Un dispositivo semiconductor es un componente electrónico que se basa en las propiedades electrónicas de un material semiconductor (principalmente silicio , germanio y arseniuro de galio , así como semiconductores orgánicos ) para su función. Los dispositivos semiconductores han reemplazado a los tubos de vacío en la mayoría de las aplicaciones. Utilizan conducción eléctrica en estado sólido en lugar del estado gaseoso o emisión termoiónica en el vacío .
Los dispositivos semiconductores se fabrican como dispositivos discretos individuales y como chips de circuito integrado (IC), que constan de dos o más dispositivos, que pueden ser de cientos a miles de millones, fabricados e interconectados en una sola oblea semiconductora (también llamada sustrato). .
Los materiales semiconductores son útiles porque su comportamiento puede manipularse fácilmente mediante la adición deliberada de impurezas, lo que se conoce como dopaje . La conductividad del semiconductor puede controlarse mediante la introducción de un campo eléctrico o magnético, mediante la exposición a la luz o al calor, o mediante la deformación mecánica de una rejilla de silicio monocristalino dopado ; por lo tanto, los semiconductores pueden ser excelentes sensores. La conducción de corriente en un semiconductor se produce debido a electrones y huecos de electrones móviles o "libres" , conocidos colectivamente como portadores de carga . Dopar un semiconductor con una pequeña proporción de una impureza atómica, como fósforo o boro , aumenta enormemente el número de electrones libres o huecos dentro del semiconductor. Cuando un semiconductor dopado contiene un exceso de agujeros, se denomina semiconductor de tipo p ( p para carga eléctrica positiva ); cuando contiene un exceso de electrones libres, se denomina semiconductor de tipo n ( n para carga eléctrica negativa). La mayoría de los operadores de carga móvil tienen carga negativa. La fabricación de semiconductores controla con precisión la ubicación y concentración de los dopantes de tipo py n. La conexión de semiconductores de tipo ny tipo p forma uniones p – n .
El dispositivo semiconductor más común en el mundo es el MOSFET ( transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico ), [1] también llamado transistor MOS . A partir de 2013, cada día se fabrican miles de millones de transistores MOS. [2] Los dispositivos semiconductores fabricados por año han crecido un 9,1% en promedio desde 1978, y se prevé que los envíos en 2018 superen por primera vez 1 billón, [3] lo que significa que hasta la fecha se han fabricado más de 7 billones.
Diodo
Un diodo semiconductor es un dispositivo que normalmente se fabrica a partir de una única unión p – n. En la unión de un semiconductor de tipo py un semiconductor de tipo n se forma una región de agotamiento donde la conducción de corriente se inhibe por la falta de portadores de carga móviles. Cuando el dispositivo está polarizado hacia adelante (conectado con el lado p a un potencial eléctrico más alto que el lado n), esta región de agotamiento disminuye, lo que permite una conducción significativa, mientras que solo se puede lograr una corriente muy pequeña cuando el diodo está polarizado inversamente y por tanto, la región de agotamiento se expandió.
La exposición de un semiconductor a la luz puede generar pares de electrones y huecos , lo que aumenta el número de portadores libres y, por lo tanto, la conductividad. Los diodos optimizados para aprovechar este fenómeno se conocen como fotodiodos . Los diodos semiconductores compuestos también se pueden usar para generar luz, como en diodos emisores de luz y diodos láser .
Transistor
Transistor de unión bipolar (BJT)
Los transistores de unión bipolar (BJT) se forman a partir de dos uniones p – n, en configuración n – p – n o p – n – p. La región media o base entre las uniones suele ser muy estrecha. Las otras regiones, y sus terminales asociados, se conocen como emisor y colector . Una pequeña corriente inyectada a través de la unión entre la base y el emisor cambia las propiedades de la unión base-colector para que pueda conducir la corriente aunque tenga polarización inversa. Esto crea una corriente mucho mayor entre el colector y el emisor, controlada por la corriente base-emisor.
Transistor de efecto de campo (FET)
Otro tipo de transistor, el transistor de efecto de campo (FET), opera según el principio de que la conductividad del semiconductor puede aumentarse o disminuirse por la presencia de un campo eléctrico . Un campo eléctrico puede aumentar el número de electrones libres y huecos en un semiconductor, cambiando así su conductividad. El campo puede ser aplicado por una unión p – n con polarización inversa, formando un transistor de efecto de campo de unión ( JFET ) o por un electrodo aislado del material a granel por una capa de óxido, formando un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico ( MOSFET ).
FET semiconductor de óxido de metal (MOSFET)
El FET ( transistor MOSFET o MOS) semiconductor de óxido de metal , un dispositivo de estado sólido , es, con mucho, el dispositivo semiconductor más utilizado en la actualidad. Representa al menos el 99,9% de todos los transistores, y se estima que se han fabricado 13 billones de MOSFET entre 1960 y 2018. [4]
El electrodo de puerta se carga para producir un campo eléctrico que controla la conductividad de un "canal" entre dos terminales, llamado fuente y drenaje . Dependiendo del tipo de portadora en el canal, el dispositivo puede ser un MOSFET de canal n (para electrones) o canal p (para huecos). Aunque el MOSFET recibe su nombre en parte por su puerta "metálica", en los dispositivos modernos se suele utilizar polisilicio en su lugar.
Materiales para dispositivos semiconductores
Con mucho, el silicio (Si) es el material más utilizado en los dispositivos semiconductores. Su combinación de bajo costo de materia prima, procesamiento relativamente simple y un rango de temperatura útil lo convierte actualmente en el mejor compromiso entre los diversos materiales competidores. El silicio utilizado en la fabricación de dispositivos semiconductores se fabrica actualmente en bolas que tienen un diámetro lo suficientemente grande como para permitir la producción de obleas de 300 mm (12 pulgadas) .
El germanio (Ge) fue un material semiconductor temprano ampliamente utilizado, pero su sensibilidad térmica lo hace menos útil que el silicio. Hoy en día, el germanio a menudo se alea con silicio para su uso en dispositivos SiGe de muy alta velocidad; IBM es un importante productor de este tipo de dispositivos.
El arseniuro de galio (GaAs) también se usa ampliamente en dispositivos de alta velocidad, pero hasta ahora, ha sido difícil formar bolas de gran diámetro de este material, lo que limita el diámetro de la oblea a tamaños significativamente más pequeños que las obleas de silicio, lo que hace que la producción en masa de dispositivos de GaAs. significativamente más caro que el silicio.
Otros materiales menos comunes también están en uso o bajo investigación.
El carburo de silicio (SiC) ha encontrado alguna aplicación como materia prima para diodos emisores de luz azul (LED) y se está investigando para su uso en dispositivos semiconductores que podrían soportar temperaturas de funcionamiento muy altas y entornos con presencia de niveles significativos de radiación ionizante . Los diodos IMPATT también se han fabricado a partir de SiC.
Varios compuestos de indio (arseniuro de indio, antimonuro de indio y fosfuro de indio ) también se utilizan en LED y diodos láser de estado sólido . Se está estudiando el sulfuro de selenio en la fabricación de células solares fotovoltaicas .
El uso más común de los semiconductores orgánicos es diodos orgánicos emisores de luz .
Lista de dispositivos semiconductores comunes
Dispositivos de dos terminales:
- DIAC
- Diodo (diodo rectificador)
- Diodo Gunn
- Diodo IMPATT
- Diodo láser
- Diodo emisor de luz (LED)
- Célula fotoeléctrica
- Fototransistor
- Diodo PIN
- Diodo Schottky
- Célula solar
- Diodo de supresión de voltaje transitorio
- Diodo de túnel
- VCSEL
- diodo Zener
- Diodo zen
Dispositivos de tres terminales:
- Transistor bipolar
- Transistor Darlington
- Transistor de efecto de campo
- Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT)
- Rectificador controlado por silicio
- Tiristor
- TRIAC
- Transistor de unión
Dispositivos de cuatro terminales:
- Sensor de efecto Hall (sensor de campo magnético)
- Fotoacoplador (Optoacoplador)
Aplicaciones de dispositivos semiconductores
Todos los tipos de transistores se pueden utilizar como bloques de construcción de puertas lógicas , que son fundamentales en el diseño de circuitos digitales . En circuitos digitales como microprocesadores , los transistores actúan como interruptores de encendido y apagado; en el MOSFET , por ejemplo, el voltaje aplicado a la puerta determina si el interruptor está encendido o apagado.
Los transistores utilizados para circuitos analógicos no actúan como interruptores de encendido y apagado; más bien, responden a un rango continuo de entradas con un rango continuo de salidas. Los circuitos analógicos comunes incluyen amplificadores y osciladores .
Los circuitos que interactúan o se traducen entre circuitos digitales y circuitos analógicos se conocen como circuitos de señal mixta .
Los dispositivos semiconductores de potencia son dispositivos discretos o circuitos integrados destinados a aplicaciones de alta corriente o alta tensión. Los circuitos integrados de potencia combinan la tecnología IC con la tecnología de semiconductores de potencia, a los que a veces se les denomina dispositivos de potencia "inteligentes". Varias empresas se especializan en la fabricación de semiconductores de potencia.
Identificadores de componentes
Los designadores de los dispositivos semiconductores suelen ser específicos del fabricante. Sin embargo, ha habido intentos de crear estándares para códigos de tipo, y un subconjunto de dispositivos los sigue. Para dispositivos discretos , por ejemplo, hay tres estándares: JEDEC JESD370B en Estados Unidos, Pro Electron en Europa y Estándares Industriales Japoneses (JIS).
Historia del desarrollo de dispositivos semiconductores
Detector de bigotes de gato
Los semiconductores se habían utilizado en el campo de la electrónica durante algún tiempo antes de la invención del transistor. A principios del siglo XX eran bastante comunes como detectores en radios , utilizados en un dispositivo llamado "bigote de gato" desarrollado por Jagadish Chandra Bose y otros. Sin embargo, estos detectores eran algo problemáticos, ya que requerían que el operador moviera un pequeño filamento de tungsteno (el bigote) alrededor de la superficie de un cristal de galena (sulfuro de plomo) o carborundo (carburo de silicio) hasta que de repente comenzó a funcionar. [5] Luego, durante un período de unas pocas horas o días, el bigote del gato dejaría de funcionar lentamente y el proceso tendría que repetirse. En ese momento, su operación era completamente misteriosa. Después de la introducción de radios basadas en tubos de vacío más confiables y amplificados , los sistemas de bigotes del gato desaparecieron rápidamente. El "bigote de gato" es un ejemplo primitivo de un tipo especial de diodo que sigue siendo popular hoy en día, llamado diodo Schottky .
Rectificador de metal
Otro tipo temprano de dispositivo semiconductor es el rectificador metálico en el que el semiconductor es óxido de cobre o selenio . Westinghouse Electric (1886) fue uno de los principales fabricantes de estos rectificadores.
Segunda Guerra Mundial
Durante la Segunda Guerra Mundial, la investigación de radares rápidamente empujó a los receptores de radar a operar a frecuencias cada vez más altas y los receptores de radio tradicionales basados en tubos ya no funcionaban bien. La introducción del magnetrón de cavidad de Gran Bretaña a los Estados Unidos en 1940 durante la Misión Tizard resultó en una necesidad urgente de un amplificador práctico de alta frecuencia. [ cita requerida ]
Por un capricho, Russell Ohl de Bell Laboratories decidió probar el bigote de un gato . En este punto, no se habían utilizado durante varios años y nadie en los laboratorios tenía uno. Después de buscar uno en una tienda de radios usados en Manhattan , descubrió que funcionaba mucho mejor que los sistemas basados en tubos.
Ohl investigó por qué el bigote del gato funcionaba tan bien. Pasó la mayor parte de 1939 tratando de cultivar versiones más puras de los cristales. Pronto descubrió que con cristales de mayor calidad su comportamiento meticuloso desaparecía, pero también su capacidad para operar como detector de radio. Un día encontró que uno de sus cristales más puros, sin embargo, funcionaba bien y tenía una grieta claramente visible cerca del medio. Sin embargo, mientras se movía por la habitación tratando de probarlo, el detector funcionaría misteriosamente y luego se detendría nuevamente. Después de un poco de estudio, descubrió que el comportamiento estaba controlado por la luz de la habitación: más luz provocaba más conductancia en el cristal. Invitó a varias personas a ver este cristal, y Walter Brattain se dio cuenta de inmediato de que había una especie de unión en la grieta.
Investigaciones posteriores aclararon el misterio restante. El cristal se había agrietado porque cada lado contenía cantidades ligeramente diferentes de las impurezas que Ohl no pudo eliminar, aproximadamente un 0,2%. Un lado del cristal tenía impurezas que agregaban electrones adicionales (los portadores de corriente eléctrica) y lo convertían en un "conductor". El otro tenía impurezas que querían unirse a estos electrones, convirtiéndolo (lo que él llamó) en un "aislante". Debido a que las dos partes del cristal estaban en contacto entre sí, los electrones se podían expulsar del lado conductor que tenía electrones adicionales (que pronto se conocería como el emisor ) y se reemplazaban por otros nuevos (de una batería, por ejemplo ). ejemplo) donde fluirían hacia la parte aislante y serían recogidos por el filamento de bigotes (llamado colector ). Sin embargo, cuando se invirtió el voltaje, los electrones que se empujaban hacia el colector llenarían rápidamente los "huecos" (las impurezas que necesitan electrones) y la conducción se detendría casi instantáneamente. Esta unión de los dos cristales (o partes de un cristal) creó un diodo de estado sólido, y el concepto pronto se conoció como semiconducción. El mecanismo de acción cuando el diodo está apagado tiene que ver con la separación de los portadores de carga alrededor de la unión. Esto se denomina " región de agotamiento ".
Desarrollo del diodo
Armados con el conocimiento de cómo funcionaban estos nuevos diodos, comenzó un vigoroso esfuerzo para aprender a construirlos bajo demanda. Los equipos de Purdue University , Bell Labs , MIT y University of Chicago unieron fuerzas para construir mejores cristales. En un año, la producción de germanio se había perfeccionado hasta el punto en que se utilizaban diodos de grado militar en la mayoría de los equipos de radar.
Desarrollo del transistor
Después de la guerra, William Shockley decidió intentar la construcción de un dispositivo semiconductor similar a un triodo . Consiguió fondos y espacio de laboratorio, y se puso a trabajar en el problema con Brattain y John Bardeen .
La clave para el desarrollo del transistor fue una mayor comprensión del proceso de movilidad de los electrones en un semiconductor. Se comprendió que si existía alguna forma de controlar el flujo de electrones desde el emisor al colector de este diodo recién descubierto, se podría construir un amplificador. Por ejemplo, si los contactos se colocan a ambos lados de un solo tipo de cristal, la corriente no fluirá entre ellos a través del cristal. Sin embargo, si un tercer contacto pudiera "inyectar" electrones o agujeros en el material, la corriente fluiría.
En realidad, hacer esto parecía muy difícil. Si el cristal fuera de un tamaño razonable, la cantidad de electrones (o huecos) necesarios para inyectar tendría que ser muy grande, por lo que sería menos útil como amplificador porque para empezar requeriría una gran corriente de inyección. Dicho esto, toda la idea del diodo de cristal era que el propio cristal podía proporcionar los electrones a una distancia muy pequeña, la región de agotamiento. La clave parecía ser colocar los contactos de entrada y salida muy juntos en la superficie del cristal a cada lado de esta región.
Brattain comenzó a trabajar en la construcción de un dispositivo de este tipo, y siguieron apareciendo tentadores indicios de amplificación mientras el equipo trabajaba en el problema. A veces, el sistema funcionaba pero luego dejaba de funcionar inesperadamente. En un caso, un sistema que no funcionaba comenzó a funcionar cuando se colocó en el agua. Ohl y Brattain finalmente desarrollaron una nueva rama de la mecánica cuántica , que se conoció como física de superficies , para explicar el comportamiento. Los electrones en cualquier pieza del cristal migrarían debido a cargas cercanas. Los electrones en los emisores, o los "agujeros" en los colectores, se agruparían en la superficie del cristal donde podrían encontrar su carga opuesta "flotando" en el aire (o agua). Sin embargo, podrían alejarse de la superficie con la aplicación de una pequeña cantidad de carga desde cualquier otra ubicación del cristal. En lugar de necesitar una gran cantidad de electrones inyectados, un número muy pequeño en el lugar correcto del cristal lograría lo mismo.
Su comprensión resolvió el problema de necesitar un área de control muy pequeña hasta cierto punto. En lugar de necesitar dos semiconductores separados conectados por una región común, pero pequeña, serviría una sola superficie más grande. Los cables colectores y emisores de electrones se colocarían muy juntos en la parte superior, con el cable de control colocado en la base del cristal. Cuando la corriente fluye a través de este cable "base", los electrones o los agujeros se empujan hacia afuera, a través del bloque de semiconductor, y se acumulan en la superficie lejana. Siempre que el emisor y el colector estén muy juntos, esto debería permitir suficientes electrones o agujeros entre ellos para permitir que comience la conducción.
El primer transistor
El equipo de Bell hizo muchos intentos para construir un sistema de este tipo con varias herramientas, pero generalmente fracasó. Las configuraciones en las que los contactos estaban lo suficientemente cerca eran invariablemente tan frágiles como lo habían sido los detectores de bigotes del gato original, y funcionarían brevemente, si es que funcionaban. Finalmente, tuvieron un avance práctico. Se pegó un trozo de lámina de oro al borde de una cuña de plástico y luego se cortó la lámina con una navaja en la punta del triángulo. El resultado fueron dos contactos de oro muy próximos. Cuando la cuña se empujó hacia abajo sobre la superficie de un cristal y se aplicó voltaje al otro lado (en la base del cristal), la corriente comenzó a fluir de un contacto al otro a medida que el voltaje base empujaba los electrones lejos de la base hacia el otro lado cerca de los contactos. Se había inventado el transistor de contacto puntual.
Si bien el dispositivo se construyó una semana antes, las notas de Brattain describen la primera demostración a los altos mandos en Bell Labs en la tarde del 23 de diciembre de 1947, a menudo dada como la fecha de nacimiento del transistor. Lo que ahora se conoce como el " transistor de germanio de contacto puntual p-n-p " operó como un amplificador de voz con una ganancia de potencia de 18 en esa prueba. John Bardeen , Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley recibieron el Premio Nobel de Física de 1956 por su trabajo.
Origen del término "transistor"
Bell Telephone Laboratories necesitaba un nombre genérico para su nueva invención: "Semiconductor Triode", "Solid Triode", "Surface States Triode" [ sic ], "Crystal Triode" e "Iotatron" fueron todos considerados, pero "transistor", acuñado por John R. Pierce , ganó una votación interna. La justificación del nombre se describe en el siguiente extracto de los Memorandos Técnicos de la empresa (28 de mayo de 1948) [26] que solicitan votaciones:
Transistor. Esta es una combinación abreviada de las palabras "transconductancia" o "transferencia" y "varistor". El dispositivo pertenece lógicamente a la familia de varistores y tiene la transconductancia o impedancia de transferencia de un dispositivo que tiene ganancia, por lo que esta combinación es descriptiva.
Mejoras en el diseño de transistores.
Shockley estaba molesto porque el dispositivo se acreditaba a Brattain y Bardeen, quienes sentía que lo habían construido "a sus espaldas" para llevarse la gloria. Las cosas empeoraron cuando los abogados de Bell Labs descubrieron que algunos de los propios escritos de Shockley sobre el transistor se acercaban lo suficiente a los de una patente anterior de 1925 de Julius Edgar Lilienfeld, por lo que pensaron que era mejor que su nombre se dejara fuera de la solicitud de patente.
Shockley estaba indignado y decidió demostrar quién era el verdadero cerebro de la operación. [ cita requerida ] Unos meses más tarde inventó un tipo de transistor completamente nuevo, considerablemente más robusto, con una estructura de capa o 'sándwich'. Esta estructura pasó a utilizarse para la gran mayoría de todos los transistores en la década de 1960 y evolucionó hasta convertirse en el transistor de unión bipolar .
Una vez resueltos los problemas de fragilidad, un problema pendiente era la pureza. Hacer germanio de la pureza requerida resultó ser un problema serio y limitaba el rendimiento de los transistores que realmente funcionaban con un lote determinado de material. La sensibilidad del germanio a la temperatura también limitó su utilidad. Los científicos teorizaron que el silicio sería más fácil de fabricar, pero pocos investigaron esta posibilidad. Gordon K. Teal fue el primero en desarrollar un transistor de silicio funcional, y su empresa, la naciente Texas Instruments , se benefició de su ventaja tecnológica. Desde finales de la década de 1960, la mayoría de los transistores estaban basados en silicio. En unos pocos años aparecieron en el mercado productos basados en transistores, en particular radios portátiles.
El transistor de inducción estática , el primer transistor de alta frecuencia, fue inventado por los ingenieros japoneses Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe en 1950. [6] Fue el transistor más rápido hasta la década de 1980. [7] [8]
Una mejora importante en el rendimiento de fabricación se produjo cuando un químico aconsejó a las empresas que fabrican semiconductores que utilizaran agua destilada en lugar de agua del grifo: los iones de calcio presentes en el agua del grifo eran la causa de los bajos rendimientos. La " fusión por zonas ", una técnica que utiliza una banda de material fundido que se mueve a través del cristal, aumenta aún más la pureza del cristal.
Semiconductor de óxido de metal (MOS)
En la década de 1950, Mohamed Atalla investigó las propiedades de la superficie de los semiconductores de silicio en Bell Labs , donde propuso un nuevo método de fabricación de dispositivos semiconductores , recubriendo una oblea de silicio con una capa aislante de óxido de silicio para que la electricidad pudiera penetrar de forma fiable hasta el silicio conductor de abajo , superando los estados superficiales que impedían que la electricidad llegara a la capa semiconductora. Esto se conoce como pasivación de superficie , un método que se volvió crítico para la industria de los semiconductores, ya que hizo posible la producción en masa de circuitos integrados de silicio (CI). Sobre la base de su método de pasivación de superficie, desarrolló el proceso de semiconductor de óxido metálico (MOS), que propuso podría usarse para construir el primer transistor de efecto de campo de silicio (FET) en funcionamiento. [9] [10] Condujeron a la invención del MOSFET (transistor de efecto de campo MOS) por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en 1959. [11] [12] Con su escalabilidad , [13] y un consumo de energía mucho menor y mayor densidad que los transistores de unión bipolar , [14] el MOSFET se convirtió en el tipo más común de transistor en computadoras, electrónica, [10] y tecnología de comunicaciones como los teléfonos inteligentes . [15] La Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos llama al MOSFET un "invento revolucionario que transformó la vida y la cultura en todo el mundo". [15]
CMOS ( MOS complementario ) fue inventado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor en 1963. [16] El primer informe de un MOSFET de puerta flotante fue realizado por Dawon Kahng y Simon Sze en 1967. [17] FinFET (fin transistor de efecto de campo), un tipo de MOSFET de múltiples puertas 3D , fue desarrollado por Digh Hisamoto y su equipo de investigadores en el Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989. [18] [19]
Ver también
- Circuito integrado
- VLSI
- Fabricación de dispositivos semiconductores
- Espectroscopia transitoria de nivel profundo (DLTS)
- Fiabilidad (semiconductor)
Referencias
- ^ Golio, Mike; Golio, Janet (2018). Tecnologías pasivas y activas de RF y microondas . Prensa CRC . pag. 18-2. ISBN 9781420006728.
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- ^ "Pronóstico de envíos de semiconductores para superar 1 billón de dispositivos en 2018" . www.icinsights.com . Consultado el 16 de abril de 2018 .
Se espera que los envíos anuales de unidades de semiconductores (circuitos integrados y opto-sensores discretos, o dispositivos OSD) crezcan un 9% [..] Para 2018, se prevé que los envíos de unidades de semiconductores aumenten a 1.075,1 mil millones, lo que equivale a un crecimiento del 9% para el año. A partir de 1978 con 32.600 millones de unidades y hasta 2018, se prevé que la tasa de crecimiento anual compuesta para las unidades de semiconductores sea del 9,1%, una cifra de crecimiento sólida durante el período de 40 años. [..] En 2018, se prevé que los dispositivos OSD representen el 70% del total de unidades de semiconductores en comparación con el 30% de los circuitos integrados.
- ^ "13 sextillones y contando: el camino largo y sinuoso hacia el artefacto humano fabricado con más frecuencia en la historia" . Museo de Historia de la Computación . 2 de abril de 2018 . Consultado el 28 de julio de 2019 .
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