Transistores de vacío

Las válvulas termoiónicas (o tubos de vacío), dejaron de utilizarse en la electrónica de consumo masivo, hace ya muchos años y las aplicaciones que hoy encontramos, de estas maravillas de la historia de la tecnología, son trabajos de aficionados, o profesionales, que deciden realizar montajes especiales con un estilo “retro”. Sin embargo, el uso de ésta tecnología está despertando mucho interés en trabajos aplicados a transistores “muy específicos”, capaces de operar a frecuencias tan elevadas que ningún material podría llegar a alcanzar. Pero, ¿cómo podríamos relacionar estas dos tecnologías tan disímiles? Descubre el avance de los transistores en este artículo, donde el pasado se resiste a abandonar el futuro electrónico.

Otro de los títulos de este artículo podría haber sido “Volver al Futuro” si relacionamos los trabajos que está realizando la NASA en el Ames Research Center en conjunto con el National Nanofab Center, en Corea. Como ya mencionamos en el sumario, todos sabemos que los tubos de vacío son sólo objetos de deseo “retro” desde hace décadas. Estos dispositivos electrónicos que dieron comienzo a una historia maravillosa de sonidos e imágenes animadas, desaparecieron, casi por completo de la escena electrónica, cuando los consumidores cambiaron sus viejos monitores de Tubos de Rayos Catódicos (TRC) por televisores de pantalla plana del tipo LCD, Plasma, o LED en sus diferentes variantes. Su reemplazante histórico, el semiconductor, se destacó por ser más barato, más ligero, más eficiente y más fácil de fabricar en grandes volúmenes. Sin embargo, los tubos de vacío son más robustos en ambientes de alta radiación, tales como el espacio exterior y los primeros transistores alcanzaban frecuencias de trabajo de algunos pocos Kilohertz (Khz) (o Kilociclos). Esta particularidad, demoró en gran medida el despegue de la industria de las telecomunicaciones hasta la aparición en escena del silicio donde se creyó que junto a otras aleaciones de diferentes materiales, los científicos creyeron que habían logrado técnicas “sin techo” de frecuencias de trabajo.

Sin embargo, los límites llegaron y los Gigahertz (Ghz) hoy suelen resultar pobres, respecto a las necesidades de expandir el espectro de radiofrecuencias útiles. El problema radica en que cualquier tipo de material (desde el silicio hasta el más sofisticado que imagines) se presenta, ante el movimiento electrónico, como “un medio” sobre el cuál se desplazan, mueven y trabajan. Como todos sabemos, no existe ningún medio que represente una vía libre, sin retardos, donde los electrones puedan trabajar a su máxima velocidad (conocida), sólo en el vacío es posible esta máxima velocidad. De este modo, los institutos antes mencionados han combinado las mejores características de ambas tecnologías, logrando una pequeña versión de tubo de vacío que podría incorporarse “dentro” de un circuito semiconductor. Su prototipo, un transistor de canal de vacío de puerta aislada, posee sólo 150 nanómetros de largo y fue construido con los métodos convencionales de fabricación de semiconductores.

Las ventajas del tubo de vacío y el transistor se combinan en este trabajo gracias a las técnicas de fabricación en nano-escala. Durante este proceso, una técnica de incineración foto-resistiva permite la “nano” separación, de salto en el vacío (Nano-gap), entre el colector y el emisor (Drain y Source en este caso) del transistor, lo que favorece un funcionamiento a menos de 10 V, mucho menos de lo que un tubo de vacío clásico requiere.  En los ¿semiconductores o tubos de vacío? logrados durante los experimentos, se ha alcanzado una frecuencia de corte de 460Ghz (0,46THz.), aunque aún no nos queda claro cuáles han sido las técnicas para determinar estos límites de frecuencia. De todos modos, estos tubos de vacío, (o transistores) construidos en nano-escala, pueden proporcionar una ultra alta frecuencia de operación sumado al beneficio de poder trabajar con interesantes niveles de potencia energética. Además, satisfacen las demandas actuales de ligereza, coste, tiempo de vida, y estabilidad de funcionamiento en duras condiciones de trabajo. Como cierre de esta investigación, los esfuerzos están centrados en que el voltaje de operación pueda ser disminuido para permitir a estos dispositivos tener un desempeño energético comparable (y mejor) a los semiconductores modernos con tensiones de trabajo menores a 1Volt.

En un artículo aceptado por la revista Applied Physics Letters, perteneciente al Instituto Americano de Física (AIP, American Institute of Physics), los autores describen el modo en que este tipo de transistores puede ser útil para aplicaciones en sensores químicos peligrosos, en métodos de diagnóstico médico no invasivos y en el creciente mundo de las  telecomunicaciones de alta velocidad, así como en los llamados “medio ambiente extremo“, donde encuentran un  escenario ideal para las aplicaciones militares y espaciales.