Los transistores y su comportamiento extraño a baja temperatura

Los dispositivos electrónicos que funcionan a temperaturas extremadamente bajas disipan el calor de una forma diferente al resto, según los resultados de una investigación internacional en la que participa la Universidad de Salamanca y que publica hoy la prestigiosa revista científica Nature Materials. Este hallazgo tiene importantes consecuencias para la tecnología aeroespacial. Hasta ahora se pensaba que a medida que la temperatura era más baja, los amplificadores criogénicos eran capaces de detectar de forma más limpia las señales de radioastronomía, pero este estudio revela que al llegar a cierto límite no se pueden mejorar.

La investigación está liderada por la Universidad Tecnológica de Chalmers, que habitualmente trabaja en aplicaciones espaciales y fabrica componentes para entidades como la Agencia Espacial Europea (ESA, por sus siglas en inglés). En esta ocasión, los expertos suecos han contado con la colaboración del Instituto de Tecnología de California en Pasadena (Caltech), en Estados Unidos, y con la institución académica salmantina.

Para captar las señales de radioastronomía, rama que estudia la radiación de los cuerpos celestes, se utilizan amplificadores similares a los de las antenas parabólicas convencionales, llamados LNB (bloque de bajo ruido, en inglés). Su misión es amplificar las débiles señales que llegan con el menor ruido posible. En el caso de la radiación electromagnética que procede del espacio, estas señales son aún más débiles y para captarlas de forma limpia es necesario enfriar los amplificadores.

“Al enfriarse el material, los electrones vibran menos y obtienes menos ruido”, afirma en declaraciones a DiCYT Javier Mateos, investigador del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Salamanca, uno de los autores del trabajo. Sin embargo, al llegar a temperaturas extremas como 5 grados kelvin, rozando los -270 grados centígrados, “el ruido sólo disminuye hasta un cierto límite”.

Fonones

El trabajo publicado en Nature Materials explica por qué sucede. “Lo lógico sería esperar una dependencia lineal, es decir, que a menor temperatura siempre hubiese menos ruido”, pero esto no es así, porque cuando la temperatura es muy baja “las vibraciones no se amortiguan” y entran en juego los fonones balísticos, que son cuasipartículas resultado de estas vibraciones y que hacen que la temperatura en realidad no baje por mucho que desde el exterior se enfríe el dispositivo. En definitiva, los fonones no son capaces de disipar el calor generado por los electrones en su movimiento y provocan que la temperatura dentro de los dispositivos aumente.

El grupo de investigación de Javier Mateos es especialista en realizar simulaciones sobre el comportamiento de los transistores, dispositivos semiconductores empleados en electrónica, y su aportación a este trabajo ha sido, precisamente, explicar el comportamiento de los electrones. “Les hemos proporcionado los datos de dónde se generan las vibraciones y cómo esa energía se distribuye en el dispositivo”, lo cual contribuye de manera decisiva a explicar el límite en la disminución del ruido en los amplificadores criogénicos. Por su parte, los científicos suecos se han encargado de realizar la simulación del comportamiento de los fonones, además de la fabricación y caracterización experimental de los dispositivos.

Hasta ahora, el Departamento de Física Aplicada ha realizado simulaciones que sólo tienen en cuenta el transporte de los electrones, pero “en estas aplicaciones es muy importante saber cómo el movimiento de los electrones disipa potencia y esa potencia hace que se caliente el dispositivo”.

Nuevas perspectivas

Por otra parte, para los investigadores salmantinos este trabajo también abre nuevas perspectivas en el estudio de transistores de alta potencia. “En este artículo se han realizado medidas a bajas temperaturas, pero pretendemos ver cómo se comportan los transistores si estuvieran sometidos a temperaturas elevadas”, señala Ignacio Íñiguez de la Torre, miembro del Departamento de Física Aplicada que también ha participado en el trabajo. En general, poder realizar simulaciones precisas, como en este caso, garantiza que los dispositivos sean fiables una vez fabricados.

El artículo publicado en Nature Materials tiene una gran relevancia científica, puesto que explica un fenómeno de la física inesperado que afecta a la electrónica que necesita dispositivos de muy bajo ruido, pero no parece que vaya a cambiar la tecnología. “Afecta a un nicho tecnológico muy delimitado, destinado a aplicaciones espaciales y en el que se emplean muy pocos transistores”, apunta Javier Mateos, aunque “a lo mejor puede dar pie a buscar otros elementos tecnológicos que eliminen esas barreras”, algo que se antoja muy complicado, según los científicos.

	Referencia bibliográfica
J. Schleeh, J. Mateos, I. Iniguez-de-la-Torre, N. Wadefalk, P. A. Nilsson, J. Grahn and A. J. Minnich. Phonon black-body radiation limit for heat dissipation in electronics. Nature Materials. DOI: 10.1038/nmat4126