5. ELECTRÓNICA
El transistor
El transistor se utiliza para controlar el flujo de corriente eléctrica.
El transistor amplifica la corriente, detecta ondas de radiofrecuencia y conmuta
señales eléctricas. Y todo ello sin necesidad de calentarse, disipando poco
calor, siendo muy económico de fabricar y muy pequeño.
El transistor está hecho de materiales semiconductores. El silicio y el
germanio son dos semiconductores sencillos que suelen utilizarse en la mayoría
de los transistores. Un transistor se fabrica mezclando determinadas partes del
semiconductor con impurezas, a fin de alterar la forma en que fluye la
corriente. Las impurezas dividen el material en tres zonas diferenciadas, que en
los llamados transistores bipolares se denominan emisor, base y colector. A cada
región se le aplica un contacto metálico, y todo el material es recubierto con
una carcasa protectora para constituir el transistor final.
Se empezaron a diseñar aparatos electrónicos complejos con miles de
transistores. Sin embargo surgieron algunos problemas. Cada transistor debía
ser conectado al seno del circuito del dispositivo que se estaba diseñando. Un
error en una de las conexiones acarrearía como consecuencia que el dispositivo
no funcionase, y lleva varios días localizarlo en el circuito. Además, si un
transistor fallase, habría que buscarlo en una placa que podría incluir unos
cuantos miles de transistores. La viabilidad práctica estaba limitando la
complejidad de los circuitos.
El circuito integrado
La necesidad de reducir el número de interconexiones entre los
componentes en una unidad sencilla con pocas conexiones dio lugar al desarrollo
de la microelectrónica y del circuito integrado.
En 1958, Jack Kirby, construyó el primer circuito integrado (IC).
Manipulando los componentes semiconductores antes de que fueran recubiertos con
su carcasa protectora, Kirby los combinó con un sustrato base, y después hizo
diminutas conexiones para algunos componentes, formando un circuito sencillo,
pero completo. Sus inconvenientes eran que tenía que ser construido manualmente
y no era muy fiable. Robert Noyce, tuvo la idea de construir todo el circuito eléctrico
a la vez en una sola pieza de semiconductor. En vez de tomar los elementos por
separado para después agruparlos, habría un único elemento capaz de hacer las
funciones de varios.
En los años 60 los circuitos integrados se hicieron muy populares en la
industria electrónica. Se desarrollaron numerosos Ics, cada uno de ellos
conteniendo los componentes necesarios para implementar una función
determinada. Conectando varios Ics, entre sí, era posible construir fácilmente
dispositivos electrónicos más complejos. Hoy en día son habituales los
circuitos integrados con más de 150.000 transistores.
Interconexiones
Cuantos
más componentes hay en un mismo circuito integrado, menor es el tiempo que
necesita una señal eléctrica para viajar de un componente a otro. Esto permite
a los circuitos integrados funcionar a mayores velocidades que los circuitos con
elementos discretos. El hecho de que los Ics actuales funcionen a velocidades
tan altas ha generado un nuevo problema.
Los
componentes de los circuitos integrados son capaces de operar a velocidades
superiores a las que una interconexión puede transmitir la señal eléctrica de
un componente a otro.
Los
superconductores serían un material ideal para hacer interconexiones. Como no
tienen resistencia, pueden disminuir la disipación de calor que se produce en
los circuitos integrados y transistores. Los superconductores pueden eliminar
los problemas causados por las interferencias magnéticas, ya que repelen campos
de este tipo. Empleando conexiones superconductoras se podrían empacar los
componentes más juntos. Con más componentes en un solo circuito integrado, las
velocidades de operación aumentarán.
Los
recientes avances en superconductores de alta temperatura dan viabilidad a Ics
superconductores. Sin embargo aquí encontramos unos cuantos problemas. Si
utilizamos un superconductor de baja temperatura se necesita un costoso sistema
de refrigeración que además incluso puede alterar el funcionamiento de otros
materiales. Si utilizamos un superconductor de alta temperatura nos encontramos
con que su densidad de corriente es muy baja, y un circuito integrado necesita
densidades de corriente que varían entre 100.000 y 1.000.000 de amperios por cm2,
y aún no existe un superconductor capaz de cubrir esas densidades.
Eliminando
la disipación de calor y las inferencias magnéticas, se pueden empacar los
componentes más próximos entre sí, obteniéndose mayores velocidades.
Densidad de corriente
En IBM se ha probado con la síntesis de los primeros cristales de película
delgada de un nuevo material superconductor. Las películas delgadas son láminas
muy finas de un material que se depositan sobre otro material denominado
sustrato. Estas láminas se utilizan con
mucha frecuencia en componentes electrónicos.
Se seleccionaron sustratos especiales para la película delgada, y se ideó
un proceso de tratamiento por calor para producir la fase superconductora del
material. A 77 K se midió una corriente superior a 100.000 amperios por cm2.
Uniones Josephson
Una unión Josephson consiste en dos superconductores separados por una
delgada barrera aislante. Bajo determinadas condiciones de operación, los
electrones pueden atravesar la barrera aislante, produciendo una
sobre-intensidad de corriente. Las uniones Josephson pueden utilizarse como
conmutadores electrónicos variando los niveles de corriente eléctrica que
pasan por ellas. Si se aumenta la corriente por encima de un valor, la unión
superconductor-aislante-superconductor cambiará inmediatamente su valor de cero
voltios a un valor finito. Las uniones Josephson disipan sólo la milésima
parte de la potencia que disipa un transistor convencional, y además funcionan
a unas velocidades mucho mayores, con unos tiempos de conmutación inferiores a
dos picosegundos (un picosegundo es una billonésima parte de un segundo). Esto
permite el desarrollo de
instrumentos electrónicos, ordenadores y sistemas de comunicación muy rápidos.
Hypres
El primer producto comercial de HYPRES, el PSP-1000, fue un éxito. El
PSP-1000 es una estación procesador de señales o un oscilospio avanzado
(instrumento que dibuja en una pantalla valores instantáneos de señales eléctricas
que varían rápidamente). El PSP-1000 es capaz de detectar señales de
picosegundos. PSP son las siglas de Procesador de Señales de Picosegundos.
HYPRES tuvo que desarrollar muchos dispositivos superconductores nuevos.
Se ideó una nueva arquitectura especial de circuitos integrados en la cual una
de las esquinas del circuito se mantenía a 4,2 K (para conseguir
superconductividad), mientras que el resto del circuito se mantenía a
temperatura ambiente. Tenía un sistema de refrigeración en el que se
vaporizaba una de las esquinas con helio líquido. Este sistema de vaporización
mantiene el frío sin ocupar demasiado volumen. En el interior de la esquina se
incluye un depósito de helio que permite 12 horas de funcionamiento
ininterrumpido.
La unión Josephson del dispositivo está construida con una aleación de
niobio formada sobre un sustrato de sílice. Está especialmente diseñada para
resistir la brusca transición térmica del Cero Absoluto a la temperatura
ambiente.