Microelectrónica

Una tecnología en microelectrónica se entiende como el conjunto de reglas, normas, requisitos, materiales y procesos que aplicados en una secuencia determinada, permite obtener como producto final un circuito integrado, que son dispositivos electrónicos miniaturizados. Los más importantes son circuitos integrados de Silicio corriente.

La microelectrónica es la tecnología mediante la cual se diseñan dispositivos electrónicos empacados en grandes densidades en una pastilla única de semiconductor.

Ley de Moore

Gordon Moore en 1965 analizó datos de producción de chips y notó que la cantidad de elementos que la tecnología acomodaba dentro de un chip se duplicaba aproximadamente cada 18 meses. Esa tendencia se ha mantenido hasta el presente.

La importancia de la ley de Moore es de otro tipo. La ley de Moore nos hablaba de un futuro muy emocionante, con chips cada vez más potentes que abriesen más posibilidades. Al admitir que no es posible cumplirla, estamos admitiendo que nuestro futuro es más oscuro de lo que nos gustaría admitir.

Transistor

El transistor tiene tres partes. Una que emite electrones (emisor), otra que los recibe o recolecta (colector) y otra con la que se modula el paso de dichos electrones (base).

Una pequeña señal eléctrica aplicada entre la base y emisor modula la que circula entre emisor y receptor. La señal base emisor puede ser muy pequeña en comparación con la emisor receptor. La señal emisor-receptor es aproximadamente la misma que la base-emisor pero amplificada.

El transistor se utiliza, por tanto, como amplificador. Además, todo amplificador oscila así que puede usarse como oscilador y también como rectificador y como conmutador on-off. El transistor también funciona por tanto como un interruptor electrónico, siendo esta propiedad aplicada en la electrónica en el diseño de algunos tipos de memorias y de otros circuitos.

Mosfet

El transistor de efecto de campo de metal óxidosemiconductor (MOSFET), es el dispositivo que está en el centro de la revolución microelectrónica. Tiene en su interior una estructura compuesta de una puerta de polisilicio (anteriormente de metal), una capa fina de óxido de silicio, situada encima de la placa de silicio (figura 6). Aplicando un voltaje a la puerta por encima de un cierto umbral, atrae electrones a la interfaz

del semiconductor y el óxido. Estos electrones pueden entonces cerrar el interruptor entre otros dos grupos de electrones llamados fuente y sumidero ubicados en las proximidades, de forma que la corriente pueda fluir de uno a otro. En esencia, un MOSFET es un interruptor que se activa electrónicamente. Si el voltaje aplicado a la puerta está por debajo del umbral, el interruptor se abre. Si está por encima, el interruptor se cierra. De esta forma se pueden hacer operaciones lógicas.

CMOS

Metal-óxido semiconductor complementario. Esto significa que realmente hay no uno sino dos tipos de MOSFETs, uno que se activa con un voltaje por encima de un cierto valor y otro complementario que se activa con un voltaje por debajo de un valor diferente. Esto permite lo que se denomina lógica complementaria lo que básicamente quiere decir que cuando un interruptor está cerrado, el otro está abierto. De esta forma, es posible realizar operaciones lógicas sin tener una derivación directa entre la fuente de potencia y tierra evitando por lo tanto la corriente continua. Ninguna otra familia lógica lo hace. Este simple atributo es la clave que hay detrás de las enormes densidades de transistores de los modernos microprocesadores.

Semiconductores

Los semiconductores son el eje de la industria electrónica digital moderna, son dispositivos electrónicos con elevado grado de miniaturización e integración de los transistores capaces de comportamientos electrónicos variables; posibilitando la realización de una serie de operaciones matemáticas a gran velocidad, el almacenamiento de información en forma digital o el control de una serie de tareas.

Densidad de Componentes

Número de componentes dentro del integrado.

Velocidad de operaciones básicas

Número de retardo mínimo por componente elemental de circuito, la cual ha llegado de 1 a 2 nanosegundos . Se han intentado nuevas tecnologías que son cambio de materia básico Silicio por Arsenuro de Galio, mezcla de la tecnología CMOS con la tecnología bipolar.

Disipación de potencia

Con el aumento en la densidad de componentes han aparecido limitaciones que han generado todo un movimiento en nuevas tecnologías de empaque en circuitos integrados para el manejo adecuado y económico de la disipación de potencia.

CLASIFICACIÓN DE PRODUCTOS MICROELECTRÓNICOS

Clasificación de los Productos Microelectrónicos Según su función:

Digitales (Lógicos, Memorias, Microprocesadores).

Analógicos.

Según el nivel de Integración (Se refiere a la cantidad de componentes que integran un circuito integrado).Pueden ser:

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

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.

De larga escala de integración (LSI).

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. 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.

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 miniaturizacion de los equipos apareciendo y haciendo cada vez más común la manufactura y el uso de los equipos portatiles.

Según el tipo de transistor utilizado en el circuito:

Bipolar: Tienen dos tipos de cargas móviles.

MOS: Utilizan solo un tipo de material sin uniones rectificadoras. Tiene un solo signo de carga.

Según el material utilizado o fabricado:

Silicio.El silicio en su forma pura se presenta como un material brillante, oscuro y más bien duro que cuando está muy purificado, es un semiconductor intrínseco. El silicio puede estar cristalizado, y lo hace en forma de cristales que utilizamos para hacer transistores y circuitos integrados. Un ejemplo es la arena que se encuentra en la playa, la cual está compuesta por silicio y oxigeno

Germanio.Se usa en semiconductores y transistores. En forma de monocristales para la fabricación de elementos ópticos (lentes, prismas y ventanas) para espectroscopía infrarroja: Espectroscopios, detectores de infrarrojos. El alto índice de refracción del óxido de germanio lo hace útil para la fabricación de lentes gran angular de cámaras fotográficas y objetivos de microscopio.

Arseniuro de Galio. 

Se usa en semiconductores. Comparado con el silicio es caro y frágil, pero conduce la electricidad mucho mejor que el silicio y emite luz.

Sumador 7483

Minitérminos

Para una función booleana de n variables x1,...xn, un producto booleano en el que cada una de las n variables aparece una sola vez (negada o sin negar) es llamado minterms. Es decir, un minterms es una expresión lógica de n variables consistente únicamente en el operador conjunción lógica (AND) y el operador complemento o negación (NOT).Por ejemplo, abc, ab'c y abc' son ejemplos de minterms para una función booleana con las tres variables a, b y c.En general, uno asigna a cada minterm (escribiendo las variables que lo componen en el mismo orden), un índice basado en el valor binario del minterm. un término negado, como a' es considerado como el numero binario 0 y el término no negado a es considerado como un 1. Por ejemplo, se asociaría el número 6 con a b c'(1102), y nombraríamos la expresión con el nombre m6. Entonces m0 de tres variables es a'b'c'(0002) y m7 debería ser a b c(1112).

Función equivalenteSe puede observar que cada minterm solo devuelve 'verdadero' con una sola entrada de las posibles. Por ejemplo, el minterm 5, a b' c, es verdadero solo cuando a y c son ciertos y b es falso - la entrada a = 1, b = 0, c = 1 da resultado 1.Si tenemos una tabla de verdad de una función lógica, es posible escribir la función como "suma de productos". Por ejemplo, dada la tabla de verdad

a b f(a, b)

0 0 1

0 1 0

1 0 1

1 1 0Observamos que las filas con resultado 1 son la primera y la tercera, entonces podremos escribir f como la suma de los minterms m0 y m2.Si queremos verificar esto:

f(a,b) = m0 + m2 = (a'b')+(ab')Tendremos que la tabla de verdad de la función, calculándola directamente, será la misma.

MaxitérminosUn maxterm es una expresión lógica de n variables que consiste únicamente en la disyunción lógica y el operador complemento o negación. Los maxterms són una expresión dual de los minterms. En vez de usar operaciones AND utilizamos operaciones OR y procedemos de forma similar.Por ejemplo, los siguientes son maxterms:

a+b'+c

a'+b+c

 El complemento de un minterm es su respectivo maxterm. Esto puede ser fácilmente verificado usando la Ley de Morgan. Por ejemplo:

m1' = M1

(a'b)' = a+b'Para indexar maxterms lo haremos justo de la forma contraria a la que seguimos con los minterms. Se asigna a cada maxterm un índice basado en el complemento del número binario que representa (otra vez asegurándonos que las variables se escriben en el mismo orden, usualmente alfabético). Por ejemplo, podemos asignar M6 (Maxterm 6) al maxterma'+b'+c. De forma similar M0 de tres variables debería ser a+b+c y M7 es a'+b'+c'.

Función equivalente

Se puede ver fácilmente que un maxterm sólo da como resultado un cero para una única entrada de la función lógica. Por ejemplo, el maxterm 5, a'+b+c', es falso solo cuando a y cson ciertos y b es falso - la entrada a = 1, b = 0, c = 1 da como resultado un cero.Si tenemos una tabla de verdad de una función lógica, es posible escribir la función como "producto de sumas". Por ejemplo, dada la tabla de verdad

a b f(a, b)

0 0 1

0 1 0

1 0 1

1 1 0Observamos que las filas que tiene como salida un 0 son la segunda y la cuarta, entonces podemos escribir f como un producto de maxterms M1 y M3.Si queremos verificar esto:

f(a,b) = M1 M3 = (a+b')(a'+b')

Tendremos que la tabla de verdad de la función, calculándola directamente, será la misma.

Mapa de Karnaugh

Otra manera de simplificar funciones es representándolas en mapas de Karnaugh. Esto es equivalente a resolver las simplificaciones por teoremas. Sin embargo, mucha gente considera que resulta más fácil visualizar las simplificaciones si se presentan gráficamente.Los mapas de Karnaugh pueden aplicarse a dos, tres, cuatro y cinco variables. Para másvariables, la simplificación resulta tan complicada que conviene en ese caso utilizar teoremas mejor. Para efectos de clase, veremos las simplificaciones de dos, tres y cuatro variables.

MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGHEl Álgebra de Boole, resuelve problemas que dependiendo del número de términos que tenía la función canónica, siendo el número de compuertas lógicas utilizadas  igual al número de términos obtenidos MÁS UNO; por lo tanto, los circuitos obtenidos son de dos niveles de conmutación con un tiempo mínimo de retardo, pero que de ninguna manera es el más sencillo ni el más económico.    Los mapas de Karnaugh es uno de los métodos más prácticos. Se puede decir que es el más poderoso, cuando el número de variables de entrada es menor o igual a seis; más allá, ya no es tan práctico. En general, el mapa de Karnaugh se considera como la forma gráfica de una tabla de verdad o como una extensión del diagrama de Venn.   Antes de explicar cómo se utiliza el mapa de Karnaugh en la minimización de funciones, veremos cómo se obtiene el mapa. Esto nace de la representación geométrica de los números binarios. Un número binario de n bits, puede representarse por lo que se denomina un punto en un espacio N. Para entender lo que se quiere decir con esto, considérese el conjunto de los números binarios de un bit, es decir 0 o 1. Este conjunto puede representarse por dos puntos en un espacio 1; esto es, por dos puntos unidos por una línea.