La electrónica es una disciplina científica y de ingeniería que estudia y aplica los principios de la física para diseñar, crear y operar dispositivos que manipulen electrones y otras partículas cargadas eléctricamente . Es un subcampo de la física [1] [2] y la ingeniería eléctrica que utiliza dispositivos activos como transistores , diodos y circuitos integrados para controlar y amplificar el flujo de corriente eléctrica y convertirla de una forma a otra, como de corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) o de señales analógicas a señales digitales .
Los dispositivos electrónicos han influido enormemente en el desarrollo de muchos aspectos de la sociedad moderna, como las telecomunicaciones , el entretenimiento, la educación, la atención sanitaria, la industria y la seguridad. La principal fuerza impulsora detrás del avance de la electrónica es la industria de los semiconductores , que, en respuesta a la demanda mundial, produce continuamente dispositivos y circuitos electrónicos cada vez más sofisticados. La industria de los semiconductores es uno de los sectores más grandes y rentables de la economía mundial, con ingresos anuales que superaron los 481 mil millones de dólares en 2018. La industria electrónica también abarca otros sectores que dependen de dispositivos y sistemas electrónicos, como el comercio electrónico, que generó más de 29 billones de dólares en ventas en línea en 2017.
La identificación del electrón en 1897 por Sir Joseph John Thomson , junto con la posterior invención del tubo de vacío que podía amplificar y rectificar pequeñas señales eléctricas , inauguró el campo de la electrónica y la era del electrón. [3] Las aplicaciones prácticas comenzaron con la invención del diodo por Ambrose Fleming y el triodo por Lee De Forest a principios de la década de 1900, lo que hizo posible la detección de pequeños voltajes eléctricos, como las señales de radio de una antena de radio .
Los tubos de vacío (válvulas termoiónicas) fueron los primeros componentes electrónicos activos que controlaban el flujo de corriente influyendo en el flujo de electrones individuales y permitieron la construcción de equipos que utilizaban la amplificación y rectificación de corriente para brindarnos radio , televisión , radar , telefonía de larga distancia y mucho más. El crecimiento inicial de la electrónica fue rápido y, en la década de 1920, la radiodifusión comercial y las telecomunicaciones se estaban generalizando y los amplificadores electrónicos se usaban en aplicaciones tan diversas como la telefonía de larga distancia y la industria de la grabación de música. [4]
El siguiente gran paso tecnológico tardó varias décadas en aparecer, cuando John Bardeen y Walter Houser Brattain inventaron el primer transistor de contacto puntual funcional en los Laboratorios Bell en 1947. [5] Sin embargo, los tubos de vacío desempeñaron un papel destacado en el campo de la transmisión de microondas y alta potencia, así como en los receptores de televisión hasta mediados de la década de 1980. [6] Desde entonces, los dispositivos de estado sólido han tomado casi por completo el control. Los tubos de vacío todavía se utilizan en algunas aplicaciones especializadas, como amplificadores de RF de alta potencia , tubos de rayos catódicos , equipos de audio especializados, amplificadores de guitarra y algunos dispositivos de microondas .
En abril de 1955, el IBM 608 fue el primer producto de IBM en utilizar circuitos de transistores sin tubos de vacío y se cree que fue la primera calculadora totalmente transistorizada que se fabricó para el mercado comercial. [7] [8] El 608 contenía más de 3000 transistores de germanio . Thomas J. Watson Jr. ordenó que todos los futuros productos de IBM utilizaran transistores en su diseño. A partir de ese momento, los transistores se utilizaron casi exclusivamente para circuitos lógicos de computadoras y dispositivos periféricos. Sin embargo, los primeros transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos que eran difíciles de fabricar en una base de producción en masa , lo que los limitaba a una serie de aplicaciones especializadas. [9]
El MOSFET fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960. [10] [11] [12] [13] [14] [15] Fue el primer transistor verdaderamente compacto que podía miniaturizarse y producirse en masa para una amplia gama de usos. [9] Sus ventajas incluyen alta escalabilidad , [16] asequibilidad, [17] bajo consumo de energía y alta densidad . [18] Revolucionó la industria electrónica , [19] [20] convirtiéndose en el dispositivo electrónico más utilizado en el mundo. [21] [22] El MOSFET es el elemento básico en la mayoría de los equipos electrónicos modernos. [23] [24]
A medida que la complejidad de los circuitos aumentó, surgieron problemas. [25] Uno de ellos era el tamaño del circuito. Un circuito complejo como un ordenador dependía de la velocidad. Si los componentes eran grandes, los cables que los interconectaban debían ser largos. Las señales eléctricas tardaban en pasar por el circuito, lo que ralentizaba el ordenador. [25] La invención del circuito integrado por Jack Kilby y Robert Noyce resolvió este problema al fabricar todos los componentes y el chip a partir del mismo bloque (monolito) de material semiconductor. Los circuitos podían hacerse más pequeños y el proceso de fabricación podía automatizarse. Esto llevó a la idea de integrar todos los componentes en una oblea de silicio monocristalino , lo que dio lugar a la integración a pequeña escala (SSI) a principios de la década de 1960, y luego a la integración a mediana escala (MSI) a finales de la década de 1960, seguida de la VLSI . En 2008, los procesadores de mil millones de transistores comenzaron a estar disponibles comercialmente. [26]
Un componente electrónico es cualquier componente de un sistema electrónico, ya sea activo o pasivo. Los componentes se conectan entre sí, generalmente mediante soldadura a una placa de circuito impreso (PCB), para crear un circuito electrónico con una función particular. Los componentes pueden empaquetarse individualmente o en grupos más complejos como circuitos integrados . Los componentes electrónicos pasivos son condensadores , inductores y resistencias , mientras que los componentes activos son dispositivos semiconductores como transistores y tiristores , que controlan el flujo de corriente a nivel de electrones. [27]
Las funciones de los circuitos electrónicos se pueden dividir en dos grupos de funciones: analógicas y digitales. Un dispositivo en particular puede estar formado por circuitos que tengan uno o una combinación de ambos tipos. Los circuitos analógicos son cada vez menos comunes, ya que muchas de sus funciones se están digitalizando.
Los circuitos analógicos utilizan un rango continuo de voltaje o corriente para el procesamiento de señales, a diferencia de los niveles discretos que se utilizan en los circuitos digitales. Los circuitos analógicos eran comunes en todos los dispositivos electrónicos en los primeros años, en dispositivos como receptores y transmisores de radio. Las computadoras electrónicas analógicas fueron valiosas para resolver problemas con variables continuas hasta que el procesamiento digital avanzó.
A medida que se desarrolló la tecnología de semiconductores, muchas de las funciones de los circuitos analógicos fueron asumidas por circuitos digitales, y los circuitos modernos que son completamente analógicos son menos comunes; sus funciones fueron reemplazadas por un enfoque híbrido que, por ejemplo, utiliza circuitos analógicos en el extremo frontal de un dispositivo que recibe una señal analógica y luego utiliza el procesamiento digital utilizando técnicas de microprocesador a partir de entonces.
A veces puede resultar difícil clasificar algunos circuitos que tienen elementos de funcionamiento tanto lineal como no lineal. Un ejemplo es el comparador de tensión, que recibe un rango continuo de tensión pero solo emite uno de dos niveles, como en un circuito digital. De manera similar, un amplificador de transistores saturado puede adoptar las características de un interruptor controlado , que tiene esencialmente dos niveles de salida.
Los circuitos analógicos todavía se utilizan ampliamente para la amplificación de señales, como en la industria del entretenimiento, y para el acondicionamiento de señales de sensores analógicos, como en la medición y el control industriales.
Los circuitos digitales son circuitos eléctricos basados en niveles de voltaje discretos. Los circuitos digitales utilizan el álgebra de Boole y son la base de todas las computadoras digitales y los dispositivos con microprocesadores. Van desde puertas lógicas simples hasta grandes circuitos integrados que emplean millones de puertas de este tipo.
Los circuitos digitales utilizan un sistema binario con dos niveles de voltaje denominados "0" y "1" para indicar el estado lógico. A menudo, el "0" lógico será un voltaje más bajo y se denominará "Bajo", mientras que el "1" lógico se denomina "Alto". Sin embargo, algunos sistemas utilizan la definición inversa ("0" es "Alto") o se basan en la corriente. Muy a menudo, el diseñador lógico puede invertir estas definiciones de un circuito a otro como crea conveniente para facilitar su diseño. La definición de los niveles como "0" o "1" es arbitraria. [28]
Se ha estudiado la lógica ternaria (con tres estados) y se han fabricado algunos prototipos de computadoras, pero no han obtenido una aceptación práctica significativa. [29] Universalmente, las computadoras y los procesadores de señales digitales se construyen con circuitos digitales que utilizan transistores como MOSFET en las puertas lógicas electrónicas para generar estados binarios.
Dispositivos altamente integrados:
El diseño de sistemas electrónicos se ocupa de cuestiones de diseño multidisciplinarias de dispositivos y sistemas electrónicos complejos, como teléfonos móviles y ordenadores . El tema cubre un amplio espectro, desde el diseño y desarrollo de un sistema electrónico ( desarrollo de un nuevo producto ) hasta asegurar su correcto funcionamiento, vida útil y eliminación . [30] Por tanto, el diseño de sistemas electrónicos es el proceso de definición y desarrollo de dispositivos electrónicos complejos para satisfacer requisitos específicos del usuario.
Debido a la naturaleza compleja de la teoría de la electrónica, la experimentación de laboratorio es una parte importante del desarrollo de dispositivos electrónicos. Estos experimentos se utilizan para probar o verificar el diseño del ingeniero y detectar errores. Históricamente, los laboratorios de electrónica han consistido en dispositivos y equipos electrónicos ubicados en un espacio físico, aunque en años más recientes la tendencia ha sido hacia el software de simulación de laboratorios de electrónica , como CircuitLogix , Multisim y PSpice .
Los ingenieros electrónicos de hoy tienen la capacidad de diseñar circuitos utilizando bloques de construcción prefabricados como fuentes de alimentación , semiconductores (es decir, dispositivos semiconductores, como transistores) y circuitos integrados. Los programas de software de automatización de diseño electrónico incluyen programas de captura esquemática y programas de diseño de placas de circuito impreso . Los nombres populares en el mundo del software EDA son NI Multisim, Cadence ( ORCAD ), EAGLE PCB [31] y Schematic, Mentor (PADS PCB y LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA , KiCad y muchos otros.
El calor generado por los circuitos electrónicos debe disiparse para evitar fallas inmediatas y mejorar la confiabilidad a largo plazo. La disipación de calor se logra principalmente mediante conducción/convección pasiva. Los medios para lograr una mayor disipación incluyen disipadores de calor y ventiladores para enfriamiento por aire y otras formas de enfriamiento de computadoras , como enfriamiento por agua . Estas técnicas utilizan convección , conducción y radiación de energía térmica .
El ruido electrónico se define [32] como perturbaciones no deseadas superpuestas a una señal útil que tienden a oscurecer su contenido informativo. El ruido no es lo mismo que la distorsión de la señal causada por un circuito. El ruido está asociado con todos los circuitos electrónicos. El ruido puede generarse electromagnética o térmicamente, lo que se puede reducir bajando la temperatura de funcionamiento del circuito. Otros tipos de ruido, como el ruido de disparo, no se pueden eliminar porque se deben a limitaciones en las propiedades físicas.
A lo largo de los años se han utilizado muchos métodos diferentes para conectar componentes. Por ejemplo, en los primeros dispositivos electrónicos se utilizaba a menudo el cableado punto a punto con componentes unidos a placas de madera para construir circuitos. Otros métodos utilizados eran la construcción con madera y el enrollado de cables . La mayoría de los dispositivos electrónicos modernos utilizan ahora placas de circuitos impresos fabricadas con materiales como FR4 o el papel sintético adherido con resina ( SRBP , también conocido como Paxoline/Paxolin (marcas comerciales) y FR2), más económico (y menos resistente), que se caracteriza por su color marrón. En los últimos años, las preocupaciones sanitarias y medioambientales asociadas al montaje de dispositivos electrónicos han ganado cada vez más atención, especialmente en el caso de los productos destinados a los mercados europeos.
Los componentes eléctricos generalmente se montan de las siguientes maneras:
La industria electrónica se compone de varios sectores. La fuerza impulsora central detrás de toda la industria electrónica es el sector de la industria de semiconductores , [33] que tiene ventas anuales de más de $ 481 mil millones a partir de 2018. [34] El sector industrial más grande es el comercio electrónico , que generó más de $ 29 billones en 2017. [35] El dispositivo electrónico más ampliamente fabricado es el transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET), con un estimado de 13 sextillones de MOSFET fabricados entre 1960 y 2018. [36] En la década de 1960, los fabricantes estadounidenses no podían competir con empresas japonesas como Sony y Hitachi que podían producir bienes de alta calidad a precios más bajos. Sin embargo, en la década de 1980, los fabricantes estadounidenses se convirtieron en los líderes mundiales en el desarrollo y ensamblaje de semiconductores. [37]
Sin embargo, durante la década de 1990 y posteriormente, la industria se trasladó abrumadoramente al este de Asia (un proceso que comenzó con el movimiento inicial de la producción en masa de microchips allí en la década de 1970), a medida que allí se disponía ampliamente de mano de obra abundante y barata y de una creciente sofisticación tecnológica. [38] [39]
En el transcurso de tres décadas, la participación global de Estados Unidos en la capacidad de fabricación de semiconductores cayó del 37% en 1990 al 12% en 2022. [39] El principal fabricante de semiconductores de Estados Unidos, Intel Corporation , quedó muy por detrás de su subcontratista Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) en tecnología de fabricación. [38]
En ese momento, Taiwán se había convertido en la principal fuente mundial de semiconductores avanzados [39] [38] , seguida de Corea del Sur , Estados Unidos , Japón , Singapur y China . [39] [38]
También existen importantes instalaciones de la industria de semiconductores (que a menudo son subsidiarias de un productor líder con sede en otro lugar) en Europa (especialmente en los Países Bajos ), el Sudeste Asiático, Sudamérica e Israel . [38]
El MOSFET de silicio ha revolucionado la industria electrónica y, como resultado, afecta nuestra vida diaria en casi todas las formas imaginables.
El transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) es el dispositivo activo más utilizado en la integración a gran escala de circuitos integrados digitales (VLSI). Durante la década de 1970, estos componentes revolucionaron el procesamiento de señales electrónicas, los sistemas de control y las computadoras.
