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Nanotecnología aplicada a la electrónica

Enviado por Julio Cabrera



  1. Resumen
  2. Introducción
  3. Marco teórico
  4. Conclusiones
  5. Bibliografía

Resumen

En el presente artículo se habla acerca de la revolución que está causando la nanotecnología enfocada a la electrónica conocida como (nanoelectrónica), actualmente se habla del mercado del billón de dólares, pues la nanotecnología es la evolución de todas las áreas, como son académicas, manu-factureras etc.

Palabras clave—Nanotecnología, Nanoelectrónica, Semiconductores, Transistor

Introducción

La nanotecnología ha tomado las riendas del futuro de este planeta, es la nueva era de la humanidad, recordemos la edad de piedra, la edad de bronce, luego la edad de hierro, ahora en la era de la información por así decirlo, nosotros somos capaces de crear elementos y con nuevos elementos ocasionamos cambios sobre el panorama que tenemos acerca del futuro, cada vez comprendemos más a este mundo nanométrico que es de vital importancia para la evolución de muchas áreas como la química, biología, medicina, electrónica etc. La tecnología día a día se vuelve más pequeña y sus aplicaciones ayudarán a cambiar y salvar muchas vidas.

Marco teórico

  • A. De?niendo la nanotecnología

Primero empezaré de?niendo a la palabra como tal, es un término referido al rango de medida de la tecnología que será de 1 a 100 nanómetros, también se puede decir que es la ciencia e ingeniería producida y aplicada a la nanoescala. [1][2]

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Figura 1. Proteína entre el rango de los nanometros [3]

  • B. Importancia de la nanotecnología

La nanotecnología es muy importante debido a las diferentes áreas a las que están encaminadas sus investigaciones y desarrollo, abarca muchos campos de la ciencia tales como: física en el desarrollo de materiales más fuertes, flexibles y livianos, también en la medicina para la cura de enfermedades mediante nanorobots capaces de detectar y eliminar virus, en la ingeniería se podrán lograr avances a una mayor rapidez, porque se tendrá super-computadoras, herramientas más exactas, es decir la tecnología avanzará exponencialmente. Por estos y muchos ejemplos más es que la nanotecnología tiene una importancia muy grande para nuestra sociedad.

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Figura 2. Nanotubo de carbón [4]

  • C. Comienzo de la nanotecnología

Todo comenzó por ideas del físico Richard Feynman que es considerado el padre de la nanotecnología, él en una reunión de la Sociedad Americana de Física en el Instituto Tecnológico de California (CalTech) en diciembre de 1959, en su charla describió un proceso en el cual los científicos serían capaces de manipular y controlar átomos y moléculas individuales, luego de 10 años Norio Taniguchi acreditó el término "nanotecnología". [5]

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Figura 3. Richard Feynman, considerado el padre de la nanotecnología

La inversión enfocada al área de la nanotecnología ha llegado al record actual de 2950 mil millones de dólares para 2015 y va en aumento. Aprovechar al máximo los fenómenos cuánticos y superficiales de los objetos expuestos en la nanoescala. Esta tendencia es impulsada por la búsqueda permanente de las empresas para mejorar los productos existentes mediante la creación de componentes más pequeños y mejores materiales de alto rendimiento, todo ello a un costo más bajo.

En los últimos 20 años hemos visto una revolución en las industrias informática, ya que las estructuras de diseño de chips han roto el rango de 100 nanómetros, la industria de semiconductores está en camino de convertirse en una industria de la nanotecnología. Debido a la tendencia de "más pequeño, barato y mejor", Las empresas nanotecnológicas crecerá muy rápido y pronto dependerán de ellas muchas otras empresas, podría ser que sean nombres conocidos como Kraft, L"Oreal, Toshiba, BMW, HTC o Bayer.

La Fundación Nacional de Ciencias estima que el mercado de los productos de la nanotecnología en Estados Unidos, será más de un billón de dólares americanos en 2015, y que la industria podría emplear más de 200 millones de trabajadores. [6] La nanotecnología será parte de la vida diaria de muchas personas por esto las inversiones billonarias que se tienen serán compensadas con la gran demanda a las aplicaciones creadas.

Por ejemplo, segun la estimación del libro ("Medio camino hacia el mercado del billón de dólares") "El mercado global de la nanotecnología en 2015 será de 1500 mil millones de dólares americanos excluyendo semiconductores y 2950 mil millones dólares incluyendo los semiconductores".

Claramente notamos que no estamos hablando de las aplicaciones sino de los materiales que tendrán o serán parte las diferentes tecnologías, es por esto que se justifica la enorme inversión realizada por algunos paises por la nanotecnología. [7]

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Figure 4. Pronóstico de Lux Research Report acerca del valor de la Nanotecnología

  • E. Nuevo mundo nanométrico

Si miramos el mundo desde una perspectiva nanométrica, el planeta en sí, sería gigante, un tamaño reducido significa que podemos interactuar con los sistemas ambientales tanto químicos y biológicos, de una nueva manera.

Pero - ¿Por qué nano? - para responder esto debemos conocer que el tamaño aproximado de una hormiga común, es de 1 milímetro (10-3m), las bacterias son 1000 veces más pequeñas, es decir miden 1 micrómetro (10-6m), las proteínas miden 1000 veces menos que las bacterias, (10-9m) y 10 veces menos mide la glucosa con 1 angstrom (10-10 m) y con esto llegamos al mundo nanométrico (10-9). Ahora imaginemos a un niño de un metro de estatura, si midiera 1 mm podría interactuar con el cabello humano, si midiera 10 nm, el niño vería a un cabello humano como la isla de Manhattan, vería a un glóbulo rojo del tamaño de un estadio de fútbol, como un estadio de basquetball al virus polio, como a una pelota de ping pong al átomo de hidrógeno. Nos damos cuenta que al tener un tamaño de 10 nm se puede interactuar casi con cualquier sistema, o elemento, por ende podemos introducirnos en los ambientes para manipularlos a nuestra conveniencia. [8]

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Figure 5. Analogía de un glóbulo rojo vista como un estadio, si tuviéramos el tamaño de 10 nm [9]

  • F. Nanoelectrónica

Es la nanotecnología aplicada a la electrónica, se sabe que los mejores dispositivos electrónicos o tecnológicos son lo más pequeños, livianos y eficientes, por ejemplo lo notamos en la evolución de los celulares o de las computadoras, los dos dispositivos nombrados anteriormente usan semiconductores, transistores y pistas (cables); las aplicaciones de la nanoelectrónica se ha enfocado a la evolución de estos dispositivos que se han basado en los últimos años en la "Ley de Moore". [10]

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Figura 6. Transistor MOSFET visto microscópicamente [11]

  • G. Ley de Moore

La ley de Moore expresa que aproximadamente cada dos años se duplica el número de transistores en un circuito integrado. Se trata de una ley empírica, formulada por el cofundador de Intel, Gordon E. Moore, el 19 de abril de 1965, cuyo cumplimiento se ha podido constatar hasta hoy.

En 1965, Gordon Moore afirmó que la tecnología tenía futuro, que el número de transistores por unidad de superficie en circuitos integrados se duplicaba cada año y que la tendencia continuaría durante las siguientes dos décadas. La consecuencia directa de la ley de Moore es que los precios bajan al mismo tiempo que las prestaciones suben: la computadora que hoy vale 3000 dólares costará la mitad al año siguiente y estará obsoleta en dos años. En 26 años el número de transistores en un chip se ha incrementado 3200 veces. [12]

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Figura 7. Evolución de los transistores Intel comparada con la ley de Moore

Existen dos métodos de construcción, denominados Top- Down y Bottoms-Up, Para la industria de los semiconductores se usa el método Top-Down, que se basa en construir un elemento a partir de uno más grande, como un escultor que con su cincel da forma a una piedra; el método Bottoms-Up se refiere a crear un elemento partiendo de elementos más pequeños o de la agrupación de los mismos (ensamble) por ejemplo los nanotubos de carbón son creados de la unión de partículas de carbón, colocadas de una forma tubular.

Se puede crear muchas estructuras que naturalmente funcionarán muy bien, pero, ¿Cómo unir estas estructuras? [13]

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Figura 8. Métodos de construcción para la nanotecnología

  • I. Transistores frente a la nanotecnología

Primero veremos brevemente lo que es un transistor BJT, FET y MOSFET.

El Transistor es un componente electrónico formado por materiales semiconductores, de uso muy habitual pues lo encontramos presente en cualquiera de los aparatos de uso cotidiano como las radios, alarmas, automóviles, ordenadores, etc. [14]

El transistor BJT - El transistor de unión de juntura (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. Son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja. Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o BICMOS. [15]

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Figura 9. Transistor BJT [16]

El transistor FET- El transistor de efecto campo (Field- Effect Transistor o FET, en inglés) es en realidad una familia de transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET pueden plantearse como resistencias controladas por diferencia de potencial. Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET). Tienen tres terminales, denominadas puerta (gate), drenador (drain) y fuente (source). [17]

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Figura 10. Transistor FET de canal P [18]

El transistor MOSFET- El transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor o MOSFET (en inglés Metaloxide- semiconductor Field-effect transistor) es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales, aunque el transistor de unión bipolar fue mucho más popular en otro tiempo. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores MOSFET. [19]

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Figura 11. Estructura de un transistor MOFFET [20]

Una vez que hemos hablado de los distintos tipos de transistores tenemos que conocer sus desventajas como tales.

Si la fuente (source) y el drenador (drain) son muy pequeños, los donadores comienzan a interactuar los unos con los otros añadiendo impurezas intencionalmente, esto a su vez incrementa la resistencia de los contactos.

Si el gate (puente) es muy delgado, existirá una fuga de la corriente que comenzará a dominar el comportamiento del transistor.

Existe un problema con las regiones dopadas, por ejemplo si la distancia entre la fuente (source) y el drenador (drain) es muy pequeña habrá fluctuaciones estáticas, de modo que el dopaje de los átomos puede afectar la conductividad. [21]

Es donde interviene la nanotecnología tratando de reducir diferentes efectos producidos para obtener un mejor rendimiento de los elementos.

Existen interesantes ideas, como:

TRANSISTOR CON NANOTUBOS

Consiste en formar transistores con nanotubos de carbón, en este caso entre la fuente y el drain, lo que aumentaría considerablemente la velocidad en la que los electrones circulan, reduciendo la resistencia y eliminando otros efectos, el gate en este caso no está unido eléctricamente a los 2 anteriores terminales, como se puede ver en la imagen. [22]

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Figura 12. Transistor con nanotubos de carbón [23]

TRANSISTOR CON UN SOLO ELECTRÓN

También llamado SET (por sus siglas en inglés, Single Electrón Transistor); como sabemos en estos elementos la forma de conexión que se tiene algunas desventajas, es por eso que esta idea es fuente de investigación por muchas corporaciones actualmente, es una nano-solución posible, tiene una increíble sensibilidad ante los distintos ambientes, siendo los electrómetros más sensibles del mundo, existen muchos estudios avanzados acerca de este tema, a continuación veremos 2 casos de los existentes.[24]

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Figura 13. Transistor de electrón simple GaAs/AlGaAs

La parte central de este actúa como un elemento de 2 dimensiones el cual crece y decrece según el tubo que lo alimento, al crecer realiza la conexión de terminales.

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Figura 14. Transistor de una sola molécula

Se trata de 2 nano-electrodos que se unen mediante una molécula, está puede ser una molécula orgánica como el benceno o el ciclo hexano etc. Su funcionamiento se basa en el dopaje de la molécula. [25]

Como vemos existe nano-soluciones factibles que están en investigación, por ahora seguiremos dependiendo de la Ley de Moore aproximadamente unos 12 años más, hasta entonces se espera evolucionar con más ideas innovadoras.

Conclusiones

  • La nanotecnología es el futuro de la humanidad, es la nueva era en la que grandes cambios ocurrirán, cambiando tradiciones, culturas y nuestra perspectiva de mirar el mundo.

  • Las inversiones billonarias que se han realizado, para el área de investigación de la nanotecnología de parte de algunos países, promete un mercado muy comprometedor, esto debido a que la nanotecnología abarca muchos campos o áreas académicas, es decir es la evolución d cada una de ellas.

  • Los avances tecnológicos actualmente crecen de manera exponencial en los próximos 10 años, ésta velocidad aumentará, cada vez tendremos un mundo más avanzado tecnológicamente con lo que se espera facilitar y dar comodidad a la vida de muchas personas y lo más importante salvar millones de vidas.

  • Casi todos los dispositivos electrónicos dependen de microprocesadores, es decir de transistores, con la evolución de los transistores mediante la nanoelectrónica se prevee dispositivos electrónicos que funcionen a muy altas velocidades, con un consumo mínimo. Esto abre un mundo de posibilidades para sus aplicaciones, como son: supercomputadoras en nuestros hogares, super-smartphones, agilidad de cálculos complejos realizados por computadoras para prevenir desastres, ropa inteligente, sistemas de seguridad más avanzados etc.

Bibliografía

[1] Sitio oficial de la Iniciativa Nacional de Nanotecnología de Estados Unidos, ¿Qué es y cómo funciona?, LINK:http://www.nano.gov/nanotech-101/what

[2] Nanotecnología Chile, £Qué es nanotecnología?,LINK:http://www.nanotecnologia.cl/que-es-nanotecnologia/

[3] Nattural Saluzvir, Proteínas, LINK:http://www.rdnattural.es/blog/proteinas/

[4] Educación y cultura, La nanotecnología apuesta por la unam, LINK: http://www.educacionyculturaaz.com/cienciay-tecnologia/licenciatura-en-nanotecnologia-apuesta-de-launam/

[5] Iniciativa Nacional de Nanotecnología, Conceptos: Nanotecnología, LINK: http://www.nano.gov/nanotech-101/what/definition

[6] Iniciativa Nacional de Nanotecnología, Inversiones de la nanotecnología, LINK: http://nanodashboard.nano.gov/

[7] Nano werk, El Mercado del trillón de dólares, LINK: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=1792.php

[8] Iniciativa Nacional de Nanotecnología, El tamaño de la nano-escala, LINK:http://www.nano.gov/nanotech-101/what/nano-size

[9]Futuro estadio Atlético de Madrid, LINK: http://2.bp.blogspot.com/-Ldyhm351uqk/UaS8AL_HVBI

/AAAAAAAAIQE/W2CJ85PnlrE/s1600/estadio_rojo_ok-1.jpg

[10] Antonio Hernández Cabrera, £Qué es la nanotecnología?, pg. 339, LINK: http://www.sinewton.org/numeros/numeros/43-44/Articulo68.pdf

[11] Sohrab Ismail-Beigi, Yale University, MOSFET,http://volga.eng.yale.edu

[12] Enciclopedia libre Wikipedia, Ley de Moore, LINK:

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lei_de_moore_2006.png

[13] Juan Matute, Monografías, La nanotecnología, http://www.monografias.com/trabajos90/sobrenanotecnologia/sobre-nanotecnologia.shtml

[14] Área tecnológica, El transistor, LINK: http://www.areatecnologia.com/ TUTORIALES/EL%20TRANSISTOR.htm

[15] Enciclopedia libre Wikipedia, El transistor BJT, LINK:

http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_uni%C3%B3n_bipolar

[16] Transistor BJT, Creative commons, LINK:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/

f4/Diagrama_de_Transistor_NPN.svg

[17] Enciclopedia libre Wikipedia, El transistor FET, LINK:

http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_efecto_campo

[18] Transistor FET, Wikimedia commons, LINK: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:JFET_symbol_P.png

[19] Enciclopedia libre Wikipedia, El transistor MOSFET, LINK: http://es.wikipedia.org/wiki/MOSFET

[20] Transistor MOSFET, Wikimedia commons, LINK: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:MOSFET_Structure.png

[21] Daniela, Ventajas y desventajas de los transistores, Colombia-2010, LINK: http://www.alegsa.com.ar/Diccionario/C/12039.php

[22] Revisiones de tecnología por MIT, El primer ordenador de carbono, LINK:

http://www.technologyreview.es/read_article.aspx?id=43923

[23] Enciclopedia libre Wikipedia, Transistor FET con nanotubo de carbón, LINK:

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Wiki6.jpg

[24] Alex Rimberg, Dartmouth University, 2003, LINK: http://www.dartmouth.edu/~rimgroup

[25] Doug Natelson, Rice University, LINK:http://www.ruf.rice.edu/~natelson/group.html

 

 

Autor:

Julio Cesar Cabrera Hidalgo

Universidad Politécnica Salesiana, Sede Cuenca

Electrónica Analógica II


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