¿Cuál es el semiconductor más común? La historia detrás del dominio del silicio sobre la electrónica moderna

Ingrese a cualquier laboratorio de electrónica y pregunte qué material mantiene empleados a los ingenieros, y escuchará la misma palabra cada vez. Silicio. Ha sido la respuesta durante tanto tiempo que ya casi nadie hace la pregunta. Toda una región de California lleva su nombre. Las empresas más grandes del mundo se basan en ello, literal y financieramente. Pero el silicio no llegó a esta posición porque alguien decidió que era el mejor semiconductor imaginable. Llegó allí gracias a una combinación de buena química, oportunidad afortunada y el tipo de impulso industrial que es casi imposible revertir una vez que se pone en marcha.

 

 

Semiconductor

 

No empezó con el silicio

El primer transistor no estaba hecho de silicio. Cuando Bardeen y Brattain demostraron su dispositivo en los Laboratorios Bell en diciembre de 1947, el material debajo de sus contactos de oro era germanio. Había buenas razones para ello. El germanio era más fácil de purificar hasta los niveles que requerían los primeros trabajos con semiconductores, y los electrones se movían a través de él con mayor libertad que a través del silicio en los voltajes que utilizaban los investigadores. Si en 1950 usted hubiera sido un físico apostando sobre qué material llegaría a dominar la industria electrónica, el germanio no habría sido una elección descabellada.

Perdió de todos modos. Y la forma en que perdió dice algo importante sobre cómo se desarrolla realmente la tecnología, que rara vez sigue el camino que parece más prometedor al principio.

El defecto fatal del germanio era térmico. Su banda prohibida se sitúa en 0,67 electronvoltios, lo suficientemente estrecha como para que el aumento de las temperaturas provocara que los dispositivos filtraran corriente de maneras que los ingenieros no podían controlar fácilmente. Si se colocaba un transistor de germanio dentro de una pieza de equipo militar, cerca de un tubo de vacío caliente o simplemente en un dispositivo que había estado funcionando durante una hora, su comportamiento cambiaría. Ese tipo de imprevisibilidad es tolerable en un laboratorio. No es tolerable en un producto.

 

Una capa de vidrio que cambió la fabricación

El silicio tiene una banda prohibida de 1,1 electronvoltios, lo que le dio una estabilidad térmica significativamente mejor. Los dispositivos construidos con silicio podían funcionar de forma fiable a temperaturas que provocaban que el germanio se comportara mal. Eso por sí solo podría haber sido suficiente para inclinar la balanza. Pero el silicio tenía una segunda ventaja que nadie había previsto del todo, y resultó ser más importante que cualquier otra cosa.

Cuando el silicio se expone al oxígeno, forma una capa delgada, dura y uniforme de dióxido de silicio en su superficie. El dióxido de silicio es eléctricamente aislante, químicamente estable y se une al silicio que se encuentra debajo con una consistencia que puede controlarse y repetirse en toda una oblea. Cuando a finales de la década de 1950 los ingenieros estaban descubriendo cómo construir transistores sobre una superficie plana y conectarlos con metal depositado, esa capa de óxido nativo se convirtió en el ingrediente esencial. Sirvió como barrera aislante entre los componentes. Se podría hacer crecer térmicamente, grabar ventanas a través de él con ácido, depositar nuevas capas encima y hacer todo esto con suficiente precisión para definir características que el ojo no puede ver.

El germanio no tiene tal óxido. El dióxido de germanio se disuelve en agua y se desmorona a las temperaturas que requiere el procesamiento de semiconductores. Este no era un problema que pudiera resolverse con una mejor ingeniería. Era una propiedad material y efectivamente descalificaba al germanio del proceso de fabricación en el que convergía la industria.

El silicio ganó no sólo por lo que era, sino por lo que hizo dentro de un entorno de fabricación. El proceso planar necesitaba un material con un óxido estable y cultivable. Silicon tenía uno. Todo lo demás surgió de ahí.

 

Cómo se ve el noventa por ciento de las obleas del mundo

El silicio representa actualmente más del noventa por ciento de todas las obleas semiconductoras producidas a nivel mundial. Es el sustrato para los procesadores de su computadora portátil, la memoria de su teléfono, el sensor de imagen de su cámara, los transistores de potencia en el controlador del compresor de su refrigerador y las células solares que se instalan en un número cada vez mayor de tejados. Es difícil exagerar la amplitud de su presencia.

Parte de lo que sostiene esto es la pura escala industrial. Construir una planta moderna de fabricación de obleas de silicio cuesta entre diez y veinte mil millones de dólares, y cada herramienta que contiene, cada proceso químico, cada procedimiento de control de calidad, se ha desarrollado y perfeccionado durante décadas teniendo en mente específicamente el silicio. Los fotorresistentes están formulados para silicio. Las químicas de grabado están adaptadas al silicio. Los ingenieros conocen el silicio.

En lo que la mayoría de la gente ajena a la industria no piensa es en la infraestructura de soporte que permite un funcionamiento fabuloso. La fabricación de semiconductores depende de un flujo ininterrumpido de agua ultrapura, gases de proceso y agentes químicos agresivos que se mueven a través de sistemas de suministro cuidadosamente controlados. Cada paso de fluido en una fábrica, desde los circuitos de agua desionizada que enjuagan las obleas entre los pasos hasta las líneas que transportan ácido fluorhídrico para la eliminación de óxido, requiere componentes que puedan manejar medios corrosivos sin contaminar el proceso. Aválvula de bola de acero inoxidableEs uno de los puntos de control más comunes en estos sistemas, utilizado para aislar líneas, regular el flujo y permitir el mantenimiento sin cerrar un circuito completo. Los estándares de limpieza que se aplican a estas válvulas en un entorno de semiconductores son considerablemente más exigentes que en la mayoría de las otras industrias, porque incluso trazas de contaminación metálica provenientes de un conector mal especificado pueden arruinar un lote completo de oblea. Por esta razón, los ingenieros de fábrica tratan la selección de cada válvula de bola de acero inoxidable en un sistema de suministro de productos químicos con la misma seriedad que ponen al especificar el equipo de proceso, revisar las certificaciones de materiales, los estándares de acabado superficial y los niveles de contaminantes extraíbles antes de instalar una sola válvula en la línea.

Esta es la capa de la industria que rara vez aparece en la cobertura de chips y fabricación, pero es tan esencial como las propias máquinas de litografía. Cuando la gente habla de que la cadena de suministro de semiconductores es difícil de replicar o reubicar, se refiere en parte a esto: la especificidad acumulada de cada componente en el proceso, hasta los accesorios y el hardware de control de flujo dentro de un gabinete de entrega de productos químicos.

 

Válvula de bola de acero inoxidable LEADTEK de 2 piezas

 

Los lugares donde el silicio se queda sin camino

El silicio tiene límites genuinos y, en determinadas aplicaciones, esos límites han dejado de ser preocupaciones teóricas y han pasado a ser problemas reales de ingeniería.

El nitruro de galio tiene una banda prohibida de 3,4 electronvoltios, más de tres veces la del silicio. Esa brecha más amplia permite a los transistores GaN bloquear voltajes más altos, conmutar a frecuencias más altas y disipar el calor de manera más efectiva que un dispositivo de silicio de tamaño comparable. Los cargadores rápidos que se envían con los teléfonos inteligentes y portátiles actuales utilizan transistores de potencia GaN en lugar de silicio, razón por la cual pueden caber sesenta o cien vatios de capacidad de carga en algo lo suficientemente pequeño como para olvidarlo en el bolsillo de una chaqueta. El silicio necesitaría un dispositivo físicamente más grande para hacer el mismo trabajo con la misma eficiencia. Los amplificadores de GaN también son fundamentales para la infraestructura de estaciones base 5G, donde los límites de frecuencia del silicio se convierten en un techo rígido en lugar de una guía flexible.

El carburo de silicio desempeña un papel similar a niveles de potencia más altos, particularmente cuando la eliminación de calor es la limitación vinculante. Su conductividad térmica es aproximadamente tres veces mayor que la del silicio, lo cual es importante cuando se envían cientos de kilovatios a través del inversor de un vehículo eléctrico. Varios fabricantes importantes han trasladado sus inversores de tracción de IGBT de silicio a módulos de carburo de silicio, y las ganancias de eficiencia han sido lo suficientemente reales como para reflejarse en las cifras de autonomía.

Más allá de estos dos, hay materiales que generan un considerable interés en la investigación pero que aún no han pasado a la producción principal. El óxido de galio tiene una banda prohibida cercana a los cinco electronvoltios y características teóricas de ruptura que lo harían útil en aplicaciones de muy alto voltaje, pero la tecnología para cultivar obleas libres de defectos-a escala aún se está desarrollando. La movilidad de los electrones del grafeno es teóricamente de unos doscientos mil centímetros cuadrados por voltio-segundo, una cifra que eclipsa los mil cuatrocientos del silicio, y los investigadores han estado señalando esa cifra durante la mayor parte de veinte años, mientras que los transistores prácticos de grafeno que realmente compiten con el silicio en un circuito real siguen estando en gran medida fuera de su alcance.

 

La posición honesta

El silicio es el semiconductor más común y lo seguirá siendo durante más tiempo del que la mayoría de las personas que actualmente trabajan en la industria podrán ver. GaN y SiC no están desplazando ampliamente al silicio. Están ganando rincones específicos del mercado donde la física del silicio realmente ha dejado de ser adecuada, y el silicio está cediendo esos rincones sin mucha lucha porque la economía se ha vuelto en su contra.

Lo que en realidad está cambiando es algo más sutil. Durante la mayor parte de la historia de la industria de los semiconductores, el silicio no fue sólo el material más común. Era el material asumido, el punto de partida para cualquier conversación sobre diseño, el valor predeterminado del que sólo te alejabas cuando tenías una razón inusualmente fuerte para hacerlo. Esa suposición se está aflojando en los bordes. No colapsar, no ser derribado, sólo aflojarse. El semiconductor más común sigue siendo el silicio. La pregunta más interesante en materia de materiales semiconductores en este momento es dónde el silicio deja de ser la respuesta obvia y qué llena el espacio que deja.