Historias de Transistores, Silicios y Nanotubos

De las válvulas al Silicio

La electrónica está cambiando el mundo. El transistor es uno de los grandes inventos de la humanidad…y no me refiero a las arradios payo ;). Me refiero a esa pequeña pastilla de semiconductor que mató a la estrella de la válvula. Que sí, que la válvula mola, pero en los amplis de instrumentos.

Historias de válvulas. Válvula electrónica, termoiónica o de vacío. Se trata de un componente electrónico que amplifica, conmuta o modifica una señal eléctrica mediante el control del movimiento de los electrones en un espacio «vacío» a muy baja presión, o en presencia de gases especialmente seleccionados.

La electrónica de mediados del siglo XX se desarrolló gracias a las válvulas. Teléfono, radio, televisión, computadores….La revolución tecnológica fue explosiva. Pero nada comparable a la revolución de los transistores. Gracias a ellos y a la miniaturización que permiten, tenemos en nuestro smartphone una capacidad de procesado increíblemente superior a la de aquellas viejas computadoras antevintage que ocupaban metros y metros cuadrados. Con unos pocos Hz de velocidad de procesador llegamos a la Luna y ahora tenemos poder de GHz en nuestras manos. No te despeines.

Historias de semiconductores. Para conducir la corriente, en las válvulas se utiliza el vacío, en los transistores se utilizan semiconductores. Un semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre.

La banda de valencia es el mayor intervalo (bandas) de energía electrónica que alcanzan los electrones en el cero absoluto. La banda de conducción es la que permite las corrientes eléctricas, y se encuentran por encima de las bandas de valencia, tienen mayor nivel energético. En los metales no hay ningún intervalo de energías prohibidas entre las bandas de valencia y de conducción. En los semiconductores y en los aislantes, en cambio, aparece una banda prohibida –gap- por encima de la banda de valencia, seguida de una banda de conducción a energías aún mayores.

La mayoría de los transistores utilizan como semiconductor el Silicio, que tiene un sistema de cristalización tetraédrico similar al del Carbono, mediante enlaces covalentes entre sus átomos. Aunque pueden existir otros materiales semiconductores, generalizaremos con el Silicio por mayoría aplastante de tecnologías. Con las moléculas cristalizadas del Silicio se obtienen unas  nanoestructuras, nanocables. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia. El Silicio requiere una energía  de 1,12 eV  a temperatura ambiente. Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer, desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. Este proceso se llama recombinación. A una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares electrón-hueco, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece constante.

Historias de corrientes. Los electrones y los huecos son los portadores, y ambos contribuyen al paso de la corriente eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas.

Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción,

Por el otro la debida al movimiento de los huecos; los electrones al desplazarse en la banda de valencia tenderán a saltar a los huecos próximos, originando una corriente de huecos en la dirección contraria al campo eléctrico de velocidad y magnitud muy inferior a la de la banda de conducción.

FET, MOSFET, CMOS..Historias de Transistores.

Los transistores son dispositivos de estado sólido en los que un campo eléctrico controla el flujo de portadores en un canal de conducción. Pueden funcionar como fuentes dependientes de corriente (amplificadores, electrónica analógica) o como interruptores controlados (electrónica digital). Un transistor, por tanto, es una puerta que une dos nanocables.

Los primeros transistores fueron los de efecto de campo, FET. Son unos dispositivos electrónicos con una resistencia de entrada infinita. Los FETs son unipolares debido a que utilizan un solo tipo de carga para transportar la corriente y son controlados por voltaje. En los transistores FET la puerta es una capa de óxido (SiO2), en ambos lados: fuente y sumidero.

La patente  del principio básico de los FET la inscribió  Julius Edgar Lilienfeld en 1925. Famoso no se hizo el muchacho, porque estos transistores de efecto de campo no tuvieron demasiada relevancia. Los laboratorios Bell desarrollaron los MOSFET, y llegaron a un acuerdo con Julius, del que no se saben los términos.

La puerta del FET estaba hecha con un material metálico, Aluminio.  hasta que a alguien se le ocurrió añadir una capa de metal a continuación de la capa de óxido, modificando la puerta. Fue entonces cuando aparecieron los MOSFET, FET de tipo Metal-Óxido-Semiconductor. Si además añadimos, justo antes de llegar a la puerta, una pequeña zona de Si dopado tenemos MOSFET tipo n o tipo p, dependiendo del tipo de impureza que añadamos al Silicio.

La corriente eléctrica que atraviesa la nanoestructura de material semiconductor (Si) se encuentra justo antes de la puerta con una pequeña zona de Silicio con impurezas, que es la que está en contacto con una primera puerta de óxido (SiO2), y a continuación una segunda puerta de metal. Este nuevo diseño resultó extremadamente compacto, condición sine qua non para la integración de circuitos…. Y la integración de circuitos es lo que nos ha permitido tener en una mano más potencia tecnológica que en un centro de cálculo de hace unas décadas.

En un MOSFET por lo tanto la fuente emite portadores (electrones o huecos), el colector hace de sumidero de esos portadores e intercalada entre ambos está la puerta, que modula el paso de los portadores. El sustrato semiconductor tiene tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades específicas).  Un MOSFET tiene dos uniones bipolares, que son las uniones entre una zona p y una zona n.

En los MOSFET de canal n, la fuente S y el colector D son regiones fuertemente dopadas difundidas en un sustrato de tipo p. Una compuerta conductora G (Gate) se aísla del Silicio mediante una fina capa de SiO2.  Durante el funcionamiento ”normal activo” una tensión positiva es aplicada entre la fuente y el sustrato, lo cual produce una atracción de los conductores de la fuente y el colector creando un canal de conducción entre ellos. Se produce un enriquecimiento de carga negativa.

En los MOSFET de canal p se produce un enriquecimiento de carga positiva. Para ello se intercambian los materiales n y p con respecto a los de canal n. En consecuencia, la dirección de la corriente y las polaridades de las tensiones se ven invertidas. Por ejemplo, para que exista un canal, en un MOSFET de enriquecimiento canal p, la tensión de compuerta debe ser lo suficientemente negativa.

Hoy la mayoría de los circuitos se construyen con tecnología CMOS (Complementary MOS) . Esta tecnología consiste en unir dos transistores MOSFET de manera complementaria y asimétrica. El diseño consiste en dos MOSFET diferentes, de canal n y de canal p, que se complementan mutuamente y consumen muy poca corriente en funcionamiento sin carga. Los Semiconductores tipo n han sido dopados con elementos que aumentan el número de electrones, en los los semiconductores de tipo p las impurezas hacen aumentar el número de huecos.

Historias de nanómetros y de límites físicos

Las tecnologías CMOS punteras están en torno a los 30nm. Nanómetro son 10 elevado a menos 9 metros…. lo que viene siendo requetepequeño. La evolución tecnológica hace deseable seguir disminuyendo ese límite, pero en el caso de la tecnología CMOS actual, existe una limitación física y es la impuesta por el Silicio, el cual, por debajo de 10nm  comienza a comportarse de manera inestable. Es decir, entran en juego fenómenos cuánticos y por tanto impredecibles. Si no se puede controlar el dispositivo no nos vale.

A medida que los transistores se hacen más pequeños, es más difícil controlar el modo en que los electrones se mueven a través del canal de silicio para encender y apagar el transistor. Al tener que hacer frente a este comportamiento ‘rebelde’ se incrementa el consumo energético. Intel anunció hace unos años que cambiaría a un nuevo diseño de transistor en tres dimensiones para su generación de chips de 22 nanómetros. Otras empresas, sin embargo, están trabajando en los llamados transistores de cuerpo ultrafino. No obstante, al margen de la forma que se le dé, el silicio es silicio, y utilizarlo a tamaños tan pequeños presenta problemas incluso en estos nuevos diseños.

Cuando hablamos de «nanómetros» en el contexto tecnológico estamos hablando por lo tanto del tamaño, precio y rendimiento de los dispositivos electrónicos.

Como hemos dicho, hoy en día las tecnologías punteras son de 30 nm, pero hay prototipos de menor tamaño, rondando el límite físico del Silicio. Si se consiguen tecnologías de menos nm significa que caben más circuitos integrados en el mismo espacio, se consume menos potencia, se aumenta el rendimiento y bajan los costes de fabricación. Cuando se usa una tecnología que permite reducir el tamaño de los elementos de un procesador, se reduce también la temperatura de funcionamiento sin necesidad de alterar otros factores como la frecuencia de funcionamiento. Y esto a su vez nos permite hacer procesadores cada vez más potentes incrementando su frecuencia, controlando temperaturas y optimizando tamaños. A su vez, disminuir el tamaño permite fabricar en la misma unidad de superficie (oblea) mayor número de chips,  con lo que se reducen los costes de producción.

Como el Silicio, alma mater de esta tecnología, tiene un límite físico de 10 nm, hay que buscar alternativas, y los nanotubos de carbono se posicionan a la cabeza de la lista. El radio medio del Silicio se mueve entorno a los 110pm, el radio medio del Carbono está entorno a los 70pm. Pero lo realmente diferenciador, es que con el grafeno podemos hacer capas de muy poco átomos.

Del Silicio a los nanotubos de carbono

Los nanotubos podrían ser una alternativa viable al Silicio a medida que la electrónica se haga cada vez más pequeña. Un dispositivo de nueve nanómetros desarrollado por IBM es el botón de muestra.

Según los investigadores de IBM, el transistor de nanotubos de carbono más pequeño jamás creado, un dispositivo de nueve nanómetros, funciona mejor de lo que lo haya hecho cualquier otro transistor del mismo tamaño.

Llevábamos más de una década escuchando hablar auténticas maravillas sobre la posibilidad de utilizar nanotubos de carbono en lugar del Silicio, pero poco más que humo había hasta que estos investigadores de IBM los fabricaron. Y además aseguran que esta es la primera evidencia experimental de que el material resulta un potencial reemplazo viable del silicio a un tamaño menor de 10 nanómetros.

Para comprobar cómo afecta el tamaño de un transistor de nanotubos a su rendimiento, crearon varios transistores de diferentes tamaños a lo largo de un único nanotubo. Esto les permitió controlar las posibles variaciones que puedan producirse de nanotubo a nanotubo.

• En primer lugar, tuvieron que colocar una capa muy delgada de material aislante sobre la que asentar los nanotubos.
• Después, desarrollaron un proceso de dos pasos para agregarles puertas eléctricas sin dañarlos.

Estas técnicas no están en absoluto listas para la manufactura, pero permitieron al grupo de IBM crear los primeros dispositivos de nanotubos de menos de 10 nanómetros y ponerlos a prueba en el laboratorio. El trabajo se describe en la revista Nano Letters, si quieres más…léete esto..

El grupo de IBM demostró que su transistor de nanotubos de nueve nanómetros tenía un consumo de energía mucho menor que otros transistores del mismo tamaño. Además, puede llevar más corriente que otros dispositivos de silicio comparables, lo que da como resultado una mejor señal.

Siguen existiendo varios problemas de ingeniería importantes.

• En primer lugar, los investigadores tienen que encontrar mejores métodos para crear lotes puros de nanotubos semiconductores: añadir tubos metálicos a la mezcla provocaría cortocircuitos en los circuitos integrados.
• En segundo lugar, deben crear un modo de colocar un gran número de nanotubos en una superficie con una alineación perfecta.

Los retos aún son muchos, pero el futuro parece prometedor. La tecnología cada día nos sorprende más. El ser humano ha encontrado un camino que parece no tener fín.

@filotecnologa