Cálculos sencillos

No he tenido mucho tiempo de escribir estos días. Aquí dejo un código fuente para C++ para realizar unos cálculos sencillos. El objetivo no es hacer en si las operaciones; si no hacer uso de pre-incremento y post-incremento y el módulo resto. Por esto el método utilizado no es el mejor o el más óptimo.

//El programa se escribió con Geany sobre Linux Ubuntu 11.10
//sin tener errores

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <iostream>  //En linux no existe iostream.h solo se declara como iostream
using namespace std;

int main()
{
    //Se muestra en pantalla a modo de encabezado
    printf("Universidad Nacional Autonoma de México \n");
    printf("Facultad de Contaduría y Admonistración \n");
    printf("Licenciatura en Informática \n");
       
    printf("Se calculará los pares ordenados \"X\", \"Y\" para la siguiente \n");
    printf("ecuación lineal: y=ax+b dado un rango dado\n");
    printf("y los coeficientes de la ecuación \n \n");
   
    float y, a, b, par;
    int x,yy;
   
    printf("Ingrese el valor de \"a\" \n");
    scanf("%f",&a);
    printf("Ingrese el valor de \"b\" \n");
    scanf("%f",&b);
    printf("Cuantos pares ordenados desea calcular? \n");
    scanf("%d",&x);
   
    int i=0;
   
    printf("   Tabla de valores   \n");
    printf("      X      Y    \n");
   
    do{
        y=(a*i)+b;
        yy=y;
        par = (yy % 2);                //modulo resto
        i++;                           //postincremento
        printf("      %d......%.2f",i,y);
        if (par == 0) printf("...Valor positivo \n");
        else printf("...Valor negativo \n");
    }while (i < x);
       
    int n, ii;
   
    printf("\n \n \aCalculo del factorial de un numero dado \n \n");
    printf("Ingrese un valor entero y positivo para calcular su favtorial \n");
    scanf("%d",&n);
   
    i=1;
    ii=1;
   
    do{
        ii*=i;                       //asignación con multiplicación
        ++i;                         //preincremento
    }while (i <= n);
   
    printf("\n \nEl factorial de %d es %d ",n,ii);
   
    return (0);
}

Circuitos integrados

Introducción

Un circuito integrado es una pequeña pastilla de silicio; el cual es un material semiconductor, que ocupa apenas unos centímetros de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos mediante fotolitografía y que esta protegida dentro de un encapsulamiento de plástico o cerámica.

La idea de circuito integrado nace de la necesidad de reducir los circuitos eléctricos a uno mucho más sencillo y pequeño. Gracias a ellos, se evitaron la multitud de problemas que se daban a la hora de fabricar un circuito, como por ejemplo, que alguna de las miles de soldaduras que había que realizar estuviera defectuosa, o la reducción del espacio que ocupaban las válvulas de vacío, las cuales se vieron rápidamente obsoletas gracias a las mejoras que supuso la introducción de los circuitos integrados.

Podemos definir el circuito integrado como una combinación de elementos de circuitos interconectados y asociados inseparablemente sobre un substrato continuo o dentro de el. Las características distintivas de los circuitos creados mediante tecnologías CI son:

a) Inseparabilidad de los elementos de circuito.

b) Incorporación a un substrato común.

c) Fabricación in situ; es decir en su posición natural.

Historia

Jack Kilby desarrollo el primer circuito integrado en 1958 para Texas Instrument obteniendo el premio Nobel de física en año 2000 por dicha contribución. Se trataba de un dispositivo de germanio que integraba seis transistores en una misma base semiconductora para formar un oscilador de rotación de fase.

Previo a esto, en 1949, el ingeniero alemán Werner Jacobi (Siemens AG) completa la primer petición para circuitos integrados con amplificadores de semiconductores; que fue una aplicación industrial para su patente que termino sin ser registrada.

Robert Noyce1 desarrollo su propio circuito integrado que patento después de Kilby. Este resolvió ciertos problemas como el de la interacción de todos los componentes, al simplificar la estructura del chip mediante la adición del metal en una capa final y la eliminación de algunas conexiones ; esto lo volvió mas adecuado para la producción en masa.

La capacidad de producción masiva de circuitos integrados, su fiabilidad y su sencillez en el diseño para su desarrollo llevo a su estandarización y pronto dejaron como obsoletas a las válvulas o tubos al vacío.

Generalidades

Entre los circuitos integrados mas complejos y avanzados se encuentran los microprocesadores que controlan la gran mayoría de aparatos. Otra familia de circuitos integrados son las memorias de gran importancia en el desarrollo de computadores.

Es cierto que el costo de desarrollo de circuitos electrónicos es elevado; aun siendo este muy sencillo; se reparte en millones de unidades producidas este costo se reduce a un mínimo por unidad vendida. Con el paso del tiempo los circuitos integrados están volviéndose cada vez mas chicos y con mayor eficiencia disminuyendo también el consume energético..

Al antiguo tipo de circuito eléctrico, en el cual los elementos estaban fabricados por separado y para reunirlos se conectaban con hilos o conductores impresos se le llama circuito discreto, esto significa literalmente que es construido por partes separadas unas de otras. Desde el punto de vista de su fabricación, los circuitos discretos son opuestos a los integrados. 

Los circuitos eléctricos son redes formadas sobre un substrato o dentro de el. Una de las funciones del substrato es hacer de soporte y suelen hacerse de material semiconductor o aislante. 

Clasificación de los circuitos integrados

Existe una multitud de variedades de circuitos integrados y también una multitud de formas de como clasificarlos según el criterio que se tome. Algunos de estos criterios son:

• Según el tipo de señal que manejan.
• Según la construcción interna
• Según el material de substrato.
• Según el número de transistores.
• Según en la resolución utilizada en el diseño de las puertas.
• Según la metodología del diseño
• Según el tipo de dispositivos activos utilizado
• Según la forma de construir las puertas digitales
• Según el tipo de señal que manejan

Según el tipo de señal interna los circuitos integrados pueden tener tres tipos:

1. Circuitos integrados analógicos.
2. Circuitos integrados digitales.
3. Circuitos integrados mixtos

Los CI analógicos se caracterizan por que sus entradas y salidas son precisamente señales analógicas. Algunos ejemplos de estos son los amplificadores operacionales, amplificadores de radio frecuencia, reguladores de tensión, comparadores analógicos y circuitos de radiofrecuencia.

Los CI digitales son aquellos cuyas entradas y salidas son digitales. Algunos ejemplos de estos son los flip-flop, registros, contadores, controladores de periféricos, microprocesadores y otros.

Los CI mixtos son aquellos que realizan alguna interacción entre ambos tipos, analógicos y digitales, teniendo entradas y salidas de ambos tipos. Ejemplos de estos son los convertidores analógico-digital y viceversa, matrices de conmutación,los potenciómetros digitales y otros.

Según la construcción interna

Existen al menos tres tipos de circuitos integrados. 

1. Monolíticos: Están fabricados en un solo mono-cristal, habitualmente de silicio, aunque los existen en germanio, galio y silicio-germanio. Los tipos comercialmente disponibles se pueden utilizar como amplificadores, reguladores de voltaje, conmutadores, receptores de AM, circuito de televisión y circuitos de computadoras. Pero tienen limitantes de potencia. Ya que la mayoría de ellos son del tamaño de un transistor discreto de señal pequeña, generalmente tiene un índice de máxima potencia menor que 1 W.

2. Híbridos de capa fina: Son muy similares a los monolíticos pero contiene componentes que exceden a esta clasificación.

3. Híbridos de capa gruesa: Se apartan mucho de los circuitos monolíticos; de hecho pueden contener uno o varios circuitos monolíticos sin encapsular en su construcción. Los resistores se imprimen por serigrafía y se ajustan por corte láser. Todo ello se encapsula, tanto en cápsulas plásticas como metálicas, dependiendo de la disipación de potencia que necesiten. En muchos casos, la cápsula no está "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.

Según el material se substrato

Los CI pueden fabricarse sobre distintos materiales, cada uno de ellos con características particulares. La mayoría delos circuitos se fabrican utilizando como material base un semiconductor, y mas específicamente el silicio, sin embargo podemos encontrar otros

• Germanio semiconductor muy utilizado en los primeros dispositivos electrónicos de estado sólido. Sus características eléctricas son poco peores que las del silicio y por ello su utilización es hoy limitada.
•  Arseniuro de galio (GaAs), semiconductor. Por sus características es utilizado en circuitos integrados de muy alta velicidad.
•  Arseniuro de galio-aluminio (AlGaAs) utilizado en la fabricación de dispositivos emisores de luz.
•  Cerámica aislante es utilizado en la fabricación de circuitos integrados hibridos.
• Fosfato de galio, semiconductor, comienza a ser utilizado en dispositivos de alta velocidad.

Esta lista es muy reducida de todos los materiales utilizados como substratos aunque el silicio sigue siendo el material mas utilizado.

Según el número de transistores

Una clasificación de los CI digitales muy utilizada es la basada en el número de transistores contenidos en el integrado. Aunque esta clasificación a caído en desuso por la elevada cantidad de transistores que hoy es posible integrar, aún es posible encontrarse los criterios utilizados en muchos textos. Esta clasificación divide los integrados en los siguientes tipos:

• SSI (Small Scale Integration): Menos de 12 transistores.
• MSI (Medium Scale Integration): Entre 12 y 99 transistores
• LSI (Large Scale Integration): Entre 100 y 999 transistores
• VLSI (Very Large Scale Integration) Entre 1000 y 9,999 transistores
• ULSI (Ultra Large Scale Integration) Entre 10,000 y 99,999 transistores

Según el tipo de dispositivos activos utilizados

 En ocasiones los CI se clasifican de acuerdo al tipo de transistores utilizados. No suele ser fácil fabricar CI que utilicen transistores de diferentes tipos en el mismo substrato. El proceso se complica mucho y en ocasiones se obtiene efectos no deseados. Algunos casos de esta clasificación son:

• Tecnología bipolar: Cuando se utilizan transistores bipolares tales como BJT o Schottky.
• Tecnología MOS (Metal Oxide Semiconductor): Cuando se utilizan transistores MOS de un solo tipo de canal; es decir; canal “p” (PMOS) o canal “n” (NMOS)
• Tecnología CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor): Cuando se utilizan transistores MOS de canal “p” y canal “n”.
• Tecnología BiCMOS (Bipolar CMOS) : Cuando se utilizan transistores bipolares y tipo MOS. Porlo general se utilizan en los CI mixtos.
• Tecnología BiFET (Bipolar FET): Cuando se utilizan transistores bipolares y tipo FET (Field Effect Transistor)

Según la forma de construir las puertas digitales

Existen varias formas de construir puertas digitales, cuyo único fin es la de generar unos y ceros.

• DL (Diode Logic): Cuando utilizan diodos y resistencias.
• DTL (Diode-Transistor Logic): Cuando utilizan diodos, transistores bipolares y resistencias
• RTL (Resistor-Transistor Logic): Cuando utilizan transistores bipolares y resistencias.
• TTL (Transistor-Transistor Logic): Cuando utilizan solo transistores bipolares y en ocasiones alguna resistencia.
• NMOS (N Channel Metal Oxide Smiconductor): Cuando utilizan transistores CMOS de canal n
• CMOS (Complementary MOS): Cuando utilizan transistores MOS de canal p y de canal n en una configuración complementaria.
• ECL (Emitter Coupled Logic): Cuando utilizan transistores bipolares en una configuración de emisores acoplados o diferencial.

Nomenclatura de los circuitos integrados

Los CI suelen estar marcados en su exterior con una serie de números y letras que lo identifican y que aportan algún otro dato. El lote de fabricación esta compuesto por las dos últimas cifras del año de fabricación y el número de semana.

El número de identificación esta compuesto por una serie de letras y números cuyo significado varia de un fabricante a otro. Sin embargo existen CI tan populares que varios fabricantes lo producen conservando el número del fabricante original. 

Encapsulado

Tal y como se ha mencionado suelen distribuirse en distintas configuraciones de encapsulado. Algunas de las mas populares son:

• PDIP: Encapsulado plástico con dos lineas de pines para inserción.
• SOIC: Encapsulado plástico de dimensiones reducidas con pines para montaje superficial en dos hileras.
• QFP: Encapsulado plástico con pines para montaje superficial distribuidos en cuatro bordes.
• PLCC: Encapsulado plástico con pines distribuidos en los cuatro bordes para montaje en zócalo.
• PGA: Encapsulado con alta densidad de pines para inserción distribuidos en toda la superficie inferior.
• BGA: Encapsulado de alta densidad de pines distribuidos ordenadamente en toda la superficie inferior consistentes en pequeñas esferas que con el calor se funden y quedan fijas a la superficie de contacto.

Etapas básicas en la fabricación de los circuitos integrado

La fabricación de los circuitos integrados comienza con capas muy delgadas de silicio cristalino, sobre la cual se fabrican los transistores mediante la adecuada colocación de zonas dopadas tipo N (con impurezas donadoras), de zonas dopadas tipo P (con impurezas aceptoras) y de sus interconexiones.

Mediante técnicas de crecimiento cristalino se obtienen lingotes de silicio mono cristalino con impurezas controladas y uniforme. Estos lingotes son posteriormente aserrados y pulidos hasta obtener obleas de un espesor de entre 300µm y 1mm.

Las obleas son los sustratos de partida sobre los cuales se realizan los circuitos integrados. Las etapas u operaciones cuya aplicación conduce a un circuito integrado MOS son básicamente cuatro: la deposición de capas, la oxidación térmica del silicio, la fotolitografía y la introducción de impurezas (en dos modalidades: difusión e implantación iónica). Es bien cierto que el proceso es muchas veces mas complejo de lo que se describe aquí pero da una idea general de lo que se necesita para construir los CI. El ambiente en el que se realiza el proceso de fabricación se debe mantener en todo momento de forma aséptica libre de impurezas ya que el mínimo polvo dañaría el proceso completo.

Deposición de capas

En esencia este procedimiento consiste en introducir en un horno el sustrato sobre el que se desea realizar el deposito juntamente con un gas portador del material a depositar a temperaturas del orden de 1000°C y presiones del gas portador adecuadas se consigue que átomos de silicio presentes en el gas precipiten en el sustrato. En función de las condiciones precisas de presión y temperatura el silicio depositado puede ser amorfo o poli-cristalino.

Oxidación térmica

El SiO2 se utiliza como aislante y también para delimitar las zonas donde se va proceder a un cambio en el tipo de dopado de silicio (de p a n y viceversa). La oxidación de silicio se lleva a cabo mediante calentamiento de la oblea en atmósfera rica en oxígeno. Para ello puede utilizarse dos tipos de ambientes: el oxígeno seco (oxidación seca) o una mezcla de oxígeno y vapor de agua (oxidación húmeda).

Los procesos de oxidación se producen a temperaturas de 1000°C y esta consume silicio, luego la capa de oxido se forma en ambas caras según el eje vertical. 

Fotolitografía

La fotolitografía es un ataque químico que se realiza sobre la superficie protegiendo las partes que queremos conservar de silicio para dejar descubiertas las que queremos remover. Comparativamente la fotolitografía es igual al proceso de imprimir placas de cobre con marcador indeleble para después revelarlas con ácido.

Implantación iónica. 

En esencia el proceso consiste en bombear el sustrato con iones de la impureza deseada. Para ello las impurezas son primero ionizadas, posteriormente aceleradas mediante campos eléctricos y finalmente proyectada sobre la oblea, y chocan de forma aleatoria con los átomos de silicio hasta perder su energía e inmovilizarse.

Limitaciones en los Circuitos Integrados

Existen ciertos limites físicos y económicos al desarrollo de los CI; estas barreras se van alejando con el avance de la tecnología pero no desaparece.

Disipación de potencia

Cuando el número de componentes integrados en un volumen dado crece, las exigencias en cuanto disipación de potencia también crece; calentando el sustrato y degradando el comportamiento del dispositivo.

Los circuitos de potencia son los que mayor cantidad de calor deben disipar; por lo que se agregan disipadores de metal en contacto con la parte inferior del chip que sirve como conductor térmico para transferir el calor al medio. La reducción de resistividad térmica, así como de las nuevas cápsulas de compuestos de silicona permiten mayor disipación en cápsulas mas pequeñas por lo que esta limitante de ve disminuida.

Capacidades y auto inducciones parásitas

Este efecto se refiere a las conexiones eléctricas entre el chip, la cápsula y el circuito donde va montada, limitando su frecuencia de funcionamiento.

Densidad de integración

Durante el proceso de fabricación de los CI se van acumulando los defectos, de modo que cierto numero de componentes del producto final no funcionan bien. Entre mayor sea el número de componentes a integrar esta limitante disminuye la proporción de chips funcionales. Es por ello que los fabricantes programan lotes mas grandes de lo que estiman necesitar para poder cubrir sus requerimientos.