XXIX. LA ÉPOCA MODERNA. INTEGRACIÓN: CHIPS, MICRO-TODO, COMPUTADORAS Y TODAS ESAS COSAS

EL TRANSISTOR, que se empezó a utilizar a finales de la década de 1940, se consideró en su época como una maravilla de lo compacto, comparado con el tamaño de los tubos al vacío. Sin embargo, a partir de 1950 el tamaño de los dispositivos electrónicos se ha reducido en un factor de alrededor de 10 veces cada cinco años. En 1960, cuando se empezó a usar la palabra microelectrónica, un bloque (chip) de silicio de un área de 0.5 cm² podía contener de 10 a 20 transistores con varios diodos, resistencias y condensadores. Hoy en día tales bloques pueden contener varias docenas de miles de componentes.

Gran parte del estímulo para miniaturizar circuitos electrónicos provino de los programas de cohetes balísticos, dada la limitada capacidad de carga que tenían. A medida que la microtecnología electrónica se desarrolló, se aplicó muy rápidamente a computadoras comerciales, reduciendo enormemente el tamaño de sus procesadores. Más tarde se diseñaron diferentes dispositivos portátiles como las calculadoras y otros que han invadido la casa, la oficina, la escuela, las carreteras, etc. La vida actual ha experimentado un notable vuelco debido a estos avances.

Hasta el advenimiento del transistor, más precisamente, de la utilización de materiales semiconductores, cada tipo de componente que se usaba en un circuito electrónico estaba hecho de materiales particulares que tuviesen las características requeridas para su funcionamiento. Así, se utilizó el tungsteno para los cátodos de un tubo al vacío, cerámica para condensadores, carbón para resistencias, etc. Estas componentes se usaron a su vez como "ladrillos" en la construcción de circuitos electrónicos con determinadas características. Estos circuitos se combinaron para construir sistemas como receptores de radio, radar, televisión, etcétera.

Por otro lado, desde sus inicios la electrónica desarrolló una tecnología de conexiones muy complejas, pues había que conectar, de acuerdo con los diseños, un buen número de componentes eléctricas.

Una gran desventaja de usar materiales semiconductores es que se dejó de trabajar con materiales separados como carbón, tungsteno, cerámicas, etc. Al mismo tiempo, con el uso de semiconductores se logró elevar de manera impresionante el número de interconexiones, proceso que resultaba muy complicado de realizar con componentes separados; de hecho, se estaba ya llegando a sus límites físicos.

Cuando se empezó a usar el transistor no hubo gran modificación en la forma de conectar componentes individuales en circuitos electrónicos. Por supuesto que el tamaño de los circuitos decreció debido a la disminución del tamaño del transistor. Sin embargo, en el mismo transistor ya hubo una novedad: fue la primera componente electrónica en la que materiales con diferentes características no se conectaron sino que simplemente se unieron físicamente en una estructura. Por ejemplo, como se vio en el capítulo XXVII, un transistor NPN consiste de tres elementos, dos bloques N y uno P, simplemente unidos uno con el otro.

Como primer paso para simplificar el diseño de sistemas y reducir el número de conexiones se desarrollaron módulos de circuitos estándar, cada uno de los cuales realizaba una función. Estos se construyeron en tablas de plástico, que son aislantes eléctricos, en las cuales estaban armados los circuitos con transistores, resistencias, condensadores, etc. Esas tablas se conectaban en un sistema, el cual podía estar compuesto de muchas tablas. Esto fue posible gracias al tamaño relativamente pequeño del transistor.

Sin embargo, debido a la complejidad cada vez mayor de los sistemas, muy pronto se presentaron de nuevo problemas de conexiones, ahora entre las tablas que contenían los circuitos. Debido al elevado costo del diseño de conexiones, y al propósito de que los alambres que conectan a las diferentes partes de un sistema fueran del mínimo tamaño posible, hubo necesidad de tomar otros caminos. Se llegó muy rápidamente al límite físico al intentar conexiones en un área cada vez más pequeña para un número cada vez más grande de componentes en un circuito. Esto dio lugar a una nueva tecnología: la microelectrónica de los circuitos integrados.

Esta nueva forma de construir circuitos electrónicos se empezó a desarrollar hacia mediados de la década de 1950 en los laboratorios industriales de dos compañías estadunidenses, Texas Instruments y Fairchild Semiconductor. La idea fue producir, como parte de un pequeño bloque semiconductor, en este caso de silicio, no sólo transistores y diodos sino también resistencias, condensadores y otros componentes electrónicos, y unir todo dentro del bloque, o chip, para formar un circuito completo. Como cada componente tiene sus propiedades particulares muy específicas, se logró incorporarlas dentro del chip difundiendo selectivamente, en lugares adecuados, trazas de impurezas en el bloque de silicio. Se usó la técnica de la fotolitografía para exponer ciertas partes seleccionadas del chip de silicio a la difusión de las impurezas mientras que se protegió el resto. Veamos con cierto detalle una forma de realizar este tipo de construcción.

Se empieza, por ejemplo, con un bloque de semiconductor pulido, digamos de silicio, que tiene impurezas P (Figura 56(a)). Al oxidarlo se produce en su superficie una pequeña capa de dióxido de silicio. En seguida se cubre la superficie del bloque con un material especial que se endurece al exponerlo a la luz. Encima se coloca una máscara de alta precisión, producida por óptica muy precisa y se ilumina. En los lugares no expuestos a la luz, el material especial se disuelve y el dióxido de silicio que está abajo se elimina (Figura 56(b)). Así, varias regiones determinadas de antemano quedan expuestas, mientras que el resto de la superficie está cubierto. A continuación se introduce el bloque en una atmósfera controlada, de tal forma que las impurezas N se difundan a través de la superficie expuesta dentro de lo que era silicio P. Así se forma una zona N. El siguiente paso es eliminar la capa de dióxido de silicio de todo el bloque y hacer crecer una capa de material con impurezas N (Figura 56(c)). La superficie nuevamente se oxida (Figura 56(d)), y se vuelve a repetir el proceso descrito para llegar a la figura 56(b), pero ahora se le coloca en un atmósfera de impurezas P que se difunden en otros lugares, determinados de antemano (Figura 56 (e)). Nótese que ya se tienen dos conjuntos NPN que forman sendos transistores. De esta manera se van colocando diferentes porciones, tanto de materiales N como P en diferentes secciones del bloque, para lograr tantos componentes como se deseen. Finalmente, se deposita material conductor, como aluminio, para hacer contacto entre diversas partes como la P y N de un transistor. Así se construye un circuito integrado plano. El siguiente paso es juntar cierto número de ellos, uno encima del otro, y conformar un paquete, el chip. De esta manera se han logrado circuitos integrados a mediana y gran escala de tamaño muy pequeño (denotados, por sus siglas en inglés como MSI y LSI, respectivamente).

Figura 56. Descripción esquemática de la construcción de circuitos integrados .

Esta novedosa forma de construir circuitos electrónicos ha permitido una efectiva miniaturización. De esta manera se han construido un sinnúmero de aparatos y dispositivos microelectrónicos que distinguen la época en que vivimos: relojes de mano, robots, microcomputadoras, etcétera.