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Este teléfono contiene unos 100 milliones de transistores, este ordenador unos mil millones.
El transistor está presente en prácticamente cada dispositivo electrónico que usamos: TVs, radios,
Tamagotchis.
Pero, ¿cómo funciona?
Bien, el principio fundamental es, de hecho, increíblemente simple. Funciona justo como este interruptor,
esto es, controla el flujo de corriente eléctrica.
Puede estar apagado, que se puede llamar estado cero, o puede estar encedido, el estado uno.
Este es el modo en que almacenamos y procesamos toda nuestra información, mediante ceros y unos,
pequeños bits de corriente eléctrica. Pero, a diferencia de este interruptor, un transistor carece
de partes móviles. Y tampoco requiere control humano. Además, se puede
encender y apagar más rápidamente que si yo acciono este interruptor. Y, finalmente,
lo más importante, es increiblemente diminuto. Bueno, todo esto es gracias al milagro de los semiconductores
o quizás debería decir a la ciencia de los semiconductores.
El silicio puro es un semiconductor, lo que significa que es mejor conductor de la electricidad que los aislantes
pero peor que los metales. Esto se debe a que un átomo de silicio tiene
cuatro electrones es su capa más externa o de valencia. Esto le permite formar enlaces con cuatro
de sus vecinos más próximos,
¡Ey, vosotros! ¡los de ahí! ¡Buenos días!
¿Qué tal??????
Así que forma un cristal tetraédrico.
Pero dado que todos esos electrones están atrapados en los enlaces, pocos tienen suficiente energía para escapar
y viajar por el entremado de enlaces. Así que contener un pequeño número de cargas móviles
es lo que hace al silicio un semiconductor.
Todo esto no sería tan útil sin el arma secreta de los semiconductores: el dopaje.
Probablemente hayas oído hablar del dopaje, se trata de inyectar una sustancia externa para
mejorar el rendimiento.
Sí, es justo como esto, salvo que a nivel atómico.
Hay dos tipos de dopantes, llamados tipo n y tipo p. Para obtener un semiconductor tipo n,
se parte de silicio puro y se inyecta una pequeña cantidad de un elemento con 5 electrones de valencia,
como el fósforo.
Esto es útil porque el fósforo es tan similar al silicio como para encajar
en el entramado, pero aportando un electrón extra. Esto implica que ahora el semiconductor tiene más
cargas móviles y, por tanto, conduce la la corriente mejor.
En el dopaje tipo p, se añade al entramado un elemento con sólo 3 electrones de valencia.
Como el boro. Esto crea un "hueco" donde debería haber un electrón, pero
no lo hay. Esto también incrementa la conductividad
del silicio porque sus electrones pueden moverse a través de la red.
Aunque son los electrones los que se mueven, se dice que son los huecos los que se mueven
-- porque hay muchos menos. Ahora. dado que el hueco es la falta de un electrón,
actúa como si fuera una carga positiva. Y esa es la razón por la que los semiconductores tipo p
se llaman así. La p indica positivo, sus cargas positivias, estos huecos, que se mueven
y conducen la corriente.
Hay un error conceptual habitual, que los semiconductores tipo n están cargados negativamente y que los
tipo p tienen carga positiva. Esto no es cierto, ambos son neutros porque
tienen el mismo número de electrones que de protones en su interior.
La n y la p, de hecho, sólo se refieren al signo de la carga que puede moverse.
Así en el tipo n, son los electrones negativos los que pueden moverse, y en el tipo p
es un hueco positivo el que se mueve. ¡Pero ambos son neutros!
Un transistor está hecho con ambos, semiconductores tipo p y tipo n. Una configuración habitual
tiene n en los lados y p en el centro. Al igual que un interruptor, un transistor tiene un
contacto en cada lado, uno se llama emisor y el otro receptor. Pero en vez de un interruptor
mecánico, hay un tercer contacto eléctrico, llamado base, que está aislado del resto del
semiconductor por una capa de óxido.
Cuando se fabrica un transistor, cada tipo no es fijo, de hecho los electrones
difunden desde el tipo n, donde hay más, hacia el tipo p
para llenar los huecos.
Esto crea algo llamado capa de agotamiento. ¿Qué se agota? Las cargas que
pueden moverse. No quedan electrones libres en el tipo n.
¿Por qué? Porque han llenado los huecos en el tipo p.
Ahora el tipo p es negativo gracias a los electrones añadidos. Esto es importante
porque ahora el tipo p repelerá cualquier electrón que trate de atravesarlo desde el tipo n.
La capa de agoatmiento actúa como una barrera, evitando el flujo de corriente eléctrica
a través del transistor. Ahora el transistor está apagado, como un interruptor abierto, está
en estado cero.
Para encederlo, se tiene que aplicar un leve voltaje positivo a la base. Los electrones son atraídos
y superan la repulsión de la capa de agotamiento. De hecho, ésta se encoje
por lo que los electrones pueden atravesarla y forman un canal conductor.
Ahora el transistor está encedido, está en el estado uno.
Esto es imporante porque tan sólo modificando las propiedades de un cristal somos capaces de
crear un interruptor sin partes móviles, que puede encenderse y apagarse muy
rápidamente tan sólo con voltaje, y, lo más importante es diminuto.
Actualmente los transistores tienen unos 22 nm de anchura, lo que significa que hay contienen unos 50 átomos a lo largo.
Pero para cumplir la Ley de Moore, van a tener que continuar menguando. La Ley de Moore
establece que cada dos años el número de transistores en un chip debería doblarse.
Pero hay un límite, a medida que estos terminales se acercan cada vez más, los efectos cuánticos
llegan a ser más significativos y los electrones pueden pasar de un lado al otro.
No seremos capaces de hacer una barrera suficientemente alta para evitar su flujo.
Esto será un problema real para el futuro de los transistores, pero probablemente falten
otros 10 años hasta que eso llegue. Hasta entonces los transitores, tal y como los conocemos,
van a seguir mejorando.
También se debe decir que trescientos de estos qubits equivalen a dos elevado a trescientos
de los bits clásicos. Lo que es igual al número de partículas que hay
el Universo.