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Avances en semiconductores (continuación)

Dispositivos más veloces

i una de las exigencias de la industria ha sido la miniaturización, la otra exigencia importante ha sido, sin duda, el aumento de velocidad.

Y no sólo en la informática hacen falta dispositivos más rápidos. La televisión es otro mercado de gran consumo con problemas parecidos.

En la televisión de alta definición se trabaja con más de mil líneas de resolución, en lugar de las tradicionales 625. De ese modo aumenta la calidad de la imagen hasta hacerse comparable con la del cine. Pero también implica transmitir el doble de información en el mismo tiempo, debiendo aumentar la frecuencia de transmisión.

Las investigaciones en este campo son, por tanto, tan intensas o más que en el de la miniaturización. Y en realidad ambas están relacionadas, ya que al miniaturizar un componente, disminuye el tiempo que tarda la señal en pasar por él, así como la longitud de las pistas metálicas que unen los diversos componentes.

Aparte de la miniaturización, los principales campos de investigación y desarrollo son los circuitos tridimensionales, nuevos materiales, heteroepitaxia, transistores balísticos y funcionamiento a bajas temperaturas.

• Circuitos tridimensionales
  El sistema de fabricación por máscara fotográfica trabaja en un plano, sobre el que se van depositando las diversas capas que constituyen el transistor y por último las pistas de unión entre componentes. Si se pudieran depositar varias capas superpuestas, las uniones entre transistores serían más cortas y aumentaría la velocidad.

  Este tipo de fabricación implica varios problemas. En primer lugar de diseño. Con el nivel de complejidad que existe en la actualidad, para empaquetar millones de transistores en la superficie plana de un chip es necesario recurrir al empleo de programas de diseño especiales que sean capaces de distribuir los componentes y las pistas de unión de la forma más óptima. Al trabajar en tres dimensiones, aumenta el número de conexiones a realizar y el número de componentes, aumentando la dificultad del diseño.

  El otro problema es de orden tecnológico. La fabricación tridimensional se haría por capas. Primero se harían los transistores inferiores, los contactos y pistas necesarios. A continuación se crearía la capa superior y sucesivamente todas las capas que se emplearan.

  El problema surge porque, al realizar cada capa, es necesario calentar la oblea y este calentamiento puede destruir las capas realizadas previamente.

• Nuevos Materiales
  La velocidad de proceso de un circuito depende de la velocidad de movimiento de los electrones dentro del cristal.

  Esta velocidad depende de la denominada masa efectiva del electrón. Ésta no es igual a la masa del electrón en el vacío. Debido a la interacción del electrón con el cristal, la masa efectiva es menor. En el silicio es de 1/5 parte de la masa del electrón libre.

La búsqueda de nuevos materiales se orienta a encontrar compuestos en los que la masa efectiva del electrón sea de tan sólo un quinceavo de la masa del electrón libre. Ya se han logrado fabricar circuitos integrados de arseniuro de galio, pero el proceso de fabricación es mucho más complejo, ya que la capa aislante, que en silicio se hace de dióxido de silicio por el sencillo método de oxidar la capa superior del cristal, no tiene la misma facilidad de fabricación en el arseniuro de galio.

• Heteroepitaxia.
  En concepto, la heteroepitaxia es similar al arseniuro de galio. Se trata de emplear dos elementos atómicos, uno del grupo III y otro del grupo V para que juntos creen la estructura semiconductora.Pero en este caso, no se unen químicamente. Por medio de procedimientos de alta precisión, se van depositando sucesivamente capas de los dos materiales unas sobre otras. Las capas son extremadamente finas y sus estructuras electrónicas interaccionan entre sí, comportándose como un material semiconductor.
• Transistores balísticos
  Cuando un electrón se mueve en medio de un cristal semiconductor, se ve frenado por la estructura del cristal y también por las impurezas existentes y por los defectos en la estructura cristalina. Pero si el grosor del cristal se reduce, el retardo originado por dichos defectos se hace despreciable. En este caso, si al electrón se le somete a un campo eléctrico, se acelera libremente, alcanzando velocidades muy superiores a las que alcanza en un cristal de grosor normal.
• Funcionamiento a baja temperatura
  El aumento de la temperatura es, a escala microscópica, un aumento en la vibración de los átomos. Esta vibración causa un frenado de los electrones, ya que aumenta la posibilidad de que sean interceptados por la red.

  El funcionamiento a baja temperatura reduce dicha vibración, aumentando la velocidad de movimiento de los electrones.

Existe un tipo especial de materiales llamados superconductores. Estos materiales, que no son semiconductores, a temperaturas cercanas al cero absoluto (0 grados Kelvin) se comportan como conductores perfectos, sin ofrecer ninguna resistencia al paso de la corriente. Su uso se ha estudiado para la construcción de componentes lógicos para ordenadores, que sustituyan a los realizados con semiconductores. Su ventaja principal es una velocidad mucho mayor, lo que ofrece grandes expectativas.

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