XXIX. LA �POCA MODERNA. INTEGRACI�N: CHIPS, MICRO-TODO, COMPUTADORAS Y TODAS ESAS COSAS

EL TRANSISTOR, que se empez� a utilizar a finales de la d�cada de 1940, se consider� en su �poca como una maravilla de lo compacto, comparado con el tama�o de los tubos al vac�o. Sin embargo, a partir de 1950 el tama�o de los dispositivos electr�nicos se ha reducido en un factor de alrededor de 10 veces cada cinco a�os. En 1960, cuando se empez� a usar la palabra microelectr�nica, un bloque (chip) de silicio de un �rea de 0.5 cm² pod�a contener de 10 a 20 transistores con varios diodos, resistencias y condensadores. Hoy en d�a tales bloques pueden contener varias docenas de miles de componentes.

Gran parte del est�mulo para miniaturizar circuitos electr�nicos provino de los programas de cohetes bal�sticos, dada la limitada capacidad de carga que ten�an. A medida que la microtecnolog�a electr�nica se desarroll�, se aplic� muy r�pidamente a computadoras comerciales, reduciendo enormemente el tama�o de sus procesadores. M�s tarde se dise�aron diferentes dispositivos port�tiles 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, m�s precisamente, de la utilizaci�n de materiales semiconductores, cada tipo de componente que se usaba en un circuito electr�nico estaba hecho de materiales particulares que tuviesen las caracter�sticas requeridas para su funcionamiento. As�, se utiliz� el tungsteno para los c�todos de un tubo al vac�o, cer�mica para condensadores, carb�n para resistencias, etc. Estas componentes se usaron a su vez como "ladrillos" en la construcci�n de circuitos electr�nicos con determinadas caracter�sticas. Estos circuitos se combinaron para construir sistemas como receptores de radio, radar, televisi�n, etc�tera.

Por otro lado, desde sus inicios la electr�nica desarroll� una tecnolog�a de conexiones muy complejas, pues hab�a que conectar, de acuerdo con los dise�os, un buen n�mero de componentes el�ctricas.

Una gran desventaja de usar materiales semiconductores es que se dej� de trabajar con materiales separados como carb�n, tungsteno, cer�micas, etc. Al mismo tiempo, con el uso de semiconductores se logr� elevar de manera impresionante el n�mero de interconexiones, proceso que resultaba muy complicado de realizar con componentes separados; de hecho, se estaba ya llegando a sus l�mites f�sicos.

Cuando se empez� a usar el transistor no hubo gran modificaci�n en la forma de conectar componentes individuales en circuitos electr�nicos. Por supuesto que el tama�o de los circuitos decreci� debido a la disminuci�n del tama�o del transistor. Sin embargo, en el mismo transistor ya hubo una novedad: fue la primera componente electr�nica en la que materiales con diferentes caracter�sticas no se conectaron sino que simplemente se unieron f�sicamente en una estructura. Por ejemplo, como se vio en el cap�tulo 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 dise�o de sistemas y reducir el n�mero de conexiones se desarrollaron m�dulos de circuitos est�ndar, cada uno de los cuales realizaba una funci�n. Estos se construyeron en tablas de pl�stico, que son aislantes el�ctricos, en las cuales estaban armados los circuitos con transistores, resistencias, condensadores, etc. Esas tablas se conectaban en un sistema, el cual pod�a estar compuesto de muchas tablas. Esto fue posible gracias al tama�o relativamente peque�o 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 conten�an los circuitos. Debido al elevado costo del dise�o de conexiones, y al prop�sito de que los alambres que conectan a las diferentes partes de un sistema fueran del m�nimo tama�o posible, hubo necesidad de tomar otros caminos. Se lleg� muy r�pidamente al l�mite f�sico al intentar conexiones en un �rea cada vez m�s peque�a para un n�mero cada vez m�s grande de componentes en un circuito. Esto dio lugar a una nueva tecnolog�a: la microelectr�nica de los circuitos integrados.

Esta nueva forma de construir circuitos electr�nicos se empez� a desarrollar hacia mediados de la d�cada de 1950 en los laboratorios industriales de dos compa��as estadunidenses, Texas Instruments y Fairchild Semiconductor. La idea fue producir, como parte de un peque�o bloque semiconductor, en este caso de silicio, no s�lo transistores y diodos sino tambi�n resistencias, condensadores y otros componentes electr�nicos, y unir todo dentro del bloque, o chip, para formar un circuito completo. Como cada componente tiene sus propiedades particulares muy espec�ficas, se logr� incorporarlas dentro del chip difundiendo selectivamente, en lugares adecuados, trazas de impurezas en el bloque de silicio. Se us� la t�cnica de la fotolitograf�a para exponer ciertas partes seleccionadas del chip de silicio a la difusi�n de las impurezas mientras que se protegi� el resto. Veamos con cierto detalle una forma de realizar este tipo de construcci�n.

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 peque�a capa de di�xido 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 m�scara de alta precisi�n, producida por �ptica muy precisa y se ilumina. En los lugares no expuestos a la luz, el material especial se disuelve y el di�xido de silicio que est� abajo se elimina (Figura 56(b)). As�, varias regiones determinadas de antemano quedan expuestas, mientras que el resto de la superficie est� cubierto. A continuaci�n se introduce el bloque en una atm�sfera controlada, de tal forma que las impurezas N se difundan a trav�s de la superficie expuesta dentro de lo que era silicio P. As� se forma una zona N. El siguiente paso es eliminar la capa de di�xido 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 atm�sfera de impurezas P que se difunden en otros lugares, determinados de antemano (Figura 56 (e)). N�tese 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. As� se construye un circuito integrado plano. El siguiente paso es juntar cierto n�mero 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 tama�o muy peque�o (denotados, por sus siglas en ingl�s como MSI y LSI, respectivamente).

Figura 56. Descripci�n esquem�tica de la construcci�n de circuitos integrados .

Esta novedosa forma de construir circuitos electr�nicos ha permitido una efectiva miniaturizaci�n. De esta manera se han construido un sinn�mero de aparatos y dispositivos microelectr�nicos que distinguen la �poca en que vivimos: relojes de mano, robots, microcomputadoras, etc�tera.