Home
Notas y documentacion sobre el nivel más bajo de los circuitos: transistores en silicio. Es el nivel fundamental, que enlaza directamente con los átomos, la física y la química. Todo el edificio de nuestra tecnología actual parte de este punto
Y actualmente estamos en una époco muy interesante. Ya por fin, tras muchas décadas, tenemos herramientas libres para diseñar nuestros propios chips desde 0
En este borrador voy a ir aprendiendo y profundizando sobre todo esto
- Introducción
- Punto de partida: Los átomos
- Materiales conductores
- Materiales aislantes
- Semiconductores
- La unión PN
- El transistor MOSFET
- Puerta NOT
- Puerta NAND
- Biestable D
- Implementación del biestable D
- Diseño de chips
Antes de entender la tecnología de los chips y los circuitos digitales, vamos a empezar por el principio: los átomos. De esta manera veremos cómo se ha construido el edificio tecnológico a partir de conceptos científicos fundamentales
El objetivo no es mostrar los modelos reales, que tienen bastante complicación, sino aproximaciones simplistas donde se recojan las ideas principales que nos permitan entender los principios subyacentes. A partir de ellos iremos presentando, concepto a concepto, la tecnología de los chips
Toda la materia que está a nuestro alrededor está formada por átomos. Este conocimiento lo hemos obtenido gracias a los científicos, cuya misión es desvelar los secretos de la naturaleza, y obtener sus leyes fundamentales
En nuestros modelos simplificados, vamos a representar cada átomo como una esfera que ocupa un volumen. Esto NO ES LA REALIDAD. Los átomos NO SON ESFERAS. Sin embargo es una representación simplificada que nos sirve para entender las ideas principales de los chips
Este modelo, aunque simplificado, es lo suficientemente preciso como para entender la disposición de los átomos para formar materiales. Utilizando un microscopio de efecto tunel es posible visualizar los átomos, y apreciar cómo se distribuyen en los mateales
Esta es la famosa imagen IBM en átomos de 1989 donde los científicos de la empresa IBM escribieron el nombre de la compañía utilizando 35 átomos de xenón (Xe)
Los átomos se observan como si fuesen pequeñas "bolitas"
En 2013 los científicos de IBM fueron un paso más lejos y crearon la película Un chico y su átomo: un corto de animación creado usando átomos
Esta es la representación que vamos a utilizar nosotros. En esta imagen se muestra un átomo apoyado en una superficie que para nosotros será el suelo
Nuestro átomo parece una bola de billar, pero no nos dejemos engañar por este modelo simplificado. En realidad el átomo está prácticamente vacío. En su interior tiene un núcleo, muy muy muy pequeño en comparación con su volumen total. Alrededor de este núcleo están los electrones orbitando, que son una partículas con carga negativa
Si bien también estamos representando los electrones como "bolitas" más pequeñas, en realidad NO LO SON tampoco. En este modelo nos los vamos a imaginar como pequeños puntos que se mueven a muchísima velocidad, cada uno dentro su propio orbital
(El dibujo No está a escala)
El núcleo está compuesto por dos tipos de partículas: los protones, que tienen carga positiva, y los neutrones, sin carga
La masa del átomo se encuentra en las partículas del núcleo. Los electrones tienen masa, pero es despreciable frente a la de protones y neutrones
Aunque en la naturaleza hay muchísimos tipos de minerales y materiales, es sorprendente la simplicidad subyacente a todos ellos. Al final están compuestas por átomos unidos entre sí. Y lo único en que se diferencian estos átomos es en la cantidad de protones que hay que hay en el núcleo.
Los neutrones aporta masa, pero no tienen carga. Y no cambian las propiedades fundamentales de los materiales. Por ello, nos centraremos en las dos partículas fundamentales: los electrones con la carga negativa y los protones con la positiva
Los diferentes átomos los podemos clasificar atendiendo al número de protones que tienen. Y sólo eso. Basta con añadir un protón más al núcleo de un elemento para convertirlo en otro diferente. Es increible cómo toda la complejidad de los materiales queda reducida sólo a eso: elementos que difieren en la cantidad de protones.
Atendiendo al número de protones en el núcleo, los elementos se organizan muy fácilmente en la conocida [tabla periódica de los elementos(https://es.wikipedia.org/wiki/Tabla_peri%C3%B3dica_de_los_elementos)
Pero vamos a empezar por el principio...
El átomo más sencillo es el de Hidrógeno (H), que sólo tiene 1 protón en el núcleo, y 1 electrón orbinando. Debido a esto, se le asigna el número 1. El número de protones se conoce como Número atómico. Decimos que el hidrógeno tiene número atómico 1
En la naturaleza no hay átomos de hidrógeno aislados, sino que están combinados con otros elementos, o consigo mismo. Cuando hablamos de hidrógeno como gas, nos estamos refiriendo a la molécula
En esta molécula los dos núcleos de hidrógeno comparten ambos electrones, formando un orbital de 2 electrones compartido entre ambos nucleos. Este nuevo orbital lo representamos mediante un elipsoide verde. Cuando los dos núcleos comparten sus electrones para formar este nuevo orbinal, quedan fuertemente unidos mediante lo que llamamos un enlace covalente
En esta molécula, los dos electrones pertenecen a ambos núcleos. Es una unión estable
Normalmente las moléculas se representan mediante esferas para los átomos que están unidas por los enlaces covalentes. Estas uniones se representan mediante cilindros. Así, la molécula
El siguiente elemento es el Helio, cuyo símbolo es He, que está formado por 2 protones, y tiene 2 electrones orbitando. Su número atómico es 2
A diferencia del hidrógeno, el Helio NO SE COMBINA CON NADA. Por eso recibe el nombre de gas inerte. Es un átomo muy estable, que no interacciona con ningún otro átomo, ni siquiera consigo mismo
La molécula de hidrógeno
El siguiente átomo es el de Litio (Li), que tiene número atómico 3, luego el Berilio (Be) con 4, y así sucesivamente con todos los elementos conocidos. Cada nuevo elemento tiene un protón más que el anterior. También tiene más neutrones, pero esto lo vamos a obviar, porque los neutrones sólo aportan masa al átomo, y no es importante para el diseño de circuitos
Otra clave en la diferencia entre los átomos es en dónde se sitúan los órbitales de los electrones. Cuando más protones, más electrones se necesitan, y estos se sitúan en diferentes orbitales, en regiones diferentes del espacio. Para el estudio de los circuitos lo único que nos interesa es conocer son los electrones situados en los orbitales más exteriores, que tiene la menor energia, y son los causantes de que los átomos se enlacen a otros átomos
En la naturaleza existen materiales que tienen la capacidad de conducir la electricidad. Cuando se someten a la acción de un campo eléctrico, los electrones se desplazan por el material. Uno de los elementos más conductores que existen es el cobre, que es el que utilizaremos como ejemplo. La mayoría de los cables que utilizamos para conectar nuestros aparatos electrónicos utilizan cables de coble
El cobre (Cu) tiene el número atómico 29: Es decir, que tiene 29 protones en el núcleo y 29 electrones orbitando. De todos ellos, 28 están en orbitales estables. Esto significa que son electrones internos que no forman enlaces con otros átomos. Pero queda un electrón exterior de baja energía, que tiende a compartirse con otros átomos. A todos los efectos es como si se tratase de un átomo de hidrógeno, que tiene un único electrón que puede compartir con otros átomos
El cobre, como metal, está formado por millones de átomos agrupados formando una estructura 3D, que denominamos estructura cristalina. Están empaquetados en una estructura de tipo Cúbica Centrada en las Caras que es muy compacta. De hecho, es la manera más densa de agrupar esferas del mismo tamaño. En este dibujo se muestra la estructura, utilizando un cubo como referencia. En total hay 14 átomos en este cubo: 8 en los vértices y 6 en los centros de las caras
Para entender mejor esta estructura lo mejor es abrir el archivo 3D en FreeCAD: 07-Cobre-cristal.FCStd y juguetear con él
En esta serie de imágenes lo vemos desglosado en capas. Utilizamos un cubo como referencia. En la primera capa se sitúan 5 átomos de sobre: 4 en los vértices y uno en el centro de la cara inferior, que se apoya en el suelo
En los huecos dejados por la capa 0, situados 4 átomos. Coinciden con los 4 centros de las caras verticales del cubo de referencia
Por último están los átomos de la cara superior, que es igual a la inferior: 4 átomos en los vértices y uno en el centro de la cara superior
Cada átomo de cobre comparte su electrón exterior con el resto, formándose un orbital gigante que recorre todo el material, manteniendo unidos los átomos de cobre. Esto es lo que se conoce como enlace metálico
En este orbital del enlace metálico es donde los electrones se están moviendo libremente por todo el material. Y estos son los electrones que reaccionan a los campos eléctricos. Debido a esto, el material conduce la electricidad
Cuando tenemos un material de cobre, como un cable, sin conectar a ninguna fuente de tensión, los electrones se mueven, pero su desplazamiento medio es 0. Es decir, que no producen ninguna corriente eléctrica media. La corriente es 0 (
Ahora conectamos una fuente de tensión a ambos extremos del fragmento de cobre para generar un campo eléctrico. Todos los electrones libres ahora se desplazan hacia el polo positivo (lo que genenera una corriente, que por convenio se dibuja en el sentido del polo positivo al negativo, aunque los electrones van en sentido contrario)
¡OJO! Los electrones que se mueven NO son los 29 del átomo de cobre, sino sólo 1 de cada átomo, que es el que está en el orbital exterior, de baja energía
Los materiales aislantes NO permiten la circulación de los electrones. Y por tanto, al someterlos a un campo eléctrico, no disponen de electrones libres que se puedan mover. Todos están fuertemente ligados a sus núcleos
Existen muchísimos materiales aislantes, la mayoría, pero nos vamos a centrar en uno en partícular que es el que se utiliza en los chips: El dióxido de silicio, también conocido como sílice. Es una red cristalina formada por átomos de silicio y oxígeno
El oxígeno es un elemento indispensable en la vida en la tierra, y se encuentra en muchísimos compuestos, incluida el agua
El átomo de oxígene tiene el número 8, es decir, tiene 8 protones en el núcleo y 8 electrones orbitando. Típicamente tiene también 8 neutrones
El oxígeno tiene 2 electrones sin aparear, y por ello tiende a compartirlos con otros elementos para formar enlaces covalentes
El oxígeno, al igual que le ocurría al hidrógeno, no se encuentra como un átomo aislado, sino que tiende a combinarse con otros átomos, incluso del mismo tipo. En la naturaleza el oxígeno es un gas, que se forma cuando se combina entre sí dos átomos de oxígeno (
La molécula de oxígeno
Como el oxígeno tiene esos 2 electrones para compartir, los puede usar para enlazarse con dos átomos de hidrógeno, formando la conocidísima molécula de agua
Los 3 átomos no están alineados, sino que los hidrógenos forman un ángulo de 104.45 grados La molécula de agua no la necesitamos para el diseño de chips, pero se incluye aquí para entender mejor el comportamiento del átomo de oxígeno
El átomo de silicio tiene número atómico 14, con 14 protones y 14 electrones. En el núcleo tiene típicamente 14 neutros junto a los protones. De los 14 electrones, hay 4 que están en la capa exterior, que se denominan electrones de valencia. Estos son los 4 electrones que tienen tendencia a compartirse con otros átomos para formar enlaces covalente
En esta figura se muestra el átomo de Silicio con sus 4 electrones de valencia
El silicio es el elemento fundamental para la construcción de los chips. Tiende a compartir sus 4 electrones de valencia con otros átomos, por lo que típicamente se enlaza con 4 átomos y los orbitales se distribuyen equitativamente en el espacio formando una estructura tetraédrica. Para entenderlo bien vamos a ver una serie de figuras
Primero representamos el núcleo de silicio en el centro de un tetraedro regular, que denominamos tetraedro de referencia
Ahora dibujamos los orbitales. Cada uno apunta hacia uno de los vértices del tetraedro de referencia
La molécula más sencilla que se puede construir con silicio es el Silano cuya fórmula es
Esta molécula tiene una estructura 3D, y no es plana. Como los átomos de Hidrógeno sólo tiene 1 electrón, no se pueden enlazar con otros elementos, y la molécula es simple. De hecho, el silano es un gas. Veremos cómo en el caso del dióxido de silicio se crea una red cristalina, ya que el silicio se une a otros átomos que a su vez se unen a más silicios
El óxido de silicio, también conocido como dióxido de silicio o sílice es un compuesto sólido dispuesto en una red tridimensional. Se obtiene cuando al átomo de silicion se le unen 4 oxígenes en sus 4 vértices. Y estos oxígenos, a su vez, están unidos a Silicio. Así, cada silicio está unido a 4 oxígenos y cada oxígeno a 2 silicios, formando un cristal 3D, no regular
La estructura básica es el tetraedro del silicio, unido a 4 oxígenos
Estos tetraedros se unen entre sí con diferentes orientaciones formando una red tridimensional sólida. En la figura sólo se muestran 6 átomos de silicio formando un camino cerrado, pero hay más tetraedros conectos por el resto de átomos de oxígeno
El óxido de silicio forma un material sólido, con una estructura 3D, que se puede hacer todo lo grande que se quiera
En el óxido de silicio, TODOS los electrones se emplean para la unión entre los átomos. Y por tanto, NO HAY ELECTRONES LIBRES. No hay una banda de conducción donde los electrones pueden moverse libremente cuando están sometidos a un campo eléctrico
Por ello, el dióxido de silicio, a diferencia del cobre, es un material aislate. Si se conecta a una fuente de tensión, NO aparece una corriente. Es un circuito abierto
Hemos visto que en la naturaleza tenemos materiales conductores, como por ejemplo el cobre, que tienen electrones libres con capacidad de moverse por el material, y este movimiento se puede controlar aplicando una tensión. Por otro lado, tenemos los materiales aislantes, como el óxido de silicio, que NO tienen electrones libres, y que por tanto al aplicar un campo eléctrico no hay electrones que circulen. NO aparece una corriente
También se tiene el término medio. No todos los metales conducen igual. Su resistencia varía. En unos metales hay más electrones libres y por tanto la resistencia es menor, pero en otros la resistencia el mayor
Sin embargo los semiconductores son unos materiales artificiales, creados por el hombre, y que NO EXISTEN en la naturaleza. Son manufacturados por el hombre. Y tienen una propiedad increible: podemos controlar su conductividad eléctricamente, mediante la tensión aplicada. El mismo material podemos hacer que se comporte como un conductor muy bueno, o como un aislante casi perfecto. Simplemente aplicando una tensión. Esto es lo maravilloso de los semiconductores
Vamos a estudiar cómo se construyen estos materiales, y qué propiedades aparecen
La base de los semiconductores es el silicio. Vamos a comenzar entendiendo la estructura del silicio como material
Hemos visto cómo el silicio tiene 4 electrones para compartir, con los que forma enlaces covalentes con otros átomos. Estos enlaces pueden ser con hidrógenos. En ese caso tenemos una única molécula (silano), que es un gas. También se puede enlazar con 4 oxígenes, y cada oxígeno a su vez está enlazado a 2 silicios, por lo que se genera un material, el óxido de silicio con estructura 3D, que es aislante
Los átomos de silicio también se pueden enlazar consigo mismo. Cada uno se enlaza con otros 4 silicios, formando una estructura 3D que es la que conocemos como Sílicio como material. La estrucutra básica es la del tetraedro, con un átomo de silicio en el centro y 4 en los vértices
Para entender el empaquetado del silicio partimos de este tetraedro, que en realidad lo podemos situar en un cubo unitario de referencia, donde un silicio está en su centro, y los otros 4 en 4 vértices de este cubo
Este cubo unitario lo rotamos 90 grados y lo desplazamos, uniendo los dos tetraedros
Hacemos lo mismo con otro cubo unidad
Y completamos la primera parte con un total de 4 cubos unidad
Y por último obtenemos la estructura final del silicio, que se repite en todas las direcciones del espacio. Recibe el nombre de estructura cúbica de diamante
En esta imagen se muestran los átomos de silicio en referencia al cubo envoltorio. Esto nos permite entender mejor la estructura. Hay 8 átomos en los vértices del cubo, y 6 en los centros de las caras. Además hay 8 en el interior. En total hay 22
Vamos a repetir otra vez todo el proceso de generar la red de silicios, pero utilizando un modelo geométrico diferente, donde se han eliminado los enlaces. Ahora las esferas de los átomos de silicio las agrandamos hasta que se tocan entre ellas. Este es el tetraédrico básico que forman los grupos 5 Silicios. Uno en el centro y 4 en los vértices del tetraedro
Esta es la pinta que tiene el mismo tetraedro dentro del cubo unitario
Ahora los vamos a ir colocando capa a capa. Sabemos que hay 14 átomos sobre el cubo envoltorio (en los vértices y centros de las caras). Los pintamos de amarillo. Luego hay 8 más en la parte interior, que pintaremos de un color naranja. En total hay 5 capas de átomos, unas sobre otras
- Capa 1: Hay 5 átomos sobre la base. Uno en el centro y 4 en los vértices de las esquinas
- Capa 2: Hay 4 átomos situados en los centros de los cubos unitarios. Se han dibujado de otro color para diferenciar las dos capas
- Capa 3: Hay 4 átomos en los centros de las caras laterales del cubo envoltorio
- Capa 4: Es igual a la capa 2: Hay 4 átomos situados en los cubos unitarios superiores
- Capa 5: Es igual a la capa 1, pero en la parte superior. 5 Átomos, 4 en los vértices y 1 en el centro de la cara superior
Así es como quedan los 22 átomos de silicio delimitados por el cubo envoltorio
En esta imagen se muestra una muestra de silicio, formada a partir de 3x3x3 cubos envoltorio
El silicio es un material aislante. Esto es debido a que todos los átomos están colocados en una red cristalina, y todos los electrones se usan en los enlaces convalentes entre los átomos de silicio, por lo que no queda ninguno libre que pueda moverse libremente en presencia de un campo eléctrico
Si tomamos un trozo de silicio y conectamos dos electrodos de cobre conectados a una fuente de tensión, observamos que NO HAY CORRIENTE
Partimos de un trozo de silicio puro, donde todos sus átomos están perfectamente ordenados en una red cristalina, y NO hay electrones libres. Es un material aislante. Esto ya lo conocemos
Mediante procesos químicos es posible sustituir algunos átomos de silicio por los de otros elementos, que denominamos impurezas. Cuando se agregan estas impurezas decimos que el silicio está dopado. La nueva estructura del silicio es como la mostrada en esta figura.
Es básicamente el mismo silicio, con la misma estructura cristalina, pero hay un porcentaje pequeño de átomos de otro elemento en lugar del silicio. Son los que tienen el color magenta. Los átomos de silicio son los mostrados en los colores amarillentos (se usan 2 colores para resaltar la estructura 3D)
Las impurezas que típicamente se usan son los átomos de Boro y Fósforo. Según las impurezas añadidas obtenemos dos tipos de silicio: Tipo P y tipo N
El átomo de boro (B) es el número 5. Tiene 5 protones y 5 electrones, de los cuales 3 están disponibles para generar 3 enlaces covalentes con otros elementos. Así, tiende a unirse con 3 átomos de silicio, mediante 3 enlaces covalentes. El Boro se usa para generar silicio tipo P
En las figuras representaremos al átomo de boro como una esfera "rojiza"
El átomo de fósforo (P) es el número 15. Tiene 15 protones y 15 electrones, de los cuales 5 están disponibles para establecer enlaces covalentes con otros elementos. Se utiliza para generar el silicio tipo N
En las figuras representaremos el átomo de fósforo como una esfera "verduzca"
Cuando se dopa el silicio con átomos de Boro obtenemos el silicio tipo P. Inicialmente hay un átomo de silicio que está enlazado a otros 4 átomos de silicio, mediante 4 enlaces covalentes, formando la estructura cristalina que ya conocemos. Mediante el proceso químico de dopaje se sustituyen algunos átomos de silicio por otros de Boro
Este proceso, en apariencia inocuo, tiene una gran repercusión: cambia las propiedades eléctricas del nuevo material. El átomo de boro establece enlaces convalentes con 3 átomos de silicio de la red, dejando un átomo de silicio huérfano. Este átomo no está suelto. Está enlazado a otros 3 átomos de silicio, dentro de la red. Sin embargo tiene un electrón deseoso de aparearse con otro para formar un enlace covalente. Genera un hueco que puede ser ocupado por cualquier otro electrón de los enlaces covalentes cercanos
Un electron de un enlace covalente vecino puede saltar a este hueco, dejando otro hueco en un lugar diferente: Decimos que el hueco se ha desplazado. En esta figura se muestra visualmente este efecto. Se parte de un tetraedro de silicio en una red cristalina, donde hay un átomo de silicio que le falta un enlace. En un momento determinado el electrón del enlace situado a la izquierda "salta" al enlace derecho, provocando que el hueco se mueva en sentido contrario: hacia la izquierda
Y nuevamente salta otro electrón, del enlace izquierdo hacia el central, desplazando el hueco más hacia la izquierda
Volvemos a repetir este concepto de dopaje, pero ahora usando 2 tetraedros de silicio como meustra de la red cristalina. Al dopar con boro desaparece uno de los enlaces con un silicio
Y este hueco se puede desplazar dentro de la red de silicio
El resultado es que, debido al dopaje con Boro, aparecen huecos, que a todos los efectos se consideran como "cargas positivas" que se mueven. Estas cargas positivas NO se generan debido a que haya más protones que electrones en los átomos. La nueva red dopada es neutra: hay la misma cantidad de electrones que protones. Lo que ocurre es que estos enlaces covalentes "se mueven", y son capaces de captar electrones
Los chips se fabrican por capas, que se van depositando unas sobre otras. La capa inferior, que hace de base para el resto se denomina substrato. Típicamente el substrato es Silicio de tipo P
Los huecos del silicio tipo P, a todos los efectos, se comportan como partículas de carga positiva, aunque realmente no lo son. En ausencia de campo eléctrico se mueven aleatóriamente, y su desplazamiento medio es 0. Es decir, que aunque hay cargar positivas moviéndose, no hay una corriente efectiva. La corriente es 0
Cuando se aplica una tensión, los huecos se mueven en el sentido de la corriente, desde el positivo al negativo, generando una corriente
La conductividad no es tan buena como en el caso del cobre, donde todos los átomos de Cu aportan electrones libre. En el caso del silicio tipo P por cada átomo de boro introducido se genera un hueco. Y hay menos átomos de boro que de Silicio, por lo que hay menos portadores de carga y las corrientes son menores (el material tiene mayor resistividad)
Si la polaridad de la fuente de tensión se cambia, la corriente cambia de sentido, como cualquier otro material conductor
Vamos a analizar una estructura nueva, construida mediante la unión de capas. Partimos de un sustrato de silicio tipo P. En la parte superior colocamos una capa de óxido de silicio, que sabemos que es aislante. Sobre esta ponemos una capa de metal conductor (cobre). El sustrato lo conectamos también a una capa de metal, situado en la parte inferior
Ambas capas de metal se conectan a una fuente de tensión. Como el óxido es aislante, la corriente que circula en régimen permanente es 0. Como el silicio tipo P es conductor, esta estructura se comporta como un condensador, que almacena carga. Los huecos se desplazan hacia el polo negativo, mientras que los electrones se acumulan en la parte superior, antes del óxido. Esta es la parte importante: Esa zona está repleta de electrones con capacidad de moverse. Y esta propiedad es la que permite que los transistores MOSFET conduzcan cuando están activos, como veremos más adelante
Cuando el silicio se dopa con átomos de Fósforo (P) obtenemos el silicio tipo N. Inicialmente tenemos un átomo de Si que está enlazado a otros 4 átomos también de Si, mediante 4 enlaces covalentes, formando la estructura cristalina que ya conocemos. Mediante el dopaje se sustituyen algunos átomos de Si por otros de fósforo (P)
El nuevo átomo de fósforo tiene 5 electrones libres, para formar enlaces covalentes con el Si, pero sólo puede enlazarse con cuatro de ellos, quedano un orbital sin enlazar. Es decir, que queda un electrón suelto, que se puede mover libremente
El silicio tipo N es neutro, pero tiene electrones libres, uno por cada átomo de fósforo. Estos electrones pasan a la banda de conducción, y se pueden mover libremente por todo el silicio, como si fuese un material conductor (aunque con mayor resistividad)
Dentro de los chips se sitúan capas de silicio tipo N, que representaremos como un trozo de material sólido como el mostrado en esta figura
Se utiliza el color verde para mostrar que es silicio dopado con átomos de fósforo, y que por tanto tiene electrones libres disponibles para conducir la electricidad
Como el silicio tipo N tiene electrones libres, se pueden mover en presencia de un campo eléctrico. Es decir, que se comportas como un material conductor. En ausencia de este campo, los electrones libres se mueven aleatoriamente, con un desplazamiento medio igual a 0, por lo que no hay corriente efectiva. La corriente es 0
Cuando se aplica una tensión, los electrones se mueven y aparece una corriente desde el positivo al negativo (aunque los electrones se mueven hacia el positivo), generando una corriente
La conductividad no es tan buena como en el caso del cobre, donde todos los átomos de Cu aportan electrones libre. En el caso del silicio tipo N por cada átomo de fósforo introducido se genera un electrón libre. Y hay menos átomos de fósforo que de Silicio, por lo que hay menos portadores de carga y las corrientes son menores (el material tiene mayor resistividad)
Si la polaridad de la fuente de tensión se cambia, la corriente cambia de sentido, como cualquier otro material conductor
Hemos visto que los nuevos materiales creados a partir del silicio, tipo N y tipo P, se comportan como conductores de la electricidad, aunque los mecanismos son diferentes. En el caso del tipo P es debido a la presencia de huecos, que para nosotros serán como cargas positivas. Sin embargo en el caso del tipo N es debido a la presencia de electrones. Pero ambos conducen la electricidad
¿Qué ocurre si los conectamos en serie? La intuición nos dice que si conectamos dos materiales conductores en serie, también será un material conductor. Los huecos se mueven aleatoriamente por el material tipo P, y los electrones por el tipo N, pero en ausencia de fuente de tensión la corriente es 0, como era de esperar
¿Qué ocurre cuando aplicamos una tensión? Cuando ponemos una tensión positiva al silicio tipo P y una negativa al tipo N decimos que estamos polarizando la unión PN en directa. Lo que ocurre es que los huecos se mueven hacia el lado negativo, y los electrones hacia el positivo. Los huecos saltan sin problemas desde el tipo P al tipo N, y lo electrones desde el tipo N al tipo P, sin mayor dificultad. Esto genera una corriente eléctrica
Si ahora aplicamos tensión negativa al silicio tipo P y positiva al tipo N, lo que se conoce como polarización inversa, los huecos tienen a moverse hacia el lado negativo, y los electrones hacia el positivo. Y la zona central, la frontera entre ambos materiales, se queda sin portadores de carga. Es lo que se conoce como la zona despoblada. Y por tanto se convierte en un material aislante. Hay un campo eléctrico que lo atraviesa, pero NO hay cargas que lo puedan a travesar
Debido a esto la corriente que circula en régimen permanente es 0
El diodo es el elemento más sencillo que se puede construir con los semiconductores. Basta con unir silicio de tipo P con silicion de tipo N, formando una unión PN. El comportamiento es el descrito anteriormente: la corriente circula cuando se aplica una polarización directa, y no hay corriente cuando la polarización es inversa
Esta es la pinta que tiene el diodo dentro de un chip: Basta con añadir los contactos metálicos para conectar los semiconductores con el exterior
En esta figura se muestra la sección del diodo junto al símbolo utilizado para representarlo en los esquemas
El transistor MOSFET es la base de todos los chips actuales. Es un elemento que se controla mediante tensión, y nos permite que la corriente circule o no entre dos puntos. El funcionamiento es exactamente igual que el de un pulsador mecánico. Cuando NO está apretado, los dos cables están desconectados eléctricamente uno de otro
Para accionar el pulsador se usa energía mecánica, proveniente de nuestro dedo. Sin embargo, en los MOSFETs se consigue este mismo efecto pero usando una tensión de control externa. Por ejemplo 5v. Si se aplican 5v, el mosfet conduce (es similar al pulsador apretado), pero si se aplican 0v deja de conducir (pulsador liberado)
Lo importante es que este comportamiento se consigue usando elementos de estado sólido, por lo que NO hay movimiento de piezas mecánicas. Esto permite que la conmutación sea muy rápida y consuma poco. Además, los mosfet tienen un tamaño muy pequeño, por lo que se pueden meter millones de ellos en un único chip
Hay dos tipos de MOSFET, según los semiconducotres utilizados por su construcción: Tipo N y tipo P
Los mosfet N son los típicos, y más abundantes. Funcionan con lógica positiva. Esto es, cuando reciben una tensión positiva (5v ó 3.3v por ejemplo), conducen, y cuando la tensión es 0 NO conducen. La sección de un mosfet se muestra en la siguiente figura, donde se pueden apreciar todos sus elementos
Se parte de un sustrato de tipo P (Silicio tipo P), que recibe el nombre del cuerpo (body). Sobre ese cuerpo se añaden dos zonas de silicio tipo N, mediante el proceso químico de difusión. Sobre la parte superior central del cuerpo se sitúa una capa de óxido de silicio y sobre ella una capa de metal conductor. Este contacto recibe el nombre de puerta (Gate)
Sobre cada uno de los silicios de tipo N se sitúa un contacto metálico. El de la izquierda recibe el nombre de fuente y el de la derecha de drenador
Por último, se añade un contacto metálico en cualquier parte del cuerpo, que recibe el nombre de cuerpo
Así, el mosfet N es un dispositivo que tiene 4 contactos: Fuente, puerta, drenador y cuerpo. Sin embargo, la fuente y el cuerpo se ponen a la misma tensión (los contactos se usen) por lo que en realidad el mosfet sólo tiene 3 contactos. Se representa mediante el siguiente símbolo:
Vamos a comprender el funcionamiento interno del MOSFET N, como interruptor. Partimos de un mosfet al que hemos conectado la fuente a 0 voltios (gnd), y el drenador a una tensión de 5v (vdd). Por la puerta introducimos 0v. Sabemos que en esta situación el mosfet no conduce y por tanto la corriente que lo atraviesa es 0 (I=0)
Por vss entran 0v, que llegan al silicio tipo N. El cuerpo está también a 0v. La unión NP entre la fuente y el cuerpo no conduce ya que ambos están a la misma tensión (0v). No hay desplazamiento medio de las cargas, y por tanto NO hay corriente
La unión PN entre el cuerpo y el drenador tiene polarización inversa, y por tanto NO hay corriente. Es decir, que por el drenador no circula tampoco ninguna corriente. Todo está en calma. Nada conduce. El mosfet está cerrado
Ahora introducimos 5v por la puerta. Aparece un campo eléctrico desde el óxido de silicio hacia la zona P, que hace que los huecos se separen del óxido y vayan hacia el interior. Por el contrario, los electrones se mueven hacia el óxido. Aparece lo que se llama un canal N en el que hay electrones libres que se pueden desplazar entre la fuente y el drenador. El mosfet está abierto y conduciendo corriente
Los mosfet P funcionan con lógica negativa. Esto es, cuando reciben una tensión positiva (5v ó 3.3v por ejemplo), NO conducen, y cuando la tensión es 0 sí conducen. La sección de un mosfet se muestra en la siguiente figura, donde se pueden apreciar todos sus elementos
Se parte de un sustrato tipo P al que se le añade una zona de difusión de tipo N. Dentro de ella se añaden dos zonas de difusión tipo P. Sobre la zona N se coloca el òxido y sobre esta el contacto metálico de la puerta
Este es el símbolo del MOSFET P:
Vamos a comprender el funcionamiento interno del MOSFET P, como interruptor. Partimos de un mosfet al que hemos conectado la fuente a 5v voltios (vdd), y el drenador a una tensión de 0v (vss). Por la puerta introducimos 5v. Sabemos que en esta situación el mosfet no conduce y por tanto la corriente que lo atraviesa es 0 (I=0)
El cuerpo y la fuente están a 5v, por lo que su unión PN no conduce, al estar a la misma tensión. No hay desplazamiento medio de las cargas y por tanto NO hay corriente
La unión NP entre puerta y drenador está polarizada en inversa, por lo que no hay corriente. Por el drenador no circula tampoco ninguna corriente. Todo está en calma. Nada conduce. El mosfet está cerrado
Ahora introducimos 0v por la puerta. Aparece un campo eléctrico desde la zona P hacia el óxido de silicio, que hace que los huecos se acerquen hacia el óxido. Por el contrario, los electrones se mueven hacia la zona p. Aparece lo que se llama un canal P en el que hay huecos libres que se pueden desplazar entre la fuente y el drenador. El mosfet está abierto y conduciendo corriente
Vamos a entender cómo se implementa una puerta NOT directamente en Silicio, explicando cada uno de los niveles de abstracción implicados
La puerta NOT es uno de los elementos primitivos del nivel de electrónica digital. A este nivel se representa mediante un símbolo (un triángulo con un círculo y dos rectas que simbolizan la entrada y la salida)
Esta puerta tiene una entrada y una salida. Se puede encontrar más información en el circuito ax-not
En este nivel nos centramos sólo en la parte digital. No hay corrientes ni tensiones, sólo bits que valen 0 ó 1. Se hace abstracción de la tensión de alimentación, así como de todos los detalles de implementación
La puerta NOT se implementa mediante 2 transistores MOSFET, uno de tipo N y otro de tipo P. A este nivel además de los pines de datos de la puerta (IN y OUT), tenemos las alimentaciones (VDD, VSS) y los cables de conexión entre los transistores
Cuando entran 0v por IN, el MOSFET inferior NO conduce, pero el superior sí, por lo que la tensión que sale por OUT es 5v (la inversa de 0v). Por el contrario, si metemos 5v por IN, el mosfet inferior SÍ CONDUCE y el superior NO, sacando un valor de 0v por OUT
Vamos a verlo gráficamente usando el modelo mecánico con pulsadores. En este modelo un bit a 1 se representa con un dedo que ejerce fuerza de presión, y un 0 cuando el dedo no la ejerce
Partimos de esta imagen, donde el dedo NO ejerce presión (0). Hay un mecanismo de balancín que mediante el muelle superior hace que el pulsador P1 esté APRETADO, y que el P2 esté LIBERADO, haciendo que por la salida salga un 1
Ahora el dedo ejerce presión (1). El pulsador inferior se aprieta, y por el balancín, el botón superior se libera. Lo que sale por la salida ahora es un 0
Así es como queda la puerta NOT implementada en la realidad, construida en un chip a partir de capas de materiales
En este nivel se encuentran todos los detalles: Tipo de material usados, interconexiones entre capas, cableado, disposicion física de los mosfet, tamaño...
Para entender esta implementación real de la NOT vamos a ir construyéndola capa a capa, aplicando los conceptos que ya conocemos. En la primera capa se encuentra el sustrato, que es silicio tipo P
Sobre este sustrato es donde se sitúan todos los MOSFETs. Lo primero que añadimos es una zona de contacto para su posterior conexión a la tensión de referencia vss (gnd). Es una zona p altamente dopada que facilita la conexión hacia el exterior. En inglés se denomina p-tap
Estas son las zonas N, que contienen silicio tipo N. Las dos zonas N más pequeñas conforman un MOSFET N. La zona N grande se utiliza para insertar un MOSFET P
Dentro de la zona N grande se introducen 2 zonas P (Silicio tipo P) para construir el MOSFET P, y una zona para facilitar el conexionado de esta zona con la tensión positiva (vdd), que se denomina p-tap. Esta zona es de tipo N altamente dopada
Con esto se finaliza la primera capa, que es la que contiene los materiales semiconductores. En ella se encuentran nuestros dos MOSFET, de tipo P y N para la construcción de la puerta NOT
En la siguiente capa se coloca el óxido de silicio, para la construcción de los mosfet. En la figura sólo se muestra el óxido utilizado para los mosfet, pero en realidad está por toda la superficie (salvo por las zonas donde se realizan los contactos)
Sobre la capa de óxido se sitúan una de polisilicio para unir las puertas de los mosfet. El polisilicio es aislante, pero se coloca una variante dopada que es muy conductora
La última parte son las conexiones eléctricas entre todos los elementos. Esto se hace en una nueva capa donde se sitúa el material conductor. Para conectar las capas inferiores con esta capa de metales se utilizan vías, que son conductores situados en vertical
La capa superior es la de los metales conductores, que unen todas las partes y que se conectan con el exterior
Una de las herramientas más potentes que tenemos en Ciencia e Ingeniería es la abstracción. Gracias a ella conseguimos abordar la complejidad de los sistemas reales, que de otra manera sería inviable
Los procesadores actuales contienen decenas de miles de millones de transistores, con sus cables de conexión. Es de una complejidad inabordable para cualquier humano
Gracias a la abstracción creamos modelos simplificados que permiten al diseñador centrarse sólo en los conceptos de interés, ignorando el resto de detalles
Vamos a verlo con el ejemplo de la puerta NOT. Tenemos 3 niveles diferentes: semiconductores, transistores y Electrónica digital.
La puerta NOT "verdadera", la que se construye físicamente en el chip, está formada por la unión de diferentes materiales: silicio p, silicio n, metal conductor, polisilicio, óxido de silicio... Para su construcción necesitamos detalles como el tamaño de las diferentes zonas, qué hay que colocar en cada capa, etc
Aplicando la abstracción creamos un símbolo gráfico nuevo para representar al transistor. Pero a este nivel sólo nos interesa su funcionamiento en abstracto, sin todos los detalles. No necesitamos saber nada de silicio tipo p o n. Sólo cómo se comporta a nivel eléctrico. Nos abstraemos de todos los detalles de fabricación
El diseñador electrónico, a este nivel, crea diseños usando este nuevo símbolo, e indicando cómo están unidos entre ellos y cómo se aplican las diferentes tensiones. Estamos al nivel de transistores
Esto tiene un efecto muy interesante. Ahora el diseñador puede crear cosas nuevas usando transistores, que en principio seguirán funcionando con independencia de la tecnología con la que están implementados. Ahora tenemos chips basados en semiconductores. En el futuro será otra tecnología, pero el funcionamiento del transistor es el mismo, y los diseños basados en él seguirán funcionando
En el siguiente nivel de abstracción entramos en la electrónica digital, donde usamos un modelo mucho más implificado para la puerta NOT. Hacemos abstracción incluso de la tensión eléctrica. El diseñador no tiene que saber nada de tensiones ni corrientes, sólo de bits y cómo cambian al atravesar las diferentes puertas lógicas
La puerta NAND es muy importante porque a partir de ella se pueden implementar todas las demás. Vamos a estudiarla en los tres niveles que ya conocemos
La puerta NAND tiene 2 entradas y una salida. A nivel lógico es una puerta AND conectada en serie con una puerta NOT
La puerta NAND se implementa con 4 transistores, 2 de tipo P y 2 de tipo N. La idea es que en cada momento hay dos transistores que están en estados opuestos: uno conduce y otro no. Los tipo P generan salida a 1, y los tipo N a 0. La clave de la puerta NAND son los dos transistores N en serie. Sólo si ambos están activados, se genera un 0 a la salida
Para entender el funcionamiento vamos a utilizar el modelo de pulsadores, por su simplicidad. Empezamos por el caso de reposo, en el que ambas entradas están a 0. En este estado ambos transistores P (los superiores) conducen, y generan un 1 por la salida OUT. Por el contrario los MOSFETS N están abiertos, y no conducen
Si apretamos solo una de las dos varillas (por ejemplo INA), el pulsador A0 se abre y el A1 se cierra. Pero esto NO tiene efecto porque B1 sigue abierto y B0 cerrado, por lo que en la salida se obtiene un 1
Si apretamos las dos varillas (INA y INB), los dos pulsadores superiores A0 y B0 están desconectados, y los dos inferiores A1 y B1 conectados. Por la salida sale un 0
Esta es la implementación del chip a nivel de semiconductores
Vamos a ir viendo el chip capa por capa. En la primera capa está el sustrato de silicio (p) con todos los mosfets (2 de tipo p y 2 de tipo n), así como las zonas altamente dopadas para la conexión a vdd y vss
En la primera capa se encuentran todos los materiales semiconductores: silicios tipo p y n
La siguiente es la capa de óxido de silicio. Se encuentra en toda la superficie excepto en las zonas que se conectan hacia el exterior a través de las vías. Sin embargo, sólo se muestra en el dibujo las zonas de óxido que están sobre las puertas de los transistores mosfets
En la siguiente capa está el polisilicio de interconexión entre las 4 puertas de los transistores
La capa de las vías contiene elementos conductores para realizar conexiones verticales con las capas de los cables. Hay 2 capas de metales, a diferentes niveles, por lo que las vías son de diferentes alturas: unas para conectar con la capa metal-1 y otras para la capa metal-2
Las conexiones se realizan en dos capas diferentes. En la primera están las señales VDD, VSS, INA y INB
En la siguiente capa está la señal OUT
El Biestable D es uno de los elementos primitivos de la electrónica digital, y el que da lugar a la creación de los circuitos secuenciales. Este biestable se presenta en el circuito ax-sysdff del proyecto Icestudio-Digital
A pesar de ser un elemento primitivo a nivel de electrónica digital, hay muchos conceptos e ideas involucrados en su creación. En esta sección veremos cómo se crea desde 0, a partir de materiales semiconductores
El Biestable D es el elemento que almacena un bit durante un ciclo. Transcurrido este ciclo se almacena el siguiente valor que llegue
Aunque es el elemento mínimo de memoria a nivel de electrónica digital, se necesitamos muchos elementos de los niveles inferiores para su implementación. Vamos verlos poco a poco
La manera de almacenar un bit en silicio es mediante 2 inversores conectados en anillos, es decir, formando un oscilador. Esta es la pinta que tiene:
Este circuito puede estar en dos estados estables diferentes. Imaginemos que en el punto A tenemos el bit 0. Entonces en el punto B tendremos 1, que se convierte de nuevo en 0 y se realimenta de nuevo al primer inversor. A la salida se tiene el valor 0 estable
Pero también es estable lo contrario: Si en A tenemos 1, en B tenemos 0 y por la salida sale un 1 estable. Es decir, que es un circuito que puede tener 2 valores estables diferentes: 0 ó 1
¿Cómo introducimos un valor inicial en este anillo?. Conceptualmente lo vemos introduciendo un interruptor de 2 posiciones. Cuando se pone en la posición 1 se introduce el valor externo D, que sale por la salida.
Si ahora cambiamos a la posición 2, se conecta la realimentación y este bit queda "atrapado" en el anillo, dando vueltas. Cualquier nuevo valor que haya por la entrada NO se mete en el anillo, hasta que se vuelva a cambiar el interruptor
Con la tecnología CMOS la manera de implementar un switch que permita conectar un cable con alguno de otros dos es mediante 2 pulsadores complementarios. Así, el esquema anterio queda así:
Los pulsadores complementarios funcionan a la vez, y siempre en estados contrarios: mientras uno conecta, el otro está abierto, y vice versa. Estos pulsadores se implementan muy fácilmente con tecnología CMOS, como veremos en el siguiente apartado
En la implementación real las señales se ingresan entre los dos inversores, por lo que hay que añadir un tercer inversor en la señal de la entrada. Esta configuración permite que la señal de entrada pase por un buffer, y también permite una mejor conexión en cascada entre varios osciladores
La puerta de transmisión es un elemento que funciona como un pulsador, conectando eléctricamente dos cables independientes. Ya habíamos visto cómo un MOSFET funciona también como un pulsador, que sólo permite circular la corriente en una dirección. La puerta de transmisión permite hacerlo en ambas direcciones, por eso funciona exactamente igual que un pulsador
Este componente tiene 3 entradas: Los dos cables A y B que se conectan, y la señan ENA permite activar/desactivar la conexión
Cuando ENA=0 el interruptor está en abierto, es decir, en alta impedancia. Cuando ENA=1 el pulsador está apretado, y la corriente puede circular en ambos sentidos (dependiendo de la tensión aplicada)
La implementación de esta puerta se realiza colocando dos MOSFETS, uno P y otro N, en paralelo, pero conectando las fuentes con los drenadores
Este es el símbolo utilizado para representar a la puerta de transmisión. Tiene 4 entradas. De ellas 3 son independientes: A, B y ENA. Pero hay una cuarta, que es ENA. Es decir, que hay que añadir un inversor de manera externa para generar la señal complementaria. Esta puerta NOT NO se incluye dentro de la puerta de transmisión para ahorrar recursos y que varias de estas puertas compartan la misma NOT
El latch es un componente que recuerda un bit. Tiene dos entradas: una de datos (D) y otra de habilitación (ENA). Cuando ENA es 0, el latch está cerrado, y la entrada no afecta a la salida. Sale el valor almacenado. Cuando ENA es 1, el latch está en modo transparente y todo lo que entra por D sale por Q. Cuando se deshabilita, queda almacenado el último valor que había por su salida
El latch se implementa a partir del oscilador que hemos visto en el apartado anterior, utilizando la señal ENA para controlar los dos pulsadores complementarios. Este es el esquema lógico:
Los pulsadores complementarios se implementan mediante dos puertas de transmisión complementarias. Este es el esquema final del latch:
Y estos son los dos circuitos equivalentes con los diferentes valores de la señal ENA
Esta implementación nos sirve para contar el número total de transistores que necesitamos. Cada inversor usa 2 mosfet. Cada puerta de transmisión otros dos. En total hay 2 puertas de transmisión (4 transistores) y 4 inversores (8 transistores). En total se necesitan 12 MOSFETS
El latch lo representamos como un bloque con las entradas correspondientes
El biestable D captura el dato de entrada en flanco de subida. Este comportamiento se logra conectando en cascada dos Latches, denominados maestro y esclavo
Mediante este mecanismos, el biestable D sólo captura un valor en un instante muy estrecho. Y esta es la clave de los sistemas síncronos
Para la implementación de un biestable D se necesitan un total de 26 MOSFETS. 12 por cada Latch (24), y 2 más por el inversor (26). De todos ellos, la mitad son MOSFET-N y la otra mitad MOSFET-P
Hemos visto cómo los chips se construyen a partir de capas, unas encima de otras. En cada capa hay unas zonas, que tienen un tamaño determinado. En las capa de los conductores se realizan las interconexiones entre todos los elementos. El ingeniero diseñador de los chips es la persona que define la posición de todas las zonas, sus tamaños, y las interconexiones, de manera que el chip tenga la funcionalidad requerida
¿Qué tamaños mínimos podemos usar para las zonas? ¿Cuántos niveles de interconexiones se pueden usar? ¿Qué distancias mínimas tiene que haber entre los diferentes elementos?. Todos los parámetros mínimos que necesita el diseñador para construir el chips están determinados por la tecnología de fabricación, que la proporciona el fabricante. Con unos fabricantes se pueden construir chips con transistores más grandes, mientras que con otros más pequeños (y por tanto caben más)
Es el fabricante el que proporciona todas las reglas de diseño, tamaños, archivos y modelos necesarios para que un diseñador pueda fabricar su chip. Es lo que se conoce con el nombre de PDK (Process Design Kit), que se puede traducir como Paquete de diseño de proceso
Puedes encontrar más información (en inglés) sobre el concepto de PDK en la web del curso Zero to Asic de Matthew Venn
Por tanto, para fabricar un chip, lo primero es tener acceso al PDK del fabricante. Y aquí es donde surge el problema. El fabricante considera esta información como confidencial y hace firmar un acuerdo de confidencialidad con los usuarios. Además, el PDK incluye librerías softare con licencias privativas. Por ello no es posible compartir los diseños ni distribuir la información...
...¡Hasta que nacieron los PDKs libres!
Las tecnologías de fabricación de chips reciben diferentes nombres, para diferenciarlas y poder ver cómo evolucionan. En los años 2000 exístía la tecnología de 130nm usada por empresas como IBM, Intel, Texas Instrument...
En el 2020 surgió la iniciativa SkyWater 130nm, fomentada por Google, el fabricante de chips Skywater Techonology y el fabricante efabless (que ha sido comprado por Chipfoundry en el 2026). Liberaron el PDK de 130nm, con el nombre de sky130. Se trata del primer PDF Industrial Libre de la historia. Un hito histórico
Gracias a esto, estudiantes, investigadores, ingenieros y cualquier persona interesada tenemos acceso a la tecnología de creación de chips, y podemos diseñar nuestros propios chips!! Y lo más importante, podemos compartirlos con la comunidad para que otros aprendan y construyan chips más avanzados a partir de este conocimiento
Toda la información del PDK sky130 está disponible en estos enlaces:
🚧 TODO 🚧
- https://tinytapeout.com/siliwiz/resistors/
- https://analogicus.com/aic2025/2025/01/01/Sky130nm-tutorial.html
🚧 TODO 🚧
- Diseño de chips: Layout
- Siliwiz
- Tecnologia de fabricacion
- Magic
- Klayout
- OpenLane
- Elementos o capas dentro de un chip...
- Siliwiz: Introduccion
- Siliwiz
- Fabricacion chips: Video 1
- Fabricacion chips: Video 2
- Fabricacion chips: Video 3
- Imagen IBM en átomos By IBM Almaden Research Center - https://web.archive.org/web/20210510184405/https://foresight.org/UTF/Unbound_LBW/chapt_4.html, Fair use, https://en.wikipedia.org/w/index.php?curid=36514818
- Icestudio Digital: Circuitos digitales desde los principios más fundamentales, con aplicación a la herramienta Icestudio
🚧 TODO 🚧