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Física cuántica: historia y aplicación

Módulo 3 Dispositivos electrónicos

Índice

Módulo 3 Dispositivos electrónicos............................................................................................................. 1

Computadoras y microprocesadores......................................................................................................... 2

Lógica de Boole........................................................................................................................................ 3

Cómo se suman dos valores..................................................................................................................... 7

Procesadores y aplicaciones .................................................................................................................... 9

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En el módulo anterior vimos la base de todos los dispositivos electrónicos desarrollados con la tecnología del silicio, empezando por los diodos, que, con una juntura entre dos semiconductores intrínsecos funcionan como “válvulas unidireccionales” permitiendo el flujo de cargas eléctricas en un solo sentido. También consideramos la unión de tres semiconductores que permite manejar una válvula y así abrir o cerrar el paso de las cargas eléctricas y que además puede usarse para amplificar una corriente eléctrica. En este módulo veremos algunas de las aplicaciones que podemos encontrar en nuestra vida diaria, y qué papel juegan los diodos y transistores en su funcionamiento.

Computadoras y microprocesadores

El gran salto en el desarrollo de los actuales computadores reside en la posibilidad de crear una decena de millones de transistores en un fragmento de silicio (llamado “chip de silicio”). Si, como dijimos, pensamos a los transistores como válvulas que se abren y se cierran, podemos encontrarlos en dos posibles estados, abiertos o cerrados y representarlos con un 1, cuando están abiertos y con la corriente circulando, y con un 0 cuando están cerrados y no circula la corriente. En computación, a este estado con dos valores posibles se lo llama bit. De esta manera lo que necesitamos ahora es ver como obtener la lógica que nos permita trabajar solamente con estos dos estados.

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Lógica de Boole

Para que un fragmento de silicio “piense” es necesario asegurarse de que trabaje con cierta lógica. Para ello tenemos que ver cómo podemos obtener con transistores ciertas operaciones para nuestras compuertas que nos permitan realizar acciones determinadas. A estas operaciones se las llama compuertas lógicas y a la lógica que utilizan, con unos y ceros, lógica de Boole. a. Consideremos la más simple de estas compuertas, construida con un par de transistores de efecto de campo, MOSFET, uno con una unión npn y otro con una unión pnp. A esta compuerta se la llama negación o inversión, NOT, y convierte una válvula abierta en una cerrada y una cerrada en abierta.

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Podemos describir el comportamiento de esta compuerta con la siguiente tabla para considerar la salida en función de la entrada: Entrada Salida 0 1 1 0 b. Analizaremos ahora otra compuerta y cómo construirla con transistores de efecto de campo, MOSFET. Esta compuerta trabaja con dos entradas y una salida O (o uno o el otro) invertida, conocida como compuerta NOR. La lógica de una compuerta OR (O en castellano, que se interpreta o una o la otra) es que entregue una salida que indique si una de las entradas conduce (está en 1). Si luego a la salida la invertimos (negación) con un NOT obtenemos nuestra compuerta NOR con la siguiente tabla lógica: Entrada A Entrada B Salida 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 El circuito con los MOSFET y su símbolo es el siguiente:

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Las demás compuertas lógicas las podemos obtener combinando estas dos compuertas, por eso mostramos en detalle cómo se construyen las dos anteriores con los MOSFET. La compuerta OR (simplemente un O sin la inversión) se puede construir colocando a la salida de una compuerta NOR una compuerta NOT.

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Entrada A Entrada B Salida 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 c. Una de las compuertas que falta para completar nuestra lógica booleana es la compuerta Y que dará como resultado “abierto” a la salida, si las entradas A Y B están abiertas.

Con la siguiente tabla lógica: Entrada A Entrada B Salida 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 d. Por último podemos completar nuestras compuertas con la compuerta Y invertida, o NAND:

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Con la siguiente tabla lógica: Entrada A Entrada B Salida 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 La compuerta AND (simplemente un Y sin la inversión) la construimos colocando a la salida de la una compuerta NAND una compuerta NOT.

Cómo se suman dos valores

Veremos ahora cómo sumar dos de nuestras válvulas para lo cual será necesario sumar dos bits y controlar que a la salida tengamos un resultado similar a las sumas que realizamos con los números en base 10. Entre las entradas a sumar y su correspondiente resultado tendremos cuatro posibilidades: Entrada A Entrada B Salida A + B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 2

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El problema aquí es que las únicas posibilidades de resultados a obtener son 0 ó 1, y en este caso, en que sumamos 1 + 1, nuestro resultado es (lógicamente) 2. La forma de resolver esto es como cuando sumamos en nuestro sistema decimal y al llegar a 10 pasamos una unidad a las decenas. En el sistema de 0 y 1 (sistema binario) cuando sobrepasamos la unidad, como en nuestro ejemplo al sumar dos válvulas abiertas, se necesita otra posición para representar el hecho de “llevarnos” 1. Entonces, si usamos dos posiciones, la suma de dos bits resulta: Entrada A Entrada B Salida A + B 0 0 00 0 1 01 1 0 01 1 1 10 Así, para la salida tenemos dos posiciones: las unidades y las “decenas”. Al igual que en el sistema decimal, el lugar de las decenas corresponde a ese valor multiplicado por 101; en el sistema binario el valor del segundo lugar va multiplicado por 21. Entonces para sumar dos bits la tabla final que necesitamos armar es la siguiente: Entrada A Entrada B Salida Decena

- 21 Salida Unidad - 20

0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 Veamos cómo se obtienen estas salidas con las compuertas que vimos anteriormente, recordando que esto se puede realizar combinando transistores. Para las “decenas” basta tener una compuerta AND para que la salida de la compuerta sea el correspondiente a los valores de 21. Para las unidades debemos tener una compuerta que no está entre las que ya vimos, pero que siempre puede obtenerse como combinación de las que ya vimos. Esta compuerta debe dar como salida un 0 si las dos entradas son iguales y un 1 si son distintas. A esta compuerta se la llama XOR (O uno o el otro exclusivo, no ambos) y se puede obtener con la siguiente combinación:

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De esta manera podemos juntar transistores en las distintas combinaciones que hemos visto y uno de los resultados mostrados será como sumar dos números, o dos bits en nuestro caso. Sin embargo, si se repiten estos pasos muchas veces, podemos tener un fragmento de “silicio inteligente”, al menos que sepa sumar muchos unos y ceros.

Procesadores y aplicaciones

En 1971 la empresa Intel lanzó al mercado su microprocesador Intel 4004. Lo que hacía esta especie de cucarachita negra de ocho patas de cada lado era simplemente sumar o restar cuatro bits. Pero significó todo un avance el hecho de tener el conjunto de transistores que mostramos en las compuertas

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anteriores todos juntos en un solo dispositivo. En 1974, el chip Intel 8080 fue el primer computador construido en un solo chip. En 1982 salió al mercado la primera computadora personal de IBM con un chip Intel 8088. Luego salieron los chips 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium II, Pentium III y Pentium 4, todos ellos con mejoras que partieron del diseño original del chip 8088. En la siguiente tabla se muestran los nombres de los chips de Intel, el año en que fueron lanzados al mercado, el número de transistores que tienen construidos en su interior y el ancho en micrones de las uniones entre los componentes dentro del chip: Nombre del chip Fecha Transistores Ancho uniones

en µm 8080 1974 6000 6 8088 1979 29000 3 80286 1982 134000 1.5 80386 1985 275000 1.5 80486 1989 1200000 1 Pentium 1993 3100000 0.8 Pentium II 1997 7500000 0.35 Pentium III 1999 9500000 0.25 Pentium 4 2000 42000000 0.18 Pentium 4 “Prescott”

2004 125000000 0.09

• Microprocesadores

El material semiconductor sobre el que se fabrican los transistores no es otra cosa que silicio en trozos sobre los que se pueden crear centenares de miles de transistores en una sola pieza o chip situando de forma adecuada las numerosas regiones tipo n y p. Durante la fabricación, estas regiones son interconectadas mediante conductores minúsculos, a fin de producir circuitos especializados complejos. De esta manera las distintas empresas diseñan y fabrican microchips para realizar tareas específicas: un ejemplo son los los reproductores de MP3, que tienen entre sus componentes uno o varios chips específicos que convierten la información almacenada en bits a un sonido analógico y lo envían a un amplificador para que se pueda escuchar en un par de auriculares.

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Todos los dispositivos electrónicos tienen un “corazón” que lleva a realizar sus acciones específicas y que está manejado por un microprocesador.

• Memorias SRAM y DRAM

Para poder mantener los resultados en el tiempo y luego compararlos con otros se deben poder almacenar los bits para ser leídos y utilizados en el momento necesario: a los dispositivos que permiten hacerlo se los llama memorias. Un tipo de memorias son las llamadas Memorias de Acceso Aleatorio Estática, SRAM. La unidad para almacenar un bit puede construirse con seis MOSFET conectados de la siguiente manera (más abajo se ve su equivalente cuando se reemplazan cuatro de ellos por dos compuertas NOT enlazadas):

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En estas memorias se puede escribir un bit y luego leerlo, y su ubicación queda unívocamente determinada por la fila de dirección de memoria conectada en la parte inferior que también los habilita para su funcionamiento. Para su funcionamiento se debe escribir a la izquierda el bit que se desea almacenar y a la derecha el mismo bit invertido. Es posible realizar una memoria con un MOSFET y un capacitor en la denominada Memoria de Acceso Aleatorio Dinámica, DRAM. En esta

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memoria se puede escribir y luego leer el valor almacenado pero, a diferencia de lo que ocurre con la anterior, al leer el valor almacenado en el capacitor, esta información se pierde lo que también ocurre cuando pasa el tiempo y el capacitor se va descargando. Por esta razón en estas memorias la información debe rescribirse periódicamente, sin embargo tienen la ventaja de que se gana mucho espacio físico al requerir solo un transistor en lugar de seis. Tanto la SRAM como las DRAM son memorias volátiles, esto significa que para mantener la información almacenada en ellas deben estar conectadas con una fuente de alimentación. En otras palabras: al apagar la computadora, se pierde la información almacenada en ellas.

• Memorias flash. Memorias de bolsillo

Recordando las explicaciones que nos puede brindar la mecánica cuántica, hemos visto que ciertos materiales no son conductores de la corriente eléctrica. Son llamados aislantes eléctricos y en ellos, los electrones de las últimas capas de los átomos que conforman el material no se mueven libremente por todo el material, como en los conductores, sino que están fuertemente ligados a cada átomo. En ciertos aislantes se puede calcular (con la ayuda de la mecánica cuántica) que los electrones no se mueven simétricamente alrededor del núcleo sino que pasan más tiempo en un lado de la molécula que en el otro (es decir, forman un dipolo eléctrico). Por eso un material no conductor, aunque sea eléctricamente neutro, puede tener un campo eléctrico neto no nulo en su interior, como resultado de la orientación de las cargas positivas del núcleo y las cargas negativas del electrón. Este campo eléctrico en el interior es provocado por un campo eléctrico externo (o sea, una diferencia de potencial como el que provee una pila). En la mayoría de los aislantes al quitar el campo externo, los dipolos vuelven a orientarse al azar, dando un campo eléctrico neto nulo en el interior (dieléctricos lineales). Sin embargo algunos dieléctricos, cuando se elimina el campo eléctrico externo, mantienen cierta orientación neta de sus dipolos en la dirección en la que fue aplicado el campo eléctrico externo, por lo cual, al anular el campo externo, estos materiales mantienen un campo eléctrico neto no nulo en su interior. A esta diferencia del estado final respecto del inicial se lo llama histéresis y a estos dieléctricos con histéresis se los llama ferroeléctricos (el nombre obedece al comportamiento similar de estos

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dieléctricos con el de los materiales ferrosos que también presentan histéresis magnética y no significa que los ferroeléctricos contengan hierro en su composición). Con los ferroeléctricos podemos entonces tener un material con un campo eléctrico neto que depende de si le aplicamos o no un campo externo, mediante una pila. Si colocamos este material en el Gate de un transistor de efecto de campo, el campo eléctrico del ferroeléctrico puede producir que el MOSFET conduzca o no. De esta manera se podrá entonces almacenar bits con transistores. En este caso, como los campos eléctricos de los ferroeléctricos permanecen incluso al desconectar la alimentación, la información en estas memorias es NO VOLATIL. Estas memorias se utilizan en un sin número de aplicaciones como pen drives (que sustituyeron a los diskettes), memorias en los teléfonos celulares, MP3, MP4 y cámaras digitales, entre otros.

Una amena infografía sobre cómo los MP3 almacenan la información en memorias flash y convierten la música digital nuevamente en analógica para ser escuchada se puede ver en el siguiente enlace http://www.consumer.es/web/es/tecnologia/imagen-y-sonido/2006/04/19/151083.php

• Cámaras digitales

En estos dispositivos se utilizan fotodiodos para convertir la luz en cargas eléctricas. Para poder guardar la información correspondiente a una imagen captada por la cámara, la luz proveniente del objeto a fotografiar llega a una superficie con varios millones de fotodiodos (o megapixels). Sobre cada fotodiodo llega luz con distintas intensidades por lo que las cargas eléctricas que manifiestan será proporcional a la intensidad de luz que incide sobre cada uno de ellos. Guardando la información sobre cuántas cargas aparecen en cada punto de la superficie en la que tenemos los millones de fotodiodos podemos

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recrear más tarde la luz que llegó a nuestra cámara y, por lo tanto, la imagen a fotografiar.

El comportamiento de los millones de fotodiodos es común a todas las cámaras digitales pero, según manejen las cargas que salen de cada fotodiodo se pueden distinguir dos modelos En los sensores CCD (la sigla responde a Dispositivos de Cargas Acopladas en idioma inglés Charge-Coupled Device) las cargas de cada fotodiodo se van almacenando en capacitores, que a su vez, las van pasando con desplazamientos sucesivos a los capacitores vecinos (de aquí que estén acoplados) en una misma fila horizontal. De esta forma las cargas que llegan al final de la fila tienen la información secuencial de la intensidad de luz que fue llegando a cada fotodiodo. Esta secuencia de cargas se convierte en voltaje y luego el voltaje se digitaliza, convirtiendose en información con unos y ceros. En los sensores CMOS (Semiconductor Complementario de Óxido Metálico) las cargas que aparecen en cada fotodiodo se convierten en un voltaje y este voltaje se digitaliza en cada píxel, de forma tal que la información de cada uno de ellos es independiente de la de los vecinos. La carga que aparece en cada fotodiodo y se almacena en un capacitor es leida de la misma manera que se lee la información en las memorias DRAM que vimos previamente. En las cámaras hogareñas una vez digitalizada la imagen, esta se puede visualizar en la pantalla de cristal líquido con la que cuenta la cámara (con previsualización). Esta misma pantalla se puede utilizar también para encuadrar la imagen a obtener.

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Quienes quieran obtener más información sobre máquinas digitales y su funcionamiento pueden consultar el siguiente sitio http://www.quesabesde.com/camdig/articulos.asp?articulo=115

• Pantallas táctiles

Si sobre una pantalla tenemos una grilla hecha con capacitores, al acercar una cantidad de cargas al capacitor cambiará el campo eléctrico y en consecuencia, la diferencia de potencial entre sus placas. Si estos capacitores están conectados con transistores de efecto de campo, al acercarles cargas podemos hacer que los MOSFET conduzcan. De esta manera en la grilla que tenemos en nuestra pantalla podemos determinar a qué posición de la misma hemos acercado un grupo de cargas. De igual modo, si movemos estas cargas por la grilla podemos detectar su movimiento en función de cómo cambian las conducciones de los distintos MOSFET que forman la grilla. Así, si se analizan las conducciones de los transistores podemos saber a qué zona de la pantalla estamos acercando unas cargas eléctricas. Estas cargas eléctricas que podemos acercar pueden ser justamente las que tenemos en nuestros dedos: así será posible detectar sus movimientos sobre la pantalla y a la vez, mover con ellos los objetos que están en ella.

Para ver una animación sobre pantallas táctiles como una descripción del funcionamiento de otros modelos NO CAPACITIVOS, se puede consultar este sitio: http://www.consumer.es/web/es/tecnologia/hardware/2007/12/16/172989.php

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• Lectores de CD y DVD

Los CD y los DVD son piezas con varias capas de plástico, que tienen un espesor total de algo más de 1,2 mm y un diámetro de 120 mm. En ellos podemos almacenar información que se puede recuperar a partir de las propiedades ópticas de las capas de estos discos: una de las capas es de aluminio y refleja la luz que incide sobre ella. Para iluminar se utiliza un diodo láser y la luz que se refleja en la capa reflectante se detecta luego con un fotodiodo que convierte la señal luminosa en eléctrica. Sobre una capa de plástico se hacen unas pequeñas marcas, que representan los bits de la información a almacenar. Como en los viejos discos de vinilo, se va guardando la información a lo largo de un surco en forma de espiral que comienza en la parte interior del disco. Cada surco tiene 0.5 micrones de ancho y dos surcos sucesivos de la espiral tienen una separación de 1.6 micrones (0.47 en los DVD). Las marcas guardadas a lo largo del surco tienen tiene 0.5 micrones de ancho (0.4 en los DVD), 0.83 micrones de largo y 12 nanómetros de alto para representar un 1. Sin marca (altura 0) se utiliza para representar un bit igual a 0. Para iluminar y leer la información guardada, los CD utilizan láseres con longitudes de onda de 780 nm (infrarrojo) mientras que los DVD utilizan láseres de 635 nm (rojo). Actualmente se utilizan en nuevos dispositivos láseres azules con los que se obtienen capacidades de almacenamiento de información 5 veces mayor que con los DVD. A esta tecnología se la llama Blu-Ray

Les recomendamos la siguiente animación que describe las capacidades y el funcionamiento del DVD y el Blu-Ray: http://www.consumer.es/web/es/tecnologia/imagen-y sonido/2008/03/30/175764.php

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Les proponemos buscar otro dispositivo cuya tecnología se base en el funcionamiento de transistores y diodos, y describir con sus palabras su funcionamiento en este foro.

• http://www.howstuffworks.com/