Figura 1. Anverso y reverso de la placa base de un teléfono móvil iPhone 11 Pro. Cada cuadrado rodeado de diferentes colores es un circuito integrado. El procesador del teléfono, el circuito marcado con A13 (Apple A13 Bionic), tiene en su interior 8.500 millones de transistores MOSFET, distribuidos en un espacio de 98.5 mm2. Imagen: https://bit.ly/3hv1rCQ
“Economía digital”, “banca digital”, “transformación digital de las empresas”, “televisión digital terrestre”. Seguro que ha leído u oído estas expresiones y otras relacionadas cientos de veces, casi a diario. Seguro que el término “digital” le suena como sinónimo de novedoso, actual, puntero, competitivo, etc. No le falta razón, es así en buena medida.
Lo que tal vez no conozca es que el mundo digital es posible gracias a la existencia de un pequeñísimo dispositivo electrónico denominado MOSFET, acrónimo de su definición: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor[1]. Tal vez tampoco lo sepa, pero lleva usted esos dispositivos en su bolsillo, miles de millones trabajan para usted a diario. Gracias a ellos, puede estar seguro de que si alguien quiere ponerse en contacto con usted, ellos se encargaran de hacérselo saber. Gracias a ellos, puede hablar con la persona que desee, tanto si se encuentra en la calle de al lado o en la avenida principal de Melbourne; gracias a ellos, las fotos de sus hijos, pareja, amigos, etc. le acompañan permanentemente. Su teléfono móvil los alberga (Figura 1), también el GPS de su automóvil, el ordenador de su casa o su trabajo, la televisión donde ve sus series favoritas, puede que hasta su reloj.
El MOSFET está en el corazón de todos los equipos y plataformas que han motivado la verdadera revolución tecnológica, de costumbres, de hábitos de trabajo y de ocio en la que estamos inmersos. Gracias a ese dispositivo, es posible realizar llamadas telefónicas, enviar correos electrónicos, que funcionen y sean accesibles numerosas aplicaciones de éxito en redes sociales (todas las vinculadas a Internet: WhatsApp, Facebook, Instagram, Twiter, etc.), gracias al MOSFET, tenemos a nuestro alcance plataformas tales como Netflix, HBO, Amazon, etc. El MOSFET está dentro de todos los circuitos integrados que posibilitan la utilización sencilla y cómoda de los aparatos y aplicaciones señalados. Sin el MOSFET, Internet no existiría.
Tal y como se ve en la Figura 1, en cada circuito integrado hay miles de millones de estos dispositivos electrónicos ¿Y cómo es posible que haya tal descomunal cantidad en un espacio de unas decenas de milímetros cuadrados? Porque son asombrosamente pequeños, ya que cada uno ocupa unas pocas decenas de nanómetros, tamaño similar al de un virus. En la figura 2 se ve cómo es la estructura de uno de tales dispositivos, con las dimensiones características de cada región del mismo:
Figura 2. Corte transversal de un MOSFET actual. El dispositivo funciona como un conmutador: en función del voltaje que se aplica en la Puerta, se permite (un “1”) o impide (un “0”) el flujo de corriente entre la Fuente y el Drenador a través del canal, esa es la esencia de la electrónica digital y por consiguiente, de cualquier proceso que utilice “1” y “0” para funcionar.
El MOSFET es, sin ninguna duda, una de las demostraciones más asombrosas y avanzadas de lo que es capaz de hacer la tecnología electrónica en la actualidad. Pero su nacimiento atravesó por vicisitudes que hicieron pensar durante décadas que el “parto” no llegaría a término. En este artículo describiré la intrincada historia de su invención.
1. Un nacimiento prematuro y frustrado: descubriendo el concepto
Podemos decir que la actual revolución digital no nació ni en EEUU, ni en ninguno de los países científicamente a la cabeza de la innovación tecnológica. Si atendemos al lugar y la fecha de nacimiento del progenitor de la idea, el origen de la actual revolución digital hay que situarlo ¡en el Imperio Austro-Húngaro! En efecto, las ideas originales de lo que hoy día se conoce como MOSFET se deben al científico Julius E. Lilienfeld (1882-1963), que nació en Lvov, en la actualidad Ucrania, pero que hasta 1918 formó parte del ya extinto Imperio centro europeo.
Lilienfeld intentó llevar a cabo una idea relativamente intuitiva y sobre el papel sencilla: controlar la corriente que circula por un material semiconductor mediante un campo eléctrico: si se construye una estructura metal-aislante-semiconductor, la corriente longitudinal que circula por el semiconductor puede ser controlada por un campo eléctrico transversal producido desde el metal. Basándose en este efecto, propuso a lo largo del período 1926-1933, las ideas esenciales de funcionamiento de los dispositivos de efecto campo, ideas que registró en tres patentes sucesivas (Figura 3):
Figura 3. Izquierda: figura principal de la primera de las patentes de Lilienfeld de 1930, con el esquema de un transistor de efecto campo, muy similar en su estructura y principio de funcionamiento a los MOSFET actuales. Derecha: vista ampliada de la región de la puerta y del canal del dispositivo: aplicando un voltaje en el terminal señalado con G (puerta) se modula el paso de corriente entre los otros dos (S y D)
En sus patentes, Lilienfeld indicaba incluso los semiconductores con los que pretendía fabricar sus dispositivos: Cu2S, CuO y PbO2 eran los posibles candidatos para el semiconductor, que se deberían obtener mediante procesos de sulfurización u oxidación. Hoy día sabemos que esos semiconductores tienen muy baja movilidad de sus portadores de carga, del orden de 1 cm2/V.s., lo que habría hecho que el dispositivo tuviese una transconductancia realmente poco interesante -la transconductancia determina la posibilidad de que haya flujo de corriente apreciable entre el Drenador y la Fuente del dispositivo, esencia de su funcionamiento-. Aunque no tenemos evidencia de que alguno de los transistores propuestos por Lilienfeld se llegara a construir, la idea clave del funcionamiento del MOSFET, es decir, la modulación de la conductividad del canal mediante un campo eléctrico, aparece perfectamente detallada en sus patentes.
De manera independiente y algo posterior, el científico alemán Oskar Heil (1908-1994), mientras trabajaba en la Universidad de Cambridge, patentó un dispositivo [[3]] que proporcionaba la primera descripción de la operación del MOSFET, utilizando conceptos modernos de física de semiconductores, ya que en ella describe el papel que juegan los electrones y los huecos. El dispositivo debería haberse fabricado con láminas delgadas de diversos semiconductores y se indicaba que podrían ser Te, I, CuO y V2O5 como ejemplos explícitos. No obstante, tampoco tenemos constancia de que se fabricara tal dispositivo.
Tanto las patentes de Lilienfeld como la de Heil fueron registradas y aceptadas, pero nunca pudieron llevarlas a la práctica, porque el estado de la tecnología y del conocimiento sobre semiconductores existente en aquellos años era insuficiente e inadecuado, lo que impidió fabricar dispositivos funcionales con sus ideas.
2. Llega el MOSFET
Le Segunda Guerra Mundial supuso, por una parte una paralización total de la posible realización práctica de esta idea, pero por otra, sentó las bases de la tecnología microelectrónica tal y como la conocemos en la actualidad, gracias al desarrollo del programa del Radar en el bando aliado, lo que supuso un salto de gigante en la comprensión de la física y la tecnología de los semiconductores. Ese conocimiento redundaría en beneficio de la comprensión profunda de los dispositivos electrónicos y permitiría, en años posteriores, llevar a efecto las ideas de Lilienfeld y Heil. Veámoslo.
Tras finalizar el conflicto, científicos de los Bell Labs, el laboratorio de investigación de A.T. & T, el gigante de las comunicaciones en EEUU, retomaron las ideas de Lilienfeld y Heil y en 1945, W. Shockley (uno de los responsables del mencionado laboratorio) y G.L. Pearson diseñaron un dispositivo de estado sólido con semiconductores, en el que un campo eléctrico podría controlar el flujo de corriente dentro del semiconductor. Shockley y Pearson hicieron una demostración teórica inequívoca del efecto de campo en 1948, en un artículo que con el paso de los años se convirtió en un clásico. En dicho artículo, mostraban que en la región del semiconductor próxima a la superficie se conseguía -al menos sobre el papel-, una significativa modulación de la conductividad. Shockley trató de construir el dispositivo, para lo que solicitó el concurso de W. Brattain, un hábil científico experimental del centro, pero no funcionó. Aquella idea permanecería en el olvido por algunos años, ya que en las Navidades de 1947, J. Bardeen, y W. Brattain, dos miembros del equipo dirigido por Shockley, inventaron el transistor bipolar de puntas de contacto, primer amplificador operacional de estado sólido de la historia [[5]], que a partir de otros principios, permitió llevar a la práctica lo que se pretendía lograr con el MOSFET.
En años posteriores, Shockley observó cómo crecía el famoso Silicon Valley, la sede de muchas compañías de alta tecnología en el campo de lo que en años posteriores se conocerían como las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones y verdadera “Meca tecnológica” de los Estados Unidos. Pero Shockley no pudo entrar en la Tierra Prometida que había imaginado, ya que aunque fundó en 1956 la primera empresa de base tecnológica del lugar (Shockley Semiconductors), nunca pudo hacer transistores de efecto de campo, mientras que otras compañías los diseñaron, los fabricaron y los vendieron, disfrutando de enormes éxitos comerciales –Shockley Semiconductors tuvo una vida muy corta: cerró poco más de un año después de su fundación, pero esa es otra historia [1]-. Por esta y otras razones, su amigo y colega Frederick Seitz -presidente de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos entre 1962 y 1969- llamó a Shockley “El Moisés de Silicon Valley” .
¿Por qué las ideas de Lilienfeld, Heil, Shockley y otros no pudieron materializarse antes? La razón hay que buscarla en la tecnología de fabricación del dispositivo, ya que para construir un MOSFET se necesita tener un aislante de altísima calidad sobre la superficie del silicio para lograr la pasivación efectiva de la intercara Si/SiO2, ese era el cuello de botella de la fabricación exitosa del dispositivo. Para realizar adecuadamente las funciones de control del flujo de corriente entre la Fuente y el Drenador, la intercara entre el SiO2 y el silicio en la región de la Puerta, debía estar absolutamente libre de defectos, pues en caso de que esto no se lograra, esa intercara tenía multitud de defectos donde se atrapaba carga, impidiendo efectuar el proceso de control descrito en el punto anterior. Esos defectos se denominan desde entonces “estados de intercara” o “estados superficiales”.
La presencia de esos estados era el problema que ya se habían encontrado Bardeen y Brattain mientras trataban de fabricar el transistor bipolar [1] y fue la causa principal del retraso en el desarrollo del MOSFET, que solo pudo llevarse a la práctica cuando la madurez de la tecnología microelectrónica hizo posible construir una intercara Si/SiO2 de alta calidad. De hecho, durante los últimos años de la década de 1950, se pensaba que el MOSFET jamás llegaría a funcionar de una manera fiable y reproducible debido a las inestabilidades ocasionadas por la presencia o inadecuada pasivación de los defectos de la intercara Si/SiO2.
Los esfuerzos prosiguieron durante los años finales de la década de 1950 y finalmente, dieron lugar al primer transistor MOSFET funcional en 1960, que fue de nuevo obra de los Bell Labs y su logro se debió, entre otros factores, a una pequeña casualidad afortunada. El paso crítico en su invención fue el descubrimiento de que la superficie del silicio se puede oxidar para formar una capa muy fina de SiO2, un aislante muy estable, que posee excelentes cualidades en la intercara entre él y el silicio subyacente, lo que resultó determinante para lograr el funcionamiento correcto del MOSFET.
Fue en 1958 cuando el grupo de los Bell Labs dirigido por Martin M. Atalla descubrió que solo si se oxidaba adecuadamente la superficie del silicio, las propiedades de la intercara Si/SiO2 mejoraban significativamente. Para realizar de manera controlada la oxidación del silicio y tras múltiples ensayos fallidos, Atalla y sus colaboradores llegaron a la conclusión de que era imprescindible efectuar el proceso en tres pasos, siguiendo una especie de receta que vista con ojos ajenos, parece algo más cercano a “magia negra” que a tecnología de alto nivel:
(i) Limpiar el silicio muy cuidadosamente, utilizando en el proceso agua completamente des ionizada, ya que en el transcurso de esos trabajos, se constató que la presencia de iones de sodio en el agua de limpieza, incluso en proporciones ínfimas, arruinaba todo el proceso
(ii) Oxidarlo en un flujo de oxígeno a una temperatura alrededor de 1000° C y
(iii) Para que el proceso tuviera éxito, era imprescindible incorporar a la atmósfera oxidante una pequeña cantidad de vapor de agua (esta es la casualidad afortunada, que se descubrió de manera accidental en el transcurso de los tediosos trabajos previos).
Los trabajos del grupo de Atalla para estabilizar la superficie de silicio se pueden considerar uno de los avances más importante y significativo de la tecnología microelectrónica, lo que abrió un camino que condujo posteriormente a la invención del circuito integrado y a su producción en grandes cantidades en años sucesivos.
Tras realizar exitosamente la oxidación del silicio, en 1960 el propio Atalla y otro científico del grupo, Dawon Kahng, obtuvieron el primer dispositivo MOSFET funcional: el transistor mostró una modulación efectiva de la conducción entre la Fuente y el Drenador, gracias a que el campo eléctrico aplicado en la Puerta podía penetrar por debajo del SiO2, permitiendo el paso de electrones entre ambos terminales del dispositivo (véase la Figura 2). De esta forma, lograron un funcionamiento reproducible, por lo que patentaron inmediatamente el nuevo transistor con dos patentes consecutivas, donde describieron el funcionamiento adecuado del primer transistor de efecto campo de la historia, detallando así mismo los pasos a dar para obtener un aislante de puerta funcional.
No obstante, el dispositivo de Atalla y Kahng era lento y no resolvía las necesidades de los sistemas de comunicaciones telefónicas, prioridad absoluta del negocio de A.T. &T., por lo que no se continuó con su desarrollo. A pesar de la falta de interés por parte de la dirección de la compañía, Kahng, en un informe que elaboró en 1961, señaló el enorme potencial que tenía el MOSFET debido a su facilidad de fabricación, lo que posibilitaría incorporarlo en los circuitos integrados que por aquellos años empezaban a comercializarse. Este error de apreciación de lo que tenían entre manos, fue un punto de inflexión en el trabajo visionario y pionero que desempeñaron los Bell Labs durante décadas y su falta de perspectiva marcó el inicio del declive de A.T. & T., compañía hegemónica en el campo de las comunicaciones hasta ese momento.
3. El MOSFET entra en el mercado
Casi simultáneamente, varios científicos de las compañías Fairchild y RCA se percataron de las ventajas del MOSFET y lograron fabricar con éxito dispositivos funcionales. En 1962, RCA fabricó el primer circuito integrado con 16 transistores MOSFET aunque no llegó a comercializarse por su elevado coste. Finalmente, los dos primeros MOSFET comerciales se anunciaron a fines de 1964, uno por Fairchild y otro por RCA. Fairchild anunció la producción de un MOSFET diseñado para aplicaciones de conmutación y lógica. Un mes después, RCA anunció un MOSFET para aplicaciones de amplificación.
La tecnología MOSFET no habría alcanzado su enorme éxito actual si no fuera por una confluencia de factores realmente singular: el auge de la Guerra Fría en las décadas de 1960 y 1970 y el surgimiento de la industria informática. Ambos facilitaron enormemente su éxito, gracias a las fuertes inversiones que realizaron durante décadas las empresas involucradas en la producción de equipos electrónicos para aplicaciones militares (misiles, radar) y en años posteriores, en equipos informáticos (ordenadores, almacenamiento de datos). En particular, fue la utilización del MOSFET en memorias y microprocesadores lo que finalmente afianzó el lugar hegemónico del que disfruta hoy en día.
Desde su incorporación al mercado, la tecnología de fabricación del MOSFET mostró dos ventajas que la hicieron superior a la del transistor bipolar:
(i) Fabricar un MOSFET requiere menos pasos de fabricación que un transistor bipolar, lo que se traduce en costes de fabricación más bajos y mayores rendimientos de fabricación (cociente entre el número de circuitos funcionales y el número total de circuitos fabricados).
(ii) El transistor bipolar no puede reducirse de tamaño sin alterar sus características operativas, mientras que el MOSFET sí puede reducirse sin comprometer su funcionamiento. Esto último es crítico, ya que la reducción del tamaño del MOSFET redunda en una mayor rapidez de respuesta unido a un menor consumo de potencia eléctrica de cada transistor.
Fue necesario reducir las dimensiones del dispositivo muy significativamente, entre otras razones, para reducir los voltajes de trabajo con objeto de que los MOSFET fueran tecnológicamente competitivos. También fue necesario ir a muy altas escalas de integración para reducir las capacidades parásitas y, por lo tanto, reducir los retrasos de propagación de las señales en el interior del chip. Gracias a ese proceso acelerado de miniaturización, el MOSFET es el principal responsable de la vigencia durante más de medio siglo de la célebre Ley de Moore, desde que fue enunciada por G. Moore a mediados de la década de 1960. Esta ley indica que el número de transistores en un circuito integrado se duplica cada 18 meses, ley que se ha venido cumpliendo año tras años desde que Moore la enunció en 1965 (ver la Figura 4)
Figura 4. Ley de Moore para las Central Processing Units (CPUs, D) y para las memorias RAM (Random Acess Memories,·). La escala vertical, que indica el número de transistores integrados en cada chip, es logarítmica. Desde mediados de la década de 1980, el 99% de los circuitos integrados se fabrican exclusivamente con transistores MOSFET [1]
4. Un paso decisivo: el CMOS
Sin duda, la posibilidad de obtener capas finas de elevada calidad de SiO2 fue el principal impulso para el inicio de la comercialización de dispositivos basados en el MOSFET. Además, algunas mejoras posteriores tanto en tecnología como en estructuras de dispositivos dispararon el interés por las aplicaciones basadas en él, hasta llegar al predominio absoluto del que goza en la actualidad. Una de las innovaciones más notables fue la introducción en 1963 por F. Wanlass -ingeniero de Fairchild Semiconductors–, del uso en una combinación unitaria de dos transistores MOSFET, en la que en uno de los transistores el flujo de corriente a través del canal lo llevan electrones y en el otro lo hacen huecos. A esa estructura se la conoce hoy en día como estructura CMOS (Complementary-MOS).
En 1975, RCA comercializó el primer microprocesador con tecnología CMOS, que se utilizó en aplicaciones aeroespaciales (lo lleva el telescopio orbital Hubble), y militares. A partir de 1980, el fabricante de automóviles Chrysler los utilizó en un sistema de control del encendido del motor, que fue el primer ordenador instalado en un automóvil.Las primeras aplicaciones masivas para circuitos CMOS se utilizaron en productos de consumo que funcionaban con baterías, como los relojes digitales y ordenadores portátiles.
5. La hegemonía de la tecnología MOS
Lo que vino en los años siguientes fue una evolución vertiginosa de la tecnología microelectrónica hasta llegar al día de hoy, en el que los circuitos integrados basados en MOSFET representan el 99% del mercado, aunque alcanzar tal predominio llevó décadas de esfuerzo y de mejora continuada.
Como ya se ha dicho al principio de este artículo, el MOSFET es el principal responsable de que funcionen correctamente nuestros teléfonos móviles y ordenadores, entre otros dispositivos de uso generalizado por una amplia mayoría de personas en todo el planeta. No obstante, para el público no especializado, es un absoluto desconocido. Resulta asombrosa la enorme 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 asombrosa tecnología que lo hace funcionar.
Indicaré solo 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 1960, es decir, la inabarcable cantidad de 13.000 trillones de transistores, (1 trillón = 1018), lo que hace del MOSFET el dispositivo fabricado por el ser humano más numeroso de la historia.
6. Epílogo
El transistor de efecto campo (al menos, las ideas para llevarlo a la práctica) es anterior al transistor bipolar, aunque en la historia quedó registrado este último como el primer transistor operacional, tras los desarrollos de los Bell Labs que culminaron en diciembre de 1947. Como hemos visto en este artículo, el concepto MOSFET apareció de manera prematura, antes de poder llevarlo a la práctica con la tecnología existente en los años 20 y 30 del siglo XX. Después, se dieron la multitud de pasos y desarrollos descritos en este artículo que fueron preparando, de manera paulatina y llena de dificultades, la llegada del dispositivo.
Al final, la sinergia entre las necesidades de los ordenadores digitales y las ventajas exclusivas de la tecnología de fabricación del MOSFET, propiciaron que este dispositivo ocupe en la actualidad un lugar hegemónico en el campo de la microelectrónica. Pero no siempre ha sido así, en el campo de la tecnología microelectrónica, el éxito nunca (o casi) está asegurado.
5. REFERENCIAS
[[1]] I. Mártil “Microelectrónica. La historia de la mayor revolución silenciosa del siglo XX”; (Ediciones Complutense, Madrid, 2018). ISBN-13: 978-84-669-3602-6
[[2]] E. Lilienfeld, “Method and apparatus for controlling electric currents”, Patente US 1745175, fecha de solicitud 22-octubre-1925, fecha de concesión 28-enero-1930; “Amplifier for electric currents”, Patente US 1877140, fecha de solicitud 8-diciembre-1928, fecha de concesión 13- septiembre-1932; “Device for controlling electric current”, Patente US 1900018, fecha de solicitud 28-marzo-1928, fecha de concesión 7-marzo-1933
[[3]] O. Heil, “Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices” Patente GB 439457, fecha de solicitud 4-marzo-1935, fecha de concesión 6-diciembre-1935
[[4]] W. Shockley and G. L. Pearson, “Modulation of conductance of thin films of semi-conductors by surface charges”, Phys. Rev., 74, 232 (1948); DOI: 10.1103/PhysRev.74.232
[[5]] M. Riordan and L. Hoddeson “Crystal Fire: The Birth of the Information Age”, (W. W. Norton, New York, 1997), ISBN-13: 978-0393318517
[[6]] M. Riordan and L. Hoddeson “The Moses of Silicon Valley”, Physics Today, 50, 42 (1997); DOI: 10.1063/1.881629
[[7]] M. M. Atalla,”Semiconductor triode” U.S. Patent 3.056.888, fecha de solicitud 17-agosto-1960, fecha de concesión 2-octubre-1962; D. Kahng,”Electric field controlled semiconductor device” U.S. Patent 3.102.230, fecha de solicitud 31-mayo-1960, fecha de concesión 27-agosto-1963
[[8]] G. Moore, “Cramming more components onto integrated circuits”, Electronics Magazine, 38, 114 (1965), DOI: 10.1109/N-SSC.2006.4785860
Un poco de ciencia, por favor 
Un comentario en “El protagonista silencioso de la revolución digital”