Semiconductores: Presente, Pasado y Futuro.

Por Javier Dancausa 

Es curioso, pero entre todas las lecciones que recuerdo de mi etapa en el colegio, en la antigua EGB, junto a cosas como agujeros negros, superconductividad, el Big Bang y trenes que volaban… que nos contaban para, sabiamente, captar nuestra atención, me acuerdo del día que nos contó, nuestro genial profesor de Ciencias (D. José Luis), la diferencia entre conductores, semiconductores y aislantes. Y lo cierto es que los semiconductores no me gustaron mucho, la verdad, me parecieron un poco sosos, algo… mediocres, porque ¿qué es eso de conducir, pero a medias? Nada. No me convencían en absoluto.

Y llegó el último año de colegio, antes de pasar a la Universidad, en el que tuve que hacer un trabajo sobre el transistor. Fue una experiencia divertida, aunque me costó enterarme de que "Silicon" no se traducía por "silicona" sino por "silicio", y descubrí que el transistor, estaba basado en semiconductores. Esas cosas que yo había despreciado unos años antes resultaban ser la base de toda la tecnología en la que vivimos inmersos. Pero la verdad, tampoco me emocioné tantísimo. Supongo que es algo así como la rueda: un grandísimo invento, pero nadie llora de emoción cuando sale a la calle.

Hasta que llegué a la Universidad y una vez pasados los tres primeros cursos descubrí que los semiconductores son mucho más que una cosa que "conduce, sí, pero a medias", y también son más cosas que sólo el transistor. O ¿qué pensaba? ¿Qué los punteros láser que venden en las tiendas de "todo a 1 euro" llevan incorporada una cavidad resonante de medio metro de longitud (pero "metros de los pequeñitos") en la que producir una inversión de población y la consiguiente emisión láser? No señor, lo que estos punteros de 1 euro y una gran cantidad de aparatos con aplicaciones en investigación, cirugía o posicionamiento llevan dentro es un semiconductor. Igual que los LEDs, esas bombillitas que ya tenemos en todos lados que consumen poco e iluminan mucho y que se encuentran desde en los semáforos de la calle hasta en los ratones ópticos de sobremesa. Los semiconductores no sólo estaban por doquier, sino que eran parte de aparatos muy diversos con aplicaciones muy distintas. Además, ya no sólo conducían la electricidad, sino que también podían recoger y emitir luz.

Ahora bien, el mundo sigue avanzando imparable en su desarrollo tecnológico, pero su objetivo primordial ya no es la miniaturización de las cosas, no, porque la palabra "miniaturización", irónicamente, se le ha quedado grande. El James Bond del futuro no llevará una cámara de alta definición en su alfiler de corbata, además llevará una impresora láser y un compartimento para guardar el ticket del parking. Ahora el futuro está en la nanotecnología.

El gran problema y la gran ventaja de la nanotecnología no es que todo sea más pequeño y difícil de manejar, tampoco la gran disipación que se puede producir si se intenta pasar mucha corriente por una región tan pequeña, ni la gran fricción que sufren los materiales por el importante valor de la relación superficie – volumen, sino que la Física subyacente es la Física Cuántica, un modelo que puede ser complicado de manejar con sistemas sencillos y que, cuando se aplica a cosas complejas, como se pretende con la nanotecnología, da lugar a fenómenos completamente inesperados o difícilmente controlables, aunque, siempre, muy interesantes. Como decía Ivan K. Schuller (un investigador de San Diego nacido en Rumanía que habla español con acento chileno) en una charla que dio hace poco en la UCM:"Cuando se empuja a la Ciencia para buscar cosas aplicadas uno se encuentra aquello que espera encontrar, pero cuando se empuja a la Ciencia para apretar los límites de la Física uno se encuentra lo inesperado, que es mucho más interesante desde el punto de vista práctico."

Así pues, la investigación nanotecnológica está sufriendo un auténtico auge y una gran infinidad de proyectos de Física del Estado Sólido han sido rebautizados sólo para ponerles el prefijo "nano" en el nombre.

Ya se han conseguido nanoláseres (2001) y nanodiodos superconductores (2003), sin embargo, todavía falta mucho para que la realidad supere a la ficción y que podamos ser capaces de construir los tan citados nanorrobots. Buenos para unos, malos para otros (dicen que incluso el Príncipe Carlos de Inglaterra pidió, en el año 2003, un informe sobre el asunto, pues estaba preocupado por las repercusiones que podría tener la llamada "plaga gris").

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Fig. 1 Imágenes con microscopio electrónico de un "array" de nanohilos nanolaser. Cortesía de Science.
Lo cierto es que todo eso de los nanorrobots es algo que muy difícilmente pasará de los comics (ver post en esta misma página), al menos, en un futuro próximo. Dentro de 100 años, ¿quién sabe?.

Lo que sí es seguro es que los semiconductores jugarán un papel muy importante en todo esto. Se dice mucho que los superconductores serán el futuro, pero lo cierto es que por el momento es imposible fabricarlos a temperatura ambiente. Por lo que los semiconductores siguen siendo un "arma de futuro". De esto se han dado cuenta las grandes empresas y ya IBM e Intel están trabajando en la escala del nanómetro. Por el momento están en el límite de los 90 nm, pero su intención es llegar hasta los 15 nm.

Mirando en perspectiva, los semiconductores han recorrido un largo camino, no sólo en lo que a mi estima hacia ellos (desde los años del colegio), que a nadie le importa, sino también en lo que a sus aplicaciones se refiere (lo que sí es importante). Ahora hay un nuevo horizonte, el horizonte nanotecnológico. No sé a donde nos llevará, pero seguro que es muy, muy lejos.

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Fig. 2 Nanorrobot en el torrente sanguíneo.

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7 Comentarios to “Semiconductores: Presente, Pasado y Futuro.”

  1. ALVARO MARTÍN SANZ (alvms) on 2007-02-13 4.51 pm

    SUPERCONDUCTORES DE ALTA TEMPERATURA
    Los metales como el cobre y el aluminio son buenos conductores de electricidad, pero tienen cierta resistencia eléctrica. De hecho, cuando los cables conductores de la electricidad construidos con estos metales se calientan, se pierde alrededor de 20% de la energía eléctrica en forma de calor. ¿No sería maravilloso construir cables que no tuvieran resistencia eléctrica? Desde hace años se sabe que cuando estos metales se enfrían a temperaturas muy bajas pierden su resistencia. Sin embargo esto sería poco práctico ya que sería muy costoso el mantenimiento de materiales a bajas temperaturas. En 1986 dos físicos descubrieron en Suiza un nuevo material: los superconductores a bajas temperaturas que despertó mucho interés sobre todo en su aplicación con nitrógeno líquido (ya que es muy barato). También despertó mucho interés el experimento de la levitación del imán sobre un superconductor en presencia de nitrógeno líquido. Entre otras aplicaciones prácticas estarían:
    -La transmisión de la energía eléctrica sin pérdida alguna.
    -La construcción de trenes rápidos y silenciosos gracias al efecto de levitación.
    -La construcción de supercomputadoras.
    -La construcción de aceleradores de partículas más poderosos (debidos a los enormes campos magnéticos que se generan en los superconductores)
    Sin duda este es un prometedor campo de estudio en física y química y habrá que estar atentos en el futuro y ver cuales pueden ser sus aplicaciones en nanotecnología.

  2. ALVARO MARTÍN SANZ (alvms) on 2007-02-13 4.56 pm
  3. Javier Dancausa on 2007-02-19 8.57 pm

    Efectivamente, el gran problema de los (semi)conductores convencionales es la disipación de la energía, principalmente mediante efecto Joule (calor) y los superconductores presentan una grandísima ventaja en este aspecto. Pero una cosa no quita la otra. Yo no he dicho que los superconductores no tengan futuro, sino que se trata de un futuro aún lejano.
    Los superconductores presentan, en estos momentos, un campo enorme a la investigación básica. Y, la verdad, un campo en el que a mí me gustaría trabajar lleno de fenómenos nuevos donde lo increíble y sin sentido se vuelve cotidiano. Sin embargo, su gran problema son las temperaturas de trabajo. Es cierto que ya hay alguna cosa (un tren que levite sobre los raíles, por ejemplo, creo que ya está en uso en Japón desde hace algún tiempo y se usan superconductores en radiotelescopios como los del proyecto ALMA, en Chile), pero aún así el “boom” de la superconductividad aún queda muy lejano, pues las “altas” temperaturas son todavía demasiado bajas para el mundo actual.

    Cuando yo me refería a los semiconductores como un “arma (cargada) de futuro” era refiriéndome a un futuro inmediato. Los superconductores son muy importantes, pero, desgraciadamente, todavía no son una realidad.

    Hace tiempo leí que el 70% del PIB mundial provenía de fenómenos basados en la Física Cuántica y estoy convencido de que, por el momento, una gran parte de ese 70% se debe a los semiconductores. Sobre el resto, el tiempo dirá…

  4. Israel Macho Ávila on 2007-02-26 8.43 pm

    Muy buenas a todos.
    Bueno, el problema actual de la fabricación en serie de superconductores( o mejor dicho, de cables de materiales superconductores), no radica en las temperaturas, pese a lo que pueda parecer.

    Se pueden conseguir superconductores a temperaturas más altas de las logradas en la actualidad, pero no es práctico( o así lo afirma nada menos que John B. Goodenough), porque al fabricar superconductores no sólo es necesario aumentar la temperatura a la que se comporta como tal, sino también conseguir una corriente crítica alta. Los conductores crean un campo que suprime la corriente. Es decir, de conseguir una temperatura operativa mayor, probablemente se perdería la corriente eléctrica crítica. La corriente de los superconductores fabricados en la actualidad, hechos de óxido de cobre, ítrio y bario,(eso que los químicos llamamos YBaCuO) es suficiente y funcionan muy bien hasta 120º K según los expertos.

    Los superconductores actuales son fáciles de fabricar. El problema es que tienen dos dimensiones como superconductor. Así, lo difícil es darles forma para fabricar cables. Es necesario alinear los granos para que la conductividad vaya en la dirección correcta, de un grano al siguiente, y ello implica graves problemas para pasar a una producción masiva que, según estima Goodenough, llevará unos 15 años resolver. Se han hecho progresos hasta la fecha, no obstante. Incluso se han hecho cables, pero todavía resultan caros y es difícil alinearlos. Éste es el reto principal ahora mismo.
    Aquí tenéis la entrevista a Goodenough:
    http://www.ti.profes.net/archivo2.asp?id_contenido=35381

    En cuanto a lo que comentaba Álvaro, esta levitación a la que haces referencia es un efecto directo de las propiedades del superconductor que, a la temperatura de superconducción,despide las líneas de fuerza de un imán. El experimento es sencillo: colocas sobre una superficie la pastilla de superconductor, viertes nitrógeno líquido sobre este (de esta manera enfriamos la pastilla lo suficiente de manera instantánea), y \

  5. Israel Macho Ávila on 2007-02-26 8.47 pm

    “colocas un pequeño imán encima de la pastilla”. Si tienes éxito y la pastilla se enfría lo suficiente, no llegas a colocar el imán sobre la pastilla: al soltarlo sobre ésta, el imán levita. Así pudimos verlo algunos afortunados gracias al profesor Emilio Morán durante nuestras prácticas en la Complutense, pero también podéis verlo en http://www.youtube.com/watch?v=NGybhpiRzFM

    Y os dejo con el MAGLEV, el tren de levitación magnética que citaba Javier. La única línea en funcionamiento a fecha de 2007(según la wikipedia) es la que une Shanghai con su aeropuerto, que tarda tan sólo 7 minutos 20 segundos en recorrer los 30 kilómetros de distancia a una velocidad máxima de 431 km/h y una media de 250 km/h.
    Sin embargo, también he encontrado referencias a líneas en Yamanashi(Japón) y Münich(Alemania).

    http://.es.wikipedia.org/wiki/Tren_de_levitaci%C3%B3n_magn%C3%A9tica

  6. ALVARO MARTIN SANZ (alvms) on 2007-03-13 10.14 am

    SUPERCONDUCTORES DE TEMPERATURA ALTAS
    Los trenes que levitan por magnetismo, las imágenes de resonancia magnética para diagnosis médica y los aceleradores de partícula utilizados en la física de altas energías, tiene en común que todos ellos requieren grandes campos magnéticos generados por electroimanes superconductores. Los superconductores no ofrecen resistencia a la corriente eléctrica. La electricidad se conduce sin pérdida de energía.
    Todos los metales se convierten en superconductores si se enfrían hasta cerca del cero absoluto. Varios metales y aleaciones son superconductores incluso a las temperaturas relativamente altas de 10-15K. Para mantener un superconductor a estas temperaturas tan bajas, se necesita helio líquido como refrigerante (pe:4K).
    Hacia la mitad de la década de los ochenta, se encontró que materiales formados por lantano, estroncio, cobre y oxígeno se hacían superconductores cuando la temperatura se reducía hasta 30K. Esta era una temperatura mucho más alta para la superconductividad que la que previamente se había alcanzado. ¡Más sorprendente todavía es que estos nuevos materiales no eran metales sino materiales cerámicos! En poco tiempo se descubrieron otros tipos de superconductores cerámicos.
    Paginas web:
    http://es.wikipedia.org/wiki/Superconductividad
    http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/104/htm/sec_8.htm
    http://www.arrakis.es/~cris/supercon.htm

  7. florinda on 2007-09-21 5.17 pm

    todos son unos copiones

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