30 oct 2020

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Química para el día a día

Cocinando diodos

MONRA

Cocinando diodos

Adela Muñoz Páez

No es exagerado decir que hoy nuestra vida se cocina en las salas blancas, allí donde se producen los semiconductores presentes en la mayor parte de los aparatos que nos rodean

Terminó la Navidad y se apagaron los led ('light emitting diode' o diodo emisor de luz) que adornaban nuestras calles, pero muchos siguen luciendo en nuestras casas, por lo que las salas limpias donde se fabrican los semiconductores 'p' y 'n' que los forman tienen que seguir funcionando a pleno rendimiento.

Pero ¿qué es un semiconductor? Es una sustancia cuyas propiedades de conducción de la electricidad son intermedias entre las de un conductor, como el cobre, y un aislante, como la cerámica. El elemento químico silicio, Si, es uno de los semiconductores más utilizados debido a sus propiedades eléctricas y químicas, y a que se puede obtener de una materia prima barata: la arena de la playa, cuyo principal componente es el cuarzo, de fórmula SiO2. Al cuarzo hay que quitarle el oxígeno para transformarlo en silicio, proceso que los químicos llamamos reacción de reducción; una vez obtenido el silicio puro, hay que fundirlo y dejar que se enfríe lentamente para que los átomos ocupen el lugar que le corresponde para obtener silicio cristalino, lo que significa que tiene todos los átomos ordenados. Para facilitar este proceso, el silicio se va calentando por zonas y se obtiene un cilindro, una especie de salchichón muy gordo que se corta un finas lonchas llamadas obleas.

Silicio dopado

Pero ese silicio monocristalino, es decir, formado por un único cristal como los diamantes, es un semiconductor que todavía no sirve para hacer los diodos, hay que doparlo. No, no necesita anabolizantes ni otras sustancias prohibidas que toman algunos deportistas, dopar el silicio cristalino es añadirle unas pequeñísimas cantidades de sustancias similares a él para modificar sus propiedades eléctricas. Se le suelen añadir sus vecinos en la Tabla Periódica como el galio, Ga, o el arsénico, As para los amigos. El galio tiene un electrón menos que el silicio, por lo que cuando se añade al silicio da lugar a un semiconductor 'p', o positivo, mientras que el arsénico tiene un electrón más, por lo que da lugar a un semiconductor 'n', o negativo.

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¿Cómo se añaden esas pequeñísimas cantidades de galio o arsénico al silicio cristalino? ¿Es como echarle un poquito de sal a una comida? El proceso de dopado de un semiconductor es distinto al de condimentar una comida por dos motivos: el primero es que en una comida usualmente hay agua y, al añadirle sal, esta se disuelve y se reparte por el guiso cuando lo removemos, mientras que el silicio cristalino es sólido, por lo que si le echáramos el poquito de arsénico, no se lo tragaría; el segundo motivo es que en el proceso de dopado las cantidades añadidas tienen que ser extraordinariamente pequeñas: para preparar un semiconductor p o n hay que añadir un átomo de galio o de arsénico por cada 1.000.000 de átomos de silicio. ¡Ni la trufa más exquisita se añade en una cantidad tan pequeña! Además, el silicio tiene que seguir siendo cristalino, no podemos estropear la disposición de unos átomos respecto a otros, porque entonces se alterarían las propiedades eléctricas que lo hacen tan interesante.

Lo que a veces se hace es añadir los dopantes mientras el silicio está fundido y así se reparte uniformemente. Otras veces, cuando se quiere preparar un circuito integrado a escala microscópica con semiconductores 'p' y 'n', se vaporizan las sustancias dopantes y se lanzan contra la superficie donde previamente se han puesto máscaras para obtener el circuito deseado.

Salas blancas

Por otro lado, como las cantidades de dopantes son pequeñísimas, no solo hay que controlarlas rigurosamente, sino que hay que evitar cualquier fuente de contaminación. Por ello, estos semiconductores dopados se preparan en las salas blancas o limpias, en las cuales el aire es filtrado antes de entrar en ellas, los operarios visten trajes especiales, mucho más cerrados que en un quirófano, hay una presión positiva, es decir, superior a la atmosférica para que no entre aire del exterior, y toda la sala está recubierta de una superficie de vinilo con formas redondeadas en las esquinas para que no se acumule suciedad y sea más fácil limpiarla.

En estas salas no solo se preparan los diodos para los led, sino los que están presentes en los dispositivos electrónicos que hacen funcionar los ordenadores y los teléfonos móviles. También se usan diodos en los microprocesadores que controlan la mayor parte de los aparatos que nos rodean, desde la lavadora hasta el coche de encendido electrónico, por lo que no podemos vivir sin ellos. No es exagerado decir que hoy nuestra vida se cocina en las salas blancas.