¿Qué es un semiconductor? Un ingeniero eléctrico explica cómo funcionan estos componentes electrónicos críticos y cómo se fabrican.

Jun 03, 2023

Profesor de Ingeniería Eléctrica, Universidad Estatal de Arizona

Trevor Thornton no trabaja, consulta, posee acciones ni recibe financiamiento de ninguna empresa u organización que se beneficiaría de este artículo, y no ha revelado afiliaciones relevantes más allá de su cargo académico.

La Universidad Estatal de Arizona proporciona fondos como miembro de The Conversation US.

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Los semiconductores son una parte fundamental de casi todos los dispositivos electrónicos modernos y la gran mayoría de los semiconductores se fabrican en Tawain. Las crecientes preocupaciones sobre la dependencia de Taiwán para los semiconductores, especialmente dada la tenue relación entre Taiwán y China, llevaron al Congreso de los EE. UU. a aprobar la ley CHIPS and Science a fines de julio de 2022. La ley proporciona más de US $ 50 mil millones en subsidios para impulsar los semiconductores de EE. UU. producción y ha sido ampliamente cubierto en las noticias. Trevor Thornton, un ingeniero eléctrico que estudia semiconductores, explica qué son estos dispositivos y cómo se fabrican.

En términos generales, el término semiconductor se refiere a un material, como el silicio, que puede conducir la electricidad mucho mejor que un aislante como el vidrio, pero no tan bien como los metales como el cobre o el aluminio. Pero cuando la gente habla de semiconductores hoy en día, por lo general se refiere a chips semiconductores.

Estos chips suelen estar hechos de finas láminas de silicio con componentes complejos dispuestos en patrones específicos. Estos patrones controlan el flujo de corriente usando interruptores eléctricos, llamados transistores, de la misma manera que controlas la corriente eléctrica en tu hogar al accionar un interruptor para encender una luz.

La diferencia entre su casa y un chip semiconductor es que los interruptores semiconductores son completamente eléctricos, sin componentes mecánicos que voltear, y los chips contienen decenas de miles de millones de interruptores en un área no mucho más grande que el tamaño de una uña.

Los semiconductores son la forma en que los dispositivos electrónicos procesan, almacenan y reciben información. Por ejemplo, los chips de memoria almacenan datos y software como código binario, los chips digitales manipulan los datos según las instrucciones del software y los chips inalámbricos reciben datos de transmisores de radio de alta frecuencia y los convierten en señales eléctricas. Estos diferentes chips trabajan juntos bajo el control del software. Diferentes aplicaciones de software realizan tareas muy diferentes, pero todas funcionan cambiando los transistores que controlan la corriente.

El punto de partida para la gran mayoría de los semiconductores es una fina lámina de silicio llamada oblea. Las obleas de hoy son del tamaño de platos y están cortadas de cristales de silicio individuales. Los fabricantes agregan elementos como fósforo y boro en una capa delgada en la superficie del silicio para aumentar la conductividad del chip. Es en esta capa superficial donde se fabrican los interruptores de los transistores.

Los transistores se construyen agregando capas delgadas de metales conductores, aislantes y más silicio a toda la oblea, dibujando patrones en estas capas usando un proceso complicado llamado litografía y luego eliminando selectivamente estas capas usando plasmas controlados por computadora de gases altamente reactivos para dejar patrones y estructuras específicas. Debido a que los transistores son tan pequeños, es mucho más fácil agregar materiales en capas y luego eliminar con cuidado el material no deseado que colocar líneas microscópicamente delgadas de metal o aisladores directamente sobre el chip. Al depositar, modelar y grabar capas de diferentes materiales docenas de veces, los fabricantes de semiconductores pueden crear chips con decenas de miles de millones de transistores por pulgada cuadrada.

Hay muchas diferencias, pero la más importante es probablemente el aumento en el número de transistores por chip.

Entre las primeras aplicaciones comerciales de los chips semiconductores se encuentran las calculadoras de bolsillo, que estuvieron ampliamente disponibles en la década de 1970. Estos primeros chips contenían unos pocos miles de transistores. En 1989, Intel introdujo los primeros semiconductores en superar el millón de transistores en un solo chip. Hoy, los chips más grandes contienen más de 50 mil millones de transistores. Esta tendencia está descrita por lo que se conoce como ley de Moore, que dice que la cantidad de transistores en un chip se duplicará aproximadamente cada 18 meses.

La ley de Moore se ha mantenido durante cinco décadas. Pero en los últimos años, la industria de los semiconductores ha tenido que superar importantes desafíos, principalmente, cómo seguir reduciendo el tamaño de los transistores, para continuar con este ritmo de avance.

Una solución fue cambiar de capas bidimensionales planas a capas tridimensionales con crestas de silicio en forma de aletas que se proyectan sobre la superficie. Estos chips 3D aumentaron significativamente la cantidad de transistores en un chip y ahora tienen un uso generalizado, pero también son mucho más difíciles de fabricar.

En pocas palabras, sí, cuanto más complicado es el chip, más complicada y más costosa es la fábrica.

Hubo un tiempo en que casi todas las empresas de semiconductores de EE. UU. construyeron y mantuvieron sus propias fábricas. Pero hoy, construir una nueva fundición puede costar más de $10 mil millones. Solo las empresas más grandes pueden permitirse ese tipo de inversión. En cambio, la mayoría de las empresas de semiconductores envían sus diseños a fundiciones independientes para su fabricación. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. y GlobalFoundries, con sede en Nueva York, son dos ejemplos de fundiciones multinacionales que fabrican chips para otras empresas. Tienen la experiencia y las economías de escala para invertir en la tecnología enormemente costosa requerida para producir semiconductores de próxima generación.

Irónicamente, si bien el transistor y el chip semiconductor se inventaron en los EE. UU., actualmente no hay fundiciones de semiconductores de última generación en suelo estadounidense. Estados Unidos estuvo aquí antes en la década de 1980, cuando había preocupaciones de que Japón dominaría el negocio mundial de memorias. Pero con la ley CHIPS recientemente aprobada, el Congreso ha brindado los incentivos y oportunidades para que los semiconductores de próxima generación se fabriquen en los EE. UU.

Tal vez los chips de su próximo iPhone sean "diseñados por Apple en California, construidos en EE. UU."