Al silicio le debemos mucho. Muchísimo, en realidad. Este elemento químico es el rey de los semiconductores desde que en los años 60 destronó al germanio y se afianzó como el semiconductor con más potencial y el más utilizado por la industria de la electrónica. Además, pertenece a la selecta estirpe de los semiconductores elementales, que son aquellos que están constituidos por un único elemento químico.
Sus propiedades fisicoquímicas le han dado el papel protagonista que ostenta no solo en la industria de la electrónica, sino también en otras muy importantes, como, por ejemplo, en la fabricación de paneles fotovoltaicos. Aun así, el silicio no es perfecto. Poco a poco y a medida que los procesos fotolitográficos se han ido desarrollando nos hemos ido acercando a su límite físico, por lo que es crucial encontrar nuevos materiales que puedan ocupar su lugar.
Los científicos llevan en ello muchos años, y están coqueteando con algunos candidatos extraordinariamente prometedores. Uno de ellos es el arseniuro de galio (GaAs), que, como podemos intuir aunque no estemos familiarizados con la química, está compuesto de galio (Ga) y arsénico (As). Pero no es nuestra única opción. Puede que ni siquiera sea la mejor. Y es que un equipo científico liderado por investigadores del MIT ha dado con un semiconductor que tiene unas propiedades fisicoquímicas asombrosas.
Más eficiente y, en teoría, más atractivo que el silicio en todos los frentes
Antes de seguir adelante y para dejar bien afianzada la base de este artículo merece la pena que repasemos brevemente qué es un semiconductor. Podemos definirlo de una forma intuitiva como un elemento o un compuesto que bajo ciertas condiciones de presión, temperatura, o al ser expuesto a la radiación o a un campo electromagnético, se comporta como un conductor, y, por tanto, ofrece poca resistencia al movimiento de las cargas eléctricas.
Sin embargo, cuando se encuentra en otras condiciones diferentes se comporta como un aislante. Y, por tanto, en este último estado ofrece una gran resistencia al desplazamiento de las cargas eléctricas. En los elementos con capacidad de conducción eléctrica algunos de los electrones de sus átomos, conocidos como electrones libres, pueden pasar de un átomo a otro cuando aplicamos una diferencia de potencial en los extremos del conductor.
Precisamente, esta capacidad de desplazamiento de los electrones es lo que conocemos como corriente eléctrica, y todos sabemos de forma intuitiva que los metales son buenos conductores de la electricidad. Curiosamente, lo son porque tienen muchos electrones libres que pueden desplazarse de un átomo a otro y, así, consiguen transportar la carga eléctrica.
Los huecos de electrón reflejan la ausencia de un electrón cuando este abandona su átomo original. También contribuyen al paso de la corriente eléctrica
Otra propiedad de los semiconductores en la que merece la pena que indaguemos brevemente, pero en la que no hace falta que profundicemos debido a que es relativamente compleja, es la movilidad de sus huecos de electrón. Reflejan la ausencia de un electrón cuando este abandona su átomo original, y, como podemos intuir, también contribuyen al paso de la corriente eléctrica en los semiconductores.
Después de realizar este pequeño repaso estamos preparados para entender sin esfuerzo por qué es tan prometedor el semiconductor propuesto por el equipo científico que he mencionado unos párrafos más arriba en el artículo que ha publicado en Science. A diferencia del silicio, el arseniuro de boro cúbico (c-BAs), que es el auténtico protagonista de este texto, no es un semiconductor elemental. Y no lo es debido a que está compuesto por dos elementos químicos: boro (B) y arsénico (As).
Para extraer las conclusiones a las que han llegado, estos investigadores han utilizado unas técnicas de microscopía muy avanzadas. Una de las propiedades más atractivas del arseniuro de boro cúbico de alta pureza con el que han trabajado es, según su estudio, su elevada conductividad térmica. Este parámetro evalúa la habilidad con la que un material transporta el calor, y, según sus medidas, en este ámbito este semiconductor multiplica por diez la termoconductividad del silicio.
El arseniuro de boro cúbico destaca por su elevada conductividad térmica, y también por la movilidad tanto de los electrones libres como de los huecos de electrón
No obstante, esto no es todo. También aseguran que la movilidad tanto de los electrones libres como de los huecos de electrón es inusualmente alta en el arseniuro de boro cúbico, lo que, en teoría, abre de par en par la puerta que nos invita a utilizar este material en la producción de semiconductores mucho más eficientes que los actuales. No cabe duda de que suena muy bien.
La descripción que han publicado estos científicos en su artículo defiende que el arseniuro de boro cúbico está muy cerca del concepto teórico de semiconductor ideal, por lo que no solo tiene el potencial de marcar un punto de inflexión muy profundo en la industria de la electrónica; también podría cambiar las reglas del juego, por ejemplo, en el ámbito de la producción de células solares, e, incluso, en el proceso de electrificación en el que se ha embarcado la industria del automóvil.
El desafío: pasar de la teoría a la producción a gran escala
Los autores de este artículo científico lo tienen muy claro: el arseniuro de boro cúbico es el mejor semiconductor que conocen. El que tiene las propiedades fisicoquímicas más atractivas. Sin embargo, en su estudio reconocen sin ambigüedad que todavía queda mucho por hacer para que este material pueda ser utilizado a gran escala. De hecho, cabe la posibilidad de que tarde muchos años en alcanzar este estatus. E, incluso, es posible que nunca lo logre.
El principal reto al que se enfrentan ahora estos investigadores no es otro que dar un paso hacia delante para encontrar la forma de producirlo con la pureza necesaria y en las grandes cantidades que demandan las industrias que pueden sacarle partido. Y el camino para lograrlo requiere seguir investigando.
Pase lo que pase la existencia de semiconductores con las propiedades idóneas para reemplazar o convivir con el silicio, como el arseniuro de galio o el arseniuro de boro cúbico, nos invita a mirar hacia el futuro con un optimismo muy razonable.
Imagen de portada: TSMC
Más información: Science
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