Del diodo al vacío a la microelectrónica digital

LAS GENERACIONES EN LA ELECTRÓNICA

El diodo de vacío  fue inventado en 1904  por el ingeniero eléctrico británico John Fleming y es un tubo al vacío con dos electrodos, el cátodo que se mantiene caliente, elaborado de un material capaz de emitir electrones termicamente, el otro es el  ánodo  que se mantiene frío, con un potencial positivo respecto al cátodo, estando los electrodos conectados a una fuente de voltaje directo, de tal manera que los electrones emitidos termoiónicamente por el cátodo, se aceleran hacia el ánodo, bajo la acción del campo eléctrico  formando  una  corriente electrónica.

En 1883  Thomas Alva Edison ya había observado que  al colocar una lámina (ánodo) dentro de una bombilla, cuando se polarizaba positivamente la lámina metálica respecto al filamento, se producía una pequeña corriente entre el filamento y la lámina.

En 1906  el físico estadounidense Lee De Forest le agregó al diodo al vacío una rejilla para regular entre ánodo y cátodo la tensión, inventando el triodo, el primer dispositivo amplificador de la historia. Más tarde se le añadió un electrodo más, llamando a esa nueva válvula tetrodo, para finalizar en el pentodo de cinco electrodos.

Los primeros equipos telefónicos, radios y televisores, inclusive el primer computador digital fue construido con estas válvulas al vacío.

 El filamento no sólo consumía mucha energía, sino que también solía quemarse, o las vibraciones lograban romperlo, por lo que las válvulas terminaban resultando poco confiables. Además, como era necesario evitar la oxidación del filamento incandescente, la válvula estaba conformada por una carcasa de vidrio, que contenía un gas inerte o vacío, haciendo que el conjunto resultara muy voluminoso.

Los transistores, desarrollados en 1947 por los físicos W. Shockley, J. Bardeen y W. Brattain, resolvieron todos estos inconvenientes y abrieron el camino que, junto con otras invenciones –como la de los circuitos integrados– potenciarían el desarrollo de los computadores. Y todo a bajos voltajes, sin necesidad de disipar energía (como era el caso del filamento), en dimensiones reducidas y sin partes móviles o incandescentes que pudieran romperse.

Fotografía del primer transistor realizado por físicos W. Shockley, J. Bardeen y W. Brattain en diciembre de 1947. Tomada de www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transistor.html

Los transistores se basan en las propiedades de conducción eléctrica de materiales semiconductores, como el silicio o el germanio.

Los diez años posteriores a la invención del primer transistor vieron enormes adelantos en este campo:

• se inventaron distintos tipos de transistores (de punto, de juntura, de campo), basados en distintas propiedades básicas;
• se emplearon distintos materiales, inicialmente el germanio (1948) y posteriormente el silicio (1954), que domina la industria semiconductora de la actualidad;
• se logró construir una gran cantidad de transistores, otros elementos y los circuitos para acoplarlos directamente sobre una oblea de silicio, a lo que se le dio el nombre de circuito integrado (1958).

En estos primeros circuitos integrados, los transistores tenían dimensiones típicas de alrededor de 1 cm. En 1971 el microprocesador de Intel 4004 tenía unos 2000 transistores, mientras que  un Pentium IV tiene unos 10 millones de transistores, con dimensiones típicas de alrededor de 0.00001 cm. Desde 1970, cada año y medio aproximadamente, las dimensiones de los transistores se fueron reduciendo a la mitad (ley de Moore). Si se los hace aún más pequeños dejarán de funcionar como esperamos, ya que empezarán a manifestarse las leyes de la mecánica cuántica. Para seguir progresando, deberá entonces concebirse una nueva generación de microprocesadores basados en las propiedades que la materia manifiesta en las escalas nanométricas.

Nos introducimos en la era de la microelectrónica y de la nanoelectrónica que da lugar a la nanotecnología.

El microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso (UCP), también llamada procesador, de un computador. Requiere todos los perifericos para que cumpla su función.

En cambio, un microcontrolador como el PIC o el Arduino es un computador con todos sus perifericos incluidos en un chip miniaturizado. 

A la par que los microcontroladores han ido evolucionando tambien lo han hecho los dispositivos lógicos programables PLD, donde se encuentran las memorias ROM, PROM, EPROM, EEPROM,    los arreglos lógicos programables PAL,  los arreglos lógicos genericos GAL, los dispositivos lógicos programables complejos CPLD, hasta llegar a las FPGA (Arreglos de compuertas programables de campo).

Al remplazar la lógica cableada por la lógica programable se avanzó mucho en la electrónica digital en la miniaturización de espacio, costo y energía consumida.

La gráfica siguiente indica la arquitectura básica de un arreglo lógico programable PAL.

En el curso de microelectrónica ESCOM  se va a trabajar con la tarjeta BASYS 2 de la empresa DIGILENT  que dispone de una FPGA Spartan con cien mil compuertas lógicas.

Para trabajar con esta tarjeta se hace indispensable descargar el Software Xilinx ISE, que puede ser en la versión 10.1  para computadores de 32 bits, o en la versión 14.7 para computadores de 64 bits.