Principios de electrónica digital

1. Capítulo 2 - 0
PRINCIPIOS DE
ELECTRÓNICA DIGITAL
Arquitectura de
Computadores

2. Capítulo 2 – PRINCIPIOS DE
ELECTRÓNICA DIGITAL
• CONSTRUCCIÓN DE
COMPONENTES ELECTRÓNICOS
• CIRCUITOS INTEGRADOS
• FABRICACIÓN DE CIRCUITOS
INTEGRADOS

3. Elementos en la naturaleza
• Materiales conductores
• Materiales aislantes
• Elementos activos
• Elementos pasivos

7. CONSTRUCCIÓN DE
COMPONENTES
ELECTRÓNICOS

8. Enlaces covalentes

9. Enlaces covalentes

10. Difusión en estado sólido
• En la fabricación de circuitos integrados uno de los
procesos es la difusión. Era una técnica muy
empleada en los años 1970 para definir el tipo (N o P)
de un semiconductor. Hoy en día también se usa
aunque de forma diferente. Consiste en la inserción
de átomos dopantes dentro del semiconductor
debido a la alta temperatura a que éste es sometido.
Con ello se consigue un perfil en la concentración de
dopantes que disminuye monótonamente.
• El proceso consiste en introducir las obleas de
semiconductor en un horno y dejar pasar a través de
ellas un gas, el cual contiene las impurezas. La
temperatura del horno es de 800 a 1200ºC para el Si
(Silicio) y de 600 a 1000ºC para el Gas (Arseniuro de
galio).

11. Difusión en estado sólido
• Las impurezas que se emplean para el Si son:
• P (Fósforo) y As (Arsénico) para crear
semiconductores tipo N.
• B (Boro) para semiconductores tipo P.
• Hay dos tipos de difusión:
• Por concentración constante en superficie: se
mantiene constante la concentración de
impurezas en la superficie del semiconductor y
desde ahí son difundidas al interior.
• Por concentración constante total: se deposita
la cantidad final de impurezas en la superficie de
la oblea y desde ahí se difunden.

12. Semi conductor Extrínseco

14. Diodo en polarización directa

15. Diodo en polarización directa

16. Diodo en polarización inversa

17. Diodo

18. Rectificador de corriente
C.A.
C.C.

19. Diodo

20. Transistor

21. Transistor

22. Transistor

23. Transistor

24. Transistor

25. Transistor

26. Circuitos Integrados (Transistor)

27. Deposición en semiconductores
• La deposición en semiconductores es el proceso por el cual
se crea una nueva capa de un material sobre una oblea de
semiconductor. La ventaja de esta técnica es que al crear capas
nuevas no se afecta mucho a las ya existentes:
• Dieléctricos
– Óxidos
– Nitruros
• Conductores
– Metales
– polisilicio
• Otros (por ejemplo fotoresina)
El proceso se suele realizar en un horno a alta temperatura y
presión controlada. Por medio de los gases que se introducen
en el horno se logra una reacción química de la que se obtiene
el nuevo material.

28. Ejemplo de fabricación de un
transistor MOS (MOSFET).
1. Se parte de la oblea de material
semiconductor.
2. Se hace crecer una capa de óxido
(zona rayada) que servirá como
aislante.
3. Se deposita un dieléctrico como el
nitruro (capa roja) que servirá como
máscara, también se podía usar
simplemente el óxido anterior como
máscara, depende del grosor y de los
procesos siguientes.
4. Se deposita una capa de resina
sensible a la radiación (capa negra),
típicamente a la radiación luminosa.
Se hace incidir la luz para cambiar
las características de la resina en
algunas de sus partes. Para ello
sirven de ayuda las máscaras hechas
antes con herramientas CAD.

29. Pasos para fabricar un MOS.
5. Mediante procesos de
atacado algunas zonas de
la resina son eliminadas y
otras permanecen.
6. Se vuelve a atacar, esta
vez el nitruro. Este paso
se podía haber hecho
junto al anterior.
7. Implantación iónica a
través del óxido.
8. Se crean las zonas que
aislarán el dispositivo de
otros que pueda haber
cerca (zonas azules).

30. Pasos para fabricar un MOS.
9. Se crece más óxido, con lo que
éste empuja las zonas creadas
antes hacia el interior de la
oblea para conseguir un mejor
aislamiento.
10. Eliminación del nitruro y parte
del óxido.
11. Se hace crecer una fina capa
de óxido de alta calidad que
servirá de óxido de puerta al
transistor.
12. Deposición de una capa de
polisilicio (capa verde oscuro)
mediante procesos
fotolitográficos análogos a los
vistos en los puntos 1 al 5. Este
polisilicio será el contacto de
puerta del transistor.

31. Pasos para fabricar un MOS.
13. Atacado del óxido para crear
ventanas donde se crearán las
zonas del drenador y surtidor.
El polisilicio anterior servirá de
máscara al óxido de puerta
para no ser eliminado.
14. Implantación iónica con
dopantes que sirven para
definir el drenador y el
surtidor. El polisilicio vuelve a
hacer de máscara para
proteger la zona del canal.
15. Vemos en verde claro las
zonas de drenador y surtidor.
16. Se deposita una capa de
aislante (zona gris).

32. Pasos para fabricar un MOS.
17. Mediante procesos
fotolitográficos se ataca
parte del óxido.
18. Se deposita una capa
metálica que servirá para
conectar el dispositivo a
otros.
19. Se ataca de la forma ya
conocida el metal (capa azul
oscuro) para dejar
únicamente los contactos.
El contacto de puerta no se
muestra en la figura porque
es posterior al plano que se
muestra.

33. TRANSISTOR MOS
Estructura de un
transistor MOS
como se ve sobre
la superficie de un
circuito integrado
VLSI

34. Estructura básica de un
condensador MOS
• Uno de los Electrodos
es un material
semiconductor tipo P
con impurezas de Na
• El otro electrodo es
metálico AL
• El dieléctrico SiO2

35. Fabricación de circuitos
integrados

36. Capas

37. CIRCUITOS
INTEGRADOS

38. Circuito integrado

39. Circuito integrado
Chips de memoria con una ventana de cristal de cuarzo que
posibilita su borrado mediante luz ultravioleta.

40. CIRCUITO INTEGRADO
Un circuito integrado (CI), es una pastilla
pequeña de material semiconductor, de
algunos milímetros cuadrados de área, sobre
la que se fabrican circuitos electrónicos
generalmente mediante fotolitografía y que
esta protegida dentro de un encapsulado de
plástico o cerámica. El encapsulado posee
conductores metálicos apropiados para hacer
conexión entre la pastilla y un circuito
impreso.

41. Circuito integrado
• La integración de grandes cantidades de diminutos transistores
en pequeños chips fue un enorme avance sobre el ensamblaje
manual de los tubos de vacio (válvulas) y fabricación de circuitos
utilizando componentes discretos.
• Existen dos ventajas importantes que tienen los circuitos
integrados sobre los circuitos convencionales construidos con
componentes discretos: su bajo costo y su alto rendimiento.
– El bajo costo es debido a que los CI son fabricados siendo
impresos como una sola pieza por fotolitografía a partir de una
oblea de silicio, permitiendo la producción en cadena de grandes
cantidades con una tasa de defectos muy baja.
– El alto rendimiento se debe a que, debido a la miniaturización de
todos sus componentes, el consumo de energía es
considerablemente menor, a iguales condiciones de
funcionamiento.

42. Circuito integrado

43. Circuito integrado

44. Circuito integrado

45. Circuito integrado
• Entre los circuitos
integrados mas avanzados
se encuentran los
microprocesadores, que
controlan todo desde
computadoras hasta
teléfonos móviles y hornos
microondas.
• Los chips de memorias
digitales son otra familia de
circuitos integrados que son
de importancia crucial para
la moderna sociedad de la
información.

46. Tipos de circuitos integrados
Por la forma de fabricación, se clasifican en:
• Circuitos monolíticos: Están fabricados en un solo mono cristal,
habitualmente de silicio, pero también existen en germanio, arseniuro
de galio, silicio-germanio, etc.
• Circuitos híbridos de capa fina: Son muy similares a los circuitos
monolíticos, pero, además, contienen componentes difíciles de
fabricar con tecnología monolítica. Muchos conversores A/D y D/A se
fabricaron en tecnología hibrida hasta que los progresos en la
tecnología permitieron fabricar resistencias precisas.
• Circuitos híbridos de capa gruesa: Se apartan bastante de los
circuitos monolíticos. De hecho suelen contener circuitos monolíticos
sin capsula transistores, diodos, etc, sobre un sustrato dieléctrico,
interconectados con pistas conductoras. Las resistencias se
depositan por serigrafía y se ajustan haciéndoles cortes con laser.
Todo ello se encapsula, tanto en capsulas plásticas como metálicas,
dependiendo de la disipación de potencia que necesiten. En muchos
casos, la capsula no esta "moldeada", sino que simplemente consiste
en una resina epoxi que protege el circuito. En el mercado se
encuentran circuitos híbridos para módulos de RF, fuentes de
alimentación, circuitos de encendido para automóvil, etc.

47. Clasificación
Por el nivel de integración - numero de componentes - los
circuitos integrados se clasifican en:
• SSI (Small Scale Integration) pequeno nivel: de 10 a 100
transistores
• MSI (Medium Scale Integration) medio: 101 a 1.000
transistores
• LSI (Large Scale Integration) grande: 1.001 a 10.000
transistores
• VLSI (Very Large Scale Integration) muy grande: 10.001 a
100.000 transistores
• ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande: 100.001 a
1.000.000 transistores
• GLSI (Giga Large Scale Integration) giga grande: mas de un
millon de transistores

48. Clasificación
Por las funciones integradas, los circuitos se
clasifican en dos grandes grupos:
• Circuitos integrados analógicos. Pueden
constar desde simples transistores encapsulados
juntos, sin unión entre ellos, hasta dispositivos
completos como amplificadores, osciladores o
incluso receptores de radio completos.
• Circuitos integrados digitales. Pueden ser
desde básicas puertas lógicas (Y, O, NO) hasta
los mas complicados microprocesadores o
microcontroladores.

49. Disipación de potencia-
Evacuación del calor
Los circuitos eléctricos disipan potencia. Cuando el
numero de componentes integrados en un volumen
dado crece, las exigencias en cuanto a disipación
de esta potencia, también crecen, calentando el
sustrato y degradando el comportamiento del
dispositivo. Además, en muchos casos es un
sistema de realimentación positiva, de modo que
cuanto mayor sea la temperatura, mas corriente
conducen, fenómeno que se suele llamar
"embalamiento térmico“ y, que si no se evita,
llega a destruir el dispositivo. Los amplificadores de
audio y los reguladores de tensión son proclives a
este fenómeno, por lo que suelen incorporar
protecciones térmicas.

50. FABRICACIÓN DE
CIRCUITOS INTEGRADOS

51. La fabricación de circuitos
integrados
Es un proceso complejo y en el que
intervienen numerosas etapas. Cada
fabricante de circuitos integrados tiene sus
propias técnicas que guardan como secreto
de empresa, aunque las técnicas son
parecidas. Los dispositivos integrados
pueden ser tanto analógicos como digitales,
aunque todos tienen como base un material
semiconductor, normalmente el silicio.

52. Sala limpia de la NASA.

53. Sala blanca para la manufacturación
de Microelectrónica

54. SALA BLANCA
Una sala blanca, sala limpia o clean
room es una sala especialmente
diseñadas para obtener bajos
niveles de contaminación. Estas
salas tiene que tener los
parámetro ambientales
estrictamente controlados:
partículas en aire, temperatura,
humedad, flujo de aire, presión
interior del aire, iluminación.
La tecnología de las salas blancas es
usada en microelectronica,
famarcéutica, hospitales,
laboratorios de FIV...

55. videos
• https://youtu.be/r0ZMsGgOvqk