Los tres científicos que recibieron el Nobel en Física 2000, Dr. Zhores Alferov, ruso, Dr. Herbert Kroemer, alemán, y Dr. Jack Kilby, estadounidense, contribuyeron de manera significativa al desarrollo de aspectos tecnológicos que hicieron posible la construcción de circuitos integrados, y que abren una ruta que permite construir transistores de alta velocidad. Un premio al desarrollo tecnológico más que a la ciencia pura, según muchos.
Por Raúl Muñoz*
Un paso importante en esta innovación tecnológica ocurrió a finales de 1947, cuando J. Bardeen, W. H. Brattain y W. B. Schockley construyeron el primer transistor. Sin embargo, lograr que esta "curiosidad de laboratorio" se transformara en un dispositivo de amplia aplicación industrial, llevó varios años. Bardeen, Brattain y Schockley recibieron el Nobel en Física en 1956 por este trabajo. Al comienzo, el transistor fue utilizado para reemplazar los tubos de vacío. El transistor era más confiable, más pequeño y consumía menos energía que el tubo de vacío. De esta forma, la complejidad de los sistemas electrónicos aumentó de varios cientos de componentes (tubos de vacío), a algunas decenas de miles de transistores interconectados sobre un tablero electrónico, durante los años cincuenta.
El desarrollo de la tecnología de semiconductores produjo un aumento considerable en la investigación relacionada con física del estado sólido y con ciencia de materiales. Un avance significativo se logró al reemplazar el germanio (Ge) utilizado en los primeros transistores, por silicio (Si). Sin embargo, lo que hizo posible la revolución electrónica que hemos presenciado durante las últimas cuatro décadas, coronada por la masificación de los PC y por internet, fue la invención de los circuitos integrados.
Jack Kilby navega contra corriente
Durante la década de los cincuenta, el avance en el proceso de fabricación permitió construir cristales semiconductores de germanio y de silicio suficientemente puros para fabricar transistores en gran escala. Sin embargo, los cristales de germanio (con la pureza adecuada como para fabricar transistores) eran considerados material extremadamente caro y precioso, y por tanto su uso estaba reservado a la fabricación de transistores. La idea de usar germanio para fabricar elementos pasivos (tales como resistencias o condensadores) parecía entonces descabellada, dado que estos elementos pasivos podían ser fabricados a partir de materiales más comunes y por tanto mucho más baratos. A Kilby se le ocurrió que para avanzar en el proceso de miniaturización, era necesario incorporar los elementos pasivos en el propio cristal semiconductor. Así nació la idea del "circuito integrado". Kilby produjo el primer circuito integrado en 1958, conteniendo algunas decenas de elementos (interconectados entre sí) en un cristal de germanio. La invención de los circuitos integrados permite hoy la construcción de circuitos que contienen millones de componentes en una misma oblea de silicio. Se trata más bien de una invención técnica que de un descubrimiento fundamental en Física. Kilby es también el coinventor de la calculadora de mano, en una época en que un estudio de mercado estimó que ¡tal invención tenía pocas perspectivas de conquistar el público, debido a la existencia de reglas de cálculo!
Heteroestructuras
Las propiedades eléctricas del silicio son controladas por la naturaleza de los estados cuánticos que los portadores de carga (los electrones) ocupan en el cristal, esto es, en el arreglo periódico de átomos de silicio. El conjunto de estados que caracteriza a un electrón en un cristal se denomina una banda de energía. En el silicio los electrones ocupan una banda de energía denominada banda de valencia, y otra banda de energía denominada banda de conducción. La banda de valencia se encuentra separada de la banda de conducción por una brecha de energía que determina las propiedades eléctricas del material. En el caso del germanio y del silicio, la brecha de energías que separa la banda de valencia de la banda de conducción depende de cómo se ordenan los átomos de germanio o silicio para formar la red cristalina. Sin embargo, en el caso de semiconductores compuestos, por ejemplo, los semiconductores del grupo III-V (familias tercera y quinta de la tabla periódica) como el arseniuro de galio (GaAs), la brecha de energías que separa la banda de valencia de la banda de conducción depende de la concentración de ciertas impurezas (en el caso del GaAs, depende de la concentración de aluminio Al). Por tanto, variando el dopaje, esto es, la concentración de impurezas (Al en el caso de GaAs) se puede controlar el ancho de la brecha de energía que separa la banda de valencia de la banda de conducción. De esta forma las propiedades eléctricas del semiconductor compuesto resultan determinadas por la concentración de impurezas introducidas durante el proceso de fabricación. Una estructura semiconductora compuesta con diferentes dopajes en diferentes regiones de la estructura se denomina una heteroestructura. En los semiconductores compuestos la estructura de bandas deja de ser un parámetro dado por la naturaleza (por el ordenamiento de los átomos en la red cristalina); pasa a ser un parámetro que depende de las impurezas introducidas durante el proceso de fabricación. Esto permite construir heteroestructuras con una estructura de bandas diseñada para obtener un determinado tipo de funcionamiento del dispositivo.
Desarrollo de tecnologías de información y heteroestructuras
Los electrones en un semiconductor simple como el germanio o el silicio se comportan como partículas que se mueven en un espacio de 3 dimensiones ("tridimensional electrón gas", o 3DEG, en la jerga técnica). En la construcción de heteroestructuras semiconductoras se puede lograr, mediante el control adecuado del dopaje, que los electrones en ciertas regiones de la heteroestructura se comporten como partículas constreñidas a moverse en un plano; esto se conoce como gas electrónico bidimensional ("2 dimensional electron gas", o 2 DEG). Mediante un control adecuado del proceso de construcción, es posible lograr que las impurezas que afectan el movimiento de los electrones de este gas electrónico bidimensional queden fuera del plano en que se mueven los electrones del 2DEG. Este fenómeno, y la bidimensionalidad del gas electrónico, más allá de ser una "curiosidad matemática", acarrea consecuencias técnicas muy interesantes. La velocidad que adquiere un electrón en respuesta a un campo eléctrico externo es proporcional al campo eléctrico; esta constante de proporcionalidad entre velocidad y campo eléctrico se denomina movilidad. Mientras más alta es la movilidad, mayor es la rapidez con que los electrones responden a cambios en el campo eléctrico, y más rápido será el dispositivo. La movilidad de los electrones en un gas electrónico tridimensional (como el de un semiconductor simple) está determinada por la concentración de impurezas en el cristal, por las colisiones que sufren los electrones del 3DEG con átomos extraños a los átomos del cristal. En el caso de heteroestructuras que exhiben un 2DEG, debido a que las impurezas están fuera del plano del 2DEG, la movilidad de los electrones aumenta varios órdenes de magnitud, por lo tanto el dispositivo responde mucho más rápido.
Contribución de Zhores Alferov y Herbert Kroemer. El flujo de información entre la Unión Soviética y Occidente fue restringido durante la era de los años sesenta, debido a la guerra fría. El resultado, es que las heteroestructuras semiconductoras fueron desarrolladas de manera paralela e independiente en los laboratorios industriales de occidente y en la Unión Soviética. El grupo dirigido por Alferov en el Instituto Ioffe de la Unión Soviética desarrolló un trabajo sistemático que condujo a la construcción de un láser utilizando heteroestructuras en 1970. Herbert Kroemer se integró a la Universidad de Santa Bárbara en California en 1976. Desde entonces ha desarrollado investigación fundamental en heteroestructuras empleando diversas combinaciones de elementos de la familia III-V.
Trabajos en Chile
El trabajo experimental en heteroestructuras es extremadamente costoso, pues requiere laboratorios equipados con tecnologías de última generación y de personal altamente especializado que opere estos equipos. En Chile existen varios investigadores que han publicado trabajos teóricos sobre heteroestructuras, de la Universidad Santa María, de la Universidad de Santiago, de la Pontificia Universidad Católica. En nuestro grupo en la Universidad de Chile hemos publicado trabajos relacionados no con heteroestructuras, sino con problemas derivados de la miniaturización. En un alambre de dimensiones macroscópicas, el efecto de la interacción entre los electrones y la superficie del alambre es despreciable. Sin embargo, al reducir el tamaño de un alambre a dimensiones nanoscópicas (un nanómetro es un milmillonésimo de metro), la interacción entre los electrones y la rugosidad superficial del alambre puede modificar de manera importante las propiedades del alambre. La miniaturización pone de relieve el hecho de que los electrones de un metal se comportan como ondas, y ondas que se propagan por un medio rugoso sufren dispersión al encontrar una rugosidad que ocurre en una escala de distancias comparable a la longitud típica de la onda que caracteriza al electrón, denominada longitud de onda de Fermi.
Tirso G. Ramírez S.
C.I.: 18392099
Obtenido de: http://diario.elmercurio.cl/detalle/index.asp?id={3a7594e5-d90f-4d08-b604-3c498fcc5899}
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