Actualizado a: 19 de enero de 2024
Al igual que explicamos los memristores, otro de esos elementos que pretendía revolucionar la electrónica, ahora tenemos que hablar de otros dos desconocidos. Por un lado de los transistores inversos, y por otro lado de los transcitores. Dos dispositivos de lo más peculiares que deberías conocer, porque tal vez se hable más de ellos en un futuro…
Unión NP semiconductora
Una unión en un semiconductor, también conocida como unión PN, es una estructura fundamental en dispositivos electrónicos como diodos (formado por una sola unión) y transistores (formado por varias uniones). Esta unión PN está formada por la unión de dos materiales semiconductores diferentes, uno tipo P y otro tipo N. Para entender cómo funciona una unión PN, es importante comprender algunos conceptos básicos antes.
Los semiconductores son materiales que tienen propiedades intermedias entre los conductores y los aislantes . En los semiconductores, la conductividad eléctrica puede controlarse mediante la adición de impurezas o dopantes.
Primeramente empezar por conocer el silicio puro, también conocido como silicio intrínseco, tiene una estructura cristalina en la que los átomos de silicio se unen mediante enlaces covalentes, formando una red. En esta estructura, se pueden crear huecos de electrones cuando un electrón abandona la capa de valencia y se convierte en un electrón libre. Estos pares electrón-hueco se generan debido a la temperatura o la luz. En un semiconductor puro (intrínseco), el número de huecos es igual al de electrones libres a temperatura constante.
Los dopantes (impurezas aceptoras para el tipo P y impurezas donantes para el tipo N) juegan un papel crucial en la creación de portadores de carga. En los materiales tipo P, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que en los materiales tipo N, los electrones libres son los portadores mayoritarios. Aunque los electrones libres pueden moverse libremente, están cerca de iones dopantes positivos, lo que mantiene al material eléctricamente neutro en general.
Para obtener un silicio extrínseco tipo P, se realiza un proceso de dopado, donde se sustituyen algunos átomos de silicio por átomos con menos electrones de valencia (generalmente boro). Esto crea huecos y aumenta los portadores de carga positivos (huecos).
En el caso del silicio extrínseco tipo N, se añade un tipo de elemento con cinco electrones de valencia (por ejemplo, fósforo, arsénico o antimonio) al semiconductor, lo que aporta electrones adicionales y crea una abundancia de electrones libres, aumentando los portadores de carga negativos (electrones).
Cuando se coloca un semiconductor tipo P en contacto directo con un semiconductor tipo N, se forma una unión PN. En esta región de unión, los electrones del semiconductor tipo N tienden a moverse hacia la región tipo P debido a la diferencia de potencial eléctrico. Al hacerlo, llenan los huecos en el semiconductor tipo P.
El funcionamiento exacto de una unión PN involucra dos procesos importantes:
- Difusión: los electrones del semiconductor tipo N se difunden hacia el semiconductor tipo P, y los huecos del semiconductor tipo P se difunden hacia el semiconductor tipo N. Esta difusión de portadores de carga crea una región en la que hay una pequeña concentración de portadores opuestos en ambos lados de la unión.
- Barrera de potencial: a medida que los electrones y los huecos se difunden, crean una región en la unión donde se establece una diferencia de potencial eléctrico debido a la separación de cargas. Esta diferencia de potencial actúa como una barrera para el flujo de portadores de carga adicionales a través de la unión.
Cuando se aplica una tensión externa a la unión PN en la dirección adecuada (polarización directa), la barrera de potencial se reduce, permitiendo que los electrones y los huecos se recombinen y se genere una corriente eléctrica. Esto es lo que permite que los diodos emitan luz o conduzcan la corriente en una dirección específica. En cambio, cuando se aplica una tensión en la dirección opuesta (polarización inversa), la barrera de potencial se vuelve más grande y evita eficazmente el flujo de corriente a través de la unión, lo que hace que el diodo esté en estado de corte. Así es como los semiconductores se pueden comportar como un conductor o como un aislante, según se exciten…
Sin embargo, esto es solo una unión PN, como la de los diodos. Pero un transistor está compuesto por más de una unión PN, y es algo más complejo como te explico en el siguiente apartado.
¿Qué es un transistor y cómo funciona?
Aunque hay diversos tipos de transistores, como los bipolares, aquí nos vamos a centrar en los que más interesan para el mundo de los ordenadores y los chips, como son los transistores unipolares. Un transistor MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) es un tipo de transistor utilizado en electrónica para amplificar o conmutar señales electrónicas y controlar el flujo de corriente eléctrica que pasa a través de él. Es uno de los componentes más fundamentales en la construcción de circuitos integrados y desempeña un papel crucial en la tecnología moderna, como sabes.
En contraste con los condensadores, bobinas y resistencias, que son elementos pasivos en un circuito, los transistores son componentes activos. Esto se debe a que los transistores desempeñan un papel en el control del comportamiento del circuito o proporcionan una ganancia específica debido a su respuesta no lineal. En otras palabras, la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada por el circuito no se puede describir mediante un valor constante. Esto agrega una complejidad que no se encuentra en sistemas lineales. Por otro lado, los condensadores, resistencias y bobinas, que son componentes pasivos en un circuito eléctrico según hemos observado, tienen un comportamiento bien definido y sigue un patrón lineal. Además, tienen la función de conectar los componentes activos y permitir la transferencia de la señal eléctrica, ya sea almacenándola en campos magnéticos o eléctricos o disipando la energía eléctrica.
El funcionamiento de un transistor MOSFET se basa en la modulación del flujo de corriente a través de un canal semiconductor por medio de un campo eléctrico generado por una tensión aplicada a la puerta (gate). Los componentes principales de un MOSFET son:
- Puerta (Gate): es el terminal que controla el transistor al aplicar una tensión a él. La puerta está aislada eléctricamente del canal semiconductor por una fina capa de óxido de silicio (SiO2), por lo que no influye sobre el canal de forma eléctrica directa, sino mediante campos, de ahí el nombre de este tipo de transistor.
- Canal (Channel): es la región semiconductor entre los terminales drenador (drain) y fuente (source). El canal es el camino a través del cual fluye la corriente eléctrica entre estos dos terminales.
- Fuente (Source) y Drenador (Drain): estos terminales están conectadas al canal y permiten que la corriente fluya desde la fuente hacia el drenaje cuando el transistor está en conducción. Si el canal es un semiconductor de tipo N, los terminales serán pozos de tipo P. Mientras que si el canal es de tipo P, los terminales serán pozos de tipo N. Es aquí donde tenemos las uniones PN que describimos en el apartado anterior, pero que no solo hay una como en el diodo…
El funcionamiento básico del MOSFET se puede dividir en dos modos:
- Modo de Corte (Off): cuando no se aplica tensión a la puerta, el MOSFET está en modo de corte. En este estado, el canal se extrangula, impidiendo que la corriente fluya entre la fuente y el drenador, debido a que los portadores de carga no lo permiten. El MOSFET actúa como un interruptor abierto en este estado, es decir, se puede decir que está apagado o a 0.
- Modo de Conducción (On): cuando se aplica una tensión adecuada a la puerta (esto dependerá de si el canal es N o P) en relación con la fuente, se crea un campo eléctrico que atrae portadores de carga hacia arriba en el canal, creando un camino de paso. Esto forma un canal conductivo entre la fuente y el drenador, permitiendo que la corriente fluya a través del MOSFET. El MOSFET actúa como un interruptor cerrado o un amplificador en este estado. Es decir, tendríamos un transistor encendido o a 1.
El MOSFET es un dispositivo de estado sólido, lo que significa que no tiene partes móviles y puede cambiar rápidamente entre el modo de corte y el modo de conducción en respuesta a las señales aplicadas a la puerta, esto es lo que se conoce como frecuencia de conmutación, y de ella dependerá la frecuencia de reloj máxima a la que puede trabajar un chip. Esto lo hace muy útil en aplicaciones de amplificación de señales, conmutación de circuitos y como componentes de lógica digital en electrónica moderna. Su alta eficiencia y capacidad para controlar corrientes eléctricas lo convierten en un componente esencial en la mayoría de los dispositivos electrónicos que utilizamos a diario.
¿Qué es un transistor inverso (transcitor)?
En las últimas décadas, muchos investigadores han estudiado las propiedades de los componentes pasivos en los circuitos eléctricos para determinar si existen otros componentes con diferentes características que puedan sustituirlos o complementarlos, como es el caso del memristor que cité anteriormente. Sungsik Lee es uno de estos investigadores. Por su parte, ha abordado una tarea similar, pero centrándose en los componentes activos, es decir, los transistores.
El resultado de su investigación es el «trancitor», o transcitor en español, aunque a veces se conocen como transistores inversos. Estas palabras provienen de la unión de «transfer» (transferencia) y «capacitor» (condensador).
En su artículo de investigación, Lee presenta un experimento que demuestra que la incorporación de trancitores en un circuito integrado puede reducir significativamente su tamaño y consumo de energía.
La palabra «transistor» describe con precisión su función: toma una señal de entrada y regula la corriente en la salida, de manera similar a una resistencia variable, y esta palabra proviene de las palabras en inglés «transfer» (transferencia) y «resistor» (resistencia). Lo que Lee ha desarrollado es un dispositivo con características similares a los transistores, pero en lugar de regular corriente, regula voltaje en la salida, como un condensador hipotético con capacidad variable. Sin embargo, no se deben considerar los trancitores como reemplazos de los transistores convencionales, sino como dispositivos diseñados para coexistir con ellos en un mismo circuito.
Puede parecer contraproducente agregar más elementos a nuestros circuitos integrados. No obstante, Lee argumenta que la introducción de trancitores en realidad implica el uso de menos transistores, lo que, según él, es clave. Para respaldar su teoría, Lee propone un ejemplo en el que la combinación de un solo trancitor y un solo transistor puede reemplazar la necesidad de utilizar cuatro transistores para construir un amplificador de voltaje, lo que reduce la complejidad, el tamaño y el consumo de energía del circuito a la mitad.
Las ventajas de incorporar trancitores en circuitos integrados incluyen un menor consumo de energía, menor complejidad, menor tamaño y un aumento en la velocidad de los circuitos. Estos beneficios podrían tener un impacto significativo en dispositivos cotidianos, como computadoras, y representan un cambio de paradigma en la construcción de circuitos integrados, según la tesis de Sungsik Lee.
Considerando todo lo que hemos revisado hasta este punto y si se confirman las prometedoras propiedades de los trancitores en teoría, no es difícil imaginar que su incorporación en la tecnología electrónica actual tendría un efecto muy beneficioso. En este contexto, es relevante recordar la definición de la Ley de Moore.
Según la Ley de Moore, que se observó por primera vez en 1965 y tiene más años que la propia empresa Intel, se ha formulado de diversas maneras a lo largo del tiempo. Durante las décadas de los años 90 y del pasado, se enfocaba en la velocidad, y más tarde se centró en el rendimiento. En última instancia, la Ley de Moore establece una expectativa en la industria electrónica en términos del avance, las capacidades y la tecnología que podemos llevar al mercado, lo que motiva a los consumidores a comprar.
Si, como sostiene Sungsik Lee, la combinación de transistores y trancitores permite fabricar microprocesadores (u otros circuitos integrados), que son extremadamente complejos, que sean más rápidos, sencillos y con un menor consumo de energía que los actuales, es evidente que la Ley de Moore seguirá siendo relevante en el futuro, ya que esto podría seguir ayudando a mantenerla en el tiempo…
¿Cómo fabricarlo?
Este investigador sugiere la posibilidad de fabricar trancitores aprovechando el conocido efecto Hall, un fenómeno que genera un campo eléctrico dentro de un conductor cuando una corriente eléctrica circula a través de él y se encuentra bajo la influencia de un campo magnético perpendicular a la dirección del movimiento de las cargas. Sin embargo, existe un desafío pendiente: los científicos aún no han resuelto cómo aplicar este efecto en los circuitos CMOS a una escala nanométrica.
Si aún no sabes qué es este efecto, hay que decir que el efecto Hall es un fenómeno físico que se produce en materiales conductores cuando una corriente eléctrica fluye a través de ellos y están expuestos a un campo magnético perpendicular a la dirección de la corriente.
Fue descubierto por el físico estadounidense Edwin Hall en 1879 y desde entonces ha tenido una amplia gama de aplicaciones en la detección de campos magnéticos, la medición de corrientes eléctricas, la navegación y la industria electrónica.
Se basa en la interacción entre los electrones cargados negativamente que constituyen la corriente eléctrica y el campo magnético aplicado. Cuando un conductor atraviesa un campo magnético, los electrones experimentan una fuerza lateral, conocida como fuerza de Lorentz, que desvía su trayectoria. Esto da como resultado una acumulación de cargas en un lado del conductor y una deficiencia de cargas en el otro lado, lo que crea un campo eléctrico transversal conocido como voltaje de Hall.
El voltaje de Hall se puede medir y utilizar para determinar la intensidad del campo magnético o la corriente eléctrica, dependiendo de la aplicación. El efecto Hall es fundamental en dispositivos como sensores de campo magnético, medidores de corriente y acelerómetros utilizados en la industria, la investigación y la tecnología. También es la base de muchas técnicas de detección y control en sistemas electrónicos modernos. Se usa ampliamente, pero reducir sus dimensiones es otra historia que tendrá que resolverse…
¿Cuándo llegan los trancitores?
Hasta el momento, todas las ideas presentadas por Sungsik Lee en su investigación permanecen en el ámbito teórico, y no es posible prever cuándo será posible fabricar los primeros trancitores, algo parecido a lo que le ocurrió al memristor durante tantos años, e incluso cuando se ha hecho posible, tampoco ha sustituido a los transistores como se esperaba…
La razón detrás de esto es bastante clara. Si bien comprendemos cómo deberían funcionar y cuáles serían sus propiedades, así como el impacto que tendrían en los circuitos integrados actuales, aún no se ha descubierto cómo producirlos.
Este desafío debe superarse para que la tecnología propuesta por Lee en su investigación pueda avanzar. Si desean obtener más detalles sobre la propuesta de este investigador y no les intimida el inglés, les recomiendo que revisen su artículo, donde describe en profundidad los fundamentos físicos de su innovación. Es evidente que queda mucho trabajo por hacer, pero al menos tener opciones fundamentadas nos permite vislumbrar el futuro de la electrónica digital con un cierto grado de optimismo.
