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Fundamentos físicos de la informática

Autores/as:

Raúl Rengel Estévez

Resumen:

En este libro se abordan los fundamentos que permiten comprender la física subyacente a la operación de los circuitos digitales que constituyen la base de los aparatos electrónicos que utilizamos a diario. Ordenadores personales, teléfonos inteligentes, cámaras digitales, videoconsolas… La nuestra es una sociedad de la información, en la que cada día empleamos multitud de dispositivos. Todo ello ha sido posible gracias a la increíble evolución de la electrónica, y en particular, a los circuitos electrónicos de estado sólido. La informática tal y como la conocemos hoy en día es posible gracias a la física de semiconductores, a los transistores de silicio y a los microchips, temas que aquí se tratan, junto con un repaso a los fundamentos de la teoría de circuitos y las bases del electromagnetismo. Aunque el libro está orientado a estudiantes de primer curso de grados universitarios en informática, se ha intentado que los conceptos explicados puedan ser comprendidos, sin excesiva dificultad, por cualquier persona interesada con formación a nivel de secundaria en física y matemáticas.

Índice

I. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

1 Carga eléctrica [16]
2 Campo eléctrico [19]
3 Potencial [22]
4 Corriente [24]
5 Ley de Ohm [27]
6 Potencia disipada [29]
7 Almacenamiento de energía eléctrica: condensadores [30]
8 Campo magnético [34]
9 Inducción electromagnética [36]
10 Bobinas [40]
11 Campo electromagnético [41]

II. FUNDAMENTOS DE TEORÍA DE CIRCUITOS

1 Resistencias [47]
2 Conexión en serie y paralelo [48]
3 Definiciones útiles [53]
4 Fuentes de alimentación [54]
5 Leyes de Kirchhoff [55]
6 Análisis de mallas [57]
7 Teoremas de Thévenin y Norton [59]
8 Circuitos de corriente alterna [64]

III. SEMICONDUCTORES

1 El átomo [73]
2 El sólido cristalino [76]
3 Bandas de energía [79]
4 Conductores, aislantes y semiconductores [80]
5 Semiconductores intrínsecos [86]
6 Semiconductores extrínsecos [90]
7 Ley de neutralidad de carga [92]
8 Ley de acción de masas [93]
9 Arrastre [94]
10 Difusión [98]
11 Generación y recombinación de portadores [100]
12 Semiconductores más relevantes [103]

IV. EL DIODO

1 Principio físico [108]
2 Polarización del diodo y curva característica [111]
3 Aproximaciones [113]
4 Rectificación [115]
5 Diodos Zener [119]
6 Otros tipos de diodos [121]

V. EL TRANSISTOR BIPOLAR

1 Principio físico [127]
2 Curvas características [131]
3 Polarización del BJT [135]
4 Circuito equivalente de pequeña señal [138]

VI. EL TRANSISTOR MOSFET

1 Principio físico [144]
2 Curvas características [152]
3 Polarización del MOSFET [155]
4 Circuito equivalente de pequeña señal [157]

VII. DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS

1 Diodos LED [163]
2 Láseres de semiconductor [169]
3 Fotodetectores [172]
4 Células solares [175]
5 Optoacopladores [177]

VIII. AMPLIFICACIÓN

1 Concepto de amplificación [181]
2 Un ejemplo: el amplificador de voltaje en fuente común [182]
3 El amplificador operacional [187]

IX. BASES DE ELECTRÓNICA DIGITAL

1 Álgebra de Boole [195]
2 Representación física de señales digitales [199]
3 Conversión de señales analógicas y digitales [201]

X. CONMUTACIÓN

1 Conmutación de diodos [213]
2 Conmutación de transistores [214]
3 Un ejemplo: circuito inversor en fuente común [220]
4 El inversor CMOS [227]
5 Aplicaciones del MOSFET en conmutación [232]

XI. FAMILIAS LÓGICAS Y DISEÑO CMOS

1 Principales familias lógicas [239]
2 Funcionamiento de puertas lógicas CMOS básicas [244]
3 Niveles lógicos y márgenes de ruido [251]
4 Características generales y consumo de potencia [254]
5 Diseño lógico CMOS [258]

XII. TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS

1 Obleas de semiconductor [270]
2 El entorno: la sala blanca [273]
3 Litografía [275]
4 Procesos tecnológicos [278]
5 El escalado del transistor [281]

BIBLIOGRAFÍA [287]

ÍNDICE ALFABÉTICO [289]

Referencias

Albella, J. M., Martínez-Duart, J. M., y Agulló-Rueda, Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica, editorial Prentice Hall, 2005.

Alexander C. K., y Sadiku, M. N. O., Fundamentos de circuitos eléctricos, 6ª edición, editorial McGraw-Hill Interamericana, 2018.

Bachiller Mayoral, M., Fundamentos físicos de la informática, editorial UNED, 2015.

Boylestad, R. L., Introducción al análisis de circuitos, 13ª edición, editorial Pearson, 2017.

Floyd, T. L., Fundamentos de sistemas digitales, 11ª edición, editorial Pearson, 2016.

Gómez Vilda, P., Nieto Lluis, V., Álvarez Marquina, A., y Martínez Olalla, R., Fundamentos físicos y tecnológicos de la informática, editorial Pearson, 2007.

Jewett J. W., y Serway, R. A., Física: Electricidad y Magnetismo, 10ª edición, editorial Cengage, 2019.

Malvino, A., y Bates, D. J., Principios de electrónica, 7ª edición, editorial McGraw-Hill Interamericana, 2007.

Pardo Collantes, D., y Bailón Vega, L. A., Fundamentos de electrónica digital, ediciones Universidad de Salamanca, 2006.

Prat Viñas, Ll. (ed.), Circuitos y dispositivos electrónicos. Fundamentos de electrónica, ediciones UPC, 1999.

Sedra A. S., y Smith K. C., Circuitos microelectrónicos, 5ª edición, editorial McGraw-Hill Interamericana, 2006.

Tipler, P. A., y Mosca, G., Física para la ciencia y la tecnología volumen 2A: Electricidad y magnetismo, 6ª edición, editorial Reverté.

Biografía:

Raúl Rengel Estévez

Universidad de Salamanca

Licenciado y Doctor en Física (especialidad Electrónica) por la Universidad de Salamanca, en la que ejerce como profesor titular del área de Electrónica. En los últimos veinte años ha impartido docencia de asignaturas relacionadas con los fundamentos físicos de la informática, el comportamiento electrónico de los materiales, la instrumentación electrónica, la fabricación de circuitos integrados, la electrónica digital y analógica, etc. en las titulaciones de ingeniería informática, ingeniería de materiales, ingeniería mecánica o física, entre otras. Su labor investigadora se ha centrado en el estudio del transporte electrónico y del ruido a alta frecuencia en materiales y dispositivos semiconductores, con particular interés en transistores MOSFET de silicio, arquitecturas MOSFET avanzadas, y más recientemente, grafeno y otros materiales bidimensionales.