Apuntes de electrónica

Cristales de silicio

Al combinarse los átomos de Silicio para formar un sólido, lo hacen formando una estructura ordenada llamada cristal. Esto se debe a los "Enlaces Covalentes", que son las uniones entre átomos que se hacen compartiendo electrones adyacentes de tal forma que se crea un equilibrio de fuerzas que mantiene unidos los átomos de Silicio.
Vamos a representar un cristal de silicio de la siguiente forma:

Cada átomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los átomos vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en la órbita de valencia, como se ve en la figura.
La fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones que quedan ( aunque sean compartidos ) con cada átomo, gracias a esta característica los enlaces covalentes son de una gran solidez.
Los 8 electrones de valencia se llaman electrones ligados por estar fuertemente unidos en los átomos.

El aumento de la temperatura hace que los átomos en un cristal de silicio vibren dentro de él, a mayor temperatura mayor será la vibración. Con lo que un electrón se puede liberar de su órbita, lo que deja un hueco, que a su vez atraerá otro electrón, etc...

A 0 ºK, todos los electrones son ligados. A 300 ºK o más, aparecen electrones libres.

Esta unión de un electrón libre y un hueco se llama "recombinación", y el tiempo entre la creación y desaparición de un electrón libre se denomina "tiempo de vida".

Enlace covalente roto: Es cuando tenemos un hueco, esto es una generación de pares electrón libre-hueco.

Según un convenio ampliamente aceptado tomaremos la dirección de la corriente como contraria a la dirección de los electrones libres.

Simulación

En este applet podemos ver mediante una animación el comportamiento de los electrones en un cristal de silicio.

Los electrones libres (electrones) se mueven hacia la izquierda ocupando el lugar del hueco. Carga del electrón libre = -1.6x10-19 Culombios.Los electrones ligados (huecos) se mueven hacia la derecha. Carga de electrón ligado = +1.6x10-19 Culombios.

Semiconductores: Conducen los electrones (electrones libres) y los huecos (electrones ligados).
Conductores: Conducen los electrones libres.
Resumiendo: Dentro de un cristal en todo momento ocurre esto:

• Por la energía térmica se están creando electrones libres y huecos.
• Se recombinan otros electrones libres y huecos.
• Quedan algunos electrones libres y huecos en un estado intermedio, en el que han sido creados y todavía no se han recombinado.

Desde una guitarra eléctrica hasta el tomógrafo axial o el ecógrafo del hospital, pasando por el ordenador personal, todos los dispositivos electrónicos actuales funcionan gracias a las propiedades de los cristales. Encontramos cristales de semiconductores en los chips; cristales piezoeléctricos en los relojes electrónicos, los micrófonos y altavoces; cristales piroeléctricos en los termógrafos y sistemas de alarmas; y cristales líquidos en las pantallas de móviles y televisores. Y encontraremos cristales como el grafeno o los cuasicristales en los materiales del futuro. ¿Sabes cuales son las propiedades cristalinas en las que se basa esa tecnología? ¿Imaginas cuántos productos usas diariamente que funcionan gracias a los cristales? ¿Quieres aprender cómo se obtienen los cristales en la industria?

Chip de silicio en el interior de un micropocesador	Oblea de silicio monocristalino con chips electrónicos grabadosOblea de silicio monocristalino con chips electrónicos grabados

Cada uno de los pequeños chips que hacen funcionar nuestros aparatos electrónicos contiene en su interior una pequeña lámina de cristal semiconductor con unos diminutos circuitos grabados a escala nanométrica que integran entre varios cientos y varios millones de componentes electrónicos. Las propiedades cristalinas de los semiconductores en estado cristalino hacen posible su funcionamiento.

Es muy posible que nuestro móvil esté equipado con una pantalla LCD. Las siglas quieren decir “Liquid Crystal Display” y, efectivamente, su funcionamiento se basa en las propiedades de modulación de la luz que los cristales líquidos tienen por el hecho de ser cristales. Otra tecnología de pantallas es el LED (“Light Emitting Diode”). En este caso la imagen se forma por la luz emitida por cada pixel que es un diminuto diodo de cristal semiconductor. Los LEDS están cada día más presentes en nuestra vida cotidiana y no solo en los móviles o en las pantallas de televisión sino en los paneles publicitarios o incluso en las lámparas de nuestros hogares.

Cada vez más los teléfonos están equipados con sensores que los hacen “más inteligentes”. Es frecuente que los teléfonos estén equipados con brújulas, giróscopos o acelerómetros que les permiten conocer su orientación y sus movimientos. Con el tiempo otros sensores (temperatura, humedad, presión…) se irán incorporando. La tecnología de MEMs permite la microfabricación sobre soportes cristalinos de estructuras mecánicas, térmicas, ópticas y fluídicas junto con la electrónica necesaria para su funcionamiento.

Todos los dispositivos electrónicos digitales (incluido el móvil) usan uno o más relojes para marcar el ritmo a la circuitería electrónica y sincronizar su funcionamiento. Este reloj es típicamente un circuito resonante basado en el efecto piezoeléctrico de un cristal de cuarzo. De hecho el componente electrónico correspondiente se denomina coloquialmente “cristal” y es el mismo que encontramos en los relojes de pulsera, los ordenadores, radios y en infinidad de otros aparatos electrónicos. El mismo fenómeno de piezoelectricidad se usa también para hacer funcionar el micrófono y el altavoz del teléfono, los pickups para instrumentos musicales, el sonar o los ecógrafos médicos.

Otras propiedades de los cristales, además de las electrónicas y mecánicas, están en la base de nuestras tecnologías actuales, como el laser o los componentes de óptica no lineal que nos permiten generar o manipular haces de luz.

La energía solar usa cristales de silicio entre otros materiales y su futuro depende en buena parte de encontrar la forma más barata de producir cristales de compuestos III-V.

SABÍAS QUE

• El Silicio con el que construimos los criscuitos electrónicos es el séptimo elemento en el universo y el segundo más abundante en la Tierra. Aproximadamente un cuarto de la corteza terrestre es silicio.
•  Como cabria esperar, la industria de fabricación de semiconductores es muy ámplia y competitiva. En 2013, las ventas globales de esta industria superó los 300.000 millones de dolares.
•  En un LCD, la corriente eléctrica se usa para transformar segmentos de cristal líquido de una fase transparente a una opaca. Estos segmentos, típicamente en forma de puntos o píxels, se modifican individualmente para bloquear o dejar pasar la luz polarizada, generando puntos luminosos u oscuros en la pantalla.
•  En todos los LCDs, los cristales líquidos están confinados entre dos piezas de vidrio o plástico transparentes, pero no cualquier plástico vale. Si el vidrio o el plástico tiene demasiado sodio u otros iones alcalínos, se moverán a la superficie, dode cualquier humedad modificará el patrón de campo eléctrico y, por tanto la alineación del cristal líquido. Para evitarlo, los fabricantes de LCDs usan vidrio de borosilicato o aplican un recubrimiento de dióxido de silicio al vidrio o plástico.
•  Las dimensiones de los dispositivos MEM varia desde menos de una micra hasta algunos milímetros. Los tipos de MEMs tambien varian mucho, desde estructuras relativamente simples sin partes móviles hasta complejos sistemas electromecánicos con múltiples partes móviles controladas por microlectrónica integrada.
•  Muchos de los microsensores MEM han demostrado un rendimiento superior al de los dispositivos tradicionales con la misma función. La versión miniaturizada de un sensor de presión, por ejemplo normalmente es más sensible que las mejores versiones macroscópicas de sensores comparables.
•  La estructura de un cristal óptico usado para amplificar la emisión laser determina sus propiedades ópticas y su resistencia al daño por radiación. Por lo tanto el desarrollo de láseres con aplicaciones específicas depende críticamente de la definición de esta estructura y de los métodos necesarios para crecer cristales con esa estructura.

https://cristales.fundaciondescubre.es/?page_id=94

Silicio, el elemento base

El silicio [1], con número atómico 14 (perteneciente al grupo de los metaloides) es uno de los elementos más abundantes en la Tierra, después del oxígeno. Presenta una temperatura de fusión de 1414ºC y una temperatura de ebullición de unos 2900ºC. En estado natural, se presenta en forma sólida (no magnético) con un color gris oscuro azulado.

La principal ventaja del silicio frente a otros elementos de cara a su uso en la electrónica es el hecho de que el silicio es un semiconductor, lo que significa que se puede controlar el flujo de la corriente eléctrica a través de si mismo.

1.1 Obtención de silicio monocristalino

Para el desarrollo de circuitos integrados, es necesario utilizar silicio con una pureza del 99.99%. Para obtener silicio con esa pureza se emplea el proceso de Czochralski [2]. En este proceso se comienza fundiendo silicio amorfo en un crisol. Una vez el silicio se ha fundido, se introduce una varilla con un pequeño cristal de silicio en la punta (llamado semilla) y se comienza a girar lentamente y a tirar de la varilla. Este proceso de rotación y tirado hace que a la semilla se vayan agregando átomos de silicio de manera ordenada siguiendo la estructura cristalina de la semilla. A partir de este proceso se obtienen unas barras de aproximadamente 1m de largo.

Una vez obtenida la barra de silicio monocristalino, se corta en láminas de 0.5µm a 1mm de espesor y se pulen.

El silicio presenta 4 electrones en su última capa, por lo tanto, en el cristal se combinan 4 átomos de silicio compartiendo 4 electrones cada uno. En esta configuración se obtiene un cristal estable que no conduce la electricidad porque no quedan electrones libres dentro del cristal.

Para solucionar este problema, una vez obtenidas las obleas, se procede a llevar a cabo un dopaje [3] de las mismas. El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio de la red cristalina por otro elemento con un mayor número de electrones (creando electrones libres – silicio tipo N) o con un menor número de electrones (creando huecos – silicio tipo P).

El proceso de dopaje normalmente suele hacerse con átomos de fósforo o arsénico para crear electrones libres o con átomos de aluminio o galio para crear huecos.

Llegado a este punto la oblea esta lista para comenzar a construir sobre ella los transistores y los circuitos integrados.

2 Transistores, los componentes básicos

2.1 Fundamento básico

El componente básico de los circuitos electrónicos digitales modernos son los transistores [4]. El transistor es un dispositivo de tres terminales que habilita el paso de corriente eléctrica entre dos terminales en función del valor de tensión eléctrica que haya aplicada en el tercer terminal.

Para comprender mejor el funcionamiento del transistor, en la figura 2se muestra el esquema básico de un transistor. Como puede observarse, existen dos terminales o regiones altamente dopadas: drenador y surtidor (terminales 2 y 3 en la figura). Por otro lado, entre ambos terminales se ha crecido una capa de óxido de silicio (aislante) y se ha dispuesto un tercer terminal, la puerta (terminal 1 en la figura).

Figura. 3: Estados del transistor.

En condiciones normales cuando no se aplica ningún tipo de tensión en la puerta, drenador y surtidor están aislados (Figura 3A). En cambio, cuando se aplica una tensión en la puerta, se produce una atracción de la carga libre dentro de la oblea, sintiéndose fuertemente atraída hacía el óxido de silicio de la puerta, llegando a formar un canal estable entre drenador y surtidor que permite el flujo de la corriente eléctrica entre ambos terminales. A este modo se le denomina región lineal del transistor (Figura 3B). Si adicionalmente se aplica una tensión en el drenador, se produce una deformación del canal entre drenador y surtidor (Figura 3C), que implica una limitación de la corriente total que fluye entre ambos terminales. A esta situación se la denomina región de saturación y normalmente en electrónica digital es el modo utilizado para el desarrollo de circuitos electrónicos.

En la Figura 3 se muestran los diferentes estados para un transistor con un sustrato con dopaje P, en el caso del dopaje N, el funcionamiento es exactamente igual pero con potenciales de tensión negativos.

2.2 Fabricación de transistores

Figura. 4: Primera etapa de la fabricación.

La fabricación de los transistores integrados[5] está basada en un proceso litográfico de precisión. Se comienza haciendo crecer una capa de óxido de silicio sobre la oblea. Posteriormente se añade una resina fotosensible. Sobre la resina se coloca una máscara con huecos abiertos en las zonas que corresponderán a los diferentes transistores. Después de colocar la máscara, se expone la oblea a radiación ultravioleta que debilita la resina fotorresistiva en las zonas abiertas. Finalmente, se procede a la eliminación de la resina debilitada y del óxido de silicio en las zonas debilitadas por medio de fluoruro de hidrógeno. Después de esta primera iteración del proceso toda la oblea esta cubierta por un aislante (óxido se silicio) y solamente presenta abierto los huecos donde van los transistores (Figura 4).

El siguiente paso del proceso es construir la puerta del transistor. Para ello, se hace crecer una capa muy fina de óxido de silicio. Encima se añade una capa de polisilicio, y al igual que en el caso anterior se añade una resina fotorresistiva para proteger las zonas de interés. Se aplica de nuevo fluoruro de hidrógeno y se retira el exceso de material, quedando de esta forma la puerta del transistor construida, tal y como se muestra en la Figura 5.Figura. 5: Fabricación de la Puerta.

 Llegados a este punto, es el momento de crear los pozos de material dopado. En el caso que se está analizando se trata de crear pozos con dopaje N +. Para ello, existen diferentes técnicas de aplicación: la difusión y la implantación iónica.

La difusión consiste en añadir material dopante sobre las ventanas de los pozos que poco a poco se va difundiendo dentro del sustrato. La implantación iónica por el contrario, consiste en bombardear las zonas expuestas con iones a alta velocidad, quedando así el material iónico dentro del sustrato. La implantación iónica suele destruir la red cristalina por lo que se calienta ligeramente el sustrato para facilitar la recolocación de la red y arreglar los desperfectos. De cualquiera de los dos modos queda ya formado los pozos del drenador y el surtidor (Figura 6).

Figura. 6: Creación de los pozos de material P +.

Antes de proceder a crear los conectores de los terminales, se hace un crecimiento de óxido de silico a ambos lados de la puerta para evitar cortocircuitos con el drenador y el surtidor. Finalmente se procede a depositar aluminio sobre los terminales para facilitar el interconectado de los transistores entre sí y poder formar circuitos electrónicos (Figura 7)

3 Creación de circuitos electrónicos

Figura. 7: Creación de los terminales.

 Una vez que se han construido los transistores de un circuito concreto es necesario llevar a cabo el interconexionado de los mismos. Para ello, el proceso seguido es similar al de fabricación. Mediante máscaras litográficas se van definiendo las pistas de metalización que deben unir los diferentes transistores y se van creando capas de metal con pistas separadas por capas de material aislante. En la Figura 8 se muestra un ejemplo de como se lleva a cabo la interconexión en los diferentes niveles de metal.

Figura. 8: Metalización de conexiones.

Actualmente los procesos de fabricación de circuitos integrados trabajan hasta con 6 o 7 niveles de metalización, que permiten llevar a cabo el conexionado de miles de transistores entre ellos para trabajar conjuntamente y llevar a cabo tareas de cómputo y cálculo en nuestros ordenadores, por ejemplo.

4 Desafíos de la electrónica en el futuro

Desde que comenzó la era de la electrónica integrada en los años 50 hasta la actualidad se ha ido doblando el numero de transistores que se pueden integrar en un circuito aproximadamente cada dos años. Esta tendencia, es la conocida como ley de Moore [6]. Este aumento se debe a la mejora en las técnicas de fabricación, que hace que los transistores sean cada vez más pequeños y se puedan integrar más en un mismo espacio. En la Figura 9 se muestra una fotografía de un microprocesador Intel I7 con 774 millones de transistores integrados.

Figura. 9: Microfotografía de un procesador Intel I7.

Actualmente se está llegando a unos límites cada vez más difíciles de superar. Existen procesos tecnológicos de fabricación que están utilizando longitudes de puerta de 22nm [7] y se está investigando en longitudes menores. Se está llegando a longitudes de puerta tan pequeñas que ya los modelos matemáticos de los transistores empiezan a no ser válidos y cada vez es más complicado modelar y predecir el funcionamiento de los circuitos creados con estas tecnologías.

Los científicos ya están vislumbrando que en los próximos años será necesario cambiar los procesos de fabricación o tecnologías porque éstos están cada vez más cerca de su límite físico.

Por este motivo se está investigando en otros materiales como el grafeno o en campos tan desconocidos como la computación cuántica, para abrir nuevas puertas a poder seguir avanzando tecnológicamente.

http://triplenlace.com/2015/03/14/el-silicio-la-base-de-la-electronica/