ (S y D)
n+ tap (body)
Gate oxide
Gate poly
M1
Metal–Oxide–Semiconductor

Condensador MOS

Usa el gate oxide como dieléctrico y el canal del transistor como placa inferior. La densidad es muy alta gracias al SiO₂ ultra-delgado del gate, pero la capacidad depende fuertemente de la tensión aplicada — no lineal.

Densidad5–30 fF/µm²
LinealidadBaja (VCC alto)
VCC100–1000 ppm/V²
Tensión maxVGS_max del proceso
DieléctricoSiO₂ · SiON · High-k
Posición stackFEOL (gate oxide)
Cuándo usarlo Desacoplo de alimentación (VDD–GND), osciladores de relajación, donde la capacidad no necesita ser lineal con V. Evitar en señal analógica de precisión por su VCC elevado.
Cuidado En acumulación la capacidad es estable. En depleción cae bruscamente — asegúrate de que el nodo esté siempre en acumulación o usa NMOS con N-well para PMOS equivalente.
3D interactivo — MOM
M1
M2
M3
M4
Vías Cómo se lee este dibujo

Cada capa de metal es el mismo patrón repetido: dos peines enfrentados, uno por nodo. La espina izquierda alimenta los dedos pares y la derecha los impares, y los dedos se entrelazan sin llegar a tocarse.

La capacidad sale del campo lateral entre dedos vecinos — no de un área de solape como en el MIM.

Las vías de las espinas apilan las capas en vertical. Cuatro capas ≈ cuatro veces la capacidad en la misma superficie, y sin ninguna máscara extra.
Metal–Oxide–Metal (fringe)

Condensador MOM

Explota la capacidad lateral (fringe) entre dedos interdigitados en la misma capa de metal o en múltiples capas del BEOL. No requiere máscaras extra — se construye con las capas estándar del proceso. Excelente para tecnologías sub-90 nm donde la altura del metal es mayor que el pitch.

Densidad0.5–3 fF/µm²
LinealidadAlta
VCC< 50 ppm/V²
Tensión maxSin límite especial
DieléctricoÓxido inter-metal (IMD)
Posición stackBEOL — capas estándar
Cuándo usarlo Proceso sin opción MIM, o cuando el área lo permite. Muy popular en FinFET y procesos avanzados. Fácil de escalar añadiendo capas. Compatible con flujo de diseño estándar sin coste de proceso extra.
Matching Muy sensible a variaciones de pitch litográfico. Usar metal fill homogéneo alrededor, y apilar siempre el mismo número de capas en los dos condensadores a emparejar.
SkyWater SKY130 · Open-source PDK · 130 nm

Crea tu condensador

Selecciona el PDK, el tipo de estructura y la capacidad objetivo. Obtendrás dimensiones de layout, número de unidades y el snippet SPICE listo para usar.

00
PDK open-source
01
Tipo de estructura
02
Capacidad objetivo
1 fF10 pF
03
Restricción de lado máximo (opcional)
µm
— C obtenida
—Área total
—Lado W×L
—Unidades
Layout real · 3D interactivo — arrastra para rotar, scroll para zoom
—
SPICE · ngspice / xschem
— configura los parámetros —
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