1498-2006-ESIME-CUL-MAESTRIA-loaiza-brito-joseantonio

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
Unidad Culhuacan 
 
 
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 
 
 
 
 
DISEÑO DE UN SISTEMA FOVEAL BASADO EN 
FOTODETECTORES RECTANGULARES PARA RETINA 
ARTIFICIAL 
 
 
 
T E S I S 
Que para obtener el Grado de Maestría en Ciencias de Ingeniería en 
Microelectrónica 
 
 
 
PRESENTA 
ING. JOSE ANTONIO LOAIZA BRITO 
 
 
ASESOR: DR. LUIS NIÑO DE RIVERA Y OYARZABAL 
 
 
 
 México D. F. Noviembre de 2006 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
“La naturaleza es mucho más una determinada manera de 
pensar que un cuerpo de conocimientos. Su objetivo es 
descubrir cómo funciona el mundo, detectar las 
regularidades que puedan existir... La ciencia se 
fundamenta en la experimentación, en un ansia permanente 
de someter a prueba los viejos dogmas, en una apertura 
que nos permita contemplar el universo tal como realmente 
es. No puede negarse que en ciertas ocasiones la ciencia 
exige coraje; como mínimo el imprescindible para poner en 
entredicho la sabiduría convencional.” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Carl Sagan 
El cerebro de Broca 
 
 
 i
 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
 
 
A mis padres 
 
Por el gran apoyo que siempre me brindan y por la gran herencia que recibo de ellos en la 
formación como persona de valores y ética. 
 
 
 
 
A mi esposa 
 
Con amor y cariño, que me ha dado fuerzas y un gran respaldo en lo personal y 
profesional. Gracias por un apoyo incondicional. 
 
 
 
 
A mis hermanos 
 
Por compartir conocimientos en la ciencia. 
 
 
 
 
 
 
A todos los que de alguna manera contribuyeron a la terminación de éste trabajo, en 
especial al Dr. Luis Niño de Rivera por su orientación y aportación de grandes 
concocimientos. 
 
 
 
 
 
 
 
 ii
RESUMEN / ABSTRACT 
RESUMEN 
 
 
El presente trabajo propone una nueva estructura de retina artificial basada en 
la distribución de células fotorreceptoras de la retina biológica humana o forma 
foveal, utilizando dos tipos de fototransistores verticales, en dos regiones 
distintas. Dentro del área central o zona de alta resolución de la retina artificial, 
se colocan en configuración Darlington y fototransistores simples en la periferia. 
El tamaño y la forma de cada fototransistor no varía en gran medida en toda la 
estructura, teniendo la ventaja de aumentar el área de incidencia luminosa sin 
modificar el tamaño de los mismos. Con ello es posible el análisis del modelo 
foveal con fototransistores rectangulares en donde no es necesario que tengan 
un diseño específico y complejo, como es el caso de la forma circular que se 
ha utilizado en diversos modelos. Este trabajo propone la creación de conos y 
bastones de silicio que emulan el comportamiento de una retina biológica 
humana, por lo que se proponen fototransistores en organizaciones 
arquitectónicas diferentes a las tradicionales, esto es, en organizaciones 
completamente rectangulares en comparación con las circulares. Se presentan 
resultados en Matlab detallando el efecto que se tiene al utilizar fototransistores 
tipo Darlington en el área macular y fototransistores simples en el área 
periférica en arreglos rectangulares. Así mismo, se presentan los modelos en 
SPICE de los dos circuitos propuestos para la fotodetección, basados en 
fototransistores bipolares y espejos de corriente, realizando una simulación a 
variaciones de iluminación y analizando la respuesta en frecuencia, intervalo 
dinámico óptico, corriente de oscuridad y tiempo de respuesta, de cada una de 
las celdas básicas diseñadas, las pertenecientes al área de baja resolución y 
alta resolución. Por último, se presenta el layout de cada celda fotorreceptora, 
pasando por las dos regiones características (alta y baja resolución), los 
espejos de corriente y el circuito final. 
 
 
 iii
RESUMEN / ABSTRACT 
 
ABSTRACT 
 
 
The present work proposes a new structure of artificial retina based on the 
distribution of cells photorecepts of the human biological retina or forms foveal, 
utilizing two types of vertical phototransistors, in two different regions. Inside the 
central area or zone of high resolution of the artificial retina, they are placed in 
configuration Darlington and simple phototransistors in the periphery. The size 
and the form of each phototransistor do not vary in great measure in all the 
structure, having the advantage of enlarging the area of luminous incident 
without modifying the size of the same. With it is possible the analysis of the 
model one foveal with rectangular phototransistors where is not necessary that 
have a complex and specific design, as is the case of the form to circulate that 
has been utilized in diverse models. This work proposes the creation of cones 
and rods of silicon that rival the behavior of a human biological retina, for which 
they are proposed phototransistors in different architectural organizations to the 
traditional, this is, in completely rectangular organizations in comparison with 
them you circulate. Results are presented in Matlab on details the effect that 
has to utilize phototransistors type Darlington in the macular area and simple 
phototransistors in the peripheral area in rectangular arrangements. Thus 
same, the models are presented in SPICE of the two circuits proposed for the 
photo detection, based on bipolar phototransistors and current’s mirrors, 
carrying out a simulation to variations of lighting and analyzing the answer in 
frequency, optic dynamic interval, current of darkness and time of answer, of 
each one of the basic cells designed, the pertinent al area of low resolution and 
high resolution. Finally, the layout of each photoreception cell is presented, 
passing for the two characteristic regions (high and low resolution), the current’s 
mirrors and the final circuit. 
 
 
 iv
CONTENIDO 
CONTENIDO 
 
 
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1 
1.1 ANTECEDENTES .................................................................................................................... 2 
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................................................................... 6 
1.3 OBJETIVO ................................................................................................................................ 7 
1.4 PROPUESTA DE SOLUCIÓN ................................................................................................. 7 
1.5 METAS...................................................................................................................................... 8 
1.6 JUSTIFICACIÓN...................................................................................................................... 8 
1.7 REFERENCIAS ...................................................................................................................... 11 
CAPÍTULO 2 CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE .................................... 13 
2.1 ANATOMÍA DEL OJO Y LA RETINA.................................................................................. 14 
2.2 VISIÓN ARTIFICIAL............................................................................................................. 24 
2.3 MODELO FOVEAL................................................................................................................ 27 
2.4 CONCEPTOS DE SEMICONDUCTORES ............................................................................ 30 
2.4.1 Electrones y Huecos. ...................................................................................................... 30 
2.4.2 Densidad de corriente de desplazamiento y de difusión. ............................................... 32 
2.4.3 Densidad de Corriente por Difusión. .............................................................................34 
2.4.4 Unión PN........................................................................................................................ 34 
2.5 FOTODETECCIÓN. ............................................................................................................... 35 
2.5.1 Corriente Fotogenerada................................................................................................. 38 
2.5.2 Corriente de oscuridad................................................................................................... 39 
2.5.3 Eficiencia Cuántica. ....................................................................................................... 39 
2.6 FOTO ESTRUCTURAS.......................................................................................................... 40 
2.7 CONCLUSIONES................................................................................................................... 49 
2.8 REFERENCIAS ...................................................................................................................... 50 
CAPÍTULO 3 DISEÑO DE LOS FOTODETECTORES ..................................................................... 52 
3.1 METODOLOGÍA DE DISEÑO. ............................................................................................. 53 
3.1.1 Sensor Retínico............................................................................................................... 56 
3.2 MODELO FOVEAL PROPUESTO. ....................................................................................... 64 
3.3 DETERMINACIÓN DE CARACTERÍSTICAS FÍSICAS. .................................................... 72 
3.4 ELECCIÓN DEL TIPO DE FOTODETECTOR. .................................................................... 78 
3.4.1 El Transistor Bipolar. .................................................................................................... 79 
3.4.2 La Configuración Darlington......................................................................................... 83 
3.4.3 Parámetros del Fotodetector.......................................................................................... 96 
3.5 CONCLUSIONES................................................................................................................. 100 
3.6 REFERENCIAS .................................................................................................................... 101 
CAPÍTULO 4 SIMULACIÓN Y LAYOUT DE LAS FOTOCELDAS.............................................. 103 
4.1 ANÁLISIS ESTÁTICO. ........................................................................................................ 104 
4.2 ANÁLISIS DINÁMICO........................................................................................................ 108 
4.3 SENSIBILIDAD.................................................................................................................... 111 
4.4 DISEÑO DE LA CELDA BÁSICA. ...................................................................................... 113 
4.4.1 Circuito con Fototransistor Bipolar............................................................................. 116 
4.4.2 Circuito con Fototransistor Darlington. ...................................................................... 119 
4.4.3 Diseño de la Celda de Fotodetección........................................................................... 120 
4.5 MODELO FINAL.................................................................................................................. 121 
4.6 CONCLUSIONES................................................................................................................. 122 
 v
CONTENIDO 
CONCLUSIONES GENERALES Y TRABAJO A FUTURO............................................................ 124 
GLOSARIO............................................................................................................................................. 128 
APÉNDICE A. ESTRUCTURA Y PROCESO BIOQUÍMICO DE LOS FOTODETECTORES 
BIOLÓGICOS.......................................................................................................................................... 129 
APÉNDICE B. MODELOS DE RETINAS ARTIFICIALES ............................................................... 135 
APÉNDICE C. EL EFECTO FOTOELÉCTRICO ............................................................................... 137 
APÉNDICE D. PROCESOS DE FABRICACIÓN DE FOTODIODOS............................................... 138 
APÉNDICE E. FABRICACIÓN DEL TRANSISTOR BIPOLAR. ....................................................... 140 
APÉNDICE F. PROGRAMAS EN MATLAB Y SPICE........................................................................ 143 
APÉNDICE G ARTÍCULOS PUBLICADOS ........................................................................................ 156 
 
 
 
 vi
ÍNDICE DE FIGURAS 
ÍNDICE DE FIGURAS 
 
 
 
FIGURA 1-1 ALGUNAS PROPUESTAS DE RETINAS ARTIFICIALES. “SINGLE CHIP CMOS IMAGE SENSORS FOR A RETINA 
IMPLANT SYSTEM” MARKUS SCHWARTZ, RALF HAUSCHILD, BEDRICH J. HOSTICKA IEEE TRANSACTIONS ON 
CIRCUITS AND SYSTEMS. 1999 ........................................................................................................... 4 
FIGURA 1-2 PROPUESTA DE PRÓTESIS, DONDE SE ENCONTRARÁ EL CIRCUITO MICROELECTRÓNICO. SEPI ESIME 
CULHUACAN ................................................................................................................................ 5 
FIGURA 2-1 ANATOMÍA DEL OJO HUMANO........................................................................................................... 16 
FIGURA 2-2 .ANATOMÍA DE LA RETINA HUMANA................................................................................................... 17 
FIGURA 2-3 TIPOS DE CÉLULAS BIPOLARES ....................................................................................................... 18 
FIGURA 2-4 ESQUEMAS DE CÉLULAS GANGLIONARES.......................................................................................... 18 
FIGURA 2-5 FOTOGRAFÍAS DE CÉLULAS HORIZONTALES ....................................................................................... 18 
FIGURA 2-6 FOTOGRAFÍA DE CÉLULAS AMACRINAS.............................................................................................. 20 
FIGURA 2-7 REPRESENTACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE LA RETINA DE LOS TRABAJOS DEL DR. RAMÓN Y CAJAL ................ 20 
FIGURA 2-8. ESQUEMAS DE UN BASTÓN Y UN CONO. ............................................................................................ 22 
FIGURA 2-9. ESTRUCTURA LOG-POLAR EMPLEADO EN UN SENSOR DE IMAGEN. .......................................................... 28 
FIGURA 2-10 MODELO CON TECNOLOGÍA CMOS DESARROLLADA POR: (A) EL CONSORCIO DE IMEC – IBIDEM Y (B) 
FABRICADA POR WODNICKI. .......................................................................................................... 29 
FIGURA 2-11 MODELO CON TECNOLOGÍA CCD DE IMEC ...................................................................................... 30 
FIGURA 2-12. CORRIENTE DE DESPLAZAMIENTO.................................................................................................. 32 
FIGURA 2-13. CORRIENTE DE DIFUSIÓN. ............................................................................................................ 34 
FIGURA 2-14. DIAGRAMA DE BANDAS CORRESPONDIENTE AL SILICIO. ...................................................................... 35 
FIGURA 2-15. A) BANDA DE ENERGÍAS DE LA UNIÓN PN. B) DIAGRAMA DE BANDAS DE ENERGÍA DE UN FOTOTRANSISTOR 
BIPOLAR POLARIZADO EN LA REGIÓN ACTIVA Y SU REPRESENTACIÓN. .................................................... 36 
FIGURA 2-16. RESPUESTA ESPECTRAL DE UN DISPOSITIVO OPTOELECTRÓNICO......................................................... 37 
FIGURA 2-17. RECTA DE SALIDA DE UN FOTODIODO. ............................................................................................38 
FIGURA 2-18. DIFERENTES ESTRUCTURAS DE FOTODIODOS................................................................................... 40 
FIGURA 2-19. DIFERENTES ESTRUCTURAS DE FOTOTRANSISTORES......................................................................... 41 
FIGURA 2-20. ESTRUCTURA DE UN FOTODIODO VERTICAL ..................................................................................... 42 
FIGURA 2-21. COEFICIENTE DE ABSORCIÓN DEL SILICIO EN EL ESPECTRO VISIBLE. ..................................................... 43 
FIGURA 2-22 EFICIENCIA CUÁNTICA DE TRES DIODOS DE UNIÓN DE 2µM. ................................................................ 44 
FIGURA 2-23. ESTRUCTURA DE UN FOTODIODO LATERAL Y SU CURVA DE RESPUESTA. ................................................ 44 
FIGURA 2-24. ESTRUCTURA DE UN FOTOTRANSISTOR VERTICAL. ............................................................................ 45 
FIGURA 2-25. ESTRUCTURA DE UN FOTOTRANSISTOR LATERAL. ............................................................................. 46 
FIGURA 2-26. ESTRUCTURA DE UN ELEMENTO DE FOTOCOMPUERTA. ...................................................................... 47 
FIGURA 2-27. RESPUESTA DE UN DISPOSITIVO DE FOTOCOMPUERTA TÍPICO.............................................................. 48 
FIGURA 2-28 EFICIENCIA CUÁNTICA PARA UN FOTODIODO Y UN FOTOTRANSISTOR COMPARADO CON EL OJO HUMANO. ..... 48 
FIGURA 3-1 DIAGRAMA EN “Y” PRESENTADO POR GAJSKI Y KUHN PARA EL DESARROLLO DE CIRCUITOS 
MICROELECTRÓNICOS.................................................................................................................. 54 
FIGURA 3-2. REPRESENTACIÓN DE LOS PARÁMETROS PARA EL MODELO LOG-POLAR .................................................. 57 
FIGURA 3-3 REPRESENTACIÓN EN MATLAB DE LA DISTRIBUCIÓN DE CELDAS EN UN ARREGLO POLAR. ............................ 60 
FIGURA 3-4. AMPLIACIÓN DE LA SECCIÓN DE ALTA RESOLUCIÓN O ZONA FOVEAL. ...................................................... 61 
FIGURA 3-5. AMPLIACIÓN DE LA REGIÓN DE BAJA RESOLUCIÓN CORRESPONDIENTE A LA ZONA PERIFÉRICA. .................... 61 
FIGURA 3-6 REGLAS DE DISEÑO DE ACUERDO A LA TECNOLOGÍA UTILIZADA. ............................................................. 63 
FIGURA 3-7 ESTRUCTURA DEL FOTOTRANSISTOR VERTICAL ................................................................................... 64 
FIGURA 3-8. REPRESENTACIÓN A BLOQUES DEL MODELO FOVEAL PROPUESTO. ......................................................... 65 
FIGURA 3-9 REPRESENTACIÓN DEL MODELO CIRCULAR EN COMPARACIÓN CON EL MODELO RECTANGULAR. .................... 66 
 vii
ÍNDICE DE FIGURAS 
FIGURA 3-10 REPRESENTACIÓN RECTANGULAR DEL MODELO FOVEAL. NOTE QUE LA DISTANCIA DEL RADIO ES DE 1.5MM, 
ESTO ES, UN TAMAÑO APROXIMADO DE 3MM DE ANCHO Y UN ÁREA DE INTEGRACIÓN DE 7.068MM2.............. 67 
FIGURA 3-11 REPRESENTACIÓN DE UN MODELO FOVEAL CUADRADO. ...................................................................... 68 
FIGURA 3-12 AMPLIACIÓN DE LA ZONA CENTRAL O DE ALTA RESOLUCIÓN. ................................................................ 68 
FIGURA 3-13 AMPLIACIÓN DEL ÁREA PERIFÉRICA O DE BAJA RESOLUCIÓN. ............................................................... 69 
FIGURA 3-14 REPRESENTACIÓN EN MATLAB DEL ARREGLO DE FOTORRECEPTORES. REPRESENTACIÓN RECTANGULAR 
NORMALIZADO............................................................................................................................ 70 
FIGURA 3-15 (A) IMAGEN DE LENA QUE SIRVE COMO PATRÓN. (B) IMAGEN RESULTANTE CON LA DISTRIBUCIÓN DE 
FOTODETECTORES RECTANGULARES CON 120X120 ELEMENTOS. ........................................................ 70 
FIGURA 3-16 (A) IMAGEN RESULTANTE CON LA DISTRIBUCIÓN DE FOTODETECTORES RECTANGULARES CON 200X200 
ELEMENTOS. (B)IMAGEN RESULTANTE CON LA DISTRIBUCIÓN DE FOTODETECTORES RECTANGULARES CON 
720X720 ELEMENTOS. ................................................................................................................ 71 
FIGURA 3-17 ESTRUCTURA DE UN FOTODIODO VERTICAL ..................................................................................... 72 
FIGURA 3-18 CURVAS DE RESPUESTA DEL SIO2 EN UN DIODO LATERAL. .................................................................. 73 
FIGURA 3-19. RESPUESTA DE LA EFICIENCIA EN UN DIODO DE TIPO VERTICAL PARA TECNOLOGÍA DE 2µM. ...................... 75 
FIGURA 3-20. RESPUESTA DE LA EFICIENCIA EN UN DIODO DE TIPO VERTICAL PARA UNA TECNOLOGÍA DE 0.35µM. ........... 75 
FIGURA 3-21. VARIACIÓN QUE EXISTE DE LA REGIÓN DE DEPLEXIÓN DE ACUERDO A VARIACIONES DE VOLTAJE APLICADO DE 
VALORES DE TEMPERATURA CUANDO SE TRABAJA CON UNA TECNOLOGÍA DE 3.3V. .................................. 76 
FIGURA 3-22.EFECTO DE LA RESPUESTA EN EL ESPECTRO VISIBLE DEL FOTODIODO DE 2µM ANALIZADO CUANDO DISMINUYE 
EL VOLTAJE DE POLARIZACIÓN INVERSO APLICADO A 1V. .................................................................... 77 
FIGURA 3-23 EFECTO DE LA RESPUESTA EN EL ESPECTRO VISIBLE DEL FOTODIODO DE 0.35µM ANALIZADO CUANDO 
DISMINUYE EL VOLTAJE DE POLARIZACIÓN INVERSO APLICADO A 1V ...................................................... 77 
FIGURA 3-24. (A) RELACIÓN ENTRE LA CORRIENTE DE COLECTOR, BASE Y EMISOR CON RESPECTO A LA GEOMETRÍA DEL 
DISPOSITIVO. (B) GRÁFICAS EN DONDE SE OBSERVAN LOS EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN LA CORRIENTE 
INVERSA DE SATURACIÓN Y LA CONCENTRACIÓN DE IMPUREZAS. .......................................................... 82 
FIGURA 3-25 CONFIGURACIÓN DARLINGTON Y CIRCUITO EQUIVALENTE A PEQUEÑA SEÑAL. ......................................... 83 
FIGURA 3-26. MODELO ELECTRÓNICO REPRESENTATIVO PARA EL FOTODETECTOR..................................................... 85 
FIGURA 3-27. SIMULACIÓN SOBRE EL MODELO PROPUESTO EN LA RESPUESTA EN FRECUENCIA. ................................... 85 
FIGURA 3-28 (A) CIRCUITO CONVENCIONAL CON RESPUESTA LOGARÍTMICA. (B) CIRCUITO CON RELACIÓN LINEAL A LA 
INTENSIDAD LUMINOSA................................................................................................................. 86 
FIGURA 3-29 MODELO BÁSICO DE SIMULACIÓN EBERS-MOLL................................................................................. 88 
FIGURA 3-30 RESPUESTA DEL MODELO DE EBERS-MOLL DE UN FOTOTRANSISTOR .................................................... 88 
FIGURA 3-31. ESQUEMAS DEL CIRCUITO PARA SU ANÁLISIS EN SPICE. A) CELDA BÁSICA, B) CELDA DARLINGTON ........... 89 
FIGURA 3-32 CIRCUITO DE CELDA FOTORRECETORA BÁSICA.................................................................................. 90 
FIGURA 3-33 GRÁFICAS DE RESULTADOS DE LA TABLA 3.11 PARA FOTODIODO, FOTOTRANSISTOR Y FOTODARLINGTON DESDE 
1µM X 1µM HASTA UNA SUPERFICIE DE 100µM X 100µM. .................................................................. 95 
FIGURA 3-34. ARREGLO PROPUESTO POR A. DUPRET Y BELHAIRE DONDE LA IDEA ES AUMENTAR EL VALOR DE LA 
CAPACITANCIA Y AUMENTAR EL ANCHO DE BANDA.............................................................................. 98 
FIGURA 3-35 ANCHO DE BANDA PARA EL ARREGLO DE CUATRO TRANSISTORES. ........................................................ 98 
FIGURA 3-36 CIRCUITO DEL MODELO DE CELDAS (A) DE ALTA RESOLUCIÓN Y (B) PERIFÉRICAS...................................... 99 
FIGURA 4-1 GRÁFICA DE RESPUESTA DE CORRIENTE A DIFERENTES INTENSIDADES DE LUZ INCIDENTE EN EL ESPEJO DE 
CORRIENTE. ............................................................................................................................ 105 
FIGURA 4-2 VARIACIÓN DE LA CORRIENTE CON RESPECTO A LA CARGA .................................................................. 106 
FIGURA 4-3 VALORES DE LOS VOLTAJES EN LOS TRANSISTORES M1 Y M2 AL CAMBIO DE ILUMINACIÓN......................... 106 
FIGURA 4-4 ANÁLISIS DE LA CORRIENTE DE CARGA Y EL VOLTAJE EN M2 ................................................................107 
FIGURA 4-5 NO LINEALIDAD EN LA CORRIENTE DE SALIDA. ................................................................................... 107 
FIGURA 4-6 VARIACIÓN DE NIVELES DE INTENSIDAD LUMINOSA. ............................................................................ 108 
FIGURA 4-7 RESPUESTA DE LOS TRANSISTORES M1 Y M2................................................................................... 109 
FIGURA 4-8 VARIACIÓN DE LAS CORRIENTES D LA FUENTE DE AMBOS TRANSISTORES. .............................................. 109 
FIGURA 4-9 RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL ESPEJO DE CORRIENTE.................................................................... 110 
FIGURA 4-10 ANÁLISIS DE FOURIER DE LA SEÑAL DE SALIDA ................................................................................ 110 
FIGURA 4-11 VARIACIÓN DE LA ILUMINACIÓN CON RESPECTO A LOS ELEMENTOS DE UNA LÍNEA HORIZONTAL. ................ 111 
FIGURA 4-12 SENSIBILIDAD DE LA UNIÓN NP EN EL INTERVALO VISIBLE. ................................................................. 112 
FIGURA 4-13. (A) CIRCUITO DE LA CELDA BÁSICA EN CONFIGURACIÓN DARLINGTON. (B) ESTRUCTURA ELEGIDA PARA EL 
DISEÑO DE LOS FOTOTRANSISTORES. ........................................................................................... 113 
FIGURA 4-14. GRÁFICA DE RELACIÓN DEL VALOR DE BETA Y EL ANCHO DE LA BASE. ................................................. 114 
 viii
ÍNDICE DE FIGURAS 
FIGURA 4-15. CURVA DE RESPUESTA DE LA FOTOCORRIENTE A LO LARGO DE UNA LÍNEA HORIZONTAL DEL ARREGLO TOMADA 
DESDE EL CENTRO. ................................................................................................................... 115 
FIGURA 4-16 ESTRUCTURA DEL FOTOTRANSISTOR DE TIPO VERTICAL PARA LA CELDA BÁSICA. ................................... 116 
FIGURA 4-17 DISEÑO DEL FOTOTRANSISTOR BIPOLAR BÁSICO ............................................................................ 118 
FIGURA 4-18 CELDA BÁSICA EN CONFIGURACIÓN DARLINGTON ............................................................................ 119 
FIGURA 4-19 CONJUNTO DE CELDAS PARA EL ÁREA CENTRAL. ............................................................................. 120 
FIGURA 4-20 MODELO FINAL DE LA RETINA ARTIFICIAL TIPO FOVEAL – RECTANGULAR. .............................................. 121 
FIGURA 0-1 CORTE TRANSVERSAL DE LAS CAPAS DE LA RETINA (DARNELL Y COLS. 1990). ........................................ 129 
FIGURA 0-2 ACTIVACIÓN DE LA GMPC FOSFODIESTERASA (DARNELL Y COLS. 1990)................................................ 131 
FIGURA 0-3 A) ESQUEMA DE UN BASTÓN Y DE LOS DISCOS DE LOS ROS (DARNELL Y COLS. 1990). B) MICROFOTOGRAFÍA DEL 
CORTE LONGITUDINAL DEL CUERPO CILIAR DE UN BASTÓN. B: AXONEMA, O: SEGMENTO EXTERNO, I: SEGMENTO 
INTERNO, MT: MICROTÚBULOS. (BARRONG Y COLS. 1992)................................................................. 133 
FIGURA 0-1 ESTRUCTURA DE DOS FOTODETECTORES UTILIZADOS EN LA CAPTACIÓN DEL COLOR. ............................... 138 
 
 
 ix
ÍNDICE DE TABLAS 
ÍNDICE DE TABLAS 
 
TABLA 2-1. MEDIDAS DE LA RETINA HUMANA.............................................................................. 22 
TABLA 2-2. INVESTIGACIONES EN CHIPS DE VISIÓN Y RETINAS ARTIFICIALES .................... 26 
TABLA 2-3. ESTRUCTURAS DE RETINAS ARTIFICIALES MAS REPRESENTATIVAS................. 27 
TABLA 3-1 MATERIALES SEMICONDUCTORES PARA OPTOELECTRÓNICA............................ 55 
TABLA 3-2 PARÁMETROS DE LA TECNOLOGÍA............................................................................... 59 
TABLA 3-3 PARÁMETROS DE DISEÑO................................................................................................ 60 
TABLA 3-4 CÓDIGO DE COLORES PARA LAS DIFERENTES CAPAS DE FABRICACIÓN............ 62 
TABLA 3-5 CARACTERÍSTICAS DE LA TECNOLOGÍA ..................................................................... 62 
TABLA 3-6 PROCESO DE LA REGLA DE DISEÑO............................................................................... 63 
TABLA 3-7. VALORES DE LOS PARÁMETROS PROPORCIONADOS POR EL FABRICANTE PARA 
UNA TECNOLOGÍA DE 2µM.............................................................................................. 74 
TABLA 3-8. VALORES DE LOS PARÁMETROS PROPORCIONADOS POR EL FABRICANTE PARA 
UNA TECNOLOGÍA DE 0.35µM......................................................................................... 74 
TABLA 3-9 FOTOCORRIENTE GENERADA EN LAS TRES CONFIGURACIONES DE 
FOTODETECTORES........................................................................................................... 93 
TABLA 3-10 CARACTERÍSTICAS DE FOTODIODOS COMPARADAS CON UN 
FOTOTRANSISTOR............................................................................................................ 93 
TABLA 3-11 VALORES MAS REPRESENTATIVOS DE LAS CORRIENTES FOTOGENERADAS EN 
DIFERENTES ÁREAS DE INCIDENCIA, PARA UNA β DE 100...................................... 94 
TABLA 3-12 RESULTADOS DEL CIRCUITO FOTODETECTOR BÁSICO......................................... 95 
 
 
 x
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
“Los ciegos son las personas más aisladas del mundo. Yo puedo distinguir un ave 
de otra por su canto; puedo conocer la entrada de mi casa por el dintel, ¿Pero 
podré saber alguna vez lo que hay más allá de los confines del oído y del tacto? 
Solamente los libros pueden liberar a los ciegos, y no hay libros para ellos que 
valgan nada” 
 
Louis Braille 
 
 
 
INTRODUCCIÓN 
CAPÍTULO 1 
 
 
INTRODUCCIÓN 
 
 
 
 
1.1 ANTECEDENTES 
 
Los ojos son órganos muy importantes en el ser humano, ya que junto con el 
cerebro, perciben el mundo, se interpreta, se compara y se da una perspectiva 
de la realidad. Así también es uno de los sistemas por el que el ser humano 
adquiere mucha información del propio mundo exterior, pero también no es 
exclusivo ya que una persona invidente logra desarrollar actividades mentales 
en el área de visión. 
 
Dada la enorme cantidad de información que entra por el sentido de la vista, 
resulta ser uno de los órganos con que el ser humano se encuentra en contacto 
con las cosas que le rodean y en muchos de los casos, es muy importante 
restaurarla en pacientes con enfermedades tales como la retinitis pigmentosa o 
degeneración macular asociada con la edad1 en los que se mantiene sano el 
nervio óptico, existiendo la posibilidad de restaurar la visión mediante señales 
eléctricas provenientes de una retina de silicio. [1][2] [3]. 
 
Lo anterior ha llevado a diversos grupos de investigadores en todo el mundo a 
desarrollar técnicas y procesos de mejoramiento de la visión e incluso, con 
posibilidades de reponerla, por lo que existen numerosos trabajos acerca de 
prótesis e implantes que servirían a pacientes con este problema [4][5][6]. 
 2
 
1 Ver Glosario 
INTRODUCCIÓN 
Entre las universidades y centros de investigación se encuentran: 
- The Harvard Medical School. 
- Massachusetts Eye and Ear Infirmary. 
- Massachusetts Institute of Technology. 
- John Hopkins University. 
- The University of Pennsylvania. 
- The National Institute of Health. 
- National Institute of Neurological Disorders and Stroke. 
- North Carolina State University. 
- Wayne State University. 
- University Eye Hospital of Tubingen, Alemania. 
- Nagoya University, de Japón. 
 
El Dr. David Miller [6], profesor clínico del Harvard Medical School, ha indicado 
que desarrollar un sistema de visión debe ser llevado a cabo desde una 
perspectiva multidisciplinaria. 
 
El trabajo que se realiza en esta tesis, se orienta al estudio y diseño de 
sensores de imagen, siendo uno de los elementos que requiere investigación de 
frontera, sobre todo, en nuevas formas de distribución de los elementos que 
constituyen a las retinas artificiales. En 1970se desarrolló el Dispositivo de 
Carga Acoplada CCD (Coupled Charged Device), con lo cual se incrementó el 
número de aplicaciones en el procesamiento de imágenes, aportando en los 
fundamentos de visión artificial. Pero el campo de la visión artificial se desarrolla 
con sensores de imagen de tipo CMOS (Complementary Metal Oxide 
Semiconductor) que llega a ser fundamental en la investigación sobre retinas 
artificiales. En los últimos años se ha realizado un gran avance dentro de la 
investigación de dichos sensores, por ejemplo, se han diseñado retinas de 
silicio basadas en transistores bipolares, emulando la función de las células que 
conectan grupos de células fotorreceptoras en la retina humana [7] [8] [9]. 
 3
INTRODUCCIÓN 
 
Algunas propuestas de retinas artificiales consisten de un sistema de telemetría 
que utiliza una cámara CMOS que capta la imagen y la manda de manera 
inalámbrica a un circuito receptor, el cual la transmite a un sistema de 
electrodos colocados en las células ganglionares2 de la retina para realizar una 
electroestimulación [10], como se aprecia en la figura 1.1. 
 
También se han investigado los implantes corticales e implantes subretinales, o 
sea, circuitos microelectrónicos con fotodetectores, conectados sobre la retina 
biológica [11] [12]. 
 
 
Figura 1-1 Algunas propuestas de retinas artificiales. “Single Chip CMOS Image Sensors for a retina Implant 
System” Markus Schwartz, Ralf Hauschild, Bedrich J. Hosticka IEEE Transactions on Circuits and Systems. 1999 
 
 
2 Las células ganglionares pertenecen a una de las capas de las que está constituída la retina. En el 
siguiente capítulo se detalla la función de estas células. 
 
 
retina 
Fotorreceptores 
destruidos implante Cámara de video
Láser 
 
ojo Fotorreceptores 
sanos 
Células ganglionares
Retina artificial 
Codificación 
y mapeo 
configurable 
Enlace 
RF y 
D/A 
 4
INTRODUCCIÓN 
Uno de los fenómenos a considerar en el implante de una retina artificial es la 
temperatura de operación de los diferentes fotosensores. En los modelos 
propuestos en las diversas investigaciones, se aborda el problema mediante 
soluciones que no han logrado resolver totalmente los problemas de disipación 
de calor y biocompatibilidad. El grupo de trabajo en el que buscamos soluciones 
al diseño de retinas artificiales hemos propuesto una solución novedosa 
mediante el encapsulamiento en una esfera cerrada de polimetil metacrilato 
(PMMA)3 del sistema electrónico y de los fotodetectores, así el objetivo final 
será contar con una prótesis visual que sea fácilmente insertada en el globo 
ocular [13]. 
 
Figura 1-2 Propuesta de prótesis, donde se encontrará el circuito 
microelectrónico. SEPI ESIME CULHUACAN 
 
Por ello, es necesario estudiar y analizar la estructura del fotosensor, así como 
de conocer los efectos de la tecnología en la respuesta en frecuencia para 
comparar las respuestas del ojo humano y los fotosensores de silicio a fin de 
diseñarlos de manera que respondan lo más cercanamente posible como lo 
hacen los conos y los bastones. Dentro de los diferentes fotodetectores que se 
utilizan actualmente en los sensores de imagen se encuentran los fotodiodos, 
fototransistores y el elemento de fotocompuerta. Este trabajo centra sus 
esfuerzos en el comportamiento de un fototransistor de estructura vertical 
debido a su respuesta en frecuencia y la facilidad de adecuar el área de 
incidencia entre otros factores que se discuten en el capítulo 2. 
 
3 Con el PMMA se realizan actualmente prótesis oculares. 
 5
INTRODUCCIÓN 
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 
 
Diversas propuestas se han desarrollado tratando de imitar la distribución 
espacial que poseen los fotorreceptores en la retina humana. Así, diversos 
trabajos, entre los que se destacan el Dr. Antonio Boluda y el Dr. Fernando 
Pardo de la Universidad de Valencia, proponen mejorar la distribución espacial 
de conos y bastones sobre la retina y que al parecer, los mejores resultados se 
logran mediante el modelo de distribución conocido como transformación log-
polar [14] [15]. En este modelo la mayoría de los fotorreceptores se encuentra 
en el centro y de ahí la distribución de éstos se desvanece mediante una 
función logarítmica. De esta manera, la imagen puede tener una buena 
resolución en el área central, y va disminuyendo hacia la periferia. 
 
El modelo log-polar es muy semejante al funcionamiento de la retina biológica, 
ya que los detalles se van perdiendo en la periferia [16]. Es por ello que un 
diseño adecuado es minimizar el grado de resolución (número de píxeles por 
área) en los fotorreceptores de la periferia, perdiendo precisión pero ganando 
mayores niveles de corriente en ellos. Las soluciones que se pueden realizar 
mediante tecnologías CMOS y CCD, si bien permiten diseñar zonas centrales 
de alta resolución, obligan al diseño de fotorreceptores con estructuras 
diferentes a los que se colocan en los transistores de la periferia [15] llevando 
con ello al problema principal sobre la implantación de fotosensores con formas 
especiales en procesos de fabricación no estándar, realizando incluso, 
lenguajes de programación particulares para esas distribuciones. 
 
En la retina biológica humana, no hay tal variación de tamaño en los conos y 
bastones de que la componen. La parte de alta resolución es un área con un 
gran número de conos, donde su número va disminuyendo en la periferia, pero 
el de bastones se va incrementando. Al parecer, la región de más detalle en la 
retina biológica humana (que recibe el nombre de mácula) se debe a la gran 
cantidad de conos4. 
 
4 Refiérase a la tabla 2.1 del siguiente capítulo. 
 6
INTRODUCCIÓN 
1.3 OBJETIVO 
 
Diseñar un modelo foveal de fotodetectores que ofrezca una respuesta en 
frecuencia similar a la respuesta que tienen los conos y bastones en una retina 
biológica humana, para ello se han utilizado fototransistores bipolares en 
configuración Darlington en la región de alta resolución y fototransistores 
simples agrupados en la región periférica. 
 
 
1.4 PROPUESTA DE SOLUCIÓN 
 
Con base en la distribución espacial de los conos y bastones en la retina 
biológica se hace el siguiente razonamiento para la distribución de 
fotorreceptores en una retina artificial: Primero se deberán tener dos tipos de 
celdas fotorreceptoras (análogas a la función de conos y bastones); segundo, 
se deberá diseñar los fotorreceptores con arquitecturas del mismo tamaño y 
tercero, colocarlas mediante una distribución similar a la de la retina biológica. 
Lo anterior es con el objetivo de construir una estructura foveal, que se destaca 
por su reducción selectiva de información, como se estudia en el capítulo 2. En 
esta tesis se propone la estructura tipo foveal de la retina biológica para que 
sobre esta distribución se coloquen fototransistores bipolares. 
 
Para destacar el comportamiento diferente entre dos fotorreceptores, o sea, 
como conos y bastones en una retina biológica, se emplea un fototransistor en 
configuración Darlington y otro normal o simple5. 
 
 
 
 
 
 
5 Se le dará el término “fototransistor simple” en esta tesis, a aquél que no se encuentre conectado con otro 
u otros fototransistores, como podría ser un par Darlington, par de emisor, etc. 
 7
INTRODUCCIÓN 
1.5 METAS 
 
• Realizar un nuevo modelo de retina artificial en un arreglo rectangular de 
fotodetectores con tecnología CMOS estándar. 
 
• Comparar el modelo foveal propuesto con los modelos polares actuales. 
 
• Modelar la estructura del fotodetector y realizar un estudio de su 
respuesta en frecuencia, fotocorriente generada y corriente de oscuridad. 
 
• Analizar el tiempo de respuesta de conos y bastones deuna retina 
humana y realizar el diseño final del fotodetector. 
 
• Realizar el análisis de sensibilidad a diferentes parámetros, para la celda 
básica de fotodetección. 
 
• Diseñar los fotodetectores (layout). 
 
 
 
 
 
1.6 JUSTIFICACIÓN 
 
El desarrollo de diferentes retinas artificiales, ha llevado a la realización de dos 
tipos de sensores, los de tecnología CCD (Coupled Charge Device) y los de 
CMOS (Complementary metal oxide semiconductor). 
 8
INTRODUCCIÓN 
A pesar de que los sensores con tecnología CCD poseen una mejor resolución 
en la imagen procesada, los sensores CMOS son más pequeños y tienen un 
costo de fabricación relativamente más bajo que los anteriores, debido a que su 
fabricación es un proceso estándar y permite una manipulación más controlada 
acerca de su respuesta en frecuencia. Así mismo, se tiene un mejor 
aprovechamiento del área del semiconductor ya que se puede fabricar junto con 
todo el circuito requerido de procesamiento y control. Debido a que el 
fotodetector es parte de una retina artificial, es importante resaltar que la 
tecnología CMOS consume de 10 a 100 veces menos potencia que su similar 
CCD. 
 
El desarrollo de retinas artificiales reportadas en la literatura especializada 
presenta diversos problemas; entre ellos encontramos, como se mencionó 
anteriormente, el empleo de técnicas especiales de programación para el 
desarrollo del layout, cuando se diseñan formas no convencionales o diferentes 
a los estándares; esto es, el empleo de formas de fotodetectores de tipo 
circular, en espiral y rectangular que, en la mayoría de los casos, se emplean 
en el mismo chip, tanto en tecnologías CCD como en tecnologías CMOS, 
llevando a un diseño complejo. 
 
En esta tesis, a diferencia de las propuestas de retinas reportadas, se propone 
un modelo totalmente rectangular pero sin detrimento del modelo foveal de 
visión. Esto es así, debido a que se emplea un arreglo de fotodetectores iguales 
en la zona central con alta densidad de éstos y en las zonas externas se realiza 
una agrupación de fotorreceptores, que siendo del mismo tamaño, se agrupan 
en celdas de mayor dimensión mediante las uniones o adiciones de celdas 
individuales, formando de esta manera, un modelo foveal. 
 9
INTRODUCCIÓN 
El trabajo de investigación se ha dividido de la siguiente forma: 
 
En el Capítulo 1 se presenta una introducción sobre las consideraciones 
fundamentales que inspiraron la realización de esta investigación, definiendo el 
problema y el objetivo con una explicación general del trabajo. En el Capítulo 2, 
se presenta una explicación básica sobre la anatomía del ojo humano y 
concretamente sobre el funcionamiento de la retina. Se presentan los 
conocimientos básicos de los conos y bastones, conocimiento que sirve de 
base para proponer soluciones al diseño mediante estructuras básicas de 
fotodiodos y fototransistores; además, se muestra el estado del arte de los 
sistemas de fotodetección empleados en estructuras foveales y los modelos 
estudiados sobre retinas artificiales por otros investigadores. En el Capítulo 3 se 
establece el modelo propuesto y se detalla el proceso de diseño de una 
estructura de fotodetección, desde la celda simple con un fototransistor a la 
estructura especial de configuración Darlington, obteniendo el modelo 
electrónico en SPICE. Dentro del Capítulo 4, se exponen los resultados que se 
obtuvieron al hacer el análisis de la estructura propuesta del fotodetector, 
explicando la importancia que tiene ésta dentro del desarrollo de la retina 
artificial y del arreglo rectangular y las agrupaciones de fotodetectores, así 
mismo, se muetra la elaboración del layout de los elementos de fotodetección y 
del arreglo de éstos, utilizando LASI v7.0. Por último, el Capítulo 5 da a conocer 
las conclusiones generales del trabajo. 
 10
INTRODUCCIÓN 
 
1.7 REFERENCIAS 
 
 
 
[1] Kazuo Kyuma, Yasunari Miyake and Hiroshi Kage. Artificial retina Chips. Advanced 
Technology R&D Center, Mitsubishi Electric Corporation. IEEE 1997 pp2304-2308. 
 
[2] Humayun MS, Prince M, de Juan Jr. E, Barron Y, Moskowitz M, Klock IB, Milam AH. 
Morphometric Analysis of the Extramacular Retina from Postmortem Eyes with Retinitis 
Pigmentosa. Invest Ophthalmol & Vis Sci 1999;40:143-148. 
 
[3] Santos A, Humayun MS, de Juan E, Greenberg RJ, Marsh MJ, Klock IB, Milam AH. 
Preservation of the Inner Retina in Retinitis Pigmentosa. Arch Ophthalmol 1997;15: 511-515. 
 
[4] Wentai Liu, Elliot McGucken, Mark Clements. Multiple-Unit Artificial Retina Chipset System 
To Benefit The Visually Impaired. Department of Electrical and Computer Engineering, North 
Carolina State University, 1997. Raleigh, NC 27695-7814. 
 
[5] Prado León, Lilia. Psicología de la Visión. Centro de Investigaciones en Ergonomía. 
Consulatdo el 19 de abril de 2005 
http://www.cuaad.udg.mx/lprado/prtal-psic/ 
 
[6] Luke Theogarajan, John Wyatt, Joseph Rizzo, Bill Drohan,. Minimally Invasive retinal 
Prosthesis. MIT Cambridge, MEEI Boston, UA Boston. ISSCC 2006. session 2 Biomedical 
Systems. 
 
[7] Markus Schwartz, Ralf Hauschild, Bedrich J. Hosticka, Jurgen Huppertz, Thorsten Kneip. 
Single-Chip CMOS Image Sensors for a retina implant System. IEEE Transactions on Circuit 
and Systems-II: Analog and Digital Signal processing. Vol 46 No.7 July 1999. pp870-877 
 
[8] Chang-Yu Wu, Hsin-Chin Jiang. An Improved BJT-Based Silicon Retina with tunable Image 
Smoothing Capability. IEEE Transactions on very large Scale Integration (VLSI) Systems Vol.7 
No.2 June 1999. pp 241-248 
 
[9] Yu-Chuan Shih and Chung-Yu-Wu. An Optimized CMOS Pseudo-Active-Pixel-Sensor 
Structures for Low Dark Current imager Applications. IEE 2003 I-809 – I-812 
 
[10] Daniel Palanker, Alexander Vankov, Phil Huie, Stephen Baccus. Design of a high resolution 
optoelectronic retinal prótesis. Department of Ophthalmology and Hansen Experimental Physics 
Laboratory, Stanford University. Institue of Physics Publishing 2 (2002). S105-S120. Frebuary 
22, 2005. 
 
[11] Patrick J. Rousche and Richard A. Normann. Chronic Intracortical Microstimulation (ICMS) 
of cat Sensory Cortex using the Utah Intracortical Electrodo Array. IEEE Transactions on 
Rehabilitation Engineering Vol.7 No1. March 1999. pp56-68 
 
[12] Joseph F. Rizzo, John Wyatt, John Loewenstein, Shawm Kelly and Doug Shore. 
“Perceptual Efficacy of Electrical Stimulation of Human Retina with a Microelectrode Array 
during Short-Term Surgical Trials”. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 44 5355-69. 2002 
 
 11
http://www.cuaad.udg.mx/lprado/prtal-psic/
INTRODUCCIÓN 
 
[13] Luis Niño-de-Rivera, Miguel A. Romo, Alejandra Alcalá D, Ricardo Calzada S, José A. 
Loaiza, j Luis del Río V, Vasyl M. Rashkovan. A new Encapsulated Biocompatible Vision 
Prótesis for Blind Patients. International Conference on Electrical and electronics Engineering 
2004. pp 510-513 
 
[14] Antonio Boluda Grau. Visión log-polar y arquitectura especiales de procesamiento de 
imagines. Departamento de informática. Universidad de Valencia. 2000 
 
[15] Fernando Pardo Carpio. “Sensor Retínico Espacio Variante basado en Tecnología CMOS”. 
Departamento de Informático y Electrónica. Universidad de Valencia. Septiembre . 1997 
 
[16] Jose A. Boluda, Fernando Pardo, Joan Pelechano. Reconfigurable architectures for 
machine perception. An approach for autonomous vehicle navigation. Departament 
d’Informática. Universitat de València.. C/ Doctor Moliner, 50. 46100 Burjassot, SPAIN.2000
 12
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 2 CONSIDERACIONES 
TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
CAPÍTULO 2 
 
 
CONSIDERACIONES TEÓRICAS 
Y ESTADO DEL ARTE 
 
 
INTRODUCCIÓN 
Entre los modelos propuestos de retinas artificiales, destaca en importancia 
la técnica log-polar, ya que de esta manera es posible acercarse al modelo 
real de retina biológica. Los procesos de diseñode diversos modelos, han 
llevado a problemas de construcción tanto en tecnología CCD como CMOS 
ya que utilizan variadas formas de fotodetectores desde el centro hasta la 
periferia. En este capítulo se dan conocer algunos conceptos importantes 
sobre cómo funciona la retina humana y en especial, los conos y bastones, 
puesto que es fundamental para el diseño del modelo propuesto. Así 
también se menciona el trabajo actual sobre visión artificial y del modelo 
foveal, para poder ubicar al lector en el problema de considerar un modelo 
de retina artificial. Con ello, se aborda el estudio de los semiconductores 
que, desde el punto de vista de éste trabajo, se concentra en el fenómeno 
fotoeléctrico, llegando al proceso de fotodetección y las características 
asociadas con ello, ya que la propuesta es diseñar un fototransistor bipolar y 
en este elemento la importancia de diseño radica en el grado de dopaje, las 
dimensiones de las diferentes capas, en especial la de la base, ganancia de 
corriente, etc. Por último se presentan los conceptos de estructuras de 
fotodetección y sus diferentes modelos con diversos fotosensores. 
 
2.1 ANATOMÍA DEL OJO Y LA RETINA 
 
El ojo es una esfera compuesta básicamente por tres tipos de capas: La 
esclerótica, la coroides y la retina. Toda la información visual llega de forma de 
energía radiante desde una fuente de luz o el reflejo de ella en los objetos y que 
finalmente llega al ojo. 
 14
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
El funcionamiento del ojo, es análogo o muy parecido al de una cámara 
fotográfica [1] [2] [3]. La Figura 2-1, muestra las partes esenciales del ojo 
humano. 
 
El ojo no es esférico en su totalidad, tiene un diámetro de 2.5 cm 
aproximadamente. La parte frontal está un poco más curvada y está cubierta 
por una membrana dura y transparente conocida como córnea. La región que 
está detrás de la córnea contiene un líquido llamado humor acuoso. 
Adentrándose un poco más, se encuentra el cristalino, que consiste en una 
cápsula gelatinosa fibrosa y que se mantiene en su lugar mediante ligamentos 
que lo unen al músculo ciliar. En la parte de atrás de esta lente, se encuentra el 
humor vítreo. 
 
La retina es el elemento fundamental en el proceso de visión humana. Así 
entonces, la imagen se forma en la retina, que reviste la superficie posterior 
interna del ojo. Ésta se encuentra constituida, principalmente, de dos tipos de 
células fotorreceptoras, llamadas conos y bastones. 
 
Los conos y los bastones de la retina actúan como un ordenamiento de 
fotoceldas que captan la imagen y la transmiten por el nervio óptico, hacia el 
cerebro. La visión más aguda y de mayor resolución, se encuentra en la fóvea, 
que tiene un diámetro aproximado de 0.25 mm. 
 
A continuación se da una explicación general de las partes principales que 
servirán como base de estudio para la retina artificial y que ayudan a 
comprender el proceso de fotodetección. 
 
Anatomía [3] [4] [5] 
La esclerótica es la capa que recubre el globo ocular, con excepción del frente. 
Es una membrana fibrosa, opaca y resistente para protección del ojo. 
 15
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
 
 
Figura 2-1 Anatomía del ojo humano 
 
La retina es la superficie sensible a la luz que recibe la imagen. Se encuentra 
en contacto con la coroides y la cubre hasta el iris. En ella se proyectan las 
imágenes y de ahí se trasmiten al sistema nervioso central. 
 
La retina contiene los neuroreceptores sensibles a la luz: Los conos y los 
bastones. De ella parte el nervio óptico, por lo que se dice que es una extensión 
del mismo. 
 
Por otra parte, los conos son elementos fotosensibles los cuales son los 
responsables de las sensaciones cromáticas o visión del color y de la agudeza 
visual y sensible a estímulos luminosos de niveles altos. Existen 7 millones de 
conos aproximadamente, distribuidos en toda la retina6. Sin embargo, la 
mayoría de los conos se concentra en la parte central de la retina denominada 
fóvea. 
 
6 Valor tomado de Tratado de fisiología médica de C. Guyton, J. E. Hall.. 10 edición. McGraw Hill, 
México 2001 
 16
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
Los bastones al igual que los conos, son elementos fotosensibles pero 
solamente a la presencia o ausencia de luz, o sea, la visión en blanco y negro o 
tonos de grises y a estímulos luminosos de bajo nivel. Hay aproximadamente 
130 millones de bastones en la retina. La mayoría de estas células se 
encuentran distribuidas en la periferia, logrando así, un grado de visión en la 
oscuridad. 
 
La fóvea es una zona de la retina, ubicada en el área central y que resuelve la 
imagen con el mayor detalle y en color. En la fóvea se encuentran la mayor 
parte de los conos (aproximadamente cinco millones de conos y casi ningún 
bastón). Ordinariamente la más pequeña área de sensibilidad de la fóvea es 
para el verde, luego el rojo, después el amarillo y por último el azul. 
 
La importancia radica, para este trabajo, en el funcionamiento de la retina. En la 
Figura 2-2 se puede observar el esquema de la retina humana donde se 
aprecian las diferentes partes o regiones de células de que se compone. 
 
Figura 2-2 . Anatomía de la Retina Humana 
Las células fotorreceptoras se conectan con otras, las cuales son llamadas 
células bipolares y que a su vez, se encuentran conectadas a una tercera capa, 
llamada células ganglionares, donde sus axones constituyen las fibras del 
nervio óptico. 
 17
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
Las células bipolares se encuentran conectadas con las terminaciones 
sinápticas de los fotoreceptores y transmiten las señales hacia las células 
ganglionares. En la retina humana se han descrito nueve tipos de células 
bipolares, de las cuales, ocho corresponden a células bipolares para conos y 
solo uno para bastón, como se observan en la Figura 2-3. 
 
Las células ganglionares (ver Figura 2-4) tienen ramificaciones que forman 
sinápsis con las terminaciones de las células bipolares y amacrinas. Su axón se 
sitúa a nivel de la capa de las fibras del nervio óptico y sólo se mieliniza a nivel 
del nervio óptico. 
 
Figura 2-3 Tipos de Células Bipolares 
 
 
Figura 2-4 Esquemas de Células Ganglionares Figura 2-5 Fotografías de Células Horizontales 
 
 18
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
Todas las retinas de los mamíferos contienen varios tipos de células de 
asociación lateral llamadas células horizontales. En la Figura 2-5 se observa 
una fotografía, a través de un microscopio, de estas células. Los estudios 
recientes, apoyados en microscopía electrónica, han demostrado que en la 
retina humana existen tres tipos de células horizontales. Las células 
horizontales de tipo I no poseen axón y se conectan principalmente con conos 
rojos y verdes. Las células horizontales de tipo II, o células horizontales con 
axón, se conectan principalmente con conos azules pero también con otros 
tipos de conos y únicamente con conos azules a nivel de su axón. Las células 
horizontales de tipo III son semejantes a las células de tipo I pero son de mayor 
tamaño y nunca se conectan con conos azules. 
 
Los estudios sobre los fotodetectores de la retina, muestran que se libera un 
neurotransmisor llamado glutamato cuando se encuentran en condiciones de 
oscuridad, manteniendo su despolarización. Con la estimulación luminosa, los 
fotoreceptores se polarizan, con lo que cesa la liberación del neurotransmisor. 
Las células horizontales también responden a la luz de igual manera. Un 
pequeño circuito local se forma a nivel de las terminaciones de los 
fotoreceptores y las células horizontales, llevando información a lo largo de toda 
la retina. 
 
Existe otro conjunto de células, las llamadas células amacrinas y que fueron 
descritas por primera vez por Dogiel y los estudios del Dr. Ramón yCajal y que 
permitieron conocer su morfología, distribución y tipos celulares. Estas células 
presentan un cuerpo celular situado en la capa nuclear interna y unas 
prolongaciones que se extienden por la capa plexiforme interna. No reciben 
conexiones directas de los fotoreceptores, sino sólo de células bipolares y de 
otras células amacrinas, estableciendo a su vez conexiones con células 
ganglionares y retroalimentando también a las células bipolares. En la Figura 
2-6 y Figura 2-7 se puede observar la fotografía de éstas células en el 
microscopio y el modelo dibujado por el Dr. Ramón y Cajal. 
 19
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
 
 
 
Figura 2-6 Fotografía de Células Amacrinas Figura 2-7 Representación de la estructura de la retina 
de los trabajos del Dr. Ramón y Cajal 
 
Aunque no es el tema principal el de conocer la función de todos estos grupos 
de células, es importante mencionarlo ya que dentro de la investigación se hace 
una propuesta, en el modelo rectangular de retina, donde es posible realizar 
también, alguna función de estas células. En el capítulo 3 se retoma 
nuevamente esta idea y se detalla la forma en que el arreglo rectangular puede 
contribuir a conocer el efecto de dichas células en la forma de visión. 
 
El diseño de una retina artificial tiene un grado de complejidad enorme. Conocer 
y estudiar el modelo de cada grupo celular es de gran importancia; sin embargo, 
para efectos de esta tesis me centraré en el estudio de las células 
fotodetectoras. Cabe señalar que el comportamiento de un cono es 
completamente distinto al de un bastón, esto es, cuando llega una ráfaga de 
fotones a un cono, su respuesta es sumamente pequeña con relación a la 
respuesta que produce a esa misma ráfaga un bastón7 [6]. Esto significa que 
para que un cono genere respuesta le tiene que llegar luz de muchísima mayor 
intensidad que la necesaria para que un bastón reaccione. A cambio de esto, la 
respuesta de un cono es del orden de cuatro veces más rápida que la de un 
bastón. Así por ejemplo, a un bastón le lleva 300 milisegundos desde que 
recibe un fotón hasta que termina de procesar y enviar la señal a la siguiente 
etapa. 
 
7 La respuesta de las células fotrreceptoras se basa en el funcionamiento a nivel bioquímico. Refiérase al 
apéndice A para conocer el proceso en mayor detalle. 
 20
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
 
Los conos responden mucho más rápidamente y son los elementos que 
codifican los estímulos visuales que cambian con mucha velocidad, y permiten 
detectar cambios rápidos tanto en la intensidad como en los movimientos. 
Modelando a la retina como dos sistemas de fotodetección, se puede tomar 
como uno de ellos al formado por los bastones, que es extraordinariamente 
sensible a la luz de muy baja intensidad y que se satura cuando el nivel de 
iluminación es alto. El otro, el de los bastones, no tienen capacidad de registrar 
movimientos o cambios muy rápidos. [6]. 
 
Las dimensiones de la retina humana se presentan en la tabla 2.1. Estos datos 
son importantes debido a que a partir de ellos se debe determinar el tamaño del 
chip, así como los factores que definen el grado de resolución que debe tener 
un fotodetector en la retina artificial. 
 
Las dimensiones de los conos y bastones se encuentran aproximadamente en 
1µm de diámetro y 25µm de largo. En la Figura 2-8 se muestra la estructura de 
un cono y de un bastón de la retina humana. 
 
 
Bastones [7] 
Los bastones, son las células fotodetectoras que se activan solo en la luz de 
baja intensidad y son tan sensibles que pueden producir una señal a partir de 
un solo fotón. Esta gran capacidad de eficiencia hace que no puedan responder 
de manera satisfactoria a niveles muy altos de iluminación y no puedan 
tampoco, percibir el color. 
 
Los bastones son células alargadas, miden aproximadamente 50µm x 3µm y se 
encuentran orientados de manera paralela entre sí y perpendiculares a la retina. 
Están compuestos por dos segmentos: externo e interno, una región nuclear y 
una región sináptica. 
 21
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
TABLA 2-1. MEDIDAS DE LA RETINA HUMANA8 
Medida Valor 
Tamaño de la Retina 42 mm2 
Tamaño del Disco Óptico 2 x 1.5 mm 
Posición de la Fóvea 17º temporal 
Tamaño de la Mácula 3 mm muy pigmentados, rodeados por una zona 
de menor pigmentación de 1mm 
Tamaño de la Fóvea 1.5 mm aproximadamente 
Tamaño de la Zona Central Entre 250 y 570 µm2 
Espesor de la Fóvea 400 µm 
Máxima Densidad de Conos en la zona central de la Fóvea 161 900/mm2 
Número Total de Conos en la Fóvea 200 000 aproximadamente 
Número de Conos en la Retina 6 400 000 aproximadamente 
Número de Bastones en la Retina Entre 110 000 000 a 125 000 000 
Distribución de los Bastones No existen bastones en la región central. La 
densidad máxima está en 18º desde el centro de 
la fóvea, 160000 bastones/mm2 
Número de Axones en el Nervio Óptico 1200 000 aproximadamente 
Proporción de conos por células ganglionares en la Fóvea 1 cono por cada 2 células 
Proporción de conos por células del epitelio pigmentario 30 conos por célula 
Proporción de bastones por células del epitelio 
pigmentario 
De 22 a 28 bastones por cada célula 
 
 
Figura 2-8. Esquemas de un bastón y un cono. 
 
 
8 Valores tomados de http://www.webvision.umh.es/webvision en julio de 2005 
 22
http://www.webvision.umh.es/webvision
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
El segmento externo del bastón, tiene varios cientos de laminillas membranosas 
aplanadas en donde cada una forma un disco. Cada disco está compuesto por 
un espacio de 8nm. Las membranas contienen rodopsina que es un pigmento 
sensible a la luz. La forma en como se realiza todo este proceso se puede 
observar en el Anexo A. 
 
 
Conos [7] 
Los conos se activan bajo luz brillante y producen mayor agudeza visual que los 
bastones, como ya se ha comentado anteriormente. Los conos son células 
alargadas que miden aproximadamente 60 x 15 µm, y su estructura es 
semejante a la de los bastones, en donde el segmento externo parece tener 
forma cónica, están separados de la membrana plasmática. Las proteínas son 
producidas en el segmento interno de los conos y son sensibles a los colores. 
 
Existen tres variedades de conos, cada uno de los cuales contiene una variante 
del fotopigmento yodopsina. Cada variedad de yodopsina tiene una sensibilidad 
máxima a los colores rojo, verde y azul. 
 
El modo de funcionamiento de los conos es similar al de los bastones, solo que 
la intensidad lumínica para poder excitarlos es mayor y como se ha 
mencionado, son sensibles a los colores. 
 
Pero en ambos casos, para conos y bastones, se observa que se trata de dos 
tipos de células nerviosas especializadas que para la transmisión de la 
información no emplean una señal eléctrica, sino que emplean un sistema de 
intercambio de iones de sodio que realiza la sinapsis con el resto del tejido de la 
retina. 
 23
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
2.2 VISIÓN ARTIFICIAL 
 
Una vez vista la forma básica que tienen las células de fotorrecepción, se da 
una explicación para desarrollar una visión artificial. 
 
La visión humana se considera fundamental en la adquisición de gran cantidad 
de información. Dentro del mundo animal, existen diversas formas de ella, sin 
embargo, el ojo humano se encuentra entre las mejores estructuras. El ser 
humano recibe una gran cantidad de datos por medio de estímulos visuales que 
posteriormente son interpretados por el cerebro y, es por ello, que la 
preocupación de restaurar la visión de personas que la han perdido, resulta de 
suma importancia. Actualmente existen dos padecimientos importantes que 
llegan a la pérdida de la visión: la retinitis pigmentosa y la degeneración 
macular causada por la edad [8]. 
 
Laretinitis pigmentosa ocurre en uno de cada 4000 nacimientos, que 
corresponde a 1.5 millones de personas en el mundo. La degeneración macular 
causada por la edad es la mayor causa de ceguera en personas mayores. Cada 
año, 700 000 personas son diagnosticadas con ésa enfermedad. 
 
Durante los últimos 40 años aproximadamente, muchos investigadores han 
aportado diversos estudios sobre modelos de retinas artificiales, con el 
propósito de mejorar o recuperar la visión de personas afectadas. El Dr. Runge 
en 1966 desarrolló un modelo de retina electrónica utilizando componentes 
discretos, que para 1970, Fukushima la diseña ya con 700 fotorreceptores. Pero 
el avance más importante de las retinas artificiales, se encuentra en la década 
de los noventa, debido al avance de las técnicas en circuitos integrados 
analógicos VLSI [9]. 
 24
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
La importancia de considerar la retinitis pigmentosa y la degeneración macular 
relacionada con la edad, como un problema que requiere soluciones, impulsa al 
estudio de posibles soluciones mediante prótesis retinianas. La retina artificial 
requiere de la buena funcionalidad del nervio óptico. Los primeros estudios 
consistentes en la estimulación eléctrica mediante sistemas bipolares, se 
reportan en el año de 1988, el Dr. Humayun y el Dr. Eugene de Juan del Wilmer 
Eye Institute y John Hopkins University, quienes lograron demostrar que una 
persona ciega podía ver algunos puntos de luz (fosfenos) mediante la 
estimulación de las células ganglionares, probaron de esta manera que las 
capas de la retina mantenían su función a pesar del daño sufrido por la 
disfunción de los conos y bastones [10][11]. 
 
En un proyecto sobre un implante retiniano, el Dr. Joseph F. Rizzo comenta 
que el objetivo primordial de la investigación por el grupo MEET-MIT es la 
prueba en humanos. El método de los investigadores incluye el uso de un 
micro-electrodo en contacto con la retina. Los voluntarios fueron cinco personas 
ciegas con retinosis pigmentaria y otro con vista normal. En los mejores casos, 
los voluntarios pudieron distinguir dos spots de luz manejando dos electrodos 
separados por dos grados de ángulo visual [12]. 
 
Por su parte, el Dr. Mark S. Humayun, del Intraocular Prosthesis Group, Wilmer 
Ophthalmological Institute, Johns Hopkins University (Baltimore, EE.UU.) 
presentó los resultados de un estudio sobre estimulación eléctrica en retinas de 
personas ciegas [13]. 
 
A continuación, en la tabla 2.2, se presentan los trabajos que se han 
desarrollado o están en proceso, sobre el conocimiento en sensores de visión 
que es la base para retinas artificiales [14][15]. 
 25
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
TABLA 2-2. INVESTIGACIONES EN CHIPS DE VISIÓN Y RETINAS ARTIFICIALES 
Grupo de Trabajo Investigación 
Carver Mead del Instituto Tecnológico de 
California 
Aplicación de VLSI en modelos biológicos de visión, coclea 
y sistemas neuronales. 
 
Christoph Koch de Caltech Modelado de sistemas de nervios biológicos y la posibilidad 
de diseñarlos en VLSI. 
 
Andreas Andreou de la Universidad Johns 
Hopkins 
Chips analógicos VLSI del proceso auditivo y de retinas 
tempranas de visión. 
 
Marc Tremblay de la Universidad de Laval Diseño y desarrollo de sensores inteligentes en VLSI en 
detección del movimiento. 
 
Universidad Linkoping en Suecia Cámaras fotográficas de visión con capacidades de proceso. 
 
Universidad de Adelaide en Australia Detección de visión del movimiento de un insecto. Primer 
chip de visión de un insecto diseñado en 1992. 
 
Consorcio de IMEC e IBIDEM Diseño de sensores variables espaciales 
 
Grupo de investigación del MIT Chip CMOS de momento y orientación de la imagen. Chip 
CCD/CMOS para el alisamiento y segmentación de la 
imagen. Chip de extracción de la característica de imagen 
del CCD. Sensor de movimiento en el CCD. 
Laboratorio en ETCA, Francia Diseño de sistemas inteligentes con retinas artificiales 
programables. 
 
Universidad Meridional de Illinois Diseño de chips de visión en tiempo real para automóviles y 
robótica. 
 
Laboratorio de Haotr-Aizawa, Universidad 
de Tokio 
Sensores de compresión de imagen. 
Mitsubishi Diseño de neurochips ópticos. Interconexión óptica y red 
nerviosa. 
 
Juan Harris dirige al grupo de cómputo 
análogo en la universidad de la Florida 
Circuitos análogos VLSI para el proceso sensorial, las redes 
nerviosas, y los modelos neurobiológicos. 
 
El grupo VLSI en la universidad de Sevilla 
en España 
Desarrollo de chips de visión basados en las redes celulares 
nerviosas. 
 
 26
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
2.3 MODELO FOVEAL 
 
Los estudios de las diferentes estructuras de retinas artificiales han resultado en 
una diversidad de formas verdaderamente interesantes, y que se pueden 
diferenciar en dos categorías: los chips de procesamiento espacial y los de 
procesamiento espacio – temporal. El trabajo de esta tesis se centra en la 
primera categoría, ya que se refiere al proceso de detectar la imagen. La 
segunda categoría se refiere a un procesamiento de la imagen además de su 
detección y se basa principalmente en circuitos de procesamiento lógico y redes 
neuronales. En la tabla 2.3 se encuentra un resumen de las características 
principales de algunas retinas artificiales de procesamiento espacial9. 
 
TABLA 2-3. ESTRUCTURAS DE RETINAS ARTIFICIALES MAS REPRESENTATIVAS10 
Nombre Forma del arreglo 
Retina de Silicio de Mahowald y Mead Red hexagonal de resistencias 
Retina Adaptada de Mead Fototransistores parásitos en CMOS 
Retina Artificial Booleana de Bernard Red de 65x76 fotosensores y compuertas lógicas 
que la hacen programable. Proceso CMOS de 2um. 
Retina de Silicio de Andreu y Braham Red hexagonal distribuidas en 210x230 sensores. 
Circuitos de proceso con 5900 transistores. 
Filtro de Imagen Gaussiana de Kobayashi Red hexagonal de resistencias con 45x40 
fototransistores. 
Sensor PASIC Arreglo de 128x128 fotodetectores, convertidor 
A/D y circuito de procesamiento. 
Chip CCD foveal Arreglo rectangular en el centro y 30 capas 
excéntricas con 64 fotodetectores cada una. 
Chip CMOS foveal Similar al anterior pero con tecnología CMOS 
Sensor Foveal CMOS de Wodnicki Alta densidad de fotodetectores en el centro y 
utilizando un mapa log-polar. 
Chip Central y de Localización de Deweerth Arreglo de 160x160 Fototransistores en tecnología 
BiCMOS donde los transistores bipolares reducen el 
ruido. 
 
 
9 Refierase al anexo B para conocer los diferentes circuitos de las retinas artificiales que se han 
desarrollado. 
10 Datos tomados del libro Vision Chips de Alireza Mohín de la Universidad de Australia. 
 27
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
Sin embargo, la estructura de fotodetectores que más se acerca a la 
distribución que se tiene en una retina humana, es la que se ha mencionado 
anteriormente como modelo foveal [16][17]. Comencemos con algunos datos 
representativos e importantes. 
 
Los conos y los bastones se distribuyen en toda la retina, pero en la zona 
central de la fóvea, solamente hay conos y su densidad, que en el centro es de 
1.5millones/mm2 aproximadamente, disminuye hacia el borde. La densidad de 
bastones, crece a partir de la fóvea pasando por un máximo de 160mil/mm2 a 
unos 6mm del centro de la fóvea para terminar con 50mil/mm2 al borde de la 
retina [14][16]. Teniendo en cuenta que el total de las células fotorreceptoras es 
de 130 millones y que el número de fibras del nervio óptico es de 
aproximadamente un millón, debe suceder que cada célula ganglionar recibe a 
través de las bipolares, la información de varias fotorreceptoras. Lo anterior es 
un dato muy interesante y se retomará en el capítulo 3 durante el diseño del 
modelo de retina. Sin embargo, es importante observar que el modelo foveal 
está basado en la distribución de fotodetectoresen la retina. 
 
Ahora bien, la representación log-polar [16], es la transformación de puntos del 
plano polar, que es el plano de la imagen (r,θ), al plano cartesiano (ζ,γ)11. 
 
Figura 2-9. Estructura log-polar empleado en un sensor de imagen. 
 
11 El plano polar también llamado plano retínico y al plano cartesiano, llamado plano cortical, dentro de la 
terminología de las retinas artificiales, sobre todo en los trabajos del Dr. Antonio Boluda de la Universidad 
de Valencia. 
 28
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
La estructura de un sensor log-polar como se puede observar en la Figura 2-9, 
debe estar formada por anillos concéntricos, debido a que presenta una 
característica interesante que es la reducción selectiva de la información. La 
imagen conserva suficiente resolución en el centro de la imagen, mientras que 
la disminuye hacia la periferia, reduciendo así, la cantidad de información a 
procesar. 
 
Como se comentó anteriormente, existen dos tecnologías en donde se han 
realizado sensores de tipo log-polar: La de CCD y la de CMOS. 
 
De una manera general, el sensor para una retina artificial de tipo CCD está 
compuesto por un conjunto de CCDs circulares, un sector ciego que contiene el 
circuito de lectura y normalización de cargas, un amplificador de salida y una 
fóvea, que se trata de una matriz rectangular. 
 
Para el sensor CMOS se tienen varias ventajas, como lo es el bajo voltaje de 
trabajo, bajo consumo de corriente y bajo costo de fabricación, entre otras. En 
la Figura 2-10 se pueden observar dos modelos representativos de la 
tecnología CMOS y en la Figura 2-11 el perteneciente a la tecnología CCD. 
[14][15][16]. 
 
(a) 
 
(b) 
Figura 2-10 . Modelo con tecnología CMOS desarrollada por: (a) el consorcio de IMEC – IBIDEM y (b) fabricada 
por Wodnicki. 
 
 29
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
 
 
Figura 2-11 Modelo con tecnología CCD de IMEC12 
 
 
2.4 CONCEPTOS DE SEMICONDUCTORES 
 
Una vez conocida la estructura de la retina humana, es necesario conocer en 
qué tipo de estructura y modelo de fotorreceptor se realiza el nuevo modelo de 
retina artificial. Para ello es importante conocer algunos detalles del efecto 
fotoeléctrico13 y de semiconductores. 
 
 
2.4.1 Electrones y Huecos. 
Cuando un electrón es excitado térmicamente hacia la banda de conducción, 
deja un vacío en la bada de valencia. Este vacío, que tiene una carga neta 
positiva, debido al electrón faltante, se conoce como hueco. Si los electrones en 
la banda de conducción de un semiconductor son originados únicamente por 
agitación térmica, existirán un número igual de huecos en la banda de valencia, 
porque cada uno de los electrones libres, excitados térmicamente deja un 
hueco. Si el número de huecos y electrones son iguales, se conoce como 
semiconductor intrínseco [17][18]. 
 
12 Figuras tomadas de la tesis del Dr. Fernando Carpio, “Sensor Retínico Espacio Variante Basado en 
Tecnología CMOS“ de la Universidad de Valencia. 
13 Referirse al apéndice C sobre detalles del efecto fotoeléctrico. 
 30
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
Cuando a un semiconductor se le agregan átomos donadores y aceptores, las 
concentraciones netas de equilibrio de huecos y de electrones no es la simple 
suma de concentraciones de impurezas. En cualquier semiconductor a una 
temperatura finita, los pares electrón-hueco se generan mediante agitación 
térmica (ley de acción de masas) [17][18]: 
2
ioo npn = (2.4.1) 
 
Donde n0 y p0 son las concentraciones de equilibrio de electrones y de huecos, 
respectivamente y ni representa la concentración intrínseca de portadores del 
semiconductor. El valor de ni depende de la temperatura y está dada por: 
KT
E
oi
g
eTAn
0
32 −= (2.4.2) 
 
Donde T está en grados Kelvin y K es la constante de Boltzman. La constante 
A0 y el espacio de banda a temperatura cero Eg0, son propiedades específicas 
del semiconductor. En un semiconductor intrínseco, se tiene: 
inpn == 00 (2.4.3) 
 
Los valores de n0 y p0 deben respetar la neutralidad de las cargas. La 
neutralidad de cargas requiere que la densidad de carga positiva en cualquier 
punto del cristal sea igual a la densidad de carga negativa [17][18][19]. 
 
La densidad de carga positiva total está dada por las densidades locales 
combinadas de huecos y de núcleos iónicos donadores positivos. Similarmente, 
la densidad total de carga negativa está dada por las densidades locales 
combinadas de electrones y de núcleos iónicos aceptores negativos. Así, la 
condición de neutralidad de cargas es: 
00 nNNp AD +=+ (2.4.4) 
 
donde NA y ND son las concentraciones de aceptores y donadores, 
respectivamente. 
 31
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
2.4.2 Densidad de corriente de desplazamiento y de difusión.14 
 
Los huecos y los electrones pueden contribuir a la conducción de corriente 
mediante un mecanismo llamado desplazamiento [18][19]. El flujo de la 
corriente de desplazamiento es el proceso físico fundamental descrito por la ley 
de Ohm. Este mecanismo se puede comprender considerando los electrones (o 
huecos) en el volumen de material que se muestra en la Figura 2-12. Este 
material puede ser un metal o un semiconductor. 
 
Figura 2-12. Corriente de desplazamiento. 
E 
Campo 
in 
A
Sección 
transversad
 
Si se aplica un voltaje externo a través del material, se crea un campo eléctrico 
interno, haciendo que se aceleren los electrones libres. Después de viajar una 
corta distancia, un electrón tendrá una colisión con el núcleo de un ión 
estacionario, perdiendo gran parte de su velocidad acumulada. Después de la 
colisión, el electrón quedará libre para acelerarse de nuevo, antes de su 
siguiente colisión. Si su movimiento se promedia, es posible deducir que se 
mueve a una velocidad de desplazamiento promedio, proporcional al campo 
eléctrico: 
Ev ee
rv µ−= (2.4.5) 
 
La constante de proporcionalidad µe se conoce como movilidad electrónica. 
Dado que el electrón tiene una carga negativa, su velocidad de desplazamiento 
es opuesta a la dirección de E [19]. 
 32
 
14 Corriente de desplazamiento, en inglés Drift Current, que se maneja en la terminología de 
semiconductores. 
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
La corriente entonces, se puede expresar de la siguiente manera: 
 
( )( )
ev
dx
Adxqni −= (2.4.6) 
Aqnvi e−= (2.4.7) 
EAqni eµ= (2.4.8) 
 
Donde n es la concentración de electrones libres, A es el área trasnversal y q la 
carga del electrón. La densidad de corriente J está definida por el flujo total de 
corriente por unidad de sección transversal. La densidad de corriente debido al 
campo eléctrico, es entonces: 
A
iJ drift = (2.4.9) 
edrift qnvJ −= (2.4.10) 
EqnJ edrift µ= (2.4.11) 
EJ drift σ= (2.4.12) 
 
Donde σ se conoce como la conductividad del material. Debido a que en un 
semiconductor se encuentran tanto electrones como huecos, se puede decir 
que: 
driftndriftedrift JJJ −− += (2.4.13) 
EqpEqnJ nedrift µµ += (2.4.14) 
 
que es la corriente total de desplazamiento. 
 33
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y ESTADO DEL ARTE 
2.4.3 Densidad de Corriente por Difusión. 
 
El fenómeno de difusión también puede causar un flujo de corriente en un 
semiconductor [19][20]. Cuando varía la concentración de portadores en un 
cristal, las partículas tienden a dirigirse de la región de alta concentración a la 
región de baja concentración. Esta fenómeno es un proceso puramente 
estadístico. La difusión no depende del valor absoluto de la concentración de 
portadores, sino del gradiente. 
 
Región de alta Región de baja 
concentración concentración
 
A
desplazamiento
 
Figura 2-13. Corriente de difusión. 
dx
 
 
2.4.4 Unión PN.