Silicio
Esto es lo mejor que me ha pasado en años, cuchillo, voy a aprovechar cualquier excusa para enseñar esto. ¿Qué es esto? Esto son 31 kilos y medio del elemento que ha revolucionado el mundo. Gracias a este elemento llevamos en nuestro bolsillo la información que antes ocupaba bibliotecas enteras. Enviamos mensajes entre puntos opuestos del mundo en una fracción de segundo, en lugar de semanas o meses.
Nos podemos orientar por todo el planeta de manera precisa e instantánea y tenemos acceso a todo el entretenimiento imaginable, en cualquier momento y lugar. Este elemento que ha dado un vuelco a nuestras vidas, es el silicio y allá donde haya algo electrónico, lo vas a encontrar. Pero ¿cómo se ha convertido el silicio en el rey indiscutible de la electrónica? ¿Qué tiene de especial este elemento?, para averiguarlo tendremos que viajar al pasado. Los primeros ordenadores eran monstruosos, pesaban tanto como un tráiler, ocupaban el volumen de un piso grande y consumían energía al ritmo de decenas de viviendas en pico de demanda. Y sabéis porque estos ordenadores primitivos eran tan grandes e ineficientes, una palabra interruptores.
A estas alturas, habréis oído mil veces que los ordenadores piensan en unos y ceros. Pues esos unos y ceros se generan mediante interruptores. Aunque por suerte los interruptores de los ordenadores, no se accionan a mano, como los de la luz. Los primeros ordenadores digitales usaban relés y más tarde válvulas de vacío que se apagaban y se encendían de forma automática, según el voltaje que les aplicaba el circuito. Si estaban apagados se mantenían en el estado cero y cuando se encendían pasaban al estado uno.
Y agrupando estos interruptores en unos circuitos llamados puertas lógicas, los ordenadores podían realizar operaciones, bueno lógicas. Sin embargo las válvulas de vacío y los relés tenían una pega. Cada uno de estos dispositivos medía varios centímetros de largo y por eso los primeros ordenadores eran inmensos, porque contenían miles de válvulas o relés que ocupaban un montón de espacio y los ordenadores se hubiesen quedado así, si no fuese por el silicio.
El silicio pertenece al selecto grupo de los metaloides, lo que significa que es una especie de quimera entre un metal y un no metal. Por ejemplo tiene un aspecto brillante y un punto de fusión alto como la mayoría de los metales pero es frágil y quebradizo como los no metales. Pero lo que hace el silicio único, es su carácter semiconductor, es decir conduce la electricidad, pero no mucho.
Y curiosamente esta conductividad mediocre, es la principal ventaja del silicio, porque la podemos moldear a nuestro gusto mediante el dopaje. No no ese tipo de dopaje, ah me explico, en un cristal de silicio puro, los 4 electrones exteriores de cada átomo, están enlazados con sus cuatro átomos vecinos. Así que apenas quedan electrones libres que se puedan mover por el cristal. Por eso el silicio puro no conduce bien la electricidad.
Ahora bien, fijaos en lo que pasa si sustituimos algunos átomos de silicio por un elemento con cinco electrones exteriores como el fósforo o el arsénico. Su quinto electrón queda desemparejado, este silicio rico en electrones libres es silicio n o negativo. En cambio si usamos un elemento con tres electrones exteriores como el gallo o el boro, uno de los cuatro enlaces no se cubre y queda un hueco en el cristal con carga positiva. Ahora tenemos silicio P o positivo. Esto es lo que significa dopar el silicio, espaciarlo con pequeñas cantidades de otros elementos de forma controlada.
Y como tanto los electrones libres como los huecos facilitan el paso de la corriente, el silicio N y el silicio P son mejores conductores que el silicio puro. Y aquí ocurre la magia, porque si haces un sándwich de silicio P o de silicio N, el resultado es un nuevo tipo de interruptor revolucionario, un transistor. Aunque en la vida real tiene más partes no están hechos de pan. Existen muchos tipos de transistores pero uno de los más comunes, el MOSFET, consiste en un sustrato de silicio P, con dos regiones de silicio N y un terminal entre ellas, la base, separado por una capa aislante.
Mientras a la base no se le aplica un voltaje, el transistor permanece apagado porque no existe una banda conductora en el silicio P que conecte las regiones N. Pero en cuanto se le aplica un voltaje positivo en el silicio P se forma un canal de electrones que permite que la corriente fluya. Ahora el transistor está encendido y diréis vale entonces estás diciendo que un transistor actúa como un interruptor automático controlado por una señal eléctrica y qué tiene eso de revolucionario en qué se diferencia de los relés y las válvulas de vacío pues en que al no tener partes móviles y consumir muy poca energía el tamaño de los transistores se puede reducir muchísimo de hecho hoy en día se están fabricando transistores de silicio de solo unos pocos nanómetros o millonésimas de milímetros en otras palabras el silicio ha cambiado las válvulas y los relés aparatosos por interruptores cientos de veces más pequeños que una bacteria como resultado en un microprocesador moderno del tamaño de una uña caben miles de millones de transistores de silicio pero las virtudes de este metaloide no acaban aquí simplificando mucho la velocidad de cálculo de un ordenador depende del ritmo al que puede generar unos y ceros o lo que es lo mismo al que sus interruptores se encienden y apagan en este sentido las válvulas de vacío se podían accionar unas 100.000 veces por segundo y los relés antiguos solo unas 50 sin embargo un transistor moderno de silicio es capaz de cambiar de estado miles de millones de veces cada segundo o sea que los ordenadores modernos son tan compactos y veloces porque el silicio permite concentrar muchísimos interruptores muy rápidos en un espacio muy reducido ahora bien cómo se consigue que un simple pedazo de silicio haga operaciones lógicas como os podréis imaginar no es una tarea fácil se requiere un proceso largo y enrevesado que empieza con una piedra el cuarto aunque no nos vale cualquier tipo de cuarzo si buscáis en internet de donde se extrae el silicio Internet os dirá que de la arena y la idea tiene sentido a primera vista porque el silicio se extrae del cuarzo y la arena está hecha principalmente de cuartos pero siendo informaros de que eso es un mito el silicio no se extrae de la arena la arena no sirve para obtener silicio a gran escala porque el pequeño tamaño de sus granos no es compatible con los métodos industriales de extracción de silicio y además la arena siempre contiene granos de otros minerales que complican aún más las cosas por eso el silicio no se extrae de la arena sino de algo parecido a lo que hay en esta pared de roca hoy en cómo lo hacen digo en ciencia de sofá chips de silicio estas rocas están llenas de pequeños nódulos de cuarcita una roca muy dura e inerte que habréis visto mil veces porque se usa mucho como piedra decorativa y material de construcción pero lo que nos interesa a nosotros es su composición química porque al estar hecha casi enteramente de cristales microscópicos de cuarzo y por tanto de dióxido de silicio casi puro la cuarcita es una fuente ideal de silicio la extracción del silicio comienza triturando cuarcita en alta pureza hasta reducir la masa del tamaño de un puño y estos pedruscos se introducen junto con un montón de carbón en grandes hornos de arco eléctrico que lo calientan todo a unos 1.800ºc a estas temperaturas el monóxido de carbono generado por la combustión del carbón reacciona con el dióxido de silicio del cuarto robándole el oxígeno al silicio y liberando este metaloide de su prisión cristalina el resultado es un silicio con una pureza de entorno al 99%, que se usa principalmente para producir aleaciones de aluminio y siliconas ahora bien extraer el silicio de las rocas era la parte fácil lo complicado viene ahora porque como incluso la cantidad más mínima de impurezas fastidia las propiedades eléctricas del silencio se necesita un silencio muchísimo más puro que este para poder fabricar transistores por eso el siguiente paso es refinarlo bueno el siguiente y el siguiente y el siguiente y el siguiente y el largo proceso de refinado empieza a pulverizando el silicio anterior y mezclándolo con ácido clorhídrico altas temperaturas para convertirlo en triclorofilano un gas que se condensa y se destila para separarlo de la mayoría de sus impurezas a continuación el triclorofilano destilado se mezcla con hidrógeno y se inyecta en un reactor que contiene unas barras de silicio finas y curvadas aquí empieza la siguiente fase el proceso siements cuando el reactor se calienta a unos 1000ºc con una pureza del 99,99999 estas barras de silicio refinado contienen un solo átomo de impurezas por cada millón de átomos de silicio sin embargo este silicio superpuro sigue sin ser lo bastante puro para los transistores por eso hay que seguir refinandolo y el siguiente paso es la salchichorización bueno vale me he inventado el nombre pero es que mirad cómo se llama el proceso de verdad el método shortsk la salchichonización consiste en fundir el silicio super puro e introducir en él una barra hecha de un único cristal de silicio dentro del líquido incandescente los átomos de silicio se adhieren al cristal guia siguiendo su mismo patrón y la barra va creciendo mientras se retira poco a poco pero muy poco a poco porque esta operación dura entre una semana y un mes el resultado es un enorme cristal de silicio de hasta 30 cm de diámetro y 2 m de largo y una pureza del 99,9999999999999% en otras palabras solo uno de cada diez mil millones de átomos de estos salchichones de silicio no es de silicio qué pensáis os parece que esta pureza ya es suficiente correcto no así que venga a seguir refinando el salchichón el último paso del refinado es la fusión por zonas que consiste en rodear el salchichón con una bobina de inducción que mantiene fundida una sección del cilindro mientras se mueve de un extremo a otro de esta manera las pocas impurezas que le quedan al silicio se concentran en la zona fundida y son arrastradas hacia los extremos que luego se cortan para retirarlas y tras unas 50 pasadas de la bobina el silicio alcanza una pureza del 99,9999999999999999%. el salchichón por fin está listo para enviarlo a una charcutería de alta tecnología donde lo cortan en lonchas digo obleas de menos de un milímetro de grosor y ahora sí estas obleas de silicio ultra puro por fin están listas para fabricar sobre ellas miles de millones de transistores aquí empieza el proceso de dopaje bueno en realidad empezó hace rato el dopaje comienza durante la salchichorización madre mía vaya frase ya que al silicio fundido se le añaden pequeñas cantidades de elementos dopantes para que el salchichón y por tanto las obleas tengan incorporadas la primera capa de silicio en OPE y estos discos dopados están listos para la siguiente fase la implantación iónica ya suena a ciencia ficción pero simplificando mucho consiste en disparar contra las obleas un chorro de iones de los elementos dopantes a tal velocidad que se incrustan en ellas y se asegura que esos iones se clavan allá donde van los transistores cubriendo las obleas con distintas plantillas listos acabamos de preparar sobre la oblea miles de millones de sándwiches de silicio NP ahora se cubre la oblea con una capa finísima de óxido aislante se le practican agujeros minúsculos a esta capa allá donde van todos los terminales se rellenan los agujeros con un material conductor y ya estaríamos tras un largo viaje científico que nos ha llevado a través de la geología la química la física y la electrónica hemos pasado de unos trozos de cuartita a algo parecido a esto una oblea de silicio recubierta de cientos de circuitos integrados cada uno con hasta miles de millones de transistores y gracias a esta miniaturalización extrema de un solo lingote de silicio como el mío se pueden sacar hasta cientos de miles de microprocesadores y por último los chips se recortan de las obleas se encapsulan el materiales que los aíslan y los protegen y se incorporan a todos los dispositivos electrónicos imaginables y así es como convertimos unas simples piedras en cerebros digitales hechos de interruptores sé que parece magia pero es solo un ejemplo de las cosas increíbles que los humanos podemos crear cuando distintas ramas de la ciencia trabajan juntas eso sí a veces no te puedes fiar de la gente que maneja estos cerebros digitales