Reseña: “Microelectrónica” de Ignacio Mártil

“Desde las primeras experiencias de Michael Faraday con diversos materiales semiconductores, hasta el inmenso mercado de la industria microelectrónica en la actualidad. En los dos últimos siglos, la Física en general y la Electrónica en particular, han avanzado de una manera que no tiene precedentes. Ha pasado de ser algo que se hacía de manera aislada por parte de científicos dotados de un enorme talento, a ser una actividad integrada por cientos de miles de personas, que ha transformado nuestra vida de una manera inimaginable hace unas décadas”.

Por todo ello, todos deberían conocer los fundamentos de la microelectrónica y de las tecnologías de semiconductores. Y quizás la mejor forma de acercarse a ellos es al hilo de su historia, por ello te recomiendo el breve libro de Ignacio Mártil, “Microelectrónica. La historia de la mayor revolución silenciosa del siglo XX”, Ediciones Complutense (2018) [174 pp.]. Además de historia contiene píldoras científico-tecnológicas en las que se explica la física de los materiales y el funcionamiento de los dispositivos que se describen.

El autor, Ignacio Mártil de la Plaza, @IgnacioMartil, es doctor en Física y Catedrático de Electrónica en la Universidad Complutense de Madrid. Su investigación se centra en el estudio de las propiedades eléctricas y ópticas de materiales semiconductores, así como en dispositivos electrónicos basados en ellos, principalmente transistores y células solares. Ha escrito este libro 36 años después de su tesis doctoral para ilustrarnos lo mucho que ha cambiado el mundo desde entonces. Y muchos lectores se lo agradecerán. Además te recomiendo su blog, sobre todo sobre energías renovables, El Blog de Ignacio Martíl.

El libro contiene seis breves capítulos, tras los agradecimientos [pp. 11-13] y la “Introducción: la vida cotidiana en la era de la información y las comunicaciones” [pp. 15-23]. “La invención del transistor debe clasificarse como una de las innovaciones tecnológicas más determinantes en la historia de la humanidad, sin duda equiparable al descubrimiento de la rueda por su efecto a largo plazo en nuestra forma de vida”.

El capítulo 1, “Los actores principales: los semiconductores” [pp. 25-48], se inicia recordando “qué es un semiconductor”. El enlace químico entre átomos permite explicar la teoría de bandas de Wilson (1931) para la conducción en sólidos. Se destaca la diferencia entre semiconductores intrínsecos y extrínsecos, así como el papel del dopado. Finaliza el capítulo con un sugerente introducción a la “purificación del silicio” y la “fabricación de cristales semiconductores por el método Czorchalski”.

El libro está bien ilustrado, tanto con ilustraciones del autor, como con fotografías. “La electrónica antes del transistor: el vacío se vuelve útil” [pp. 49-70], el segundo capítulo, se inicia con el «sulfarato de plata» de Faraday y el efecto fotovoltaico. Tras el motor de “la era pre-electrónica”, la invención del teléfono, llegamos a “los primeros dispositivos electrónicos: las válvulas de vacío”; la descripción de su funcionamiento en la página 58 resultará difícil para el lego, que tendrá que consultar las figuras de la última sección de este capítulo, sobre “¿cómo funcionan una válvula de vacío y un triodo?”.

En la sección “Los inicios de la computación: las monstruosas calculadoras de válvulas” se destacan unas curiosas palabras de Pauli hacia Peierls en 1931: “Uno no debería trabajar en semiconductores, eso es un desastre inmundo; quién sabe si realmente existen (!!)”. Así llegamos al capítulo 3, “El transistor bipolar: comienza la revolución” [pp. 71-100]. Aprovecho para indicar que cada capítulo y cada sección se inician con una descripción de su contenido, algo que resulta un pelín académico, por lo que se suele omitir en divulgación. Me ha gustado “los orígenes del transistor bipolar” que describe de forma sucinta pero rigurosa la historia del primer Premio Nobel de Bardeen, junto a Shockley y Brattain, en 1956.

Shockley, “el 23 de enero de 1948, mientras trabajaba en su casa, anotó en su cuaderno de laboratorio una nueva estructura para el dispositivo, que es conceptualmente diferente al transistor de puntas de contacto” de Bardeen y Brattain. “No solamente lo diseñó, sino que explicó su funcionamiento de una forma extremadamente elegante y con las mismas ecuaciones con la que lo explico, 70 años después, a mis alumnos”, nos confiesa el autor.

Tras el Nobel, llegaron “los primeros éxitos comerciales y la evolución posterior de la tecnología del transistor”. La clave fue el transistor planar gracias al silicio. “Tanto la base como el emisor se realizan mediante procesos de difusión selectivos en regiones bien definidas a través de ventanas abiertas en una capa de SiO2. [Las] zonas no eliminadas de SiO2 permanecen tras la fabricación del transistor, actuando como pasivantes eléctricos de esas superficies, mejorando drásticamente las prestaciones del transistor”. La breve explicación final sobre “¿cómo funciona un transistor bipolar?” está muy bien.

El capítulo 4, “La ciencia ficción se vuelve real: el circuito cerrado” [pp. 101-130], se inicia en 2los años finales de la década de 1950″ y nos lleva a “el año en que nació el Circuito Integrado: 1958”. Texas Instruments “fue la primera empresa en comercializar CI en 1960 y Fairchild hizo lo mismo en 1961”. Así llegamos a “la ley de Moore”, enunciada en 1965, que sigue siendo válida hasta “la actualidad”. Aunque “la «hoja de ruta» (roadmap) de la industria de fabricación de los CI definió [en 2015] un plan de investigación y desarrollo que, por primera vez desde sus orígenes, no está centrado en la Ley de Moore”.

Finaliza el capítulo con un instructivo resumen sobre el “proceso de fabricación de un CI”. “No es difícil imaginar los costes tan elevados que conlleva instalar una fábrica capaz de realizar este verdadero milagro de la tecnología. En la actualidad, la inversión en una nueva fábrica de CI supera ampliamente los 1.000 millones de euros y el coste de cada uno de los equipos necesarios para efectuar cada uno de los pasos descritos en este punto, supera las decenas de millones de euros”.

“Un nuevo invitado entra en escena: el transistor de efecto de campo (MOSFET)” [pp. 131-154], el quinto capítulo, nos adentra en el mundo CMOS. A diferencia del resto de los capítulos, que finalizan con un «cómo funciona», aquí se parte de “¿cómo funciona un transistor MOSFET?”. Tras recordar su “su nacimiento prematuro y frustrado”, se describe “el MOSFET en la actualidad” y “el futuro inmediato de la tecnología MOSFET”. En la actualidad se construyen los transistores “en «vertical» sobre la oblea del semiconductor. Los dispositivos resultantes se denominan FinFET (Finger FET) y toman su nombre del hecho de que la estructura de la puerta del transistor se parece a un «dedo» (finger) que emerge de la superficie de la oblea. [Los] FinFET facilitan la posibilidad de lo que se conoce como la integración 3-D”.

Me ha gustado la instructiva descripción de las “memorias basadas en MOSFET: RAM, Flash”. Ayudan mucho las ilustraciones para entender el funcionamiento. En la memoria Flash, “en esencia, la estructura física es muy parecida al MOSFET, pero con la puerta algo más compleja: consta de dos capas metálicas, denominadas puerta flotante y puerta de control, totalmente inmersa en un material no conductor que es el ya conocido SiO2. [La] diferencia esencial con las memorias RAM, es que cuando se apaga el ordenador, el paquete de electrones permanece dentro de la puerta flotante, que es como una especie de pozo rodeado de paredes de SiO2 por todas partes, que impide que haya fugas de carga”.

Tras un poco de futurología sobre la “evolución y futuro de las memorias” llegamos al último capítulo, “La industria microelectrónica en la actualidad” [pp. 155-163]. “Las cifras de la industria de los semiconductores” nos llevan a la gran pregunta, “¿tiene sustituto(s) el silicio?”, donde se menciona que “la aparición del grafeno ha generado numerosas expectativas. [No] obstante trasladar ese potencial a productos comerciales viables y competitivos en precio y prestaciones con los equivalentes del silicio está aún por demostrar”.

Finaliza el libro con un extenso glosario [pp. 165-171] y la bibliografía [173-174]. El libro se lee fácil y ágil. Así que lo recomiendo a todos los interesados en saber más sobre microelectrónica con énfasis en su historia y sus fundamentos.



1 Comentario

  1. Si lo pensamos en profundidad el descubrimiento de los semiconductores y su aplicación en la microelectrónica es uno de los ejemplos más claros del enorme poder de la ciencia. El hombre ha pasado de disponer de unos pocos artilugios rudimentarios y de ser capaz de comunicarse con un reducido grupo de personas de su entorno a tener “el mundo a sus pies”, es decir, tener el poder de comunicarse casi instantaneamente con cualquier persona del mundo y tener acceso a prácticamente todo el conocimiento acumulado. Podiamos decir que en un periodo muy breve de tiempo la ciencia ha convertido al hombre en un superhombre. Como diría Dawkins el fenotipo extendido del ser humano ha pasado a ser el mundo entero. Ahora nuestras máquinas de silicio son capaces de controlar fábricas enteras, conducir coches, simular sistemas inmesamente complejos e incluso ganar al mejor jugador de ajedrez o más recientemente al mejor jugador de StarCraftII del mundo: https://www.rt.com/news/449679-deepmind-alphastar-ai-starcraft-victory/ No es descabellado pensar que en el corto o medio plazo una especie de IA pueda ayudarnos a resolver los grandes problemas pendientes de la ciencia, al fin y al cabo nuestro cerebro es un computador “fabricado” por la evolución.
    Ahí afuera hay una gran cantidad de cosas increíbles por descubrir y explicar, desde la materia y la energía oscura hasta el origen del Universo y la propia naturaleza del espacio-tiempo. La física teórica ya ha demostrado que estos fenómenos SON EXPLICABLES, es decir, aunque parezca increíble, conseguir explicar como se originó nuestro Universo es algo que está al alcance de la ciencia, ya no forma parte de la Metafísica o la Filosófia. Es más, ya hay propuestas teóricas y propuestas de experimentos que permitirían en unos pocos años la verificación experimental de estas propuestas en experimentos de mediciones precisas del CMB, de ondas gravitatorias, de desviaciones espectrales, de experimentos con neutrinos o de rayos cósmicos… La recompensa es la más alta posible: El conocimiento de la estructura más fundamental del Universo, la naturaleza del propio espacio-tiempo. ¿Hasta donde seremos capaces de llegar con el enorme poder de la ciencia?

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 28 enero, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Libros • Physics • Recomendación • Science
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