Diferencia entre revisiones de «Invención del transistor»

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Detector a galena,
el primer dispositivo semiconductor.

La invención del transistor (transistor de unión bipolar, para ser más precisos) es un caso prototípico de innovación por colaboración entre científicos, tecnológos y empresarios. Su historia, poco conocida, ilustra rasgos importantes del proceso de invención de artefactos. En este artículo no se dan rasgos técnicos de los transistores y su evolución, sino se discute la dimensión histórica y cultural del proceso de su invención.

Introducción

El proceso de invención del transistor fue muy diferente a la invención del teléfono por Bell o del gramófono por Edison. Tuvo, desde el comienzo, orientación industrial (rasgo compartido con el del gramófono) pero careció del carácter artesanal de los otros dos. Se hizo en continua interacción entre experimentos, hipótesis y formulación matemática de comportamientos, con gran cantidad de especialistas de campos diversos (3 de los cuales obtuvieron el Premio Nobel de Física 1956 por la tarea), con soporte empresario pero con libertad de investigación. Junto el desarrollo del radar durante la Segunda Guerra Mundial, fue uno de los modelos de innovación tecnológica que orientó la formación de grandes centros de investigación y desarrollo tecnológico que todavía perduran. Se constituye así en uno de los casos que merecen estudio profundo para identificar las condiciones que favorecen las aplicaciones industriales de los saberes científicos.

Antecedentes

El primer dispositivo semiconductor usado en Electrónica fue el detector a galena. Usado desde 1904 en los primeros receptores de radio AM sencillos (por eso llamados radios a galena), se basa en el contacto entre un alambre metálico y la superficie de una pieza de galena policristalina (sulfuro de plomo o PbS), una juntura metal-semiconductor que conduce bien la electricidad en un único sentido (proceso denominado rectificación).

La propiedad de rectificación de corrientes alternas de algunos materiales cristalinos fue descubierta en 1874 por el físico alemán Karl Ferdinand Braun (1850‑1918), inventor del tubo de rayos catódicos y del osciloscopio, laureado con el premio Nobel en 1909 conjuntamente con Guglielmo Marconi por el desarrollo de la radio. Aunque la aplicación práctica se produjo bastante rápido, su explicación demoró mucho más tiempo ya que requería saberes físicos entonces inexistentes sobre el comportamiento de los electrones (partícula recién identificada en 1896) en átomos y moléculas. La correcta formulación matemática de estos saberes, la Mecánica Cuántica, comenzó recién en 1926 cuando se formuló la ecuación de Schrödinger.

La Mecánica Cuántica fue inicialmente aplicada al comportamiento de los electrones de átomos e iones en estado gaseoso. La explicación básica del mucho más complejo problema del comportamiento de los electrones en sólidos conductores, semiconductores y aisladores se desarrolló en las décadas de 1930 y 1940, aunque muchos detalles se dilucidaron en décadas posteriores. Los físicos interesados en el desarrollo histórico de los aportes principales lo encontrarán bastante bien detallado en el Capítulo 14, Rectifiers and transistors, del libro de Dekker citado a continuación, etapas que no se discutirán aquí.

Fuentes

• Dekker, A. J.; Solid State Physics, Chapter 14; Edit. Prentice-Hall; Englewood Cliffs (New Jersey, EEUU); 1962 (6ª edición).

Invención del transistor de juntura bipolar

Los premios Nobel de Física 1956 John Bardeen,
William Shockley y Walter Brattain, en Bell Labs.

La primera patente de un transistor, el de efecto campo o FET, fue registrada en Canadá por el físico austro-húngaro Julius Edgar Lilienfeld en 1925. El dispositivo, sobre el que Lilienfeld no publicó ningún informe científico, no parece haber sido fabricado comercialmente pero fue estudiado por los inventores del transistor de unión bipolar.

La invención del transistor fue la culminación de un programa de desarrollo iniciado en 1946 en el centro de investigación científica y desarrollo tecnológico de las entonces gigantes empresas de las comunicaciones American Telephone and Telegraph (ATT) (continuadora de la Bell Telephone) y Western Electric (WE): Bell Telephone Laboratories, en EEUU usualmente denominado Bell Labs. Según Nelson, el centro ocupaba entonces a unas 11.000 personas cuyos roles estaban divididos, en números aproximadamente iguales, en 3 sectores principales: ciencia y tecnología, apoyo técnico, logística. La mayoría de los profesionales (~85%) trabajaba en desarrollo de dispositivos de telefonía para uso comercial y militar y el resto (~15%) en tareas de investigación.

Durante la Segunda Guerra Mundial tanto EEUU como Gran Bretaña —estimulados por similares políticas de Hitler— hicieron enormes inversiones en desarrollos científico-tecnológicos para uso militar, el mayor de los cuales fue el Proyecto Manhattan que reunió a algunos de los más destacados físicos e ingenieros de la época y culminó con la fabricación de la primera bomba atómica y su lanzamiento sobre Hiroshima y Nagasaki. Menos conocido, pero no menos importante desde el punto de visto militar, fue el desarrollo del radar hecho por los británicos. Al final de la guerra, en 1945, estas tareas continuaron en preparación de la que se consideraba entonces una inevitable confrontación militar con la Unión Soviética, contexto que encuadra el proceso de invención del transistor.

En esa época todos los dispositivos electrónicos estaban basados en un tipo de componente esencial, las válvulas termoiónicas, entre las que se destacaban las diferentes variantes del tríodo que eran responsables de los esenciales procesos de amplificación y modulación de las corrientes y ondas electromagnéticas. Los tríodos de la época —hoy, aunque mejorados, son usados sólo en aplicaciones muy especializadas— eran voluminosos, generaban mucho calor (es decir, eran ineficientes) y no funcionaban bien en las altas frecuencias crecientemente necesarias para equipos como los de radar.

Ya antes de la guerra investigadores de Bell Labs habían trabajado activamente en las propiedades electrónicas de semiconductores, entre los que se contaban los físicos William Shockley y Walter Brattain. Sus laboratorios eran capaces de producir cristales de estos materiales y determinar sus propiedades eléctricas básicas. La mayoría de estos experimentos de preguerra se hacían con cristales de germanio, lo que explica la razón de que el primer transistor exitoso estuviese hecho de este material. Shockley, que estaba de licencia, se reintegró a su trabajo después de la guerra y convenció al director de Bell Labs de la importancia de crear un departamento especialmente dedicado al desarrollo de dispositivos semiconductores, incorporando más personal de investigación básica y aplicada y aumentando el soporte técnico. En 1946 el proyecto se puso en marcha con la autorización a Shockley de contratar el personal adicional necesario. Su mayor éxito en esta tarea fue el reclutamiento del físico teórico John Bardeen, pero varios otros cientificos e ingenieros destacados se unieron al grupo. Bardeen —único físico que hasta 2011 había obtenidos 2 premios Nobel de la disciplina— trabajaba entonces en el Naval Ordnance Laboratory, centro de investigaciones de la marina estadounidense hoy desaparecido, y fue uno de los principales fundadores de la Física del Estado Sólido.

El grupo quedó constituido por unas 25 personas, con un presupuesto anual de USD 500.000 de la época, equivalente a varios millones de hoy. La principal meta que fijó Shockley fue el desarrollo de un dispositivo amplificador equivalente al tríodo pero exclusivamente basado en semiconductores. Omitiendo detalles sólo comprensibles por especialistas, las tareas se desarrollaron fabricando dispositivos cuyo comportamiento se creía serían los deseados, haciendo experimentos que inicialmente daban resultados totalmente diferentes, sino opuestos, a los deseados, rediseñando los dispositivos y formulando teorías que trataban de explicar las razones del fracaso y plantear posibles reorientaciones de las tareas, en un proceso continuo de ensayo y error. Esto fue posible gracias a una estrecha colaboración entre físicos teóricos e ingenieros o físicos aplicados, con amplia libertad de exploración de variantes que, aunque inicialmente parecieran alejadas de la meta práctica, podían ayudar a la comprensión de los fenómenos electrónicos microscópicos que se producían en los semiconductores, como los estados electrónicos superficiales dilucidados por Bardeen.

Transistor de unión bipolar CMOS de silicio.

En 1947 se produjo el primer transistor exitoso de germanio, con un sistema encapsulado de punta de contacto similar pero más estable y pequeño que el del detector de galena. En 1948 se obtuvo el primer transistor de unión o juntura bipolar. En 1949 Shockley escribió el libro Electrons and holes in semiconductors, que durante muchos años sería la referencia obligada para la comprensión del comportamiento en presencia de campos eléctricos de los electrones en semiconductores y de sus déficits o vacantes (holes).

Hoy los transistores —aunque hechos de silicio con un método constructivo diferente del original, el CMOS— han hecho posible todos los dispositivos electrónicos compactos y de bajo consumo eléctrico (a pilas), desde los reproductores de música hasta las computadoras pasando por los teléfonos móviles e inteligentes, constituyéndose en los protagonistas principales de la revolución electrónica actualmente en auge.

Evolución posterior

La evolución posterior del transistor, que no se discutirá aquí, fue crítica para el desarrollo posterior de la Electrónica en general. Las fuerzas armadas estadounidenses eran las principales interesadas en su desarrollo, por las razones antes señaladas, y fomentaron tanto su desarrollo en empresas privadas como en diversos centros propios. El uso militar requería alta tolerancia al maltrato (golpes, vibraciones, explosiones...), miniaturización y bajo consumo de energía eléctrica. Sus aplicaciones eran muy variadas: sistemas de detección a distancia (radar y sonar), dispositivos personales de comunicación (walkie-talkies), espoletas de proximidad, sistemas de guiado a distancia de proyectiles y propuestas de dispositivos novedosos de uso guerrero. La activa intervención militar condicionó el desarrollo de los sistemas electrónicos que el transistor hizo posible, como el desarrollo de los circuitos integrados, las computadoras y la World Wide Web (de la que Internet es una parte).

Fuentes

• Misa, T. J.; Military needs, commercial realities, and the development of the transistor. En Smith, M. R. (compilador); Military enterprise and technological change: perspectives on the american experience; MIT Press; Cambridge (EEUU); 1985; pp. 253‑288.

Fuentes generales

• Nelson, Richard; The link between science and invention: the case of the transistor (El vínculo entre la ciencia y la invención: el caso del transistor). En The rate and direction of inventive activity: economic and social factors (El ritmo y rumbo de la inventiva: factores económicos y sociales); National Bureau of Economic Research; EEUU; ISBN 08701430402; pp. 549‑584.
• Burgess, Marc; Transistor history; 2008.
• Guarnieri, Massimo; Seventy Years of Getting Transistorized; IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 11, Nº 4; 2017.
• Historia del transistor en Wikipedia en inglés.