Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

Información y comunicación: tecnologías

El texto del anuncio decía así: La Real Academia Sueca de las Ciencias ha concedido el Premio Nobel en Física para el año 2000, "por el trabajo básico sobre la tecnología de la información y comunicación". La mitad del premio se concede, conjuntamente, a Zhores I. Alferov (Ioffe Physico-Technical Institute, St. Petersburgo, Rusia) y a Horbert Kroemer (Universidad de Sta. Barbara, California, USA) "por desarrollar heteroestructuras semiconductoras usadas en electrónica de alta velocidad y optoelectrónica". La otra mitad a Jack S. Kilby (Texas Instruments, Dallas, Texas, USA), "por su participación en la invención del circuito integrado".

Nuestra sociedad está cambiando radicalmente en las últimas décadas, entre otras razones por los avances logrados en la tecnología de la información, que comprende la tecnología electrónica de los ordenadores y la tecnología de las telecomunicaciones. Estos avances, a su vez, se derivan de múltiples investigaciones físicas fundamentales realizadas previamente.

HITOS. La tecnología electrónica de los ordenadores comenzó a desarrollarse, en 1960, con la invención del circuito integrado, seguido, diez años después, por los microprocesadores, cuando el número de componentes de un chip fue suficientemente grande para permitir crear microprocesadores completos. Según la ley de Moore el número de componentes de un chip se duplica cada 18 meses (y sus precios permanecen constantes). Realmente así viene sucediendo desde 1960.

Paralelamente, ha ocurrido un avance similar en la tecnología de la comunicación, ya que, del mismo modo que el circuito integrado constituyó la base del desarrollo de la tecnología electrónica de los ordenadores, la tecnología de la comunicación ha contado con transistores ultrarrápidos y con láseres semiconductores basados en las heteroestructuras de los semiconductores, que han posibilitado el desarrollo de las modernas telecomunicaciones. Por ello vamos a recordar algunos aspectos de la aportación de los Nobel en Física del 2000 al desarrollo de las heteroestructuras (heterotransistores, láseres heteroestructurales) y de los chips y circuitos integrados.

Como premisa previa recordaremos que los componentes electrónicos usualmente se fabrican con semiconductores, un material que es intermedio entre un conductor y un aislante. De un modo elemental podemos suponer a los electrones de un material situados en sus agujeros o huecos. Para que exista conductividad es necesario que los electrones fluyan, que se separen de sus huecos, para lo cual es necesario suministrar una energía (caprichosamente vamos a denominarla energía de salto) que será mayor según la secuencia conductor-semiconductor-aislante.

HETEROESTRUCTURAS. La mayor parte de los componentes semiconductores son de silicio, pero se va incrementando la importancia de los semiconductores compuestos basados en arseniuro de galio. Un conductor heteroestructurado consiste en varias capas variadas (arseniuro galio, arseniuro de galio y aluminio, con muy diversas alternativas cristalinas) que poseen diferentes energías de salto.

Herbert Kroemer, que entonces trabajaba en la RCA (Radio Corporation of America) fue quien primero desarrolló, en 1957, un transistor heteroestructural o heterotransistor, muy superior al convencional, sobre todo en la amplificación de la corriente (del orden de 100 veces que los normales) y en aplicaciones de alta frecuencia, con ruidos muy bajos en los amplificadores construidos con ellos.

De un modo independiente, Alferov, desde el entonces Leningrado, y Kroemer, en la empresa Varian de Palo Alto, California, en 1963 diseñaron los principios de los láseres heteroestructurales o heteroláseres, una invención al menos tan importante como la del heterotransistor. En 1969, Alferov obtuvo los primeros resultados prácticos positivos y en 1970 tuvo lugar un gran salto tecnológico cuando se consiguieron heteroláseres capaces de trabajar continuamente a temperatura ambiente. Ello hizo que se convirtiese en realidad la hasta entonces posibilidad de las comunicaciones mediante fibra óptica.

La invención del transistor se remonta a las vísperas de la Navidad de 1947 y cada vez se fueron construyendo sistemas electrónicos más complejos sobre circuitos internos. A principios de 1950 se generalizó la idea de poder colocar transistores, resistores y condensadores sobre un bloque compuesto semiconductor, es decir, construir un circuito integrado. Dos ingenieros, Kilby y Noyce lo intentaron independientemente. El reto fue más tecnológico que científico, con problemas como las diferencias de adhesión de las finas capas de oro o de aluminio al silicio, o conseguir fabricar capas densas del grosor de unos pocos átomos. Hubieron de pasar 10 años para desarrollar la tecnología precisa para la fabricación, en una única pieza y simultáneamente, de un circuito integrado. Incluso, hoy día, transcurridos 40 años, la tecnología de los circuitos integrados sigue en una fase de dinamismo fértil sin signos de debilidad. Robert Noyce murió en 1990. Jack S. Kilby ha sido uno de los Nobel de Física del año 2000.

APLICACIONES. Las de los circuitos integrados, los chips, son evidentes y nos rodean por doquier. En cuanto a las heteroestructuras electrónicas, son muy importantes científica y tecnológicamente. Aparte de otros ejemplos más comunes podemos citar algunas de sus aplicaciones. Los amplificadores de alta frecuencia y bajo ruido, con heterotransistores, se usan en comunicaciones por satélite o para mejorar la relación señal/ruido en la telefonía móvil. Los láseres semiconductores basados en heteroestructuras se necesitan en las comunicaciones por fibra óptica, en el almacenamiento óptico de datos, en las cabezas lectoras de los lectores de CD, en los lectores de códigos de barras, marcadores láseres, etcétera. Los diodos emisores de luz basados en heteroestructuras están presentes en muchas señales de precaución, por ejemplo, en las luces de frenos de los vehículos. Posiblemente su desarrollo permitirá, en el futuro, sustituir a las lámparas eléctricas convencionales.

Las heteroestructuras también son importantes en varios campos de la Investigación científica. En la capa interfase entre semiconductores se forma el conocido como gas electrónico bidimensional, cuyas propiedades fueron el punto de partida para los estudios de los efectos Hall cuantificados, que merecieron el Nobel de Física de 1985 para Klaus von Klitzing y el Nobel de Física de 1998 para Laughlin, Störmer y Tsui. Y algo similar sucede con el fenómeno de la conductancia cuantificada, estudiada en muy diversos sistemas relacionados con estas estructuras.