FABRICACIÓN DE TRANSISTORES DE EFECTO CAMPO CON NANOPUNTOS

FABRICACIÓN DE TRANSISTORES DE EFECTO CAMPO CON NANOPUNTOS

En un artículo publicado por Japonés Journal of Applied Physics, Yijan Chen propone un método de fabricación de transistores de efecto campo mediante nanopuntos. Lo novedoso de este artículo es que tiene en cuenta la aleatoriedad del tamaño y de la posición de estas nanoestructuras en su proceso de fabricación.

En la figura está representado un transistor de efecto campo basado en nanopuntos. En él, dos capas de material (fuente y drenador) están conectadas mediante numerosos nanopuntos de material semiconductor. Los nanopuntos sólo conducen la electricidad cuando el material que los rodea (la puerta) está a un potencial que cumple una determinada condición. En la figura se puede observar que los nanopuntos más pequeños no llegan a conectar la fuente y el drenador. Sin embargo, se supone que en cada transistor hay tantos nanopuntos como para asegurar estadísticamente una conexión suficiente.

El material propuesto para realizar el transistor es silicio. Para un transistor tipo n, la fuente y el drenador son capas de silicio muy dopado tipo n y los nanopuntos, silicio dopado tipo p, que cumplen la función de canal. La puerta, que rodea a los nanopuntos, puede ser un metal o poli-silicio muy dopado. La puerta debe estar separada por un dieléctrico del canal, de la fuente y del drenador. En este caso, el dieléctrico más adecuado es el óxido de silicio.

Para fabricar el dispositivo deben darse una serie de pasos detallados en el artículo. En un principio, hay que crecer nanopuntos de silicio sobre una superficie de silicio muy dopado mediante algún método efectivo y fiable. Se pueden usar métodos como el auto ensamblaje o la implantación por haz de iones. Esta parte del proceso es la que más hay que desarrollar. Tras ello, hay que utilizar métodos típicos de la fabricación de los dispositivos de la nanoelectrónica actual que se han desarrollado en las últimas décadas, como son la deposición química de vapor (CVD), el pulido mecánico químico (CMP) y el ataque químico (etching).

Para el cálculo de parámetros importantes del transistor, como el área activa, se supone que el área total del transistor encierra un número muy grande de nanopuntos, cuyos tamaños siguen una determinada distribución de probabilidad. Por tanto, se pueden hallar valores esperables de las características del transistor a través de esta distribución de probabilidad determinada experimentalmente y que dependerá del proceso de fabricación de estas nanoestructuras.

Por otro lado, el autor del artículo desarrolla un modelo de la física del dispositivo. Resuelve la ecuación de Poisson en el interior de los nanopuntos consiguiendo una solución general analítica. La condición de contorno necesaria es que el potencial en el radio exterior del nanopunto es el potencial de la puerta.

Introducción

La invención del transistor constituye una de las innovaciones radicales más importantes del siglo XX, no sólo en sí misma sino porque es el punto de partida de toda una cadena de innovaciones posteriores que dan lugar a los circuitos integrados y a los microprocesadores, y a otros dispositivos que configuran todo el desarrollo de la tecnología microelectrónica cuyo impacto en cantidad enorme de aplicaciones civiles y militares ha sido extraordinaria y, sin duda, necesaria para que otras grandes innovaciones más recientes como la telefonía móvil e internet hayan sido posibles. No se trata aquí y ahora de hacer una historia de esta "revolución en miniatura" como se denomina en el libro de Ernest Braun y Stuart Macdonald. Hay libros y tratados donde esto se estudia con detenimiento. Ahora se trata solamente de analizar hasta qué punto esta innovación fue fruto de una necesidad expresada por las Fuerzas Armadas o cómo contribuyó a su desarrollo, una vez realizada la innovación, por el tirón de la demanda de los ejércitos.

Innovación basada en la ciencia

En primer lugar, debemos destacar que el transistor es una innovación basada directamente en la ciencia, más concretamente en la 'Física del Estado Sólido' que ya desde principios del siglo XX había recibido mucha atención por parte de numerosos científicos europeos de sobra conocidos, que fueron sentando las bases de lo que luego daría lugar a las más conocidas aplicaciones de la energía nuclear y de la bomba atómica.

Pero también en las décadas de 1920 y 1930 se estudiaron los movimientos de los electrones en cristales semiconductores, los detectores de 'contacto de puntas' (cat-whiskers) y se llegaron a describir en publicaciones científicas algunos comportamientos de cristales que se parecían a lo que más tarde sería el primitivo transistor.

Pero, como decía R.W. Polh, quien, junto con R. Hilsch, publicó un artículo en 1938 en el que describían un cristal semiconductor cuyo funcionamiento era análogo al tríodo de vacío: "No teníamos en mente ninguna aspiración práctica... o se trabajaba en una Universidad o se mete uno de lleno en los dispositivos técnicos". Era el conocimiento de los materiales lo que guiaba a los científicos. La invención del transistor es el punto de partida de los microprocesadores. Por otro lado, en los años previos a la Segunda Guerra Mundial y durante la misma la ciencia había llegado en auxilio de la ingeniería tradicional y había demostrado el éxito de las innovaciones basadas en la misma, particularmente en el sector de la Defensa, como lo prueban la bomba atómica, el radar y la investigación de operaciones. Los científicos cobraron importancia y notoriedad frente a la 'gran generación de ingenieros inventores' como Marconi, Bell, Sperry, los hermanos Wright, Junker, etc.

El transistor y los Laboratorios Bell

El caldo de cultivo estaba servido. Sin embargo, en este caso, la invención del transistor no vino de una necesidad sentida y expresada por las Fuerzas Armadas. Vino del mundo civil, del sector empresarial del ámbito de las telecomunicaciones, concretamente de los Laboratorios Bell, probablemente en los años cuarenta y siguientes el mayor y mejor laboratorio de investigación industrial del mundo. Al final de los años cuarenta empleaba a 5.700 personas, de las que unas 2.000 eran investigadores altamente cualificados.

En los años cuarenta las centrales de conmutación telefónicas se basaban en el uso de miles de relés electromecánicos, que curiosamente funcionaban con una lógica digital, aunque entonces no se percibiera completamente la importancia de la misma. Los relés eran dispositivos voluminosos, lentos, consumidores de energía, ruidosos y difíciles de fabricar.

En los circuitos de transmisión telefónicos y en los sistemas de radiodifusión, radiotelefonía y la naciente televisión se utilizaban como dispositivos detectores y amplificadores los tubos de vacío o válvulas, dispositivos frágiles, de fabricación complicada, consumidores de energía y disipadores de la misma.

En la época que nos ocupa, Mervin Kelly era el director de Investigación de los Laboratorios Bell y, ya en el año 1936, intuía que algún día los relés tendrían que ser cambiados por conexiones electrónicas debido a la creciente complejidad del sistema telefónico, y así se lo comunicó a William Shockley, a la sazón trabajando en los Laboratorios Bell.

Como señala Maurice Apstein: "Shokley y su grupo trataban de medir lo que pasaba en un rectificador, así podrían desarrollar un rectificador mejor para la conmutación telefónica... Lo que buscaban era un dispositivo de apertura-cierre de estado sólido, un simple conmutador".

Por otro lado, gran parte de las investigaciones que se llevaban a cabo por entonces en los Laboratorios Bell tenían que ver con la mejora del funcionamiento de las válvulas de vacío, de modo que, como señala Herbert Kleiman: "La fuerza impulsora del transistor fue, finalmente, una necesidad... había una necesidad de obtener algo que fuera una mejora sobre el tubo de vacío... No era investigación básica por las buenas. Era investigación básica para proporcionar soluciones al problema más importante dentro de las telecomunicaciones”. John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley, los tres físicos que inventaron el transistor.

Llega el transistor de puntos de contacto

Parece claro, pues, que la necesidad que llevó a la invención del transistor procedió de las aplicaciones civiles del sector de las telecomunicaciones. Después de varios años, con cambios de orientación y fracasos iniciales, con la mezcla de investigadores teóricos y prácticos, se llegó el 23 de diciembre de 1947 a la demostración práctica de un dispositivo de germanio (el transistor de puntos de contacto), que no era inicialmente el previsto y que disponía de propiedades de amplificación y conmutación.

Como es sobradamente conocido, la patente de invención es de John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley, los tres físicos, a quienes fue concedido el Premio Nobel de Física en el año 1956.

El dispositivo patentado era un prototipo rudimentario, una importante curiosidad científica que presagiaba muchas aplicaciones. Sin embargo, era difícil de fabricar en series apreciables y la fiabilidad y repetibilidad eran muy bajas, por lo cual hubo que dedicar mucha atención y esfuerzo a todos los aspectos relacionados con la 'innovación de los procesos' de fabricación y al estudio de los materiales semiconductores y a la comprensión cabal

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