Seleccione un dispositivo electrónico, cualquiera que sea. Sin importar su selección, es muy probable que el funcionamiento de este dispositivo esté basado en semiconductores. Sin ellos no tendríamos nuestros teléfonos ni nuestros computadores, y muchas herramientas serían todavía analógicas.    

Las vidas digitales que vivimos hoy en día están fundamentadas en gran medida en el funcionamiento de dispositivos basados en semiconductores. Los transistores son tal vez su aplicación más popular, y a diario interactuamos con miles de millones de ellos, casi sin darnos cuenta. Más interesante aún es que el silicio con el que son hechos estos transistores proviene en muchos casos de arena

El proceso de convertir arena en chips integrados sigue siendo uno de los más demandantes y complicados de la historia de la humanidad. En cada chip que está en nuestro computador tenemos miles de millones de pequeños componentes trabajando en conjunto, que nutren nuestra sociedad conectada. 

Aunque es curioso, los transistores más diminutos son los que nos permiten dar pasos gigantes en nuestra sociedad. Desde los chips de los teléfonos, hasta los que llevaron a la Nasa a la luna, los semiconductores han sido un pilar fundamental en el desarrollo de la humanidad. Precisamente por esto es vital conocer su funcionamiento y entender un poco mejor nuestra historia moderna.  

¿Qué es un semiconductor?

Empecemos por la pregunta obvia: ¿qué es un semiconductor? En términos simples, un semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de varios factores, como la temperatura, el campo eléctrico o la presión.

Un conductor es un elemento que, precisamente, conduce la electricidad y tiene poca resistencia al movimiento de la carga eléctrica. El cobre, por ejemplo, es uno de los conductores más utilizados, y por eso lo vemos en todo tipo de cables. Elementos como el hierro, el oro y la plata también son buenos conductores.

Al otro lado del espectro tenemos a los aislantes, que son elementos que tienen una alta resistencia eléctrica y que no permiten un flujo constante de electricidad. De este grupo hacen parte elementos como el plástico (y de ahí la cinta aislante), el vidrio y la madera.

El semiconductor, entonces, es capaz de permitir que la electricidad fluya libremente o que no fluya. Elementos como el silicio y el germanio son semiconductores naturales, que la industria actual modifica en un proceso que se llama ‘dopaje’, en el que introducen impurezas para cambiar sus propiedades eléctricas. 

Silicio y transistores

Thoman Johann Seebeck, en 1821, fue la primera persona en notar que las propiedades eléctricas de algunos metales cambiaban dependiendo de la temperatura. La primera aplicación de los semiconductores se produjo en 1904, con el detector de bigotes de gato usado en radios de cristal que permite mejorar la detección de audio en los receptores radiales. 4 décadas más tarde, William Shockley desarrolló el transistor.      

Ahora, un transistor es un dispositivo que regula el flujo de corriente o tensión en un circuito eléctrico y que puede actuar como interruptor o como amplificador. En palabras más sencillas, un transistor nos permite controlar el flujo o la ausencia de flujo en un circuito eléctrico.

La mayoría de los semiconductores actuales están fabricados con una base en silicio, al que se le introducen impurezas ligeras para mejorar sus capacidades de conductividad. De aquí se forman dos tipos: tipo n y tipo p. Estos dos tipos son los que componen la mayoría de los chips que usamos.

Imagen: Wikimedia

Además de los chips para dispositivos, los semiconductores también son usados ampliamente en la creación de ledes que de algunos años para acá han ido reemplazando los bombillos incandecentes en áreas como la aviación, los automóviles y señales de tráfico, entre muchas otras. En su forma más sencilla, un led está compuesto por una fuente de electricidad, un semiconductor (generalmente silicio) y una superficie reflectiva que amplifica la iluminación generada por el semiconductor.

Y con la implementación de transistores en circuitos integrados, podemos empezar a crear puertas lógicas o booleanas. 

Se abren las puertas (booleanas)

Si pudiéramos representar la presencia o la ausencia de corriente eléctrica en un transistor, lo más sencillo es con los números 1 y 0. 1 significa corriente, y 0 significa ausencia de corriente. Con este sistema sencillo podemos entonces empezar a conectar transistores y crear lo que se conoce como una puerta lógica.

Apunte TIC: Una puerta lógica es un dispositivo eléctrico con una función booleana. Algunas de las puertas más usadas son IF o buffer, AND, OR y NO.   

Todos nuestros sistema computacionales están basados en este mismo sistema binario, en el que cada bit corresponde a 0 o 1 dependiendo de su estado lógico. En la mayoría de la computación moderna, este estado de 1 o 0 es una representación digital del voltaje o corriente que está fluyendo por el transistor. Este estado entre 1 y 0 se conoce como un bit.

Cuando Intel presentó el procesador 4004 en 1971, el nuevo chip tenía una capacidad de apenas 4 bits y su uso estaba principalmente enfocado a calculadoras como la Busicom 141-PF. Sin embargo, la gran revolución la marcó el hecho de que todos los transistores y otros elementos estuvieran integrados en un chip compuesto de silicio.

El primer microprocesador en llegar al mercado fue diseñado específicamente para la calculadora Busicom 141-PF. Intel logró renegociar el contrato a finales de 1971 para poder comercializar el chip por sus propios medios. Imagen: Wikimedia

A medida que se añaden más transistores al sistema, el chip es capaz de realizar operaciones más complejas. Debido a esto y a desarrollos en la fabricación de semiconductores, nuestros chips modernos tienden a tener miles de millones de transistores fabricados en silicio que realizan mucho más que solamente operaciones matemáticas.      

Mucho más que ciencia

Y aunque los semiconductores y transistores nacen desde la ciencia, lo cierto es que sus múltiples aplicaciones los han convertido en una de las industrias con más valor e innovación a nivel global. Según la Asociación de la industria de semiconductores, el mercado de los semiconductores tiene proyectado llegar a los 452.000 millones de dólares en 2021. 

Esto no solamente incluye el diseño de chips, sino también su fabricación. De la misma forma, no son solamente chips para teléfonos o computadores, sino chips que van a parar prácticamente en todos los dispositivos electrónicos que usamos día a día. La ciencia es un motor gigante en la creación de industrias innovadoras. 

Irónicamente, la arena –que está mayoritariamente compuesta por óxido de silicio– es hoy por hoy uno de los elementos más importantes para nuestro ecosistema digital. El desarrollo y la investigación con semiconductores ha significado uno de los pasos más importantes en la historia de la humanidad, y seguramente siga con nosotros por muchos más años.  

Imagen principal: Jonas Svidras en Unsplash