Opinion · Un poco de ciencia, por favor

El protagonista desconocido de la revolución digital

Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

[Este artículo muestra un resumen de uno de los capítulos del libro “Microelectrónica. La historia de la Mayor revolución silenciosa del siglo XX” del que soy autor (Ediciones Complutense, Madrid, Noviembre 2018)]

Los lleva usted a diario en su bolsillo, miles de millones de ellos trabajan para usted a cada instante. Gracias a ellos, puede estar seguro de que si alguien quiere ponerse en contacto con usted, ellos se encargaran de hacérselo saber; gracias a ellos, puede ponerse en contacto con la persona que quiera, esté en la calle de al lado o en la plaza principal de Melbourne; gracias a ellos, las fotos de sus hijos y/o de su pareja le acompañan permanentemente. Su teléfono móvil los alberga, también el GPS de su automóvil, el ordenador de su casa o su trabajo, la televisión donde ve sus series favoritas, puede que hasta su reloj. Le estoy hablando de un dispositivo cuyas siglas probablemente no conozca: el MOSFET. Este artículo inaugura una serie dedicada a él, el protagonista de la revolución digital, de la revolución impulsada por la Microelectrónica.

Anverso y reverso de la placa base del iPhone X. Cada uno de los cuadrados bordeados de color es un circuito integrado, todos llevan en su interior cientos de millones de transistores MOSFET y en algún caso miles de millones, como en el señalado en la imagen, el procesador Apple A11 Bionic, que tiene 4.300 millones, de un tamaño de decenas de nanómetros cada uno de ellos [1].

La Microelectrónica ha penetrado en nuestras vidas durante los últimos sesenta años de manera difícil de imaginar hace solo unas décadas. Desde los inicios de la radio en los primeros años del siglo XX, pasando por la televisión tras finalizar la Segunda Guerra Mundial, hasta el mundo actual de Internet, la Microelectrónica se ha vuelto cada vez más omnipresente.

La penetración masiva de la Microelectrónica en los mercados de consumo, comunicación y automoción se puede concretar en unas cifras verdaderamente apabullantes: en 2018, con una inversión mundial de 100.000 millones de dólares en materiales semiconductores y equipos para fabricación de chips, la industria del ramo generó 468.000 millones de dólares en ventas de estos dispositivos, principalmente circuitos integrados, que se utilizaron para incorporar en productos y tecnologías que funcionan gracias a ellos: ordenadores, teléfonos móviles, televisores, radar, robótica, programación,…El mercado global de la electrónica generó ventas por un valor superior a 1.6 billones de dólares:

Las cifras del mercado mundial de la Microelectrónica en 2018

Todos y cada uno de los protagonistas de la revolución digital tienen un elemento en común: el hardware responsable de su funcionamiento, que está integrado por múltiples circuitos integrados (en lo que sigue, CI), cada uno de los cuales integra miles de millones de pequeñísimos elementos denominados transistores. Los transistores son componentes activos en un circuito electrónico, son dispositivos que realizan funciones esenciales en la electrónica: amplificar señales, almacenar datos (los denominados “bits”), etc.

Hay dos tipos de transistores, que se denominan bipolares y de efecto de campo. Los primeros toman su nombre del hecho de que sus propiedades electrónicas vienen determinadas por el comportamiento de sus dos tipos de portadores de carga: los electrones y las “ausencias” de estos, denominados huecos. Los segundos se basan en un fenómeno conocido como “efecto campo”. Los transistores bipolares sustituyeron progresivamente a las válvulas de vacío a mediados de los años 50 y la historia de su invención la he descrito en este artículo y sobre todo, en el capítulo 3 del libro mencionado al principio.

Los transistores basados en el efecto campo se denominan con el acrónimo MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor); en este artículo describiré su principio de funcionamiento y en textos posteriores analizaré la intrincada historia de su invención y su impresionante desarrollo actual.


1. Principio descriptivo de operación

El MOSFET se basa en una idea relativamente sencilla de entender, pero extraordinariamente compleja de llevar a la práctica. Es un dispositivo que controla el paso de electrones de una zona del dispositivo a otra y, en consecuencia, de la corriente eléctrica. Para realizar esa función, dispone de tres terminales denominados Drenador, Puerta y Fuente, tal y como muestra la imagen de la izquierda de la siguiente figura:

Izquierda: sección transversal de un MOSFET, detallando la geometría del dispositivo y la denominación de cada zona. Derecha: imagen tomada al microscopio de un MOSFET para aplicaciones de potencia; en la esquina superior derecha se muestra la escala. En los dispositivos típicos de chips de ordenadores y/o teléfonos móviles, el tamaño es muchísimo menor.

De acuerdo con la figura anterior, el propósito esencial del dispositivo es permitir o evitar el paso de corriente entre las zonas que se denominan Drenador (en lo que sigue, D) y Fuente (en lo que sigue, S) controlando la tensión que se aplica en la zona intermedia, la Puerta (en lo que sigue, G). Como se puede ver en la figura, esta zona la integran un metal, un aislante (óxido de silicio, SiO2) y la región del semiconductor que esta entre D y S y se conoce como la estructura MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) del dispositivo y es su elemento esencial.

La región del semiconductor que se encuentra justo debajo del óxido se denomina canal, que tiene una longitud L y actúa como barrera para el paso de los electrones de S a D. Esa barrera se puede suprimir aplicando una tensión positiva al metal de la puerta, en ese momento se dice que el canal se abre y la corriente puede fluir entre ambas zonas del dispositivo, de manera que el voltaje aplicado a la puerta se encarga de modular esa corriente; en otras palabras, a mayor tensión positiva en la puerta, mayor corriente entre S y D. Por el contrario, si se aplica una tensión negativa al metal de la Puerta, la barrera se incrementa, se dice entonces que el canal está cerrado, no existiendo en este caso flujo de electrones entre S y D. Una vez que se ha abierto el canal, el tránsito de los electrones desde la S hasta el D es tanto más rápido cuanto más corta es la longitud L del canal. Por consiguiente, cuanto más reducido sea éste, más rápido será el dispositivo, de ahí que sea un tendencia desde los orígenes de la tecnología MOSFET acortar esa dimensión y en consecuencia, todas las demás [2]. La figura muestra la barrera que hay en el canal y como se reduce tras la aplicación de una tensión positiva en la Puerta:

Izquierda: Esquema de la barrera que encuentran los electrones en la Fuente para alcanzar el Drenador. Cuando aumenta la tensión en la Puerta, la barrera se reduce y los electrones pueden fluir desde la Fuente hacia el Drenador. Derecha: Equivalente simplificativo del MOSFET.

 De lo descrito en el párrafo anterior, se puede deducir que el funcionamiento del MOSFET es parecido al de un conmutador (está apagado para tensiones de puerta negativas y encendido para positivas). En definitiva, su correcta operación depende del control que ejerce la estructura Metal-Oxido-Semiconductor que hay en la Puerta y será tanto más rápido cuanto más corta sea la longitud del canal.

El funcionamiento descrito en el párrafo anterior se puede asimilar al de un grifo de agua, tal y como muestra la figura anterior: el agua que circula por una tubería (Fuente) sale hacia la boca del grifo (Drenador) a través de una llave (Puerta) que abre o cierra el flujo de agua, controlando su caudal. En el transistor, el agua es la corriente eléctrica y la llave de paso que gobierna su funcionamiento, la Puerta. En este vídeo se muestran las ideas expuestas en este párrafo.


2. Aplicaciones del MOSFET

Las aplicaciones del MOSFET son numerosas ya que en la actualidad, este dispositivo se encuentra en la práctica totalidad de los CI digitales. En efecto, los procesadores de los ordenadores, tanto de mesa como portátiles, los de los teléfonos móviles o los dispositivos de almacenamiento de estado sólido (los populares “pen drive”, también conocidos como memorias USB) se realizan mediante CI en los que hay miles de millones de MOSFET, que se encargan de proporcionar las funciones básicas de conmutación para realizar puertas lógicas en el caso de los procesadores y el almacenamiento de datos, en el caso  de las memorias.

Los MOSFET discretos también se utilizan en aplicaciones tales como fuentes de alimentación conmutadas, que están presentes, por ejemplo, en los ordenadores de mesa o en los cargadores de teléfonos móviles, amplificadores de radio frecuencia, osciladores y mezcladores (utilizados en las emisoras de radio); también se utilizan en los equipos de audio domésticos y de automóviles.

En los sucesivos artículos de esta serie iré describiendo la dilatada historia de su invención, las ideas que hay en la actualidad para mejorar sus prestaciones, los cuellos de botella de su tecnología de fabricación, etc.

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[1] El procesador Apple A11 Bionic está fabricado por la compañía TSMC, uno de los gigantes de la industria microelectrónica. Apple no fabrica circuitos integrados.

[2] Una explicación algo más elaborada, que recurre a los principios de mecánica cuántica implicados en el funcionamiento del MOSFET, se puede encontrar en este artículo.