Un poco de ciencia, por favor

La partida de nacimiento del protagonista de la revolución digital

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

(El contenido de este artículo está recogido de forma más amplia y detallada en el Capítulo 5 de mi libro: "Microelectrónica. La historia de la mayor revolución silenciosa del siglo XX"; 2018, Ediciones Complutense).

En un artículo anterior publicado en este periódico, he descrito cómo funciona el dispositivo electrónico que se encuentra en el corazón de todos los equipos y plataformas que han motivado la verdadera revolución tecnológica, de costumbres y de hábitos de ocio en la que estamos inmersos: teléfonos móviles, ordenadores, navegadores, etc. que facilitan, entre otras cosas, el funcionamiento y accesibilidad de aplicaciones de éxito en redes sociales (WhatsApp, Facebook, Instagram, Twiter), en televisión (Netflix, HBO, Amazon), etc. Ese dispositivo, conocido por sus siglas en inglés, MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), está dentro de prácticamente todos los circuitos integrados que posibilitan la utilización sencilla y cómoda de todos los sistemas y aplicaciones señalados:

Procesador Apple A12 Bionic, incorporado a los últimos modelos de teléfonos de la familia iPhone (los iPhone XSXS Max y XR). Fabricado por la empresa TSMC en tecnología de 7 nm, posee 6.900 millones de transistores en el asombroso espacio de 83 mm² (9.9 mm × 8.4 mm). Es decir, hay casi 93 millones de transistores dentro de cada mm² de chip. Llegar hasta aquí no ha sido sencillo ni rápido…

Pero su nacimiento atravesó por vicisitudes que hicieron pensar durante décadas que el "parto" no llegaría a término; en este artículo describiré la intrincada historia de su invención.

1. Un nacimiento prematuro y frustrado

Podemos decir que la actual revolución digital no nació ni en EEUU, ni en ninguno de los países científicamente a la cabeza de la innovación digital, si no que nació en Ucrania. Es más, si atendemos al lugar de nacimiento de su progenitor, podemos decir que el origen de la actual revolución digital hay que situarlo ¡en el Imperio Austro-Húngaro!. En efecto, el científico Julius E. Lilienfeld (1882-1963, nacido en Lvov, en la actualidad Ucrania, hasta 1918, Imperio Austro-Húngaro) propuso a lo largo del período 1926-1933, las ideas esenciales de funcionamiento de los dispositivos de efecto campo, ideas que registró en tres patentes (US 1745175, US 1877140 y US 1900018).

De manera independiente, el científico alemán Oskar Heil (1908-1994), mientras trabajaba en la Universidad de Cambridge, patentó en 1934 el que puede considerarse el primer transistor de efecto campo (patente 439457). Tanto las patentes de Lilienfeld como la de Heil fueron registradas y aceptadas, pero nunca pudieron llevarlas a la práctica, porque el estado de la tecnología y del conocimiento sobre semiconductores existente en aquellos años era insuficiente e inadecuado, lo que impidió fabricar dispositivos funcionales con sus ideas. Es decir, el transistor de efecto campo (al menos, las ideas para llevarlo a la práctica) es anterior al transistor bipolar, aunque en la historia quedó registrado este último como el primer transistor operacional, tras los desarrollos de los Laboratorios Bell que culminaron en diciembre de 1947, tal y como describí en este artículo y recojo con gran detalle en el capítulo 3 del libro indicado al comienzo.

Figuras de una de las patentes de Lilienfeld (izquierda) y del dispositivo ideado por Heil (derecha)

Aunque conceptualmente el MOSFET es más sencillo que el transistor bipolar, su aparición en el mercado fue posterior al segundo en más de una década. La razón de esto hay que buscarla en la tecnología de fabricación del dispositivo, ya que para construir un MOSFET, se necesita un aislante depositado sobre la superficie del silicio y ahí se encuentra el cuello de botella de la tecnología del dispositivo. En efecto, para realizar adecuadamente las funciones de control del flujo de corriente entre, el dispositivo debe disponer de una intercara entre un óxido (SiO2) y un semiconductor (silicio), que debe estar absolutamente libre de defectos; si no es así, en esa intercara se atrapa carga, impidiendo el funcionamiento correcto. Esa fue la causa del retraso en el desarrollo de la tecnología MOSFET, que solo puedo llevarse a la práctica cuando la madurez de la tecnología microelectrónica hizo posible construir una superficie de silicio libre de defectos, junto con un aislante excepcional, como es el SiO2.

Izquierda: patente de D. Kahng para el primer MOSFET funcional. Derecha: la noticia del primer dispositivo comercial de la compañía RCA en la prensa generalista.

El avance decisivo se produjo en 1959, cuando los científicos de los Bell Labs  Martin M. Atalla (1924-2009) y Dawon Kahng (1931-1992) obtuvieron el primer dispositivo MOSFET funcional, al conseguir la pasivación efectiva de la superficie entre el SiO2 y el silicio. Investigando en las propiedades de capas de SiO2 crecido térmicamente, encontraron que la carga atrapada en la intercara SiO2/Si se reducía drásticamente logrando un funcionamiento reproducible.

Pero el dispositivo de Atalla y Kahng era lento y no resolvía las necesidades de los sistemas de comunicaciones telefónicas, prioridad absoluta del negocio de A.T. & T. (los Bell Labs eran los laboratorios de investigación de esa compañía), por lo que no se continuó con su desarrollo. No obstante, en un informe que elaboró en 1961, Kahng señaló el enorme potencial que tenía el MOSFET debido a su facilidad de fabricación, lo que posibilitaba incorporarlo en los circuitos integrados que por aquellos años empezaban a comercializarse. Esta falta de perspectiva ante lo que tenían entre manos, fue el inicio del declive de A.T. & T., compañía hegemónica en el campo de las comunicaciones hasta ese momento.

Casi simultáneamente a los hechos descritos, varios científicos de las compañías Fairchild y RCA se percataron de sus ventajas y en 1960 ambas compañías fabricaron dispositivos MOSFET funcionales. Poco tiempo después, en 1962 RCA fabricó el primer circuito integrado con 16 transistores MOSFET aunque no llegó a comercializarse por su elevado coste. Finalmente, en 1964 los dispositivos MOSFET llegaron al mercado de la mano de General Microelectronics y Fairchild, que comercializaron dispositivos para aplicaciones de conmutación y para amplificación, respectivamente (El primer circuito integrado con tecnología MOS es de 1964, comercializado por General Microelectronics):

Izquierda: imagen de uno de los primeros MOSFET que se comercializaron, el Fairchild FI 100. Derecha: primer circuito integrado MOS de 16 transistores de RCA. El dispositivo original se muestra en primer plano (abajo a la izquierda) de la imagen a tamaño real sujeto con unas pinzas y detrás ampliado para apreciar los detalles.

Desde su incorporación al mercado, la tecnología MOS mostró dos ventajas que la hicieron superior a la bipolar:

      1. Requiere menos pasos de fabricación que la tecnología bipolar, lo que se traduce en costes de fabricación más bajos y mayores rendimientos (cociente entre el número de circuitos funcionales y el número total de circuitos fabricados).
      2. El transistor bipolar no puede reducirse de tamaño sin dañar sus características operativas, mientras que el MOSFET puede reducirse sin comprometer su funcionamiento. Esto último es crítico, ya que la reducción del tamaño del MOSFET redunda en una mayor rapidez de respuesta unido a un menor consumo de potencia eléctrica de cada transistor.

Lo que vino en los años siguientes fue una evolución vertiginosa de la tecnología hasta llegar al día de hoy, en el que los circuitos integrados basados en MOSFET representan el 99% del mercado de esos dispositivos, aunque alcanzar tal predominio llevó décadas de esfuerzo y de mejora impresionante de la tecnología microelectrónica. Como muestra de este dominio, la memoria DRAM, que está basada en transistores MOSFET, es hoy en día el objeto fabricado por el ser humano más abundante en la Tierra.

 2. Un comentario final

El nacimiento del transistor bipolar está bien definido en la historia: las navidades de 1947 en los Bell Labs. Sin embargo, es mucho más difícil asignar una fecha para el aniversario del MOSFET. Como hemos visto en el desarrollo de este artículo, el concepto apareció de manera prematura, antes de poder llevarlo a la práctica con la tecnología existente en los años 20 y 30 del siglo XX. Después, se dieron la multitud de pasos y desarrollos por descritos en este artículo que fueron preparando, de manera paulatina y llena de dificultades, la llegada del dispositivo.

Al final, la sinergia entre las necesidades de los ordenadores digitales y las ventajas exclusivas de la tecnología MOS, propiciaron que el MOSFET ocupe en la actualidad un lugar hegemónico en el campo de la microelectrónica. Pero no siempre ha sido así, el éxito nunca (o casi) está asegurado.