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La computadora mecánica de Charles Babbage.

Charles Babbage (1791-1871) matemático e ingeniero Britanico nació en un mundo en el que todos los cálculos matemáticos se hacían a mano. En cuanto las operaciones exigían resultados con una precisión de pocos dígitos, los científicos, banqueros, navegantes e ingenieros hacían uso de un conjunto de tablas matemáticas que evitaban tediosos cálculos intermedios. Existían tablas de logaritmos, tablas de funciones trigonométricas, tablas astronómicas, tablas de intereses financieros, etc. La elaboración de esas tablas era complicada y los errores, tanto de cálculo como de transcripción, abundaban.

A Babbage, que utilizaba continuamente las tablas matemáticas para sus cálculos y diseños encontraba muchos errores en ellas.

Comenzó a soñar con una computadora mecánica capaz no sólo de calcular correctamente sino de imprimir los resultados para evitar los errores de trascripción.

En 1822, Babbage construyó un modelo experimental de su máquina de calcular a la que llamó “difference engine” o “máquina de diferencias”, llamada así porque utilizaba un método matemático que permite ir aproximándose al resultado mediante sumas exclusivamente. El modelo animó al investigador a diseñar y construir una máquina a gran escala.

Más de 10 años invirtió el científico en el diseño de su máquina. El tamaño y la complejidad eran descomunales, sus más de 25.000 piezas, una vez ensambladas, formarían un artefacto de dos metros de alto y pasaría varias toneladas.

Tubos de vacío

Un tubo de vacío consiste en una cápsula de vidrio de la que se ha extraído el aire, y que lleva en su interior varios electrodos metálicos. Un tubo sencillo de dos elementos (diodo) está formado por un cátodo y un ánodo, este último conectado al terminal positivo de una fuente de alimentación. El cátodo (un pequeño tubo metálico que se calienta mediante un filamento) libera electrones que migran hacia él (un cilindro metálico en torno al cátodo, también llamado placa). Si se aplica una tensión alterna al ánodo, los electrones sólo fluirán hacia el ánodo durante el semiciclo positivo; durante el ciclo negativo de la tensión alterna, el ánodo repele los electrones, impidiendo que cualquier corriente pase a través del tubo. Los diodos conectados de tal manera que sólo permiten los semiciclos positivos de una corriente alterna (CA) se denominan tubos rectificadores y se emplean en la conversión de corriente alterna a corriente continua (CC) (véaseElectricidad). Al insertar una rejilla, formada por un hilo metálico en espiral, entre el cátodo y el ánodo, y aplicando una tensión negativa a dicha rejilla, es posible controlar el flujo

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de electrones. Si la rejilla es negativa, los repele y sólo una pequeña fracción de los electrones emitidos por el cátodo puede llegar al ánodo. Este tipo de tubo, denominado tríodo, puede utilizarse como amplificador. Las pequeñas variaciones de la tensión que se producen en la rejilla, como las generadas por una señal de radio o de sonido, pueden provocar grandes variaciones en el flujo de electrones desde el cátodo hacia el ánodo y, en consecuencia, en el sistema de circuitos conectado al ánodo

Circuito integrado

Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una estructura de pequeñas dimensiones de material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o de cerámica. El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre el Circuito Integrado y un circuito impreso.

El primer circuito integrado fue construido por Kilby en 1958 por Texas Instruments

En 1961 aparecen comercialmente los primeros circuitos integrados fabricados por Fairchild y Texas Instruments.

En 1960 aparece el transistor de efecto de campo (FET) y en 1962 el transistor FET de compuerta aislada (MOSFET)

FABRICACION DE CIRCUITOS INTEGRADOS

Un circuito integrado está formado por un monocristal de silicio de superficie normalmente comprendida entre 1 y 10 mm de lado, que contiene elementos activos y pasivos.

Los cristales de silicio puro son obtenidos a partir de la arena, mediante un proceso de refinado, purificación y calentado hasta su fusión. El silicio constituye el 20% de la corteza terrestre.

Dependiendo de si va ser un circuito NMOS o PMOS escogemos el sustrato de silicio monocristalino, escogemos un tipo P, debido a que fabricaremos un transistor NMOS. Cada átomo de silicio tiene 4 electrones de valencia.

Impurificantes: Arsénico y fosforo (5 electrones de valencia): Tipo n.

El boro (3 electrones de valencia). Tipo P.

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PROCESO DE FABRICACION

• Se prepara un sustrato tipo P

• Se generan esquemas 400 a 500 veces mayor al circuito integrado

• Se genera una cinta con el diseño

• Se graban las tramas sobre una placa de vidrio cromado

• Se pasa a la oblea

• Se crea mediante oxidación térmica una capa de óxido de silicio

• El área activa es definida mediante fotolitografía (foto resistente positivos o negativos)

• Se bombardean iones para crear las regiones tipo P, donde se construirá el transistor tipo N

• Se elimina el nitruro no protegido la fotoresina y la oblea se lleva al horno de oxidación y se desarrolla oxido donde el nitruro ha sido gravado. Estos separan los transistores se elimina la capa de nitruro sobrante mediante grabado húmedo.

• Forma los electrones umbral. Se deposita polisilicio. por fotolitografía se crea el electrodo puerta y la capa número 3, se crea la fuente y el drenado y se insertan alambres que permiten la conexión de los diferentes transistores.

Máscaras necesarias para la fabricación de un circuito integrado CMOS

Las máscaras se utilizan para seleccionar las partes del silicio dónde se quieren aplicar los distintos procesos de las fases de fabricación.La representación gráfica de las máscaras necesarias en la fabricación de un circuito es el layout del circuito.Un layout se compone de rectángulos que representan las máscaras necesarias agrupadas por capas con las mismas características físicas (Sustratos y pozos, regiones de difusión, polisilicio, interconexiones metálicas y contactos y vías)

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Lógica combinacional

Se denominan circuitos combinacionales aquellos circuitos en los que el estado lógico de la salida depende únicamente del estado de sus entradas sin intervenir el tiempo. Por ello este tipo de circuitos, basados en la utilización de puertas lógicas, se resuelven mediante tablas de verdad. En estas tablas se recogen todas las combinaciones posibles de señal de entrada, determinando lógicamente la respuesta del circuito para cada caso.

Función Buffer

Se puede decir que la función buffer o igualdad es un tipo de razonamiento que contiene una sola premisa y una sola conclusión. Si la premisa existe, la conclusión también. Si la premisa no existe, la conclusión tampoco.

 Función NOT (Inversión)

La inversión es un tipo de razonamiento deductivo que contiene una sola premisa y una sola conclusión. Si existe la premisa no existe la conclusión y viceversa, para que exista la conclusión es necesario que no exista la premisa.

Como se ha visto, la única diferencia entre el símbolo de la función buffer y la función NOT, radica en que la segunda lleva un pequeño circulo antes de la salida. Este circulo simboliza el cambio de lógica que se efectúa entre la entrada y la salida de una función.

0 =  1  (se lee, 0 es igual al inverso de 1)                                                                         __

1 =  0  (se lee, 1 es igual al inverso de 0) 

Función OR (O).  A menudo se utiliza un tipo de razonamiento muy apropiado para efectuar ciertas dediciones. En él existen dos datos o premisas que se toman como entrada y se obtiene un dato o conclusión final. En este razonamiento se establece que con una sola premisa que exista, existirá la conclusión. No se elimina la posibilidad de que a un mismo tiempo existan ambas premisas. Por el contrario, la conclusión no existirá más que en el caso de ausencia de ambas premisas simultáneamente.

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En la figura aparecen tan sólo dos entradas pero en la práctica se podrían situar tres o cuatro o las necesarias.

La tabla de verdad de la función OR contiene cuatro filas o líneas correspondientes a las cuatro combinaciones diferentes que se pueden adoptar en las dos entradas. Las diferentes combinaciones dependen del número de sus entradas.

Función NOR (NO-O). Es una función que puede tener dos o más entradas y que la vamos a comparar con un tipo de razonamiento lógico que contenga dos premisas y de las que se obtiene una sola conclusión. Para que la conclusión exista es necesario que no exista ninguna premisa.Las dos premisas del razonamiento vienen representadas por las entradas del circuito lógico, constituidas a su vez los dos interruptores A y B.

Como se puede apreciar el símbolo es casi igual que la función OR. Sin embargo, se diferencia de éste en que a la salida se coloca un pequeño círculo. Este círculo indica un circuito lógico que invierte la lógica

Función AND

Se puede decir que la función AND es un tipo de razonamiento en el que se hallan contenidas más de una premisa para llegar a la conclusión. En teoría, el número de premisas podría llegar a ser muy grande; en la práctica, lo más frecuente es que sean dos, tres o cuatro.

En el caso en que el número de premisas sean dos, es necesario que ambas existan simultáneamente para que exista la conclusión; si alguna de ellas deja de estar presente lo hace también la conclusión

Función NAND

Se puede comparar la función NAND a un tipo de razonamiento en el cual la conclusión deja de existir cuando existen a un mismo tiempo todas las premisas. La conclusión existe cuando falta alguna premisa, incluyendo el caso de que no exista ninguna.

Función EXOR (O exclusiva).   Se puede comparar con un tipo de razonamiento que contenga solo dos premisas y que de una sola conclusión. La conclusión existirá siempre y cuando se de una u otra premisa. Si no existe ninguna premisa, o bien existen las dos simultáneamente, la conclusión dejará de existir.

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La función EXOR es una función que no invierte la lógica. De ello se deduce que al aplicar lógica positiva a sus entradas, también se obtendrá lógica positiva a su salida.

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