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 manipulan electrones y otras partículas cargadas eléctricamente . La electrónica es un subcampo de la ingeniería eléctrica , pero se diferencia de ella en que se centra en el uso de dispositivos activos como transistores , diodos y circuitos integrados para controlar y amplificar el flujo de corriente eléctrica y convertirlo de una forma a otra, como como de corriente alterna (AC) a corriente continua (DC) o de analógica a digital . La electrónica también abarca los campos de la microelectrónica , la nanoelectrónica , la optoelectrónica y la electrónica cuántica , que se ocupan de la fabricación y aplicación de dispositivos electrónicos a escalas microscópica, nanoscópica, óptica y cuántica.
La electrónica tiene un profundo impacto en diversos aspectos de la sociedad y la cultura modernas, como la comunicación, el entretenimiento, la educación, la atención médica, la industria y la seguridad. La principal fuerza impulsora detrás del avance de la electrónica es la industria de los semiconductores , que produce los materiales y componentes básicos para dispositivos y circuitos electrónicos. La industria de los semiconductores es uno de los sectores más grandes y rentables de la economía global, 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 online en 2017.
La electrónica ha influido enormemente en el desarrollo de la sociedad moderna. La identificación del electrón en 1897, 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. [1] Las aplicaciones prácticas comenzaron con la invención del diodo por Ambrose Fleming y el triodo por Lee De Forest a principios del siglo XX, que hicieron posible la detección de pequeños voltajes eléctricos, como señales de radio de una antena de radio, con un dispositivo no mecánico. .
Los tubos de vacío (válvulas termoiónicas) fueron los primeros componentes electrónicos activos que controlaron el flujo de corriente influyendo en el flujo de electrones individuales, [2] Fueron responsables de la revolución electrónica de la primera mitad del siglo XX, [ 3] [4] Permitió la construcción de equipos que utilizaban la amplificación y rectificación de corriente para darnos 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 y las comunicaciones comerciales se estaban generalizando y los amplificadores electrónicos se utilizaban en aplicaciones tan diversas como la telefonía de larga distancia y la industria de la grabación de música.
El siguiente gran paso tecnológico tardó varias décadas en aparecer, cuando John Bardeen y Walter Houser Brattain en los Laboratorios Bell inventaron el primer transistor de contacto puntual en funcionamiento en 1947. [5] Sin embargo, los tubos de vacío desempeñaron un papel destacado en el campo de las microondas. y transmisión de alta potencia, así como receptores de televisión hasta mediados de los años 1980. [6] Desde entonces, los dispositivos de estado sólido han tomado el control casi por completo. 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, la IBM 608 fue el primer producto de IBM que utilizó circuitos de transistores sin tubos de vacío y se cree que fue la primera calculadora totalmente transistorizada fabricada para el mercado comercial. [7] [8] El 608 contenía más de 3.000 transistores de germanio . Thomas J. Watson Jr. ordenó que todos los productos futuros de IBM utilizaran transistores en su diseño. A partir de ese momento, los transistores se utilizaron casi exclusivamente para la lógica y los periféricos de las computadoras. Sin embargo, los primeros transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos y difíciles de fabricar en masa , lo que los limitaba a una serie de aplicaciones especializadas. [9]
El MOSFET (transistor MOS) fue inventado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. [10] [11] [12] [13] El MOSFET fue el primer transistor verdaderamente compacto que pudo miniaturizarse y producirse en masa para un amplia gama de usos. [9] Sus ventajas incluyen alta escalabilidad , [14] asequibilidad, [15] bajo consumo de energía y alta densidad . [16] Revolucionó la industria electrónica , [17] [18] convirtiéndose en el dispositivo electrónico más utilizado en el mundo. [12] [19] El MOSFET es el elemento básico en la mayoría de los equipos electrónicos modernos. [20] [21]
A medida que crecía la complejidad de los circuitos, surgieron problemas. [22] Un problema era el tamaño del circuito. Un circuito complejo como una computadora dependía de la velocidad. Si los componentes fueran grandes, los cables que los interconectan deben ser largos. Las señales eléctricas tardaron en pasar por el circuito, lo que ralentizó la computadora. [22] La invención del circuito integrado por Jack Kilby y Robert Noyce resolvió este problema haciendo que todos los componentes y el chip estuvieran a partir del mismo bloque (monolito) de material semiconductor. Los circuitos podrían hacerse más pequeños y el proceso de fabricación podría automatizarse. Esto llevó a la idea de integrar todos los componentes en una oblea de silicio monocristalino , lo que condujo 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 VLSI . En 2008, los procesadores de mil millones de transistores estuvieron disponibles comercialmente. [23]
Un componente electrónico es cualquier componente de un sistema electrónico , ya sea activo o pasivo. Los componentes se conectan entre sí, generalmente soldándolos 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 , resistencias , mientras que los componentes activos son dispositivos semiconductores; Transistores y tiristores , que controlan el flujo de corriente a nivel de electrones. [24]
Las funciones de los circuitos electrónicos se pueden dividir en dos grupos de funciones: analógicas y digitales. Un dispositivo particular puede consistir en un circuito que tenga uno o una combinación de los dos tipos. Los circuitos analógicos son cada vez menos comunes a medida que muchas de sus funciones se están digitalizando.
La mayoría de los aparatos electrónicos analógicos , como los receptores de radio , se construyen a partir de combinaciones de algunos tipos de circuitos básicos. Los circuitos analógicos utilizan un rango continuo de voltaje o corriente en lugar de niveles discretos como en los circuitos digitales.
El número de circuitos analógicos diferentes ideados hasta ahora es enorme, especialmente porque un "circuito" puede definirse como cualquier cosa, desde un único componente hasta sistemas que contienen miles de componentes.
Los circuitos analógicos a veces se denominan circuitos lineales , aunque en circuitos analógicos se utilizan muchos efectos no lineales, como mezcladores, moduladores, etc. Buenos ejemplos de circuitos analógicos incluyen amplificadores de válvulas y transistores, amplificadores operacionales y osciladores.
Rara vez se encuentran circuitos modernos que sean completamente analógicos; hoy en día, los circuitos analógicos pueden utilizar técnicas digitales o incluso de microprocesadores para mejorar el rendimiento. Este tipo de circuito suele denominarse "señal mixta" en lugar de analógico o digital.
A veces puede resultar difícil diferenciar entre circuitos analógicos y digitales, ya que tienen elementos de funcionamiento tanto lineal como no lineal. Un ejemplo es el comparador que toma un rango continuo de voltaje pero solo genera 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. De hecho, muchos circuitos digitales en realidad se implementan como variaciones de circuitos analógicos similares a este ejemplo; después de todo, todos los aspectos del mundo físico real son esencialmente analógicos, por lo que los efectos digitales sólo se logran restringiendo el comportamiento analógico.
Los circuitos digitales son circuitos eléctricos basados en varios niveles de voltaje discretos. Los circuitos digitales son la representación física más común del álgebra booleana y son la base de todas las computadoras digitales. Para la mayoría de los ingenieros, los términos "circuito digital", "sistema digital" y "lógica" son intercambiables en el contexto de los circuitos digitales. La mayoría de los circuitos digitales utilizan un sistema binario con dos niveles de voltaje denominados "0" y "1". 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 según lo considere adecuado para facilitar su diseño. La definición de los niveles como "0" o "1" es arbitraria. [25]
Se ha estudiado la lógica ternaria (con tres estados) y se han fabricado algunos prototipos de ordenadores. Los sistemas binarios producidos en masa han provocado una menor importancia para el uso de la lógica ternaria. [26] Las computadoras , los relojes electrónicos y los controladores lógicos programables (utilizados para controlar procesos industriales) están construidos con circuitos digitales . Los procesadores de señales digitales , que miden, filtran o comprimen señales analógicas continuas del mundo real, son otro ejemplo. Los transistores como MOSFET se utilizan para controlar estados binarios.
Dispositivos altamente integrados:
El diseño de sistemas electrónicos se ocupa de las cuestiones de diseño multidisciplinario de dispositivos y sistemas electrónicos complejos, como teléfonos móviles y computadoras . El tema cubre un amplio espectro, desde el diseño y desarrollo de un sistema electrónico ( desarrollo de nuevos productos ) hasta asegurar su correcto funcionamiento, vida útil y eliminación . [27] El diseño de sistemas electrónicos es, por lo tanto, el proceso de definir y desarrollar dispositivos electrónicos complejos para satisfacer requisitos específicos del usuario.
Debido a la naturaleza compleja de la teoría electrónica, la experimentación en 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 software de simulación de laboratorios de electrónica , como CircuitLogix , Multisim y PSpice .
Los ingenieros electrónicos actuales 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 de esquemas 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 [28] 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 enfriar el aire, y otras formas de enfriamiento de computadoras , como la refrigeración por agua . Estas técnicas utilizan convección , conducción y radiación de energía térmica .
El ruido electrónico se define [29] 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, y puede reducirse 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, los primeros dispositivos electrónicos solían utilizar cableado punto a punto con componentes conectados a placas de madera para construir circuitos. La construcción con leña y la envoltura de alambre fueron otros métodos utilizados. La mayoría de los productos electrónicos modernos utilizan ahora placas de circuito impreso hechas de materiales como FR4 , o el papel ligado con resina sintética ( SRBP , más barato (y menos resistente) , también conocido como Paxoline/Paxolin (marcas comerciales) y FR2), caracterizado por su color marrón. Las preocupaciones sobre la salud y el medio ambiente asociadas con el ensamblaje de productos electrónicos han ganado cada vez más atención en los últimos años, especialmente en el caso de 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 , [30] que tiene ventas anuales de más de 481 mil millones de dólares en 2018. [31] El sector industrial más grande es el comercio electrónico , que generó más de 29 billones de dólares en 2017. [32] El dispositivo electrónico más fabricado es el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET), y se estima que entre 1960 y 2018 se fabricaron 13 sextillones de MOSFET. [33] En la década de 1960, los fabricantes estadounidenses no podían competir con empresas japonesas como Sony e Hitachi , que podrían producir productos de alta calidad a precios más bajos. Sin embargo, en la década de 1980, los fabricantes estadounidenses se convirtieron en líderes mundiales en el desarrollo y ensamblaje de semiconductores. [34]
Sin embargo, durante la década de 1990 y posteriormente, la industria se desplazó 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 la mano de obra abundante y barata y la creciente sofisticación tecnológica se hicieron ampliamente disponibles allí. [35] [36]
Durante tres décadas, la participación global de los Estados Unidos en la capacidad de fabricación de semiconductores cayó, del 37% en 1990 al 12% en 2022. [36] 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. [35]
En ese momento, Taiwán se había convertido en la principal fuente mundial de semiconductores avanzados [36] [35] , seguida de Corea del Sur , Estados Unidos , Japón , Singapur y China . [36] [35]
También existen importantes instalaciones industriales de semiconductores (que a menudo son subsidiarias de un productor líder con sede en otros lugares) en Europa (notablemente los Países Bajos), el sudeste asiático, América del Sur e Israel . [35]
El Si MOSFET ha revolucionado la industria electrónica y, como resultado, impacta nuestra vida diaria en casi todas las formas imaginables.
El transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (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.
