El asombroso presente de la tecnología microelectrónica

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)

La invención del MOSFET (acrónimo de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) en los laboratorios Bell por parte de los científicos Mohamed M. Atalla (a la izquierda de la imagen) y Dawon Kahng (a la derecha) en 1959 supuso uno de los hechos de mayor trascendencia a largo plazo en la tecnología electrónica y de paso, en la vida cotidiana, tal y como describí en este artículo:

Los inventores del MOSFET

En este artículo, describiré a grandes rasgos las características esenciales de este dispositivo en el siglo XXI.

1. Un mundo dominado por la tecnología microelectrónica

En un artículo anterior a este, describí los principios de funcionamiento del dispositivo que es el principal responsable de que funcionen correctamente nuestros teléfonos móviles, ordenadores, de que podamos acceder fácilmente a nuestras aplicaciones favoritas (WhatsApp, Facebook, Instagram, Netflix,…). Este dispositivo tiene un nombre totalmente desconocido para el público no especializado: MOSFET. Resulta llamativa la gigantesca distancia que existe entre algo tan cotidiano como usar nuestro teléfono, que empleamos a diario y el casi absoluto desconocimiento que la mayoría de la sociedad tiene de la avanzada tecnología que lo hace funcionar.

Trataré de acercar al lector a esa tecnología en este artículo. Solo indicaré un dato para entender la relevancia de esta cuestión: en términos del número de transistores funcionando en la actualidad, se estima que hay un total de 1.3 × 10²² transistores MOSFET fabricados hasta la fecha desde su invención en 1960, es decir, la inabarcable cantidad de 13.000 trillones de transistores, lo que hace del MOSFET el dispositivo fabricado por el ser humano más numeroso de la historia.

Imagen del corte transversal de un MOSFET, tomada por microscopía electrónica. El dispositivo de la imagen forma parte del Qualcomm Snapdragon 845, uno de los microprocesadores más potentes del mercado. En la esquina inferior izquierda se muestra la escala, lo que permite hacerse una idea del tamaño tan reducido del dispositivo

2. El MOSFET en la actualidad

En los primeros tiempos de los circuitos integrados (en lo que sigue CI o chips, en su denominación en inglés), los chips basados en transistores bipolares fueron hegemónicos en el mercado debido a su gran madurez tecnológica. Con la llegada de la electrónica digital, el MOSFET comenzó a dominar el mercado hasta llegar al momento presente, en el que el 99% de los CI que se comercializan están basados en MOSFET. Esto se debe a varios factores que hacen claramente superior a la tecnología MOSFET frente a la bipolar:

i) “Sencillez” de la fabricación de los dispositivos MOSFET frente a la más compleja tecnología de los transistores bipolares, que permite, entre otras cosas, una gran reducción del tamaño de los transistores, lo que redunda a su vez en una mayor escala de integración de los chips basados en la tecnología MOSFET frente a los bipolares. Este aspecto, el del tamaño reducido de los transistores es crucial para entender su dominio en la actualidad y volveré sobre él en los siguientes párrafos.

ii) Mayor rapidez de conmutación de los chips basados en transistores MOSFET. En electrónica digital, toda la información se codifica a los dígitos binarios Uno y Cero y dado que el MOSFET funciona esencialmente como un conmutador, esa función la cumple con superioridad frente al bipolar.

iii) Bajo consumo de potencia. En las acciones de conmutación entre Uno y Cero, las puertas lógicas MOSFET apenas disipan potencia frente a las bipolares, lo que las hace preferibles a las últimas, en especial en circuitos de muy alta escala de integración, donde el consumo es un factor extremadamente crítico.

Hay una relación directa entre el incremento en las prestaciones de los CI basados en la tecnología MOSFET y el número creciente de dispositivos integrados en dichos CI. Ese incremento está directamente relacionado con la reducción del tamaño de cada uno de los dispositivos, que en la actualidad es asombrosamente reducido. Como efecto colateral, esa reducción ha acarreado numerosos problemas de índole tecnológica. La siguiente imagen muestra un corte transversal de un dispositivo real, con las dimensiones características de las zonas críticas:

Izquierda: imagen en corte transversal de un MOSFET , con el detalle de las tres zonas del dispositivo y de las dimensiones características. Derecha: imagen ampliada de la estructura de puerta.

Según se muestra en la imagen, el espesor del aislante situado en la Puerta es de sólo 1 nm (0,00000001 m). Unas dimensiones de este orden de magnitud conllevan infinidad de problemas de carácter tecnológico, ya que es extremadamente complejo obtener dimensiones tan reducidas de manera repetitiva, lo que hace que los circuitos MOSFET se puedan considerar la vanguardia de la tecnología microelectrónica.

La tendencia a integrar un número creciente de transistores en un CI sigue una ley enunciada en los años 60 por Gordon Moore (1929- ), uno de los fundadores del gigante Intel y se conoce como “Ley de Moore”, que he detallado en este artículo. Esa ley se ha mantenido plenamente vigente hasta la actualidad desde los primeros años de la tecnología de circuitos integrados. Básicamente, esa ley establece que el número de transistores construidos en un área determinada se duplica cada 18 meses. De acuerdo con las previsiones de esa ley, al día de hoy el número de transistores integrados en un chip de poco más de 3-4 cm² de superficie supera los 10.000.000.000 de transistores, de ahí el tamaño tan reducido que tiene cada dispositivo. La siguiente figura muestra la ley de Moore, es decir, la evolución en el tiempo del número de transistores integrados en un chip:

Ley de Moore: En el eje vertical, en escala logarítmica, el número de transistores incluidos en un chip. En el eje horizontal, el año de comercialización de los chips

Ahora bien, ¿por qué hay que integrar cada vez más transistores en un CI? Esencialmente, para poder realizar operaciones más complejas en menos tiempo; piénsese por ejemplo, en las capacidades de los teléfonos móviles de hace 10 años y en las que tienen en la actualidad. Ese aumento en las prestaciones se debe a una sinergia asombrosa entre un software cada vez más desarrollado, con un hardware (es decir, con un chip) cada vez más potente. Buena parte de la responsabilidad de ese avance tecnológico sin parangón se debe a las propiedades del MOSFET. En este vídeo se muestra el proceso de fabricación de un circuito integrado:

¿Qué va a hacer la industria microelectrónica en los próximos años? Lo veremos en una serie de próximos artículos.