Opinion · Un poco de ciencia, por favor

La invención del transistor, el comienzo de una nueva época

Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

Es muy probable que a la gran mayoría de quienes lean este artículo, los nombres de John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley no les diga absolutamente nada. Sin embargo, pocas personas han influido de manera tan decisiva en nuestro modo de vida como esos tres científicos. A los tres debemos la invención del transistor, sin el cual la vida cotidiana sería sustancialmente diferente a como es en la actualidad.

Triio inventorDe izquierda a derecha: John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain, en los días de la invención del transistor en los Bell Labs.

Imagine un día cualquiera de su vida diaria: se levanta tras despertarle su reloj-alarma, desayuna, se desplaza al trabajo (los que tenemos el privilegio de tenerlo), probablemente en su propio vehículo o en transporte público, si trabaja en una oficina es casi seguro que en su puesto de trabajo habrá un ordenador que utiliza a diario, vuelve a su casa, realiza tareas domésticas, como rellenar la nevera o poner una lavadora, cocina; con algo de fortuna, dedica algo de su tiempo al ocio viendo televisión, escuchando la radio o viendo alguna película en DVD; a lo largo de la jornada habrá hablado por teléfono varias veces…

La práctica totalidad de los instrumentos que ha debido utilizar a lo largo de su jornada tienen una cosa en común: su funcionamiento depende de un dispositivo construido con ellos, el transistor. En este artículo, describiré muy cualitativamente como funciona y a continuación repasaré la historia de su descubrimiento.

1. Principio básico del funcionamiento del transistor
Los transistores son dispositivos que controlan el movimiento de los electrones y, en consecuencia, de la corriente eléctrica. Son dispositivos que disponen de tres terminales denominados emisor, base y colector, tal y como muestra la imagen de la izquierda de la siguiente figura:

SimilIzquierda: Símbolo del transistor, con los nombres de sus terminales. Derecha: equivalente del dispositivo. Estrictamente, el símil del grifo es más adecuado para describir otro tipo de transistor (MOSFET) diferente del ideado por los Bell Labs en 1947, pero para los objetivos de este artículo, es adecuado.

Su funcionamiento se puede asimilar al de un grifo de agua (derecha de la imagen): el agua que circula por una tubería (emisor) sale hacia la boca del grifo (colector) a través de una llave (base) que abre o cierra el flujo de agua, controlando su caudal. En el transistor, el agua es la corriente eléctrica y la llave de paso que gobierna su funcionamiento, la base. Mediante este mecanismo de control, el transistor puede modificar, amplificar, desfasar y modular señales eléctricas, operaciones todas ellas imprescindibles para el correcto funcionamiento de la totalidad de los electrodomésticos y equipos electrónicos que utilizamos en nuestra vida diaria.

2. El nacimiento del transistor: 1947
Durante la década de 1930 los Bell Labs, posteriormente A.T.&T., una de las empresas del sector de las comunicaciones más importante de los Estados Unidos, tenían un problema muy serio con las comunicaciones telefónicas a larga distancia. Al hablar por un teléfono de la red fija, este instrumento convierte la voz en una señal eléctrica, señal que posteriormente viaja por cables de cobre. Si la distancia que debe recorrer esa señal es corta (entre cientos de metros hasta pocos kilómetros), no hay grandes problemas para que la recepción sea nítida, pero en las comunicaciones de costa a costa de los Estados Unidos, la señal debe atravesar entre 6.000 y 8.000 km; en este caso, la señal eléctrica pierde intensidad y cada cierta distancia hay que volver a aumentarla, esta operación se conoce como amplificar y el dispositivo que lo hace, amplificador. Basta con tener un número suficiente de amplificadores a lo largo de toda la línea para hacer ésta tan larga como se quiera.

Durante los años inmediatamente anteriores a la Segunda Guerra Mundial, la amplificación se realizaba mediante válvulas de vacío. Pero las válvulas de vacío eran unos dispositivos poco fiables, consumían mucha potencia y disipaban mucho calor. En 1930, el director del departamento de investigación de Bell Labs, Mervin Kelly llegó a la conclusión de que necesitaban disponer de un dispositivo amplificador más fiable si querían que el negocio de las comunicaciones siguiera creciendo. Supuso, con gran intuición y algo de audacia y suerte, que la respuesta debía buscarse en una clase de nuevos materiales, los semiconductores, de los que por aquellos tiempos empezaban a conocerse sus singulares propiedades.

Al finalizar la guerra, Kelly reunió a un equipo de científicos con la idea de desarrollar un dispositivo semiconductor que fuera capaz de reemplazar a las válvulas de vacío. El equipo debería utilizar alguno de los avances que se habían producido durante la guerra en el campo de los semiconductores, principalmente los relacionados con el desarrollo del Radar. Seleccionó como jefe del equipo a Wiliam Shockley un brillante y ambicioso físico teórico. Shockley incorporó al grupo a Walter Brattain, físico experimental, al físico teórico John Bardeen y a un variado conjunto de físicos, químicos e ingenieros. Aunque el grupo era muy heterogéneo, formaban una verdadera “piña”, muy compenetrados y entusiastas con su trabajo. El equipo llegó a conocerse como “El laboratorio del infierno de la Bell” y compusieron una canción que se hizo famosa en aquellos años [1].

En las navidades de 1947, el equipo dio con la solución, al fabricar un prototipo que hacía lo mismo que las válvulas de vacío (amplificar señales eléctricas), pero con un material semiconductor, el germanio. Durante el mes de diciembre de 1947, particularmente el día de Nochebuena, Walter Brattain escribió en su cuaderno de laboratorio los detalles esenciales del dispositivo que propiciaría en los años posteriores una de las revoluciones silenciosas más importantes del siglo XX: había nacido el transistor.

Cuaderno Brattain

Cuaderno de laboratorio de Walter Brattain con las anotaciones que describen las características del transistor el día 24 de diciembre de 1947

Inmediatamente se comprobó que el nuevo dispositivo poseía enormes ventajas, como eran su reducido tamaño y su fiabilidad; con el transistor nació también una nueva era, que después hemos llamado la de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TICs). Los Bell Labs dieron a conocer la invención el 30 de Junio de 1948 y decidieron llamarlo “transistor”, nueva palabra que resulta de la contracción de otras dos: “TRANsfer” y “reSISTOR”, trans-resistencia, una peculiaridad del dispositivo. A propósito del descubrimiento, los Bell Labs emitieron una nota de prensa en la que se indicaba:

“[El transistor] es un dispositivo increíblemente simple, capaz de realizar eficientemente casi todas las funciones de una válvula de vacío. Se demostró por primera vez en los Bell Telephon Laboratories donde se inventó. Conocido como el transistor, el dispositivo funciona basado en un principio físico totalmente nuevo descubierto por los Laboratorios en el curso de una investigación fundamental en las propiedades eléctricas de los sólidos. Aunque el dispositivo está todavía en fase experimental, los científicos e ingenieros de Bell esperan que tenga una importancia trascendental en la electrónica de las comunicaciones”.

Imagen1

Imagen del primer transistor, tal y como se conserva hoy día en el Bell System Memorial, identificando los tres terminales del dispositivo. La imagen de la esquina permite hacerse una idea del tamaño del dispositivo. Los transistores modernos tienen un tamaño extraordinariamente más reducido, para poder incorporarlos en los circuitos integrados.

La invención recibió poca atención en su momento, tanto en la industria como en la prensa generalista. Pero Shockley vio el enorme potencial de su invención y en 1955 dejó los Bell Labs para fundar su propia compañía, Shockley Semiconductors en Palo Alto, California, para tratar de explotar comercialmente su invención. Su empresa significó el comienzo de lo que después se ha conocido como el Silicon Valley. Contrató a un equipo de ingenieros y físicos excelentes, pero la difícil personalidad de Shockley hizo que ocho de sus mejores y más brillantes científicos se fueran de allí; en su tiempo fueron conocidos como los “ocho traidores”, que poco después fundaron una nueva compañía, Fairchild Semiconductors. Dos de esos ocho, Bob Noyce y Gordon Moore, fundaron después Intel Corporation, el gigante de la industria electrónica, que hoy día produce miles de millones de transistores a diario en sus circuitos integrados. Muchos de sus productos se encuentran en nuestros teléfonos móviles, ordenadores, etc.

En su momento, el transistor representó la solución a un problema que tenía una empresa privada, pero sus revolucionarias consecuencias alcanzaron a la vida cotidiana, tanto privada como pública, pocos años después. La primera prueba de ese cambio apareció en el mercado el 18 de octubre 1954 y fue el primer receptor de ondas de radio con transistores, el Regency TR-1, que se vendía a 49.95 $ y cuya imagen muestro a continuación:

TR 1Publicidad del primer receptor de radio fabricado con transistores, el Regency TR-1 En la primera frase (arriba a la derecha), se destaca que es un dispositivo que no utiliza “pesadas válvulas de vacío”.

Ese receptor incorporaba cuatro transistores de germanio, se vendieron más de 100.000 unidades y provocó la introducción de la palabra “transistor” en el vocabulario habitual. La radio con transistores fue el primer eslabón de una larga cadena de productos comerciales que transformaron el mundo en los años siguientes.

En los años finales de la década de los 50 y principios de los 60 del siglo pasado, la mayoría de las compañías del sector de la electrónica de los Estados Unidos centraron su atención y sus inversiones en el mercado militar para la producción de armas que incorporaban transistores en sus sistemas de control. La guerra fría y la carrera armamentista que se desarrolló bajo su sombra propiciaron el rápido desarrollo de esta incipiente industria. Prueba de su enorme y vertiginoso desarrollo fue que el transistor estuvo en peligro de morir de éxito a los pocos años de su descubrimiento, debido a una serie de factores que quedan fuera del alcance y del objetivo de este artículo. La solución y el verdadero impulso a la industria microelectrónica se encontró en 1959 con la invención del Circuito Integrado, pero esa es una fascinante historia que describiré en un próximo artículo.

Los inventores del transistor, Bardeen, Brattain y Shockley recibieron el Premio Nobel de Física en 1956. Según la Academia de Ciencias de Suecia, la razón para la concesión fue: “Por sus investigaciones en semiconductores y el descubrimiento del efecto transistor”.
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[1] En este vídeo, además de repasar la historia del transistor, se puede escuchar esa canción.