Técnicas de fabricación de transistores

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Ultima edición el 21 septiembre, 2023

Los transistores son dispositivos electrónicos que han revolucionado la tecnología moderna. Su invención en 1947 por los físicos William Shockley, Walter Brattain y John Bardeen, ha permitido el desarrollo de la electrónica tal como la conocemos hoy en día. Los transistores son componentes esenciales de los circuitos electrónicos, ya que permiten la amplificación y el control de señales eléctricas.

Sin embargo, la fabricación de transistores es un proceso complejo que requiere de técnicas avanzadas y precisión en la manipulación de materiales. En este artículo, se presentarán las técnicas de fabricación de transistores más utilizadas en la actualidad, desde la creación de los materiales básicos hasta la producción en masa de los componentes.

El conocimiento de estas técnicas es fundamental para entender cómo se producen los transistores y cómo se pueden mejorar sus propiedades para su uso en aplicaciones específicas. Además, el estudio de las técnicas de fabricación de transistores es esencial para el desarrollo de la electrónica y la innovación tecnológica en el futuro.

Métodos de sujeción de materiales

En la fabricación de transistores, es esencial tener un control preciso sobre los materiales utilizados y su posición en el proceso de producción. Para lograr esto, se utilizan métodos de sujeción de materiales que aseguran que los componentes se mantengan en su lugar durante todo el proceso de fabricación.

1. Sujeción mecánica

Este es el método más común y básico de sujeción de materiales. Consiste en utilizar una herramienta de sujeción mecánica, como una pinza o un tornillo, para mantener los componentes en su lugar. Este método es adecuado para componentes grandes y resistentes que no se deforman fácilmente.

2. Sujeción adhesiva

Este método utiliza adhesivos para mantener los materiales en su lugar. Los adhesivos pueden ser líquidos o en forma de cinta adhesiva. Este método es adecuado para materiales pequeños y delicados que pueden deformarse fácilmente con la sujeción mecánica.

3. Sujeción por vacío

Este método utiliza una bomba de vacío para mantener los materiales en su lugar. Los materiales se colocan en una placa de sujeción y se sellan con una junta. Luego, se crea un vacío en el interior de la placa, lo que sujeta los materiales en su lugar. Este método es adecuado para materiales planos y delgados.

4. Sujeción por electrostática

Este método utiliza la fuerza electrostática para mantener los materiales en su lugar. Los materiales se colocan en una placa con una carga eléctrica, lo que atrae los materiales y los mantiene en su lugar. Este método es adecuado para materiales livianos y pequeños.

Dependiendo del tamaño y la naturaleza de los materiales, se pueden utilizar diferentes métodos de sujeción para lograr el mejor resultado posible.

Formación de capas

En la fabricación de transistores, una de las partes más importantes es la formación de capas. Estas capas son las que permiten el control del flujo de corriente y son esenciales para el funcionamiento del transistor.

¿Qué son las capas?

Las capas son películas delgadas de material semiconductor que se depositan sobre un sustrato. Estas capas pueden ser dopadas con impurezas para cambiar sus propiedades eléctricas y crear zonas de tipo n y tipo p, necesarias para la creación de un transistor bipolar.

¿Cómo se forman las capas?

Existen varios métodos para la formación de capas en la fabricación de transistores:

  • Deposición química de vapor (CVD): Este proceso implica la deposición de material semiconductor sobre un sustrato mediante la reacción química de vapores de gas. Este método es ampliamente utilizado en la fabricación de transistores de película delgada.
  • Epitaxia de haz molecular (MBE): Este proceso implica el crecimiento de capas atómicas de material semiconductor sobre un sustrato mediante la deposición de átomos individuales. Es un proceso costoso y complejo, pero permite un control preciso de la composición y espesor de las capas.
  • Implantación iónica: Este proceso implica la introducción controlada de iones dopantes en el material semiconductor mediante el bombardeo de iones de alta energía. Este método es ampliamente utilizado en la fabricación de transistores de compuerta aislada.

Ejemplo de formación de capas en un transistor bipolar

En un transistor bipolar, se necesitan tres capas: una capa de tipo p, una capa de tipo n y otra capa de tipo p. Estas capas se forman mediante la deposición de películas delgadas de material semiconductor dopado con impurezas específicas.

La capa de tipo p se forma depositando película delgada de silicio dopado con impurezas de tipo p sobre un sustrato de silicio.

La capa de tipo n se forma depositando película delgada de silicio dopado con impurezas de tipo n sobre la capa de tipo p.

La capa de tipo p se forma depositando película delgada de silicio dopado con impurezas de tipo p sobre la capa de tipo n.

Una vez formadas las capas, se procede a la creación de las uniones pn, necesarias para el funcionamiento del transistor.

Las capas permiten el control del flujo de corriente en el transistor y son esenciales para su funcionamiento.

Procesamiento de materiales

En la fabricación de transistores, el procesamiento de materiales es un paso fundamental que permite obtener los materiales necesarios para la construcción de los componentes electrónicos.

Deposición de materiales

Una de las técnicas más utilizadas en el procesamiento de materiales para la fabricación de transistores es la deposición. Consiste en depositar una capa fina de material sobre un sustrato, utilizando diferentes métodos:

  • Deposición química de vapor (CVD): se introduce un gas precursor en un reactor, que se descompone y deposita el material en el sustrato.
  • Deposición física de vapor (PVD): se utiliza un haz de electrones o iones para evaporar el material y depositarlo en el sustrato.
  • Deposición electroquímica (EC): se sumerge el sustrato en una solución que contiene iones del material, y se aplica una corriente eléctrica para depositar el material sobre el sustrato.
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Litografía

Otra técnica importante en el procesamiento de materiales para la fabricación de transistores es la litografía. Consiste en crear patrones en la superficie del sustrato, utilizando una máscara y un proceso de exposición y desarrollo:

  1. Se aplica una capa de material fotosensible sobre el sustrato.
  2. Se expone la capa a una fuente de luz a través de una máscara, que tiene los patrones deseados.
  3. Se revela la capa, eliminando el material fotosensible en las áreas expuestas a la luz.
  4. Se utiliza el patrón revelado para depositar o eliminar material en el sustrato.

Dopado

El dopado es un proceso en el que se introduce impurezas en el material del sustrato, para cambiar su conductividad eléctrica. En la fabricación de transistores, se utiliza el dopado para crear regiones con diferentes niveles de conductividad, que permiten crear las diferentes capas del transistor:

  • Dopado tipo P: se introduce impurezas de boro o aluminio en el silicio, para crear regiones con conductividad tipo P (huecos).
  • Dopado tipo N: se introduce impurezas de fósforo o arsenico en el silicio, para crear regiones con conductividad tipo N (electrones).

Implantación iónica

La implantación iónica es una técnica en la que se bombardea el sustrato con iones, para introducir impurezas y cambiar su conductividad eléctrica. Se utiliza en la fabricación de transistores para crear regiones con diferentes niveles de dopado, y para ajustar la conductividad de las capas del transistor:

Ejemplo: se puede utilizar la implantación iónica para crear una capa de óxido de silicio sobre el sustrato, que actúa como aislante entre las diferentes capas del transistor.

Las técnicas de deposición, litografía, dopado e implantación iónica son fundamentales en este proceso, y permiten crear las diferentes capas y regiones del transistor.

Técnicas de corte

En la fabricación de transistores, uno de los procesos más importantes es el corte de los materiales utilizados. Existen varias técnicas que se utilizan para lograr cortes precisos y limpios. Aquí te explicamos algunas de ellas:

Corte por sierra:

  • Esta técnica consiste en utilizar una sierra de diamante para cortar el material.
  • Es una técnica muy precisa y se utiliza para cortes pequeños y detallados.
  • Es muy utilizado para cortar materiales como el silicio o el germanio.

Corte por chorro de agua:

  • Esta técnica consiste en utilizar un chorro de agua a alta presión para cortar el material.
  • Es muy útil para cortar materiales blandos o delicados, ya que no produce calor ni vibraciones.
  • Es muy utilizado para cortar materiales como el vidrio o la cerámica.

Corte por láser:

  • Esta técnica consiste en utilizar un láser para cortar el material.
  • Es muy preciso y se utiliza para cortes muy detallados.
  • Es muy utilizado para cortar materiales como el silicio o el óxido de aluminio.

Corte por electroerosión:

  • Esta técnica consiste en utilizar un electrodo y una descarga eléctrica para cortar el material.
  • Es muy útil para cortar materiales muy duros o resistentes.
  • Es muy utilizado para cortar materiales como el acero o el carburo de tungsteno.

Estas son solo algunas de las técnicas que se utilizan en la fabricación de transistores. Cada una tiene sus ventajas y desventajas, y se utilizan en función del material a cortar y del tipo de corte que se requiera. Lo importante es lograr un corte preciso y limpio para conseguir un transistor de alta calidad.

Procesos de soldadura

En la fabricación de transistores, los procesos de soldadura son esenciales para unir diferentes componentes y lograr un circuito funcional. A continuación, se explican algunos de los procesos de soldadura más comunes en la industria electrónica:

Soldadura por resistencia

Este proceso utiliza la energía eléctrica para generar calor y fundir la soldadura. Se aplica una corriente eléctrica a través de dos electrodos que están en contacto con las piezas a soldar. El calor generado por la resistencia de las piezas funde la soldadura y las une.

Soldadura por arco eléctrico

En este proceso, se genera un arco eléctrico entre un electrodo y las piezas a soldar. El calor generado por el arco funde la soldadura y une las piezas. Este proceso es especialmente útil para soldar metales y aleaciones resistentes al calor.

Soldadura por ola

Este proceso se utiliza para unir componentes electrónicos en una placa de circuito impreso. Se aplica una capa de soldadura en la placa y se hace pasar por una ola de estaño fundido. Los componentes se colocan en la placa y la ola de soldadura los une a la misma. Este proceso es rápido y eficiente, pero requiere una cuidadosa configuración para evitar dañar los componentes.

Soldadura por láser

Este proceso utiliza un haz de láser para fundir la soldadura y unir las piezas. Es especialmente útil para piezas pequeñas y precisas, ya que el láser puede enfocarse con gran precisión. Este proceso también es útil para unir metales que son difíciles de soldar con otros métodos.

Cada proceso tiene sus ventajas y desventajas, y es importante elegir el adecuado para cada aplicación. Con la tecnología adecuada y la experiencia en soldadura, es posible lograr conexiones fuertes y duraderas que aseguren el correcto funcionamiento de los circuitos electrónicos.

Procesos de inspección

Los procesos de inspección son de vital importancia en la fabricación de transistores, ya que permiten garantizar la calidad del producto final y evitar posibles fallos o errores en su funcionamiento. A continuación, se detallan algunos de los procesos de inspección más comunes:

Inspección visual

Este proceso consiste en la revisión detallada de los componentes del transistor a través de la observación directa. Se busca detectar posibles defectos en la superficie, como grietas, rayones o marcas de quemaduras. La inspección visual se realiza tanto en la etapa de fabricación como en la de montaje.

Prueba eléctrica

La prueba eléctrica es un proceso de inspección que se realiza para asegurarse de que el transistor funciona correctamente. Se aplican corrientes eléctricas al dispositivo y se miden las respuestas en términos de voltaje y corriente. De esta manera, se pueden detectar posibles cortocircuitos o resistencias anormales.

Prueba de funcionamiento

En este proceso de inspección se verifica que el transistor cumple con las especificaciones de diseño y funciona correctamente en su aplicación final. Se simula la situación en la que se usará el transistor y se miden las respuestas en términos de voltaje y corriente. De esta manera, se pueden detectar posibles fallos en el funcionamiento.

Prueba de vida útil

Este proceso de inspección se realiza para determinar la duración del transistor en condiciones de uso normal. Se somete al dispositivo a un estrés constante para simular su uso prolongado y se mide su funcionamiento a lo largo del tiempo. De esta manera, se puede establecer la vida útil del transistor y garantizar su calidad.

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La inspección visual, la prueba eléctrica, la prueba de funcionamiento y la prueba de vida útil son algunos de los procesos más comunes utilizados para este propósito.

Procesos de pulido y acabado

En la fabricación de transistores, los procesos de pulido y acabado son fundamentales para lograr el nivel de precisión y calidad necesario en los componentes electrónicos. A continuación, se explican detalladamente ambos procesos y su importancia en la producción de transistores.

Proceso de pulido

El pulido es un proceso mecánico mediante el cual se suaviza y se mejora la superficie de un material utilizando herramientas abrasivas. En la fabricación de transistores, el pulido se utiliza para:

  • Eliminar cualquier irregularidad o imperfección en la superficie del material
  • Crear una superficie plana y uniforme para la aplicación de capas de material
  • Mejorar la conductividad eléctrica del material

El proceso de pulido se lleva a cabo en varias etapas, comenzando con herramientas abrasivas gruesas y avanzando hacia herramientas más finas hasta que se logra la superficie deseada. El pulido se realiza en una máquina de pulido que controla la velocidad y la presión de las herramientas abrasivas.

Proceso de acabado

El acabado es un proceso que se lleva a cabo después del pulido y se utiliza para mejorar aún más la calidad de la superficie del material. En la fabricación de transistores, el acabado se utiliza para:

  • Eliminar cualquier marca o arañazo en la superficie del material
  • Crear una superficie más suave y uniforme para mejorar las propiedades eléctricas
  • Mejorar la apariencia visual del componente

El proceso de acabado se realiza mediante herramientas de pulido de alta precisión y una técnica de pulido muy suave. Se utilizan abrasivos muy finos para eliminar cualquier marca o arañazo en la superficie. El acabado se realiza en una máquina de acabado que controla la velocidad y la presión de las herramientas de pulido.

Ejemplo de proceso de pulido y acabado en la fabricación de transistores

En la fabricación de transistores de silicio, el proceso de pulido y acabado se utiliza para crear una superficie plana y uniforme para la aplicación de capas de material. El proceso se lleva a cabo de la siguiente manera:

  1. Se corta una lámina de silicio con una sierra de diamante
  2. Se utiliza una máquina de pulido para pulir la superficie del silicio y crear una superficie plana y uniforme
  3. Se utiliza una máquina de acabado para mejorar aún más la calidad de la superficie y eliminar cualquier marca o arañazo
  4. Se aplica una capa de óxido de silicio a la superficie del silicio mediante un proceso de oxidación térmica
  5. Se aplica una capa de metal a la superficie del óxido de silicio mediante un proceso de deposición de vapor químico
  6. Se utiliza una máscara fotográfica y un proceso de grabado para crear los contactos eléctricos del transistor

Como se puede ver en este ejemplo, el proceso de pulido y acabado es esencial para lograr la precisión y la calidad necesarias en la fabricación de transistores.

Procesos de pulido y acabado

En la fabricación de transistores, los procesos de pulido y acabado son fundamentales para lograr el nivel de precisión y calidad necesario en los componentes electrónicos. A continuación, se explican detalladamente ambos procesos y su importancia en la producción de transistores.

Proceso de pulido

El pulido es un proceso mecánico mediante el cual se suaviza y se mejora la superficie de un material utilizando herramientas abrasivas. En la fabricación de transistores, el pulido se utiliza para:

  • Eliminar cualquier irregularidad o imperfección en la superficie del material
  • Crear una superficie plana y uniforme para la aplicación de capas de material
  • Mejorar la conductividad eléctrica del material

El proceso de pulido se lleva a cabo en varias etapas, comenzando con herramientas abrasivas gruesas y avanzando hacia herramientas más finas hasta que se logra la superficie deseada. El pulido se realiza en una máquina de pulido que controla la velocidad y la presión de las herramientas abrasivas.

Proceso de acabado

El acabado es un proceso que se lleva a cabo después del pulido y se utiliza para mejorar aún más la calidad de la superficie del material. En la fabricación de transistores, el acabado se utiliza para:

  • Eliminar cualquier marca o arañazo en la superficie del material
  • Crear una superficie más suave y uniforme para mejorar las propiedades eléctricas
  • Mejorar la apariencia visual del componente

El proceso de acabado se realiza mediante herramientas de pulido de alta precisión y una técnica de pulido muy suave. Se utilizan abrasivos muy finos para eliminar cualquier marca o arañazo en la superficie. El acabado se realiza en una máquina de acabado que controla la velocidad y la presión de las herramientas de pulido.

Ejemplo de proceso de pulido y acabado en la fabricación de transistores

En la fabricación de transistores de silicio, el proceso de pulido y acabado se utiliza para crear una superficie plana y uniforme para la aplicación de capas de material. El proceso se lleva a cabo de la siguiente manera:

  1. Se corta una lámina de silicio con una sierra de diamante
  2. Se utiliza una máquina de pulido para pulir la superficie del silicio y crear una superficie plana y uniforme
  3. Se utiliza una máquina de acabado para mejorar aún más la calidad de la superficie y eliminar cualquier marca o arañazo
  4. Se aplica una capa de óxido de silicio a la superficie del silicio mediante un proceso de oxidación térmica
  5. Se aplica una capa de metal a la superficie del óxido de silicio mediante un proceso de deposición de vapor químico
  6. Se utiliza una máscara fotográfica y un proceso de grabado para crear los contactos eléctricos del transistor

Como se puede ver en este ejemplo, el proceso de pulido y acabado es esencial para lograr la precisión y la calidad necesarias en la fabricación de transistores.

Manejo de gases

En la fabricación de transistores, el manejo de gases es fundamental para garantizar la calidad y el rendimiento de los dispositivos. Aquí te explicamos las técnicas utilizadas para manejar los gases de manera efectiva:

1. Suministro de gases

El suministro de gases debe ser controlado cuidadosamente para evitar contaminación o fluctuaciones en la concentración. Se utilizan sistemas de tuberías y válvulas de alta precisión para garantizar la estabilidad y precisión en la entrega de los gases necesarios para la fabricación de los transistores.

2. Manejo de gases tóxicos

En la fabricación de transistores, se utilizan gases tóxicos como el arsénico, que requieren medidas de seguridad especiales para su manejo. Los trabajadores deben seguir protocolos específicos para evitar la exposición y se utilizan sistemas de ventilación y filtración para controlar las emisiones de gases tóxicos.

3. Control de la atmósfera

Para fabricar transistores, se requiere un ambiente controlado con una atmósfera específica. Se utilizan sistemas de purificación de aire y control de humedad para mantener las condiciones ideales para el proceso de fabricación. Además, se deben controlar los niveles de oxígeno y otros gases en el ambiente para evitar reacciones indeseadas.

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4. Monitoreo de gases

Es importante monitorear constantemente los niveles de gases en el ambiente para detectar cualquier fluctuación o contaminación. Se utilizan sensores y sistemas de monitoreo en tiempo real para garantizar la seguridad y la calidad en el proceso de fabricación.

5. Almacenamiento seguro de gases

Los gases utilizados en la fabricación de transistores deben ser almacenados de manera segura para evitar riesgos de explosión o contaminación. Se utilizan tanques y sistemas de almacenamiento de alta seguridad para garantizar la protección de los trabajadores y del medio ambiente.

Con las técnicas adecuadas, se pueden controlar los gases de manera efectiva y lograr resultados óptimos en la producción de transistores.

Procesamiento de partes

En la fabricación de transistores, el procesamiento de partes es una técnica fundamental que se utiliza para obtener la estructura necesaria del dispositivo. Esta técnica se divide en varias etapas, que se describen a continuación:

1. Depósito de material

En esta etapa, se depositan diferentes materiales sobre el sustrato para formar las capas necesarias del transistor. Por ejemplo, se puede depositar silicio para formar la base del transistor.

2. Fotolitografía

La fotolitografía es una técnica que se utiliza para transferir un patrón desde una máscara a una capa de material depositada. Se utiliza luz y químicos para eliminar la capa de material no deseada y dejar el patrón deseado en su lugar. Esta técnica se utiliza para crear estructuras como los contactos eléctricos y las líneas de metal en el transistor.

3. Grabado

Después de la fotolitografía, se utiliza la técnica de grabado para eliminar el material no deseado. Se pueden utilizar diferentes técnicas de grabado, como el grabado húmedo o el grabado seco, dependiendo del material y la estructura que se desee crear.

4. Difusión

La difusión es una técnica que se utiliza para introducir impurezas en el material depositado y cambiar sus propiedades eléctricas. Por ejemplo, se puede introducir boro en la base del transistor para hacerla p-type (tipo p).

5. Metalización

La metalización es una técnica que se utiliza para depositar una capa de metal sobre el transistor para formar los contactos eléctricos y las líneas de conexión. Se pueden utilizar diferentes metales, como aluminio o cobre, dependiendo de la aplicación y la estructura del transistor.

Estas técnicas se combinan para crear la estructura necesaria del transistor y asegurar su correcto funcionamiento.

Procesamiento de substratos

El proceso de fabricación de transistores es un procedimiento complejo que implica varias etapas, una de las cuales es el procesamiento de substratos. Los substratos son materiales sobre los que se construyen los transistores y se dividen en dos categorías: semiconductores y aislantes.

Procesamiento de substratos semiconductores

Los substratos semiconductores más comunes son el silicio y el germanio. El procesamiento de estos substratos implica los siguientes pasos:

  • Limpieza: los substratos se limpian a fondo para eliminar cualquier contaminante que pueda afectar la calidad del transistor.
  • Dopado: los substratos se dopan con impurezas para modificar sus propiedades eléctricas. Por ejemplo, el silicio se puede dopar con boro para crear un tipo de substrato p, o con fósforo para crear un substrato n.
  • Crecimiento de la capa epitaxial: se crea una capa delgada de material semiconductor sobre el substrato. Esta capa se conoce como capa epitaxial y se utiliza para fabricar los componentes del transistor.
  • Litografía: se usa una técnica de fotolitografía para definir los patrones de la capa epitaxial. Se utiliza una máscara que contiene los patrones deseados y se expone a luz ultravioleta. Los patrones se transfieren a la capa epitaxial mediante un proceso de grabado químico.

Procesamiento de substratos aislantes

Los substratos aislantes se utilizan para fabricar transistores de efecto de campo (FET). Los materiales más comunes son el zafiro y el carburo de silicio. El procesamiento de estos substratos implica los siguientes pasos:

  • Limpieza: los substratos se limpian a fondo para eliminar cualquier contaminante.
  • Crecimiento de la capa epitaxial: se crea una capa delgada de material semiconductor sobre el substrato aislante. Esta capa se conoce como capa epitaxial y se utiliza para fabricar los componentes del FET.
  • Litografía: se utiliza una técnica de fotolitografía similar a la utilizada en los substratos semiconductores para definir los patrones de la capa epitaxial.
  • Implantación iónica: se utiliza una técnica de implantación iónica para crear una región de material semiconductor altamente dopado debajo de la capa epitaxial. Esta región se conoce como canal y se utiliza para controlar el flujo de electrones a través del FET.

El tipo de substrato utilizado y los pasos específicos del proceso de fabricación dependen del tipo de transistor que se esté fabricando.

“El procesamiento de substratos es una etapa crítica en la fabricación de transistores.”

En conclusión, las técnicas de fabricación de transistores se han convertido en un área vital de la tecnología moderna. La evolución de estos dispositivos ha sido crucial para el desarrollo de una amplia gama de productos electrónicos, desde computadoras hasta teléfonos móviles y sistemas de control de tráfico aéreo. Como resultado, los avances en la fabricación de transistores continúan impulsando la innovación y mejorando nuestras vidas de formas que nunca antes habíamos imaginado. A medida que la tecnología sigue avanzando, podemos esperar ver aún más avances en técnicas de fabricación que mejorarán la eficiencia y el rendimiento de los transistores, lo que nos llevará a un futuro aún más emocionante y lleno de posibilidades.

Las técnicas de fabricación de transistores han evolucionado significativamente a lo largo de los años, lo que ha permitido la producción de dispositivos más pequeños, rápidos y eficientes. Las técnicas de fabricación modernas incluyen litografía, deposición de capas y grabado de plasma, entre otras. Estas técnicas permiten la producción en masa de transistores, lo que ha permitido la creación de tecnologías que han cambiado el mundo, como los teléfonos inteligentes, la computación en la nube y la inteligencia artificial. Con el avance continuo de la tecnología, es probable que las técnicas de fabricación de transistores sigan evolucionando para satisfacer las demandas de la sociedad en constante cambio.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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