Embed Size (px)
Citation preview
MICROELECTRONICA Unidad 4
PABLO ANDRES GALVAN ROSAS Fundamentos de Investigación
https://goo.gl/lVKRmn
Pablo Andrés Galván Rosas 1
Contenido Contenido ............................................................................................................................................................1
Introducción ........................................................................................................................................................2
Objetivo General .................................................................................................................................................4
Objetivos Específicos .......................................................................................................................................4
1.- ¿Qué es la Microelectrónica? .........................................................................................................................5
2.- Historia de la Microelectrónica ......................................................................................................................6
3.- Clasificación de Productos Microelectrónicos. ..............................................................................................8
3.1 Digitales .....................................................................................................................................................8
3.1.1.- Lógicos ..............................................................................................................................................9
3.1.2.- Memorias .........................................................................................................................................9
3.1.3.- Microprocesadores ....................................................................................................................... 10
3.2.- Analógicos ............................................................................................................................................ 10
3.3.- Según el nivel de integración ............................................................................................................... 11
3.3.1.- De Pequeña Escala de Integración (SSI) ........................................................................................ 11
3.3.2.- De Mediana escala de integración (MSI) ...................................................................................... 11
3.3.3.- De larga escala de integración (LSI) .............................................................................................. 12
3.3.4.- De muy larga escala de Integración (VLSI) .................................................................................... 12
4.- Aplicaciones................................................................................................................................................. 12
4.1.- Aplicaciones comerciales de los transistores. ...................................................................................... 12
4.2.- La microelectrónica biomédica del futuro. .......................................................................................... 13
4.2.1.- Dispositivos de seda ...................................................................................................................... 13
Conclusión ........................................................................................................................................................ 14
Referencias ....................................................................................................................................................... 15
Pablo Andrés Galván Rosas 2
Introducción
Los circuitos integrados tienen una gran influencia en la vida cotidiana, de hecho, rara vez es el
instante en el que nos encontramos lejos de algunos de estos circuitos, al hablar por teléfono, al
despertarnos, al comer, etc.
La apariencia de estos circuitos suele ser una pequeña caja negra con una serie de patas, lo que
vulgarmente se conoce como cucaracha o circuito integrado. Po lo tanto, la interacción con dichos
circuitos no suele ser directa, sino a través de una serie de interfaces con las cuales podemos solicitar
la información deseada. Pero antes de seguir vamos a definir la parte de la ciencia que se encarga
de su estudio: la Microelectrónica.
La MICROELECTRÓNICA se puede definir como el conjunto de ciencias y técnicas con las que se
realizan y fabrican circuitos electrónicos sobre una pastilla de un semiconductor, lo cual formará un
circuito integrado (CI).
Dentro de estos circuitos integrados, podemos encontrar diferentes estrategias de diseño, como
pueden ser los circuitos integrados en los que se deben construir tanto las puertas como las
conexiones, denominados habitualmente ASICs (Application Specific Integrated Circuits), circuitos
programables en los que se encuentran ya construidos todas las puertas y conexiones de tal forma
que únicamente hay que indicar cuales están habilitadas mediante una programación, denominados
dispositivos programables (un ejemplo de los cuales pueden ser las FPGAs, Field Programmbled Gate
Arrays).
La división existente en los circuitos electrónicos también es válida para la Microelectrónica, es
decir, podemos diferenciar entre Microelectrónica Analógica y Digital, según la naturaleza de las
señales tratadas. No obstante, el auge de la Microelectrónica surgió gracias a una propiedad de los
sistemas digitales: la jerarquía.
La propiedad de jerarquía es aquella por la cual un sistema puede estar compuesto de bloques
conectados entre sí, de tal forma que dichos bloques son independientes entre sí y de su conexión.
Pablo Andrés Galván Rosas 3
A pesar de que un circuito analógico también puede ser construido por una serie de bloques
conectados entre sí; estos bloques no serán independientes de su conexión (e incluso su situación
en la base del semiconductor) debido a la naturaleza real de las señales analógicas (pueden tener un
rango infinito de valores). En cambio, el carácter digital de las señales de los sistemas digitales provee
dicha independencia y así la posibilidad de desarrollar un sistema completamente jerárquico.1
1 Cita aclaratoria: esta introducción fue tomada en parte por el conocimiento adquirido por el recorrido en la institución de Centro de Bachillerato Tecnológico Industrial y de Servicios 30, y la mínima ayuda esencial de la pagina http://goo.gl/MWez9n
Pablo Andrés Galván Rosas 4
Objetivo General
Conocer que es la microelectrónica, de donde proviene y que aplicaciones puede tener.
Objetivos Específicos
Conocer y comprender la tecnología microelectrónica para aplicaciones.
Conocer las formas de clasificación de la microelectrónica.
Pablo Andrés Galván Rosas 5
1.- ¿Qué es la Microelectrónica?
La microelectrónica es la aplicación de la ingeniería electrónica a componentes y circuitos de
dimensiones muy pequeñas, microscópicas y hasta de nivel molecular para la producción de
dispositivos y equipos electrónicos de dimensiones reducidas, pero altamente funcionales.
El teléfono celular, los microprocesadores de la CPU y las Tablet son claros ejemplos de los
alcances actuales de la Microelectrónica. En los primeros años de la década de los 50´s comenzó a
desarrollarse como efecto de la aparición del transistor en 1948. Pero no fue útil al público en general
sino hasta los años setenta, cuando la tecnología progreso en los semiconductores, atribuible en
parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la exploración del espacio, esto conllevo al
desarrollo del Circuito Integrad. Las comunicaciones fueron la mejor aplicación de esta tecnología,
en particular en satélites, cámaras de televisión y sobre todo en la telefonía, pero, tiempo después
se desarrolló con mayor rapidez en productos independientes, portátiles y de menor dimensión,
como en relojes digitales, calculadoras de bolsillo y en los principios de los ochenta en los micro
chip.2
*Carlos Ignacio Zamitti Mammana “Piensa que se creó con el objetivo de incentivar y desarrollar
conocimiento básicos y aplicaciones de la microelectrónica, y contribuir así su introducción en el
desarrollo de proyectos y fabricación de sistemas electrónicos.”3
2 (Colombia, 2011-2015) (Lopez, 2013) 3 Cita referencial: http://goo.gl/uIN12L:
Pablo Andrés Galván Rosas 6
2.- Historia de la Microelectrónica
Los primeros circuitos electrónicos, construidos hacia el año 1925, utilizaban válvulas
termoiónicas de gran volumen, montadas sobre chasis metálicos que a su vez servían de soporte
para la colocación de las resistencias, condensadores y autoinducciones que completaban los
circuitos. Mediante este procedimiento se conseguían densidades de montaje del orden de 100
elementos por decímetro cúbico, densidad más que suficiente para satisfacer las necesidades de
volumen que en aquellos tiempos tenían los circuitos.
Reduciendo el tamaño de las válvulas termoiónicas y de los demás elementos del circuito se
consiguió, hacia el año 1940, una densidad de montaje del orden de 200 elementos por decímetro
cúbico. Poco pudo conseguirse en años sucesivos, hasta que las primeras investigaciones realizadas
con los semiconductores abrieron nuevos horizontes esperanzadores.
No hubo que esperar mucho, ya que en 1948 se creó el primer transistor y en 1951 se utilizaban
comercialmente, permitiendo proyectar circuitos con densidades de montaje superiores a los 400
elementos por decímetro cúbico.
Casi simultáneamente con la aparición del primer transistor se obtiene una nueva técnica de
montaje consistente en el alambrado impreso (circuitos impresos). Hacia 1956 se sobrepasan los
500 elementos por decímetro cúbico y se empiezan a utilizar nuevas técnicas que permiten soldar
simultáneamente y automáticamente, sobre el circuito impreso, todos los elementos de los que se
componía el circuito. En 1963 se consiguen densidades de montaje de 2500 elementos por
decímetro cúbico.
La historia de la Tecnología Electrónica se desarrolla en torno a unos pocos grandes
descubrimientos salpicados por las pequeñas contribuciones, imprescindibles para su progreso, de
un ingente número de investigadores anónimos. Su evolución arranca a partir de los trabajos que
sientan las bases de la electricidad y el magnetismo, realizados durante los siglos XVIII y XIX. Con
ellos, se posibilitó la invención de sistemas de comunicaciones como el telégrafo, el teléfono o la
telegrafía sin hilos.
Pablo Andrés Galván Rosas 7
La incorporación a los CI de funciones censoras y de actuación a las clásicas de procesado de
información ha originado la aparición de los microsistemas. Los MEMs (micro-electrical mechanical
systems) combinan sistemas electrónicos y micro máquinas. Las técnicas de fabricación provienen
de la Microelectrónica, aunque requieren procesos adicionales en función de la aplicación: micro
mecanizado, de capa fina y gruesa, ensamblado y empaquetado. Su diseño también ha dado origen
a programas de simulación específicos. Los microsistemas se están convirtiendo en un elemento
esencial de sistemas de control de procesos y medidas con infinidad de aplicaciones en
telecomunicaciones, micro ingeniería, la industria del automóvil, control ambiental, aéreo, medicina,
etc.4
4 (Mancha U. D.-L., s.f.) (Chacon, 2014) (DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, s.f.)
Pablo Andrés Galván Rosas 8
3.- Clasificación de Productos Microelectrónicos.5
Los productos Microelectrónicos se puede clasificar de diferentes formas, ya que cuentan con
diferentes características, las clasificaciones pueden ser de la siguiente manera:
3.1 Digitales
El término digital se usa comúnmente para referirse a todos aquellos sistemas que representan,
almacenan o usan la información en sistema binario, esto es, a casi todos los aparatos electrónicos
e informáticos que nos rodean actualmente.
También se usa frecuentemente el término digital para aquellos aparatos que transmiten la
información por medios de números (dígitos). Así, un reloj podría ser digital, del mismo modo que
una calculadora... etc.
De cualquier modo, el uso más extendido del término es el primero, equiparando los sistemas
que usen códigos digitales (con dígitos) a los sistemas digitales. El código digital más extendido es el
binario, que usan casi todos los ordenadores y que otorga dos posibles valores (uno y cero) a cada
unidad de información, construyéndose está a través de enormes cadenas lineales de ceros y unos.
Del mismo modo, nuestro sistema numérico es también un sistema digital, puesto que usa dígitos
del 0 al 9. No es frecuente, pero algunas máquinas se pueden basar en él.
Lo digital es lo contrario de lo analógico. En general la información a través de un medio analógico
permite infinitos valores y gradaciones (es continua), mientras que en un medio digital está limitada
a la información que se pueda representar con las variaciones del sistema binario. Por poner un
ejemplo, un reloj digital puede marcar las 8:30 y luego pasa de repente a las 8:31. Uno analógico va
desplazándose lentamente marcando todos los estadios intermedios de ese valor. Lo que podría
parecer una ventaja se transforma en un grave inconveniente cuando lo que queremos es transmitir
información de manera precisa y fiable. Para que dos máquinas se entiendan deben identificar el
mensaje que les llega desde la otra, y eso con el sistema analógico es mucho más difícil de conseguir.6
5 (Mancha U. d.-L., s.f.) 6 (Magazine, s.f.)
Pablo Andrés Galván Rosas 9
3.1.1.- Lógicos
Nos proporcionan un resultado a partir de que se cumpla o no una cierta condición, producen un
resultado booleano, y sus operando son también valores lógicos o asimilables a ellos (los valores
numéricos son asimilados a cierto o falso según su valor sea cero o distinto de cero). Esto genera
una serie de valores que, en los casos más sencillos, pueden ser parame trizados con los valores
numéricos 0 y 1. La combinación de dos o más operadores lógicos conforma una función lógica.
Los operadores lógicos son tres; dos de ellos son binarios, el último (negación) es unario. Tienen
una doble posibilidad de representación en el estándar C++ actual.7
3.1.2.- Memorias
La palabra memoria también ha permitido definir al dispositivo físico donde pueden almacenarse
datos.
Existen dos tipos de memorias en el mundo de las computadoras u ordenadores. La memoria
RAM (random access memory) es la aleatoria y puede ser dinámica (DRAM) que se actualiza miles
de veces al segundo manteniendo siempre la última información a fin de que podamos acceder
fácilmente a ella, o estática(SRAM) la cual no necesita actualizarse razón por la cual es más rápida
que la dinámica. La memoria RAM se encuentra disponible para la utilización de los programas. Si al
leer las especificaciones de un ordenador dice que cuenta con 8M de memoria RAM, sabemos que
los programas que instalemos tendrán cerca de 8 millones de bytes de memoria para utilizar.
La memoria ROM (read-only memory) también llamada memoria de sólo lectura, es la que sirve
para guardar el sistema operativo y los programas que permiten que el ordenador funcione. Además
la memoria ROM también permite el acceso aleatorio del mismo modo que lo hace la RAM.8
7 (EcuRed, s.f.) 8 (De, 2008-2015)
Pablo Andrés Galván Rosas 10
3.1.3.- Microprocesadores
Un microprocesador, también conocido como procesador, micro, chip o microchip, es un circuito
lógico que responde y procesa las operaciones lógicas y aritméticas que hacen funcionar a nuestras
computadoras. En definitiva, es su cerebro.
Pero un procesador no actúa por propia iniciativa, recibe constantemente órdenes de múltiples
procedencias. Cuando encendemos nuestra computadora, lo primero que hace el micro es cumplir
con las instrucciones de la BIOS (basic input/output system), que forma parte de la memoria de la
computadora. Una vez funcionando, además de la BIOS, será el sistema operativo y los programas
instalados los que seguirán haciéndose obedecer por el microprocesador.
Pese a que los microprocesadores siempre nos hacen pensar en ordenadores, lo cierto es que
están disponibles en multitud de 'cacharros*9' que nos rodean habitualmente, como cámaras de
fotografía o vídeo, coches, teléfonos móviles... No obstante, es cierto que aquellos que se emplean
en las computadoras son los más potentes y complejos.10
3.2.- Analógicos
Para hacer una referencia clara de lo que es la Analógico es necesario primero tener en cuenta
que deriva de la palabra Analogía, la misma está comprendida a partir de los términos griegos “Ana”
que quiere decir “Reiteración o comparación” y “Logos” que nos indica el significado de “Razón y el
conocimiento“, es decir que la analogía es aquella consistencia de las cosas la cual es repetitiva.
Cuando un objeto es analógico, hacemos mención de todo aquello que está destinado a ser
continuo, propio de su conducta debe ser que su función no impida que lo analógico de su cuestión
sea interrumpido. Analógico es continuidad entonces. Si lo asociamos a la vida cotidiana
encontraremos un sin fin de artefactos y artilugios que son analógicos, el más común es el reloj. Sus
engranes y piezas encajan de una manera sin encuanon llevando así una función específica, dar la
hora, pero ese mecanismo se comporta de una manera analógica, ¿por qué? por el simple hecho de
que la aguja vuelve al mismo lugar desde donde partió inicialmente para indicar a la persona que ya
9 Cita aclaratoria: para las computadores de uso viejo, pero que un son funcionales en la utilización diaria. 10 (Alegsa, 2015) (Consumer, 2005)
Pablo Andrés Galván Rosas 11
finalizo un ciclo del tiempo y así sucesivamente hasta convertirse en un indicador analógico del
tiempo.11
También se pueden clasificar según el nivel de integración (refiriéndose a la cantidad de
componentes que integran un circuito integrado). Pueden ser:
3.3.- Según el nivel de integración
La rapidez del desarrollo tecnológico ha dado lugar a que se puedan integrar simultáneamente
en un mismo dispositivo un número determinado de puertas entre sí, que realizan una función
concreta, así a principio de los años sesenta llegó la aparición del circuito integrado
A partir de entonces se han ido mejorando las técnicas de fabricación de forma espectacular,
hasta llegar a la actualidad, donde es posible encontrar en una superficie de algo más de 1 cm
cuadrado cientos de miles de puertas lógicas.
Dependiendo del número de elementos puertas que se encuentren integrados en el chip se dice
que ese circuito está dentro de una determinada escala de integración.12
3.3.1.- De Pequeña Escala de Integración (SSI)
Es la escala de integración más pequeña de todas, y comprende a todos aquellos integrados
compuestos por menos de 12 puertas
3.3.2.- De Mediana escala de integración (MSI)
Esta escala comprende todos aquellos integrados cuyo número de puertas oscila entre 12 y 100
puertas. Es común en sumadores, multiplexores,... Estos integrados son los que se usaban en los
primeros ordenadores aparecidos hacia 1970.
11 (Gonzalez, 2014) 12 (F.J.M., 2004)
Pablo Andrés Galván Rosas 12
3.3.3.- De larga escala de integración (LSI)
Estos integrados realizan una función completa, como es el caso de las operaciones esenciales
de una calculadora o el almacenamiento de una gran cantidad de bits. La aparición de los circuitos
integrados a gran escala, dio paso a la construcción del microprocesador. Los primeros funcionaban
con 4 bits (1971) e integraban unos 2.300 transistores; rápidamente se pasó a los de 8 bits (1974) y
se integraban hasta 8.000 transistores. Posteriormente aparecieron los microprocesadores de
circuitos integrados VLSI.*13
3.3.4.- De muy larga escala de Integración (VLSI)
De 1000 a 10000 puertas por circuito integrado, los cuales aparecen para consolidar la industria
de los integrados y para desplazar definitivamente la tecnología de los componentes aislados y dan
inicio a la era de la miniaturización de los equipos apareciendo y haciendo cada vez más común la
manufactura y el uso de los equipos portátiles.
4.- Aplicaciones
La microelectrónica tiene diferentes usos, por lo consecuente cuenta con diferentes aplicaciones,
ya que ayuda en muchos ámbitos, como en la medicina, usos industriales.
4.1.- Aplicaciones comerciales de los transistores.
En cuanto a aparatos de consumo, véase el bajo valor de los aparatos para personas sordas, que
fue la primera aplicación comercial de los transistores, y los valores razonables de receptores de
radio de automóviles y portátiles, aplicaciones en las que el bajo peso, el tamaño reducido y el bajo
consumo de potencia eran factores importantes.
Hasta los años 70 no se superó de forma clara el mercado debido a las compras del Gobierno.
13http://goo.gl/Oc5eKC
Cita Corta: A esta escala pertenecen todos aquellos integrados que contienen más de 100 puertas lógicas (lo cual conlleva unos 1000 componentes integrados individualmente), hasta las mil puertas.
Pablo Andrés Galván Rosas 13
En el año 1962, primer año de la producción de circuitos integrados, el Gobierno Federal gastaba
algo más de 10.000 millones de dólares en electrónica, de los cuales 9.200 millones eran del
Departamento de Defensa y 500 millones de la NASA.14
4.2.- La microelectrónica biomédica del futuro.
Dispositivos de monitorización a distancia, de análisis sanguíneo, administradores de fármacos,
centros productores de imágenes o conectores nerviosos. La lista de sistemas y dispositivos
Microelectrónicos de aplicación biomédica crece cada día definiendo una de las áreas de negocio de
mayor proyección.
4.2.1.- Dispositivos de seda
La Bioelectrónica es una de las áreas de mayor proyección económica
Anualmente, el MIT selecciona las tecnologías con mayor proyección. Y lo hace teniendo en
cuenta tanto se grado de desarrollo y de expansión futuros, como el impacto económico que puede
tener en forma de nuevas compañías de base tecnológica. Entre sus seleccionadas destaca la “nueva
generación de dispositivos electrónicos implantables” basados en nuevos materiales que eviten los
efectos adversos que habitualmente provocan los empleados en la electrónica convencional. De
acuerdo con los expertos del MIT, la seda podría ser un candidato idóneo para esos dispositivos.
Entre las primeras aplicaciones en humanos que se prevén para esta proteína destacan
electrodos cerebrales para el control de la epilepsia, aunque no se descarta que pueda ser utilizada
en sensores para el control de biomarcadores en enfermedades como el cáncer o de origen
metabólico. Sus características la convertirían en un vehículo útil para la liberación de fármacos en
dosis controladas en el interior del cuerpo.15
14 (Ortega, 2013) 15 (Madrid, s.f.)
Pablo Andrés Galván Rosas 14
Conclusión
En conclusión la microelectrónica se encarga del desarrollo de la tecnología a pequeña escala,
que se aplica en Transistores, MOSFET*16, microprocesadores. En los cuales se desarrollan infinidad
de problemas que se resuelven por medio de varios operadores.
La aplicación que puede tener son diferentes, se aplican en la medicina para el desarrollo de
componentes capaces de realizar diferentes operaciones en cirugías, procesos neurológicos, y
cardiacos. Ya que se desarrollan a pequeña escala.
El uso comercial que tiene es muy extenso, se pueden usar en telecomunicaciones, informática,
redes y en un sin número de aplicaciones, ya que en todo lo que su usa cotidianamente se aplica la
electrónica a una escala compacta.
16 Cita Aclaratoria: MOSFET: En las señales electrónicas sirve para conmutarlas y es un transistor utilizado para amplificar. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales.
Pablo Andrés Galván Rosas 15
Referencias 1. Alegsa, L. (2 de Agosto de 2015). Obtenido de http://goo.gl/7z8cEP
2. Chacon, W. (16 de Mayo de 2014). La Microelectronica Historia y Aplicaciones. Obtenido de
http://goo.gl/lUdTWi
3. Colombia, E. y. (2011-2015). Que es la Microelectronica y la Nanotecnologia. Obtenido de
http://goo.gl/mKL1qU
4. Consumer, E. (8 de Abril de 2005). Obtenido de http://goo.gl/4NrA98
5. De, D. (2008-2015). Memoria. Obtenido de http://goo.gl/nNo7tm
6. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, E. A. (s.f.). Microelectronica. Obtenido de
http://goo.gl/jeznia
7. EcuRed. (s.f.). Logicos. Obtenido de http://goo.gl/hhBmSo
8. F.J.M. (2004). ESCALAS DE INTEGRACIÓN DE LOS CIRCUITOS LÓGICOS SSI, MSI Y LSI. Obtenido de
http://goo.gl/OETkD0
9. Gonzalez, L. (29 de Abril de 2014). Definicion de Analogico. Obtenido de http://goo.gl/Wev39e
10. Lopez, M. (26 de Febrero de 2013). La Microelectronica. Obtenido de http://goo.gl/oLuYTO
11. Madrid, C. d. (s.f.). La microelectrónica biomédica del futuro. Obtenido de http://goo.gl/wnXhRd
12. Magazine, M. (s.f.). Definicion de Digital. Obtenido de http://goo.gl/blKiH4
13. Mancha, U. d.-L. (s.f.). Conceptos de Microelectronica. Obtenido de http://goo.gl/rFVr75
14. Mancha, U. D.-L. (s.f.). EVOLUCIÓN DE LA MICROELÉCTRONICA. Obtenido de http://goo.gl/XTufzo
15. Ortega, V. (11 de Enero de 2013). Tecnologias microelectronicas. Obtenido de http://goo.gl/C2z5E0
