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DANIEL PARDO COLLANTES

Secretaría General

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CubiertaLección Inaugural 2011 20/9/11 09:45 Página 1

Electrónica:del pasado al presente

Lección 2011-2012 Electrónica 6/9/11 07:11 Página 3

Lección Inaugural del Curso Académico 2011-2012pronunciada por el Profesor Dr. D. Daniel Pardo Collantes,

Catedrático de Electrónica en la Facultad de Cienciasde la Universidad de Salamanca,

en el solemne Acto Académico celebrado el día 23 de septiembre de 2011

presidido por el Sr. Rector MagníficoD. Daniel Hernández Ruipérez.


Electrónica:del pasado al presente



© Universidad de SalamancaAutor

Depósito Legal: S. 1.050-2011

Impreso en España - Printed in Spain

GRÁFICAS LOPE

C/ Laguna Grande, 79. Polígono «El Montalvo II»Teléf. 923 19 41 31 - Salamanca (España)www.graficaslope.com

Todos los derechos reservados. Ni la totalidad ni parte de este libro puede reproducirse ni transmitirse sin permiso escrito de la Universidad de Salamanca.


Excmo Sr Rector Magnífico,Excmos e Ilmos Señores,miembros de la Comunidad Universitaria,amigas y amigos,señoras y señores:

ES para mí un gran honor presentar hoyy aquí, en el Paraninfo de la Universi-

dad, la lección inaugural del curso 2011-2012. Y de ello estoy agradecido a muchaspersonas: en primer lugar, a los compo-nentes del Consejo de Gobierno por acep-tar la propuesta que para tal fin recibieronde los directores de Departamento deCiencias; y a estos, y en particular a mi di-rector de Departamento, por confiar en mípara que los represente en este acto. Aunos y otros espero no defraudar.

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A la hora de elegir el tema que voy a pre-sentar, mi primer pensamiento se dirigió alas personas que asisten normalmente auna lección inaugural. Ante su heterogenei-dad, decidí que fuese una lección accesiblea todos, sin últimos avances cuantitativosen investigación, y con contenidos que enalgunos de sus apartados se imparten a losalumnos como introducción de las asigna-turas correspondientes a esta materia. Portanto, voy a presentar una panorámica dela Electrónica resaltando aquellos aspectosque considero han sido esenciales en sudesarrollo y que la han encuadrado comomateria científica, y que sirva para satisfa-cer el interés cultural de los aquí presentes.

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INTRODUCCIÓN

El siglo XX será recordado por los histo-riadores como el de la Revolución Científi-ca y Tecnológica, con tres representantesfundamentales: átomo, gen y bit. Admitire-mos que relacionada con el bit está la Elec-trónica. Y en pocas ramas de la Cienciapueden percibirse mayores transformacio-nes y cambios más profundos que los expe-rimentados por la Electrónica desde sunacimiento. Es una especialidad científicadel siglo XX, cuyo desarrollo es tan vertigi-noso que en la actualidad sus resultadosestán presentes en todos los sectores de laactividad humana. Por citar algunos datos,existen más de 1500 millones de teléfonosmóviles en todo el mundo, y más de 500millones de ordenadores. Se estima que el

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negocio de la Electrónica supera el 10% delproducto mundial bruto.

Por ello precisamente la Electrónica nopresenta un cuerpo de doctrina bien asen-tado y estructurado. Su carácter evolutivose debe a que la Electrónica actual es unacombinación o mezcla entre ciencia bási-ca, aplicada y tecnología, y que cualquiervariación en uno de estos aspectos produ-ce cambios en el conjunto y puede modifi-car su contenido. Además, presenta uncarácter marcadamente innovador, pro-moviendo y estimulando avances en otrasciencias. Sin avances en la Electrónica, unpaís desarrollado quedaría obsoleto enpoco tiempo y su capacidad competitivainternacional se vería debilitada, lo cualconstituiría una amenaza para el nivel devida de sus ciudadanos. El nivel de desa-rrollo que la Electrónica ha logrado en unpaís es, en nuestros días, un parámetroque se utiliza para establecer su grado dedesarrollo.


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Para caracterizar a la Electrónica sueledecirse que es una combinación de reali-dad física, contrastada experimentalmen-te, y una realidad abstracta comprobadamediante modelos matemáticos. Su cono-cimiento debe hacerse a través de variosniveles, acoplados entre sí y consistentes.Pero estas características, que por supues-to cumple, no informan explícitamente desu contenido.

Es muy difícil, por no decir imposible,enclaustrar a la Electrónica en una defini-ción exacta y concisa. Y una descripciónmás amplia, estableciendo una relación ex-haustiva de los temas que trata, tampocoresulta adecuada al no poder especificarcon exactitud sus fronteras actuales, pueslos límites son difusos y cambiantes. Quizáuna mezcla de argumentos en extenso e in-tenso permitirá alcanzar un concepto másclaro de esta materia. Además, un ciertoconocimiento de su evolución históricanos permitirá entender conceptos y teoríasmodernas asociados a su desarrollo.

ELECTRÓNICA: DEL PASADO AL PRESENTE

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Para poner de manifiesto lo poco ade-cuado que resulta una definición concisade la Electrónica, solemos decir que«Electrónica es la parte de la Física queestudia el transporte controlado de car-gas eléctricas». Y enseguida nos daríamoscuenta de que si bien esta definición con-tiene algunas características de lo que es laElectrónica, es lo suficientemente impreci-sa como para que requiera algunos comen-tarios que la delimiten.

Por ejemplo: ¿Qué entendemos por«transporte controlado»? Evidentementeno está explícito en la definición y cadapersona puede proponer una respuesta.Podrá por ejemplo decirse: por «contro-lado» entiendo todo sistema en el que elexperimentador puede variar a voluntad,en este caso, la conducción eléctrica.¿Podemos entonces inferir que cualquiermaterial resistivo es objeto de la Electró-nica, ya que en él puede controlarse lacorriente eléctrica? Sabemos que no, elestudio de una simple resistencia, que


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puede controlar la corriente, cae dentro dela Electrodinámica.

Las discusiones que podrían seguirsobre lo que entra dentro del dominio de laElectrónica llegarían a ser definidas, sinambigüedad, como bizantinas. Y todo ellodebido al hecho de que la Electrónica noes exclusiva en su contenido, es decir, elentendimiento de la materia que nosotrosllamamos Electrónica presupone el cono-cimiento de una cierta cantidad de leyes deotras partes de la Física, de las cuales lamás cercana es sin duda el Electromagne-tismo. Encontramos sumamente difícil es-tablecer en unas palabras dónde acabauna y dónde comienza la otra. Y esto nosólo con relación al Electromagnetismo.Por ejemplo: en el estudio «electrónico» delos semiconductores, ¿dónde acaba la Físi-ca del Estado Sólido para dar paso a laElectrónica?

La alternativa a la infructuosa labor dedefinir qué entendemos por Electrónica,como ya hemos dicho antes, sería dar una


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relación de todos y cada uno de los dispo-sitivos que con el nombre de «electróni-cos» conocemos. Pero este camino no esmejor. Los inconvenientes son manifiestos:requeriría un conocimiento completo de lamateria y no sabríamos a ciencia cierta siun nuevo hallazgo debe o no ser añadido ala lista.

Como ya he dicho antes, quizás la mejorsolución sea una mezcla de los dos cami-nos señalados previamente: indicar las ca-racterísticas generales de la Electrónica yañadir una relación de los temas que sehan ido agrupando sucesivamente paraformar la parte de la Física que hoy cono-cemos como Electrónica.

Vamos entonces a presentar en esta lec-ción una evolución de la Electrónica a tra-vés del tiempo mediante la ordenación delos acontecimientos y desarrollos científi-cos principales que han configurado lo quehoy conocemos como tal. Este plantea-miento nos permitirá delimitar y concretarlos aspectos esenciales de la Electrónica.


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Posteriormente presentaremos los grandestemas en los que la Electrónica, hoy endía, encuentra su desarrollo.

ELECTRÓNICA DE VACÍO

A diferencia de otras disciplinas queforman parte de la Física y que tienen suorigen en el conocimiento del Universoque nos rodea, el motor que desarrolla laElectrónica reside en un intento de mejo-ra e innovación de los sistemas de trans-misión y recepción de información adistancia, así como del procesado y alma-cenamiento de la misma. Su origen puedesituarse muy a finales del siglo XIX, épocacaracterizada por un desarrollo especta-cular de la Ciencia, cuando se aborda elestudio de una serie de fenómenos curio-sos y casi mágicos, conocidos desde laantigua Grecia. El resultado es el estable-cimiento de un cuerpo de doctrina perfec-tamente asentado para una nueva parte dela Física, denominada actualmente Elec-tromagnetismo.


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Ya existían antecedentes, pues S. F.Morse concibe la idea del telégrafo electro-magnético, que se prueba en 1844 con unalínea entre Baltimore y Washington. Y en1876 A. G. Bell solicitaba la patente del te-léfono.

Sin embargo, desde un punto de vistacientífico, el momento culminante se pro-duce en 1865 con los trabajos de J. C. Max-well estableciendo las bases teóricas delCampo Electromagnético. Sus ecuacionesno se limitan a una simple formulaciónmatemática de los trabajos de M. Faraday,sino que predicen la existencia de ondaselectromagnéticas.

La generación y detección de dichasondas electromagnéticas es realizada porH. R. Hertz en 1886, comprobando ade-más que obedecían a la formulación mate-mática de J. C. Maxwell. La verdaderatrascendencia de estas investigaciones esque, por un lado, proporcionaron una veri-ficación experimental de las ecuaciones de


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Maxwell y, por otro, sentaron las basespara una nueva era en las comunicaciones.

Estos trabajos de Hertz dieron lugar aque en 1895 G. Marconi intuyera las posi-bilidades comerciales de las ondas hertzia-nas (Premio Nobel de Física en 1909). Laprimera patente de la radio en 1897, aun-que en un solo país, Reino Unido, fue suya.Esto le ha acreditado habitualmente comoel padre de la radio y de las telecomunica-ciones inalámbricas.

Paralelamente en el tiempo, en 1880 seobservó el primer fenómeno electrónicopropiamente dicho. Fue T. A. Edison quiendescubrió el efecto que inicialmente llevósu nombre y que en la actualidad se cono-ce con el nombre de efecto termoiónico.Observó que en una ampolla de vidrio enla que se hacía el vacío, la conducción eléc-trica se establecía entre un filamento ca-liente y un segundo electrodo, sin quehubiese entre ellos ningún medio conduc-tor. Edison no llegó a interpretar su obser-vación, y ésta llegaría años más tarde, en


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1903, llevándola a cabo O. W. Richardson(Premio Nobel de Física en 1928), quiendemostró que los electrones son emitidospor superficies metálicas calientes me-diante un proceso similar a la evapora-ción.

Ligeramente posterior, en 1887, H. R.Hertz descubre la emisión fotoeléctrica alobservar que el arco que salta entre doselectrodos conectados a alta tensión alcan-za mayores distancias cuando se iluminacon luz ultravioleta. También este fenóme-no fue explicado científicamente unosaños mas tarde por A. Einstein, en 1905(Premio Nobel de Física en 1921).

Clave para estas explicaciones fue eldescubrimiento del electrón por J. J.Thomson en 1897 (Premio Nobel de Físicaen 1906). La aparición del electrón comopartícula «discreta» tuvo su origen en lostrabajos de H. Geissler y J. W. Hittorf sobrela conductividad en gases. Ellos descubrie-ron lo que denominaron «rayos catódicos»


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y que en realidad no era otra cosa que elflujo de electrones saliendo del cátodo.

Diodo de Vacío de J. A. Fleming(hacia 1910)

J. J. Thomson sometió a los «rayos ca-tódicos» a la acción de campos eléctricosy magnéticos y determinó la relacióncarga/ masa de las partículas que constitu-ían esos rayos catódicos (el electrón). Pos-teriormente, en 1912, R. A. Millikan(Premio Nobel de Física en 1923), con sucélebre experimento de las gotas de aceite,logró determinar con gran exactitud lacarga de la nueva partícula (la carga delelectrón y por tanto también su masa). El


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descubrimiento del electrón significó unduro golpe a la mentalidad del «continuo»(reforzada por el éxito de la teoría de Max-well), por lo que no es de extrañar que laexistencia del electrón fuera admitida, ini-cialmente, con gran resistencia.

Los primeros dispositivos electrónicosno se hacen esperar. En 1905, J. A. Fleminginventa el diodo de vacío, encerrando enuna ampolla de vidrio, donde hizo el vacío,dos placas metálicas. Calentó una (cátodo)a la que aplicó una tensión negativa conrespecto a la otra (ánodo). El cátodo emi-tía electrones que eran recolectados por elánodo. Cuando el tubo se incluía en un cir-cuito receptor de ondas hertzianas, loselectrones eran atraídos solo cuando elánodo o placa era positivo con respecto alcátodo. Lograba pues rectificar la señal re-cibida y la corriente obtenida podía actuar,por ejemplo, sobre un receptor telefónico.

Este había sido el objetivo de J. A. Fle-ming: encontrar un detector para ondashertzianas. Sin embargo la aplicación


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práctica no fue inmediata y hasta que estoocurrió fue sustituido por un detector decristal de plomo (la galena). El tubo devacío se fue perfeccionado, aumentando elvacío de su interior, hasta que su funciona-miento fue más seguro que el detector decristal.

ELECTRÓNICA Y COMUNICACIONES

Comenzaba así la larga marcha comúnque emprendían la Electrónica y las Co-municaciones, de la que ambas saldríanbeneficiadas. Los dispositivos electrónicosde vacío mejoraron en aquel entonces lascomunicaciones y la necesidad de mejorarestas animaba al espíritu de investigación.

Poco tiempo después de la aparición deldiodo, en 1907 aparece el triodo (llamado«audión» en su tiempo) descubierto por L.de Forest, introduciendo un tercer electro-do (una rejilla) entre ánodo y cátodo deldiodo de vacío. Observó que aplicando unatensión adecuada a esta rejilla controlaba


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la corriente que fluía entre ánodo y cátodo,ventaja fundamental si se tiene en cuentaque en el diodo de J. A. Fleming el únicocontrol posible era el de la temperatura delcátodo. Así, una pequeña señal eléctricaaplicada a la rejilla puede producir gran-des variaciones en la corriente entre ánodoy cátodo. Como detector de ondas hertzia-nas resultaba ser una válvula mucho mássensible que el diodo y además era capaz deamplificar la señal que se aplicaba a su reji-lla. En 1912, L. de Forest diseñó y aplicó el

El primer triodo utilizado por Lee de Forest


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primer amplificador de válvulas con variostriodos en cascada, obteniendo más ampli-ficación que con uno solo.

Hemos hablado de la Electrónica y lasComunicaciones. No es desde luego elúnico campo de aplicación y progreso dela Electrónica. El efecto fotoeléctrico, co-nocido mucho antes, se utiliza en la célu-la fotoeléctrica, que encuentra aplicaciónen los siguientes años en la televisión y elcine sonoro. La emisión secundaria dalugar a los tubos fotomultiplicadores, loscuales se utilizaban para amplificar seña-les radiantes, pero han visto reducirse engran medida sus aplicaciones, quedandoprácticamente limitadas a la detección departículas.

Las mejoras tecnológicas de los tubosde vacío existentes hasta ese momentopermitieron el diseño y la puesta en uso deamplificadores y osciladores, que consti-tuyen circuitos básicos para los sistemasde transmisión de señales a distancia. Enparticular, la utilización del triodo como


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oscilador (generador de señales sustitu-yendo a los antiguos de arco o chispa) fueun factor determinante para el sistema he-terodino de transmisión y recepción de in-formación (la radio).

Resumiendo la situación hasta 1930, sepuede decir que no surge ninguna nuevaaportación en el campo de los dispositivoselectrónicos, sino que los esfuerzos inves-tigadores se centran en perfeccionar lo quese tenía y en profundizar en los conoci-mientos que expliquen los continuos avan-ces experimentales. Así, en estos años sedesarrollan los aspectos teóricos, estable-ciendo una verdadera base científica quetransformará paulatinamente el carácterexperimental de lo obtenido hasta el mo-mento por el análisis físico y matemáticorazonado.

Y quizá uno de los ejemplos más revela-dores de esta situación se produce dentrodel campo de las comunicaciones, dondesurgen las teorías matemáticas sobre elproceso de modulación de señales, con el


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Receptor de radio,fabricado por Telefunken en 1929

Receptor de televión, fabricado por PredictaTV (EEUU) en 1958


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fin de obtener modelos que permitan sucaracterización y mejora. El primer estu-dio teórico de la modulación en amplitudfue realizado por C. Englund en 1914, des-cubriendo las bandas laterales. Posterior-mente, C. Carson proporcionó un granimpulso a las comunicaciones al proponerla modulación de banda lateral única, pa-tentando en 1923 un circuito para este tipode emisión. A él se debe también la modu-lación en frecuencia.

Quizá el invento más sobresaliente porel impacto social que ha causado hastanuestros días fue el de la televisión, cuyoorigen debe ser buscado en la emisión fo-toeléctrica, y se atribuye a V. Zworykin en1928. Él encontró el dispositivo capaz detransformar una imagen óptica en una co-rriente eléctrica: el iconoscopio.

En esta época, 1927, una idea muy im-portante se debe a H. S. Black, al intro-ducir el concepto de realimentacióncomo medio de reducir la elevada distor-sión (ruido) presente en el proceso de


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amplificación de señales de comunicacio-nes. Los trabajos posteriores de H. Nyquisty H. W. Bode sobre la estabilidad de los sis-temas realimentados completan esta ideay dotan a la Electrónica de una de sus he-rramientas más potente y usada en el dise-ño de circuitos.

Constituyen estos años, 1930-1940, laépoca dorada de la radio, que técnica y co-mercialmente adquiere una enorme ex-pansión, y como consecuencia una rápidaproliferación de emisoras radiofónicas. Lagran demanda de receptores y sistemasemisores que lleva asociada hace posiblesituar precisamente en esta época el co-mienzo de la Electrónica de consumo, unconcepto nuevo que se prolonga hasta laactualidad.

Es también esta una época en la que sevislumbran otras posibilidades y aplicacio-nes para los dispositivos electrónicos: des-arrollado de modo independiente por G. A.Philbriek y C. A. Lovel aparece el Amplifi-cador Operacional para la realización de


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las operaciones de integración y deriva-ción en calculadoras analógicas. Con lafinalidad de medir la distancia a la que seencontraban las distintas capas de la ionosfera, en esta época también E. V.Appleton en Inglaterra y G. Breit y M.Tuve en Estados Unidos comienzan asentar las bases de lo que luego sería elradar (acrónimo de Radio Detection AndRanging).

La Segunda Guerra Mundial resulta serun factor determinante para el impulso de-finitivo de la Electrónica y de la industriaa ella asociada. Así, Inglaterra se ve seria-mente amenazada en su propia supervi-vencia como nación, y una de sus mejoresarmas para impedirlo es utilizar su inge-nio, aplicado especialmente a la tecnologíaelectrónica. Este esfuerzo colectivo y la ne-cesidad imperiosa del radar hizo posible lacreación de un gran equipo de investigado-res ingleses y americanos que lo desarro-llaron casi hasta el estado de perfecciónactual.


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Otra importante consecuencia de estacrisis mundial fue el notable impulso queexperimentó la aplicación de la Electróni-ca a procesos de control. Lógicamente susprimeras aplicaciones fueron militares,pero constituyó un paso decisivo en el des-arrollo futuro de la Electrónica, pues supo-nía una clara ampliación de sus fronteras,limitadas hasta entonces al campo de lascomunicaciones. Por su propia naturaleza,los sistemas requeridos para procesos decontrol debían presentar elevada fiabili-dad, rapidez de operación y miniaturiza-ción, características todas de los sistemaselectrónicos. A partir de estas aplicacionesse creó una nueva rama interdisciplinar dela Ciencia: la Cibernética (ciencia del con-trol y la comunicación en el animal y en lamáquina).

Precisamente, N. Wiener, a quien seconsidera uno de los fundadores de la Ci-bernética, fue uno de los responsables delgran impulso que experimentó la aplica-ción de la Electrónica. Sus trabajos sobre


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control en servomecanismos aplicados ala lucha antiaérea, realizados en el MIT

(Massachusetts Institute of Technology),llevaron a muchos escépticos a manifestarsu temor por la supremacía de la máquinasobre el hombre. Ante esta pregunta, N.Wiener contestó: «.... solamente la perezaintelectual humana podría permitir que losequipos de procesamiento electrónico dedatos lleguen a ser algún día más inteligen-tes que el hombre ...».

La Electrónica como disciplina científi-ca está en esta época en todos los departa-mentos de las Fuerzas Armadas deEstados Unidos. Y para ponerlo de mani-fiesto demos unas cifras. En 1941, 45 fa-bricantes de equipos de radio alcanzaronuna cifra de ventas de 240 millones de dó-lares. En 1944, la industria de la radio y elradar llegaba a los 4500 millones. En laposguerra siguió creciendo a un ritmocuatro o cinco veces más rápido que elresto de la industria. Al examinar porme-norizadamente las ventas de la industria


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electrónica entre 1950 y 1960 se ve que lasde productos destinados al público apenasaumentan, mientras que las de los servi-cios militares crecieron un 650 por ciento.En un informe preparado para el Departa-mento de Defensa se demostraba que el 70por ciento de todo el tiempo de investiga-ción de los físicos de 750 universidades ycolegios estaba dedicado a investigaciónmilitar.

Y si hablamos de I+D, tenemos quehacia 1960 el 70 por ciento de la investiga-ción y desarrollo de la industria electróni-ca se pagaba con fondos federales. Esdecir, que al menos en Estados Unidos, lanación hegemónica durante ese periodo, elprimer factor de desarrollo de la industriaelectrónica no es la aportación de la socie-dad de consumo.

ELECTRÓNICA E INFORMÁTICA

Los primeros trabajos teóricos sobre sis-temas digitales y ordenadores se remontan


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a mediados de los años 30, mereciendo ci-tarse las contribuciones de A. M Turing yC. Shannon. Las necesidades bélicas de In-glaterra constituyeron un considerable es-tímulo para la construcción del primerordenador electrónico. Bajo la dirección ypatrocinio del gobierno británico se formóun equipo de investigación cuyo propósitoera el diseño de una máquina electrónicapara criptoanálisis, obteniendo como re-sultado el «Colossus», el cual comenzó afuncionar en 1943 y puede considerarsecomo el primer ordenador electrónico depropósito especial. Constituyó además unade las armas decisivas de los aliados du-rante la contienda, ya que se usó con éxitopara descifrar los mensajes secretos de lascomunicaciones alemanas.

De estos breves comentarios se puedeconcluir que la Segunda Guerra Mundialcondicionó en gran medida el desarrollode la Electrónica, acelerando la aplicaciónde los dispositivos electrónicos a nuevossistemas. Finalizado el conflicto se inició


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también un amplio desarrollo de aplicacio-nes dedicadas a la industria, tecnología yelectrónica de consumo, significando el co-mienzo de una nueva era para la Electrónica.

Imagen del ENIAC

Debemos señalar aquí como evento im-portante para la Electrónica que en 1945 sefabricó el ENIAC (Electronic Numerical Inte-grator And Computer), utilizado por el Labo-ratorio de Investigación Balística delEjército de Estados Unidos. Se suele consi-derar el primer ordenador electrónico digital


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de propósito general. Se construyó en laUniversidad de Pennsylvania, ocupaba unasuperficie de unos 160 m2 y operaba con untotal de unas 19000 válvulas de vacío. Con-seguía realizar unas 3000 sumas y 500 mul-tiplicaciones en 1 segundo. Ya ejecutaba susprocesos y operaciones mediante instruccio-nes en lenguaje máquina, a diferencia deotras computadoras de aquella época basa-das en procesos analógicos. Sin embargo,cuando su programa (software) requeríamodificaciones, la demora de utilización erade unas semanas ya que requería la opera-ción manual de unos 6000 interruptores.Uno de los mitos que rodea este aparato esque la ciudad de Filadelfia, donde estabainstalado, sufría apagones cuando el ENIAC

entraba en funcionamiento; su consumo deenergía era muy elevado, unos 150 kW.

ELECTRÓNICA DE SEMICONDUCTORES

Desde el año 1833 se había observado laexistencia de una serie de materiales cris-talinos, denominados semiconductores,


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que llamaban poderosamente la atenciónde los investigadores, pues presentabanuna conductividad que aumentaba con latemperatura, mientras que en los metalesdisminuía.

Aunque se utilizaron para la construc-ción de rectificadores, con una primerapatente en 1906, las propiedades y caracte-rísticas de los semiconductores no habíanpodido ser explicadas adecuadamente, yasí no puede resultar extraño que los pri-meros dispositivos electrónicos construi-dos con estos materiales estuviesenbasados en el comportamiento de los elec-trones en el vacío y en metales. A partir de1925 se produce un avance significativo enel estudio teórico de los mecanismos deconducción en sólidos, y apoyándose enellos, en 1938, W. H. Schottky establece elprimer modelo para el contacto metal-se-miconductor.

La mejora continuada del funcionamien-to de las válvulas de vacío y su amplia difu-sión no estimulaban demasiado la búsqueda


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de nuevos dispositivos. No obstante, poco apoco se iba poniendo de manifiesto queestos dispositivos no eran los ideales: de-masiado voluminosos, consumo de poten-cia elevado, generando excesivo calor,caros y de vida corta. Estos inconvenientesno podían reducirse drásticamente ya queson características inherentes a su princi-pio de funcionamiento.

Teniendo en cuenta estos factores nega-tivos y con vistas al futuro, después de fi-nalizar la segunda guerra mundial la BellTelephone crea un Departamento de Físicadel Estado Sólido, bajo la dirección de W.Shockley y S. Morgan, con el fin de abor-dar el desarrollo de dispositivos electróni-cos a partir de semiconductores. Comoprimer resultado del trabajo de este grupo,en 1939, R. S. Ohl descubre la barrera p-n(unión p-n).

Las primeras investigaciones de W. Shoc-kley le llevan a proponer en 1940 un dispo-sitivo prácticamente igual al actualtransistor de efecto de campo, en el que la


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conductividad de una barra semiconduc-tora (Germanio) debía ser controlada me-diante un campo eléctrico creado por unaplaca muy próxima. Se esperaba ademásque utilizando el terminal de la placacomo entrada el dispositivo amplificase.Cuando se hicieron las correspondientesexperiencias, los resultados fueron nega-tivos. La explicación fue propuesta por

Primer transistor de puntas de contacto


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J. Bardeen en 1947: sugirió que los elec-trones extra eran atrapados en los estadossuperficiales del cristal y que su compor-tamiento era diferente del de los electro-nes interiores. Al poco tiempo, en 1948, J.Bardeen y W. Brattain anuncian el descu-brimiento del amplificador de estado sóli-do que primero funcionó: el transistor depuntas de contacto. El término «transis-tor» es la contracción en inglés de transferresistor.

Este dispositivo presentaba bastantes li-mitaciones, por lo que W. Shockley siguióinvestigando y buscando un nuevo transis-tor. En 1948 publica la teoría de lo que de-nominó transistor de unión, siendoconstruido el primer dispositivo en 1951.En esencia, este nuevo transistor tenía elmismo principio de funcionamiento, y lamodificación con respecto al anterior con-sistía en sustituir las uniones de punta decontacto por uniones p-n. El transistor bi-polar (las corrientes en él están formadaspor dos tipos de portadores) había nacido.


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El transistor bipolar actual es descendien-te directo de éste, sin otras modificacionesque las impuestas por el desarrollo de lastecnologías y la aparición de nuevos semi-conductores.

Quizá sea adecuado mencionar aquí queen la aparición del transistor bipolar se ob-serva un aspecto claro que da caráctercientífico a la Electrónica: el fracaso en laprimera idea de fabricar un transistor (elde efecto de campo) lleva a varios investi-gadores a concentrar sus esfuerzos en lanaturaleza científica del problema másque en los aspectos prácticos. El fallo ini-cial conduce a un replanteamiento científi-co cuya trascendencia se encargaría dedemostrar el tiempo.

En 1956 , W. Shockley, J. Bardeen y W.Brattain reciben el Premio Nobel de Físicapor sus trabajos en semiconductores y porla invención del transistor bipolar. En1972, J. Bardeen fue otra vez galardonadocon el Premio Nobel de Física, junto a


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L. Cooper y J. Schrieffer, por el desarrollode la teoría de la superconductividad.

Bell Telephone adopta en 1952 una de-cisión importante para la difusión y mejo-ra de este nuevo dispositivo. Organiza unSymposium con asistencia de científicos ylas principales compañías electrónicas deaquella época, dando a conocer en dichareunión los procesos de construcción deltransistor y concediendo licencias para sufabricación. A partir de ese momento todala industria electrónica concentra sus es-fuerzos en el desarrollo y perfecciona-miento del transistor bipolar.

Durante los siguientes años, las técnicasde obtención de semiconductores de cali-dad electrónica (de pureza elevada) experi-mentan grandes mejoras, a las que se unentambién avances en los procesos de fabri-cación de los dispositivos. Todo ello dalugar a mejores transistores: Fairchild Se-miconductor introduce los transistores dedifusión; R. L. Wallace, L. G. Schimpf y E.Dickten (Bell Telephone Lab.) el transistor


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de doble base y H. Krömer propone eltransistor de deriva, con lo que se consigueampliar el rango de frecuencias de trabajo.

Es importante señalar que las continuasmejoras en los procesos de fabricaciónpermiten un mayor control de los paráme-tros de los transistores y una mayor uni-formidad entre dispositivos. En esta línea,Fairchild introdujo el proceso planar defabricación y los laboratorios Bell el méto-do epitaxial. Las nuevas versiones de tran-sistores bipolares superaban, al menos enparte, los dos inconvenientes que presenta-ban los primeros dispositivos: limitaciónen frecuencia y potencia disipada.

La primera línea de producción en seriede transistores de IBM funcionó en Pough-keepsie, New York. Cuando estuvo en fun-cionamiento total en 1960, producía 1800transistores individuales en una hora.

Estos avances en la tecnología de fa-bricación permitieron que en los años 60se pudiesen fabricar con éxito transisto-res de efecto de campo, cuyos principios


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básicos de funcionamiento fueron yaenunciados en 1930. Debemos mencio-nar aquí a D. Kahng y M. M. Attala, queen 1960 (Bell Telephone Laboratories)proponen como nuevo dispositivo elec-trónico el transistor de efecto de campometal-óxido-semiconductor (MOSFET).Como se indicará más adelante, las espe-ciales características de estos transistorespermitirán a partir de la década de los 70un desarrollo espectacular de los siste-mas electrónicos digitales.

La aplicación de los semiconductores alcontrol de potencia eléctrica comienza arealizarse a mediados de la década de los50, coincidiendo con el auge en el empleodel Silicio en lugar del Germanio, de modoque la invención y posterior desarrollo delos transistores de potencia y tiristoresañaden una nueva dimensión a la tecnolo-gía de control y conversión de potenciaeléctrica.

En 1958 L. Esaki descubre junto a otrosinvestigadores el efecto túnel (típicamente


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cuántico) cuya aplicación da lugar aldiodo túnel. Su utilización inicial fue parala generación de señales (oscilador) demuy alta frecuencia. Posteriormente se leintentó dar, sin mucho éxito, otras aplica-ciones que comentaremos más adelante.Por estos descubrimientos Esaki recibe en1973 el Premio Nobel de Física.

En 1963 J. B. Gunn descubre que enalgunos semiconductores compuestos(GaAs, InP, etc.) aparece una zona de re-sistencia incremental negativa (disminu-ción de la corriente al aumentar el campoeléctrico). Este fenómeno también seaprovecha para generar señales de altafrecuencia (señales de microondas). En1966, C. A. Mead, con base en estos semi-conductores compuestos, presenta elMESFET (transistor de efecto de campometal-semiconductor), el cual es un tran-sistor de altas prestaciones (bajo ruido ycapaz de trabajar con señales de altas fre-cuencias, microondas), que será la basede otros transistores modernos, basados


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en heterouniones, los HEMT (transistoresde electrones de alta movilidad), de loscuales hablaremos posteriormente.

Sin ninguna duda, los transistores cons-tituyen uno de los mayores descubrimien-tos de nuestra época, ilustrando suaparición una de las características másrelevantes de la investigación tecnológica:interacción continua entre experimentaciónen laboratorio y análisis teórico exhaustivode los correspondientes fenómenos. Estetipo de equipos de trabajo interdisciplina-rios constituye el modelo típico de progresotecnológico en la era de la Electrónica.

Si hasta ahora he mencionado dispositi-vos que tratan o generan señales eléctricas,existe otro campo apasionante en Electró-nica y es aquel que forman los dispositivosoptoelectrónicos; aquellos que son capacesde convertir energía eléctrica en radiaciónóptica o viceversa. H. Kroemer por un ladoy Z. Alferov por otro propusieron en losaños 50-60 la heterounión de semiconduc-tores para mejorar las prestaciones de los


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transistores existentes hasta entonces.También para obtener nuevos dispositivoselectrónicos muy importantes en nuestrosdías: los diodos emisores de luz (LEDs) y elláser semiconductor de doble heterounión;dispositivo, este último, clave para, porejemplo, las comunicaciones. Por estostrabajos recibieron en el año 2000 el Pre-mio Nobel de Física.

CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DISCRETOS

Inicialmente, la introducción del tran-sistor en los circuitos electrónicos se reali-za como una mera sustitución de lasválvulas de vacío, por lo que los primeroscircuitos con transistores son simplesadaptaciones con ligeras modificacionesde los correspondientes a tubos de vacío.Esta forma de actuar condiciona la calidadde los sistemas resultantes, aunque en uncorto espacio de tiempo se establecen nue-vos criterios y nuevos diseños que aprove-chan al máximo las característicasespeciales de los transistores.


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Todas las ventajas del transistor, espe-cialmente su bajo consumo y su pequeñotamaño, lo configuran como elementoideal para el campo de las comunicacio-nes, donde se impuso rápidamente y pro-dujo a su vez una mejora en la calidad delas mismas. La aplicación de estos nuevosdispositivos electrónicos al control e ins-trumentación también resultó muy rápi-da. Las características de amplificación yconmutación de los transistores son muyadecuadas para controlar todo tipo de má-quinas y procesos industriales, lo mismoque para efectuar mediciones de cualquiermagnitud física, siempre que se dispongadel sensor adecuado.

Este campo de medida se amplía con-siderablemente con el desarrollo de sen-sores que permiten utilizar métodoselectrónicos en la determinación de mag-nitudes físicas no eléctricas. Se incremen-ta de este modo la capacidad de medirmultitud de fenómenos que el hombre nopodía determinar con precisión con los


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medios utilizados hasta entonces, y en al-gunos casos ni siquiera detectar. De estaforma, la Electrónica contribuye al des-arrollo y avance de otras muchas ramas dela Ciencia, de ahí la gran repercusión quela Electrónica posee hoy en todo el des-arrollo científico y tecnológico.

Una de las aplicaciones del transistorque más rápidamente generalizó su usofue la conmutación de señales, impulsan-do grandemente el estudio de las teoríasde diseño lógico. La aparición del ordena-dor digital de programa almacenado leabrió al transistor un campo mucho másfecundo que el que podría haber encontra-do en las aplicaciones tradicionales de laElectrónica.

Los proyectos militares y aeroespacialesson los grandes impulsores de la miniatu-rización y el aumento de la fiabilidad delos sistemas electrónicos, propiciando ungran esfuerzo investigador en estas direc-ciones, cuyo resultado final fue la apari-ción de los circuitos integrados.


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Circuito electrónico con elementos discretos

Computador IBM 7030, de 1961, con 17.000 transistores


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Antes de aparecer los circuitos integra-dos, los elementos que constituían un cir-cuito se soldaban en unas placas y seestablecía un cableado para unir los dife-rentes elementos. Alrededor de 1950 loscableados «desordenados» se sustituye-ron por placas con «circuitos impresos».Estos presentaban dos ventajas funda-mentales: mayor fiabilidad al eliminarparte de las soldaduras, y la posibilidadde encarar producciones automatizadas agran escala.

Estos circuitos impresos fueron equi-pados, en sus comienzos, con compo-nentes individuales. Si se pretendieraconstruir la parte electrónica de un com-putador moderno con este tipo de circui-tos y componentes, no solo se llenaríauna gran sala sino que, además, sería ne-cesario realizar reparaciones de formaconstante en intervalos de pocas horas. Elpaso de la electrónica a la microelectróni-ca puede definirse como la transición delos componentes individuales al circuito


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integrado, también llamado «chip», o seaun pequeño cristal de Silicio que contienegran cantidad de elementos individualesen forma miniaturizada interconectadosentre sí (inicialmente con dimensiones demicras).

ELECTRÓNICA INTEGRADA: DE LA MICROELECTRÓNICAA LA NANOELECTRÓNICA

Me parece adecuado indicar que, al igualque ocurrió en otros grandes descubrimien-tos, el primer circuito integrado apareciódespués de que otros investigadores no

Circuito integrado original de J. Kilby


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lograsen totalmente lo que durante variosaños estaban buscando. Así, debe citarse aG. W. A. Dummer, quien trabajaba para elRoyal Radar Establishment del Ministeriode Defensa Británico, y que en la Conferen-cia Anual sobre Componentes Electrónicosde 1952 proponía la posibilidad de utilizaruna oblea semiconductora para la forma-ción de resistencias, condensadores, dio-dos y transistores, que además podíantener interconexiones.

Para que estas ideas se puedan hacer rea-lidad deben transcurrir algunos añoshasta que se lleven a cabo algunos avancestecnológicos asociados a la fabricación decomponentes discretos. El primer circuitointegrado se debe a J. Kilby en 1959, estan-do trabajando para la empresa Texas Ins-truments. Se trataba de una placa deGermanio que integraba seis transistorespara formar un oscilador. En el año 2000,J. Kilby recibe el Premio Nobel de Físicapor la contribución de su invento al des-arrollo de la tecnología de la información.


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Con el desarrollo y puesta a punto porFairchild Semiconductors en 1960 de la tec-nología planar, la cual permite realizar fá-cilmente las conexiones entre los diversoscomponentes de un circuito, los circuitosintegrados se desarrollan de forma vertigi-nosa. A ello contribuyen decisivamentealgunos gobiernos, interesados por su di-recta aplicación en proyectos militares yespaciales. Podemos decir que el impactodel circuito integrado fue muy superior alque produjo el transistor, cuya implanta-ción fue mucho más gradual.

La utilización de circuitos integrados enel diseño de aplicaciones electrónicas hapermitido la fabricación de sistemas ex-traordinariamente complejos, inconcebi-bles sin ellos, y no solamente por lareducción de volumen y costo, que ya esimportante, sino especialmente por el con-siderable aumento de la fiabilidad de ope-ración y su mayor eficiencia energética.Con la incorporación de los circuitos inte-grados, la Electrónica comienza a estar


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presente de un modo real y evidente enprácticamente todos los aspectos de la ac-tividad humana.

La eficacia característica de la microe-lectrónica no se agota con los adjetivos«pequeño», «eficaz» y «económico». En latransición de la Electrónica a la Microelec-trónica (de los componentes discretos a loscircuitos integrados) es muy importante elcambio en el modo de operación de la pro-pia Electrónica, el cambio del procesa-miento analógico al procesamiento digital.

El mundo en el que vivimos nos propor-ciona señales analógicas. Y el procesa-miento de señales se realizaba de formaanalógica. Por ejemplo, las ondas sono-ras generadas por alguien que habla sontransformadas por el micrófono en seña-les eléctricas analógicas, esto es, en señaleseléctricas de tensión y frecuencia correspon-dientes a las ondas sonoras, y de esta formase transmitían a través del cable. En el auri-cular del que escucha, las oscilaciones eléc-tricas que llegan vuelven a transformarse en


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ondas sonoras. En los sistemas telefónicosdigitales, cuya utilización hoy en día estotal, se reemplaza la transmisión de infor-mación analógica por métodos de trans-misión digital. Ya no se transmite unaseñal que corresponde al nivel sonoro mo-mentáneo, se envía una secuencia de im-pulsos (señal digital) que indican losvalores numéricos de la correspondientepresión acústica.

Por supuesto existen unos circuitoselectrónicos que convierten la señal ana-lógica en digital y viceversa. Antes delauricular del que escucha, un circuitoconvierte la información digital en ana-lógica.

A pesar de que el primer circuito inte-grado fuese analógico, existieron innume-rables razones para que los circuitosintegrados digitales evolucionasen muchomás rápidamente que los analógicos, ra-zones tanto económicas como tecnológi-cas. En particular debemos mencionar ladiversidad de circuitos diferentes que se


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necesitarían para procesar señales deforma analógica, cada uno con aplicacio-nes específicas, con límites de funciona-miento bastante estrictos y dándoseincluso el caso de tener que elegir las ca-racterísticas de cada transistor de acuerdocon su misión específica dentro del circui-to. Estas características no resultaban de-masiado atractivas para su integración.

Por el contrario, para transmitir, procesary almacenar digitalmente magnitudes (conrepresentación binaria: pasa corriente – nopasa corriente) solamente se necesitan trestipos de circuitos básicos: puertas AND, OR yNOT. De estos sencillos circuitos básicos sepueden obtener, mediante secuencias ycombinaciones, circuitos con funciones máscomplejas. Estos circuitos se componen,fundamentalmente, de una cierta cantidadde transistores, contactos y el conexionado.Debido a lo pequeño y a la regularidad geo-métrica de las estructuras de conexionado,estos circuitos estaban predestinados a suintegración en un módulo microelectrónico.


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El gran desarrollo tecnológico alcanzadoen la década de los 70 permite la integra-ción de circuitos de muy elevada compleji-dad, pero los grandes costes de diseño yfabricación solo eran compatibles con unelevado volumen de producción, requisitoque solamente cumplían las unidades dememoria y algunos productos de consumogeneral. Era necesario adoptar una nueva

Imagen de un microprocesador de la familia 80486 de Intel, en producción desde 1989 a 2007,

con una señal de reloj de 25 a 100 MHz y con tecnología de fabricación de 0.8 µm

(longitud del canal del MOSFET)


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alternativa en el diseño digital que permitie-se compatibilizar el uso de una gran densi-dad de integración en la fabricación decircuitos integrados digitales con la menorlimitación de sus posibilidades funcionales.

EL MICROPROCESADOR

La perspectiva de disponer de un siste-ma cuya estructura fuese independiente dela función concreta a realizar constituíauna solución muy atractiva. Si ademásdicho sistema podía adaptarse a realizarvarias funciones sin introducir modifica-ciones en su estructura. se convertía en lasolución casi ideal, siendo el resultado deeste proceso la aparición de los sistemasdigitales programables. Uno de estos cir-cuitos programables, quizá el más conoci-do, es el microprocesador. Puede serconsiderado como un componente univer-sal. Junto con otras unidades funcionalescomo memorias, circuitos de entrada-sali-da y generador de cadencias (oscilador),da lugar a la microcomputadora.


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El funcionamiento del microprocesa-dor está basado en el modelo de arquitec-tura propuesta por J. Von Neumann en1949. Por ello algunas veces suele decirseque J. Von Neumann es el verdadero in-ventor del microprocesador. En realidad,en el microprocesador, mediante órdenesde un programa (software) se establece laforma de operación del objeto físico (hard-ware), y por tanto las dos cosas son nece-sarias: no puede establecerse superioridadde una sobre la otra.

Con el fin de poner de manifiesto la rá-pida evolución de los microprocesadores,voy a señalar algunas características de losmodelos más significativos:

– El primer microprocesador fue el Intel4004, producido en 1971 con tecnologíade 10 µm (longitud del canal del transis-tor), con una transmisión de datos de 4bits (bus), formado con unos 2300 tran-sistores y un generador de cadencias(reloj) de 108 KHz. Originalmente sedesarrolló para una calculadora.


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– En 1978 se desarrolló el primer micro-procesador de uso general, con tecnolo-gía de 3 µm, el Intel 8086 de 16 bits, elcual contenía 29000 transistores y unaseñal de reloj de 5 MHz. Fue la base delprimer ordenador personal de IBM.

– En 1989 aparece el microprocesadorIntel 486, con tecnología de 1 µm, conuna transmisión de datos de 32 bits, for-mado por aproximadamente 1.2 millo-nes de transistores y una señal de relojde 25 MHz.

– En 1993 se desarrolla el microprocesa-dor Pentium, con tecnología de 0.8 µm,con una transmisión de datos de 32bits, formado con unos 3.1 millones de transistores y una señal de reloj de66 MHz.

– En 1999 se desarrolla el microprocesadorAMD Athlon, con tecnología de 0.25 µm, elprimero con una transmisión de datosde 64 bits, formado con unos 5 millonesde transistores y una señal de reloj de500 MHz.


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– En 2001 se desarrolla el microprocesa-dor Itanium, con tecnología de 0.18 µm,con una transmisión de datos de 64bits, formado con unos 25 millones de transistores y una señal de reloj de800 MHz.

En este simplificado planteamientopuede verse la evolución de los micropro-cesadores y como aumenta la velocidad deprocesamiento al elevarse la frecuencia dela señal de reloj con la que operan. En elaño 2002 se comienza a fabricar con tec-nología de 90 nm y con ello se suele consi-derar el paso de la microelectrónica a lananoelectrónica.

Desde el año 2005 se están desarro-llando los microprocesadores multinú-cleo, que son aquellos que tienen dos omás procesadores independientes en elmismo circuito integrado. En general,permiten que el conjunto exhiba unacierta forma de paralelismo sin tener querecurrir para ello a múltiples procesado-res en circuitos integrados separados.


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Esta filosofía de diseño permite que elconjunto de microprocesadores trabajecon mayores velocidades de procesa-miento (mayor número de operacionespor unidad de tiempo), pero con menorconsumo de potencia por cada núcleo.Además, con esta forma de diseño conti-núa cumpliéndose la ley de G. E. Moore.

Número de transistores en diversosmicroprocesadores

En 1965, G. E. Moore, trabajando en Fair-child Semiconductor y más tarde, en 1968,


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cofundador de Intel junto con R. Noyce,enunció una ley empírica que establecíaque aproximadamente cada 18 meses seduplicaría el número de transistores en uncircuito integrado. Como puede compro-barse en la Figura adjunta esta ley se vacumpliendo con creces hasta nuestros díascuando se consideran los ordenadores per-sonales. La consecuencia directa de estaley es que los precios bajan al mismo tiem-po que suben las prestaciones.

La tecnología que Intel está preparandopara su puesta en producción a finales deeste año es de 22 nm por nodo (para eltransistor), con una previsión de más de10000 millones de transistores por micro-procesador. Este constante avance en latecnología de los procesos de fabricaciónpermitirá también la integración de pres-taciones y funciones adicionales, propor-cionando un mayor rendimiento, unasbaterías de alimentación de mayor dura-ción (por menor consumo de los dispositi-vos) y menor coste para los usuarios.


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Si tomamos la eficiencia energéticacomo parámetro para observar la evolu-ción de la Electrónica, podemos señalarque en 1945 (Eniac) para realizar unas 600operaciones se consumía 1 kWh. En 1976(supercomputador Cray), con el mismoconsumo de energía, se realizaban unos2000 millones de operaciones, mientrasque en el año 2009, con el mismo consu-mo, se alcanzan los 2000 billones de ope-raciones. Si la industria automovilísticahubiese tenido la misma evolución, ¿Pode-mos imaginar el consumo de un coche enla actualidad?

Por lo presentado hasta ahora, pareceque la evolución rápida de la Electrónicase basa en los productos informáticos y decomunicaciones (en realidad informática –comunicaciones es una, ya que hoy en díano se concibe informática sin comunica-ciones ni comunicaciones sin informáti-ca), lo que no quiere decir que sea el únicocampo de aplicación de la Electrónica. Elresto de campos de aplicación (medicina,


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automóviles, industria, finanzas, energía ymedio ambiente, seguridad, ocio y tiempolibre, etc.) se benefician de las necesidadesde mejora en informática – comunicacio-nes, aunque no sean ellos los que provocandirectamente la evolución.

Aunque los orígenes de Internet (con-junto descentralizado de redes de comu-nicación interconectadas) se remonta a1969, cuando se estableció la primera co-nexión de computadoras entre tres Uni-versidades de California y una de Utah(Estados Unidos), hasta 1990 no aparecióuno de los servicios que más éxito han te-nido en Internet: la World Wide Web (lawww). Desde esta fecha, la aparición decomputadores con velocidades de proce-samiento cada vez mayores y redes de co-municación con mejores prestacionespermiten que Internet se vaya desarro-llando y se generalice su utilización. Enestos momentos Internet tiene impactotanto en el mundo laboral como en elocio y el conocimiento a nivel mundial,


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ayudando a poner fin al aislamiento deculturas.

Algunos autores asocian el inicio de laGlobalización a la creación de Internet.Desde luego, los extraordinarios avances enla Electrónica son los que han permitidoesta generalización de las comunicaciones,provocando un cambio social y cultural.En estos momentos se suele dividir almundo por tecnología y se suele hablar detres mundos: un primer mundo, formadopor el 15% de la población mundial y quedispone del 100% de la tecnología; un se-gundo mundo, formado por el 50% de lapoblación, y que son capaces de adoptar latecnología; y un tercer mundo, con el 35%de la población, tecnológicamente desco-nectado.

ALREDEDOR DE LA LEY DE MOORE

Para poder pasar del primer micro-procesador hasta los fabricados en nues-tros días, los cambios en la tecnología, y


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en sus resultados, han sido suficiente-mente profundos como para que merez-can algunos comentarios. Sobre todo,comentarios referentes a posibles limita-ciones en una mayor miniaturización delos transistores que forman los circuitosintegrados.

� En primer lugar, como ya hemos in-dicado, el circuito integrado (chip) de uncomputador moderno contiene una canti-dad muy grande de transistores. Estos cir-cuitos se obtienen de obleas circulares deSilicio, de unos 30 centímetros de diáme-tro, que al final de la fabricación se dividenen cientos de chips. El proceso de fabrica-ción consta de una larga serie de etapastales como ataque con reactivos químicos,oxidaciones, impurificaciones, con ciclosde calentamiento y enfriamiento, etc. Esinevitable entonces que las condiciones defabricación sufran variaciones de unaoblea a otra, así como entre los dispositi-vos situados en distintos puntos de unamisma oblea. Por tanto, los transistores


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que se fabrican dentro de un mismo chipno son iguales y no son perfectamente re-producibles.

Estos transistores así fabricados, aun-que no sean iguales y por tanto no tenganlas mismas características (ganancia),son capaces de trabajar bien con señalesdigitales, ya que la ganancia y el carácter

Oblea de Silicio con chips


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digital de las señales preserva sus valores amedida que pasan por un número elevadode transistores. No ocurriría lo mismo conseñales analógicas. La proporción de tran-sistores defectuosos por oblea marca un lí-mite práctico en el tamaño de un circuitointegrado. No obstante, en las pruebas fi-nales que se realizan al chip, se desechanlos que no funcionan adecuadamente pordefectos en la fabricación.

El factor predominante, hoy día, en elcoste de fabricación de estos circuitos esel número de obleas procesadas; influyemuy poco el contenido de cada oblea y nodebemos preocuparnos porque los dispo-sitivos no sean del todo iguales. Por tanto,el aumento del número de transistores porunidad de superficie de Silicio se traduceen una rápida disminución del coste pordispositivo. El precio actual de un transis-tor no llega a la décima parte de lo quecuesta una grapa. Para aumentar el núme-ro de transistores por chip se aumenta,dentro de lo posible, el tamaño del chip, se


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disminuye el tamaño de los dispositivos yse piensa en apilar los dispositivos ademásde yuxtaponerlos.

� Un problema ajeno a la fabricaciónde los circuitos, pero muy importante a lahora de su utilización, es la disipación depotencia. La miniaturización de los dispo-sitivos aumenta el calor desprendido porcentímetro cuadrado de Silicio para lamisma frecuencia de funcionamiento, yaque aunque cada dispositivo emite menoscalor por sus menores dimensiones, el au-mento del número de dispositivos en cadachip en proporción es mayor y por tantomayor el calentamiento por unidad de su-perficie del chip. Este no es un problemamenor, y para ponerlo de manifiesto,vamos a dar unos datos.

La potencia disipada por los chips de úl-tima generación puede ser de unos 100 Wen algunos centímetros cuadrados, mayorque la que por ejemplo disipa una placa vitrocerámica en la misma superficie. Elenfriamiento de los chips está obligando a


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utilizar nuevas técnicas de disipación decalor, ya que la temperatura máxima de loscircuitos integrados no puede superar cier-tos valores sin que se quemen.

� La fotolitografía es uno de los proce-sos fundamentales en la fabricación de losdispositivos electrónicos y circuitos inte-grados. Es una operación mediante la cualse transfiere un patrón (denominado más-cara, con áreas opacas y transparentes) ala superficie de la oblea semiconductora.Este patrón contiene la geometría de losdispositivos electrónicos que se requierenen el circuito integrado. La luz que se uti-liza para transferir esta imagen al semi-conductor se difracta al pasar por laszonas transparentes de la máscara. Cuantomenor sea la longitud de onda de la luzque se emplee, menor será este efecto ymás nítida será la imagen que se transfie-re. En los años setenta, con dispositivoselectrónicos con dimensiones de micras,se utilizaba luz blanca. Se recurrió luego aluz monocromática, con frecuencias cada


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vez mayores, llegando a tener que utilizarláser en el rango del ultravioleta profundo,de 193 nm de longitud de onda. Para for-zar los límites actuales de las dimensionesde dispositivos se están empleando rayosX y se piensa en utilizar haces de electro-nes en vez de haces luminosos. Vemos en-tonces que el equipamiento empleado parafabricar circuitos integrados es cada vezmás costoso y necesita de más investiga-ción.

� Si tenemos en cuenta las dimensio-nes con las que, por ejemplo, Intel piensafabricar los transistores en los circuitos inte-grados de los próximos microprocesadores,22 nm, y consideramos que la separaciónentre átomos del Silicio son 5.43 Å, nos en-contramos con que para formar un tran-sistor solamente se necesitan 40 átomos.El diseño de estos dispositivos con un nú-mero de átomos de Silicio tan pequeño nopuede llevarse a cabo con las teorías utili-zadas para material macroscópico. Eltransporte de los electrones en estos


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transistores tiene lugar sin que apenassufran colisiones y el transporte de cargaasociado al movimiento de los electronesya no estará regido por la ley de Ohm.Este transporte es llamado balístico y,por dispositivos balísticos denominamosa aquellos dispositivos en los que el com-portamiento de sus regiones activas esconsecuencia del transporte balístico delos electrones.

� La obtención teórica de las caracte-rísticas de estos transistores con dimen-siones tan reducidas necesita de unosplanteamientos totalmente diferentes alos puramente analíticos, recurriéndose amodelos de simulación por ordenadorque reproduzcan el movimiento de loselectrones en el interior del transistor.Para simular adecuadamente este movi-miento se necesita establecer modelos fí-sicos muy precisos del material y de losprocesos que puedan influir en la dinámi-ca de los electrones. Y en particular debe


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tenerse en cuenta la posibilidad de queexistan corrientes por efecto túnel y debereconsiderarse la suposición de distribu-ción homogénea de impurezas que puederealizarse en dispositivos de dimensionesgrandes. Téngase en cuenta que con unaimpurificación de 1015 átomos de impure-zas por cm3, solamente se tiene, en pro-medio, 1 átomo de impureza cada 100nm. Luego puede ocurrir que en la regiónactiva de un transistor solo se tenga 1átomo de impureza, y su posición en elcanal influirá en la corriente.

Estos modelos de simulación de las ca-racterísticas de los dispositivos suelen seraleatorios y basados en el método deMonte Carlo, necesitando estaciones detrabajo de última generación y largostiempos de cálculo. Asimismo, la concep-ción, diseño y simulación de los circuitosintegrados, formados por miles de millo-nes de transistores, necesitan de la ayudade software complejo y altamente especia-lizado (diseño asistido por ordenador, CAD)


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y gran cantidad de potencia de cálculo.Otra vez nos encontramos ante la necesi-dad de más investigación teórica parapoder predecir, antes de fabricar, el com-portamiento de los circuitos integrados.

INTENTOS DE SUSTITUCIÓN

DEL TRANSISTOR

Pese al aumento de las dificultades porconseguir que los circuitos integrados contransistores continúen evolucionandohacia un incremento de la velocidad decomputación y a una disminución delcoste, el transistor sigue siendo el compo-nente casi único de los circuitos integra-dos. Sin embargo, a lo largo de los añostranscurridos desde 1960, en que se des-arrolla el transistor de efecto de campo,han sido varios los intentos de su sustitu-ción por otros dispositivos.

� Así, en los años 70 se pensó que eldiodo túnel, con una zona de resistenciaincremental negativa en sus características


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y unos tiempos de conmutación entre esta-dos muy pequeños, podía sustituir a lostransistores para formar los circuitos bies-tables que constituirían los sistemas decomputación. A pesar del gran apoyo eco-nómico que recibieron estos proyectos degobiernos y empresas, no se consiguió laprecisión exigida en los circuitos para notener errores en la computación y los pro-yectos fueron abandonados.

� La misma suerte corrieron, en losaños 80, los intentos de sustituir los transis-tores por circuitos biestables construidoscon uniones Josephson (superconductores);no se podía lograr un control suficiente-mente preciso sobre las características deldispositivo que eran necesarias para produ-cir una señal normalizada.

� Desde el comienzo de los años 80 seestá pensando en la posible aplicación delas leyes cuánticas al tratamiento de la in-formación. Si el progreso técnico de losdispositivos de transmisión y procesa-miento de la información prosigue en su


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tendencia actual, marcada por la ley de G.Moore, la información se codificará enátomos hacia el año 2030. Por ello los in-vestigadores en sistemas cuánticos inten-tan explotar las posibilidades del entornocuántico para diseñar nuevas aplicacionesen el procesamiento de la información.Uno de los ejemplos mejor estudiados deun sistema cuántico de dos niveles lo pro-porciona algo tan común como un elec-trón y su espín, propiedad intrínseca de loselectrones que puede tener dos «senti-dos», asociándose cada uno de ellos aun estado de los sistemas biestables.El problema reside en cómo manipularestos «sentidos» del espín con facilidad,tema tratado por la llamada espintrónica.Pero todavía se necesita mucha investiga-ción y tiempo para que los ordenadorescuánticos sean realidad.

� Otra técnica bien fundamentadapara conseguir una mayor velocidad decomputación que la que tienen los circui-tos con transistores se basa en la utiliza-


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ción de señales ópticas en lugar de seña-les eléctricas. Diversos laboratorios lohan abordado con distintos enfoques.Unos se inspiraron en el descubrimientode la biestabilidad óptica, la cual permiteconstruir dispositivos con materiales sus-ceptibles de adquirir uno de dos estados,diferenciados por un grado de transpa-rencia distinto. Pero debido a que las pro-piedades ópticas de estos materialesdependen fuertemente de la temperaturay a que debe exigirse muy alta precisión alas dimensiones físicas de dichos disposi-tivos, su explotación competitiva frente alos circuitos integrados de transistores noes posible. Otros laboratorios intentaronutilizar la interacción entre la luz y un se-miconductor para realizar operacioneslógicas, pero la luz solo era el vehículoque transportaba las señales de un lugar aotro. La demostración de ATT en 1990 de-pendía de un dispositivo electroóptico di-fícil de realizar e incapaz de competir conlos circuitos integrados transistorizados.


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NUEVOS MATERIALES Y NUEVOS

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

Ante la importancia de la industriaelectrónica para las economías naciona-les, los gobiernos e industrias del mundohan establecido el Plan Tecnológico Inter-nacional para Semiconductores (Road-map), con informe bianual emitido poralgunos expertos, en el que se intenta an-ticipar futuros avances en este tipo demateriales y sus aplicaciones. Estos infor-mes describen las mejoras en materiales ymétodos de fabricación que se necesitanpara que lo previsto llegue a ser real.Orienta sobre las actividades de investiga-ción y desarrollo y ayuda a los suminis-tradores del equipamiento a que seanticipen a las necesidades del sector delos semiconductores. Para alcanzar talesobjetivos, señalan como importante des-arrollar nuevos materiales que puedansustituir al Silicio y diversificar más lastareas que puedan desempeñar los circui-tos integrados.


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Ante estas sugerencias, en los últimosaños las investigaciones en nuevos mate-riales semiconductores con electrones dealta movilidad y la reducción de dimensio-nes no cesan. Téngase en cuenta que paraaumentar la frecuencia de funcionamientode los dispositivos electrónicos es funda-mental optimizar esos dos parámetros. Ycomo meta actual en frecuencia se intentallegar a obtener dispositivos electrónicoscon respuesta hasta los Teraherzios, justopara llegar al límite inferior de frecuenciade las señales ópticas, con aplicacionesmuy interesantes.

Los semiconductores con electrones dealta movilidad son sobre todo materialescompuestos en los que la masa efectiva delelectrón es muy pequeña y el número decolisiones en su desplazamiento por elcanal es reducido. Y la reducción de di-mensiones afecta no ya solo a la longituddel canal sino también a las dimensionesde los contactos de los terminales del dis-positivo.


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Siguiendo estas indicaciones, diversoslaboratorios están trabajando en investiga-ción sobre: MOSFET de semiconductorescompuestos con base en los grupos III-Vdel sistema periódico (por ejemplo In-GaAs), en transistores de efecto de campocon nanotubos de carbono, en transistoresde efecto de campo con nanohilos de Sili-cio y en otros nanodispositivos con geome-trías novedosas.

En el campo de la Electrónica de Po-tencia algunos semiconductores com-puestos tienen ya una gran potencialidad.Por ejemplo, el Carburo de Silicio es unsemiconductor que puede trabajar a altastemperaturas y alto campo eléctrico, sien-do sus electrones de más velocidad que losdel Silicio. En esta dirección está tambiénla obtención del primer circuito integradooperativo, en 2008, que ha sustituido el Si-licio por Nitruro de Galio. El Nitruro deGalio soporta condiciones extremas paratrabajar a temperaturas más elevadas yademás es poco sensible a las radiaciones.


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El Nitruro de Galio es también el semicon-ductor con el que se fabrican los LED de luzazul y blanca.

No me gustaría olvidarme de que elGrafeno promete ser una gran revolucióncon aplicaciones en nuevas tecnologías, es-tando caracterizado por ser un materialdel que pueden obtenerse capas muy del-gadas (de un solo átomo de espesor), sien-do muy buen conductor eléctrico ytérmico. En 2004 se fabricó por primeravez Grafeno (K. Novoselov) y en 2007 sepresentó el primer transistor fabricadocon Grafeno (A. Geim). Precisamente aestos dos investigadores se les concedió en2010 el Premio Nobel de Física «por susnovedosos experimentos con el Grafeno endos dimensiones».

Científicos de IBM han fabricado en 2010un transistor de Grafeno con respuesta enfrecuencia hasta 100 GHz y muy reciente-mente han construido el primer circuito in-tegrado con este material, un mezclador deradiofrecuencia de banda ancha.


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Electrónica: del pasado al presente.Del futuro concreto que vaya a triunfarno tengo nada que decir, pero seguro quese está generando en unos pocos labora-torios.

Gracias por su atención.


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REFERENCIAS

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INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMI-CONDUCTORS: www.itrs.net

J. M. SÁNCHEZ RON; El poder de la Ciencia, Edt.Crítica, (2011).

REFERENCIAS

84


AGRADECIMIENTOS

Me gustaría agradecer a los Profesores LUIS A. BAILÓN, TOMÁS GONZÁLEZ y JAVIER MATEOS

la lectura crítica de esta lección.Y mi reconocimiento a todos los compañeros del Área de Electrónica, con los que siempre

he aprendido.



Secretaría General

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CubiertaLección Inaugural 2011 20/9/11 09:45 Página 1

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