William Shockley, el transistor y Silicon Valley

29 Dic 2016
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Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

 Wiliam Bradford Shockley (1910-1989) fue uno de los padres del transistor, la invención que constituyo, probablemente, la mayor revolución silenciosa del siglo XX. También fundó la primera empresa de semiconductores que se instaló en el Silicon Valley, el famoso entorno de alta tecnología en el que están instaladas hoy en día empresas como Apple, Facebook o Google, entre otras.

Este artículo describe su vida, sus principales logros científicos y las innumerables controversias que su singular personalidad alimentó.

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Shockley  en una foto del año 1956, cuando recibió el Premio Nobel de física.

1. Los primeros pasos científicos
Shockley nació en 1910 en Londres de padres originarios de los EEUU.  Tuvo una infancia no demasiado feliz, en buena medida motivado por la mala relación existente entre sus progenitores, personas inestables e incapaces de vivir y relacionarse con su entorno, aspecto que transmitieron a su hijo, lo que conformó en este un temperamento malhumorado y poco sociable. Tras fracasar el padre económicamente en Londres, regresaron a su lugar de origen en Palo Alto, California.

Shockley ingresó en el California Institute of Technology (Caltech) en 1928 donde cursó estudios de física, graduándose en 1932. Inmediatamente después, realizó sus estudios de doctorado en otra prestigiosa institución, el Massachusetts Institute of Technology (MIT) y en 1936 obtuvo el título de doctor con su tesis “Calculation of Electron Wave Functions in Sodium Chloride Crystals

Ese mismo año comenzó a trabajar en los Bell Telephone Laboratories de Nueva York, uno de los laboratorios de investigación más prestigiosos del mundo, pertenecientes a la compañía A. T. & T., el gigante de las telecomunicaciones de los EEUU. Sus primeras tareas se dirigieron al desarrollo de dispositivos electrónicos construidos con tubos de vacío, y fue durante esta época cuando comenzaron sus investigaciones en el campo de la física del estado sólido.

En los años de la II Guerra Mundial, trabajó en distintos proyectos militares como director de investigación en el Grupo de Investigación de Operaciones de Guerra Antisubmarina de la Armada de los Estados Unidos y ayudó a resolver el problema del instante en el que deben explotar las cargas de profundidad antisubmarinas, gracias al cual mejoró sustancialmente el éxito de los ataques contra los submarinos alemanes durante la que se conoció como “La batalla del Atlántico”.

2. Los Bell Labs y la invención del transistor.
En 1945, al término de la guerra, Shockley volvió a los Bell Labs y el director del laboratorio, Mervin J. Kelly, lo puso al cargo de un grupo de investigación para el estudio de los semiconductores, con la idea de desarrollar un dispositivo basado en esos materiales que fuera capaz de reemplazar a las ineficientes y pesadas válvulas de vacío. Shockley estaba convencido de la viabilidad de conseguir un amplificador de estado sólido que substituyera a la válvula de vacío.

A. T. & T estaba muy interesada en desarrollar un dispositivo de estas características, ya que tenían un grave problema con las comunicaciones de costa a costa de los EEUU: en una conversación telefónica, la voz se convierte en una señal eléctrica, señal que posteriormente viaja por hilos conductores de cobre. Si la distancia que debe recorrer la señal es corta (de pocos kilómetros), ésta llega al aparato receptor de forma nítida; pero en las comunicaciones de costa a costa, la conversación debe viajar entre 6.000 y 8.000 km; en este caso, la señal eléctrica pierde intensidad y cada cierta distancia hay que volver a aumentarla, operación que se denomina amplificación 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.

En los años inmediatamente anteriores a la Segunda Guerra Mundial, la amplificación se realizaba mediante válvulas de vacío, dispositivos poco fiables, que consumen mucha potencia y disipan mucho calor. Kelly llegó a la conclusión de que necesitaban disponer de un dispositivo amplificador más fiable para realizar eficientemente las comunicaciones a tan gran distancia y supuso que la respuesta debía buscarse en una clase de nuevos materiales, los semiconductores, de los que por aquellos tiempos empezaban a conocerse sus propiedades.

Durante el período 1945-1947, los resultados obtenidos por el equipo dirigido por Shockley no fueron nada esperanzadores; incluso llegaron a correr rumores de cancelación del proyecto. A pesar de la dificultades, desde la primavera de 1947, dos de los miembros más brillantes del grupo, John Bardeen y Walter Brattain, trabajaron en la búsqueda de soluciones al problema sin contar con Shockley, ya que aunque éste era el líder del equipo, pasaba la mayor parte del tiempo en su casa desarrollando sus propias ideas. Bardeen y Brattain trabajaron febrilmente durante el verano y el otoño de ese año, mientras Shockley se dejaba caer de vez en cuando por el laboratorio para ver qué estaban haciendo y para darles alguna que otra sugerencia, pero sin un hilo conductor definido.

El avance decisivo se produjo durante el mes de noviembre y finalmente, en diciembre dieron a conocer al que desde entonces se conoce como el transistor de puntas de contacto. El 16 de diciembre de 1947 lograron por fin hacer funcionar un amplificador construido con germanio (un semiconductor), que amplificaba una señal eléctrica un factor 100. El día 23, la víspera de Nochebuena, mostraron sus resultados a los directivos del laboratorio y en los primeros días de enero de 1948, presentaron una patente (US 2,524,035) para la fabricación del primer transistor de puntas de contacto de la historia.

Al enterarse Shockley del éxito logrado por Bardeen y Brattain en su ausencia se puso furioso, ya que le molestaba no haber estado involucrado en el descubrimiento. Al analizar el dispositivo ideado por estos, Shockley intuyó que el transistor de puntas de contacto sería difícil de fabricar en grandes cantidades con suficiente fiabilidad, dada su frágil configuración mecánica. Así las cosas, Shockley se encerró nuevamente en su casa, concibió un transistor diferente al de puntas de contacto, denominado transistor de unión y presentó otra patente (US 2,569,347) el 23 de enero del año 1948, nueve días más tarde de la fecha en la que Bardeen y Brattain presentaron la suya.

Esta situación tan embarazosa puso a los directores de los Bell Labs ante un dilema. Por una parte, Bardeen y Brattain habían fabricado el primer transistor por su cuenta, sin la contribución de Shockley. Por otra, Shockley era el jefe de su equipo y parecía poco adecuado silenciar su nombre, sobre todo porque pocos días después había sido capaz de imaginar un dispositivo aún mejor que el original. Por lo tanto, el laboratorio decidió que cualquier fotografía tomada de los inventores del transistor debería incluir a Shockley, que además actuaría de portavoz oficial; Bardeen y Brattain, que ya habían desarrollado una fuerte aversión hacia Shockley, aceptaron a regañadientes la imposición de la dirección del laboratorio. Por su parte, Shockley se mostró conforme con la decisión más o menos salomónica.

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Sin tener una idea clara de lo que el transistor podía hacer, los directores de los Bell Labs sabían que tenían entre manos algo grande. Estaban a punto de celebrar una gran conferencia de prensa para anunciar el invento, pero antes de hacerlo público, decidieron consultar con los militares. Esto se debía a que el transistor podría revolucionar las comunicaciones y las señales de radio (como de hecho así ocurrió), algo que daría al ejército de los EEUU una ventaja decisiva frente a otros países, principalmente la URSS, si la invención lograba mantenerse en secreto. Kelly esperaba que el ejército no quisiera restringir la publicidad de la investigación, pero temía que pudiera suceder.

El 23 de junio de 1948, se hizo una presentación del transistor a un grupo de oficiales de alto rango, indicándoles igualmente que esa misma demostración la realizarían ante la prensa la siguiente semana. No pidieron permiso para llevarla a cabo, ya que Kelly no quería facilitar a los militares una hipotética declaración de secreto para el transistor. Los militares estuvieron discutiendo acerca de la necesidad de mantener la confidencialidad del trabajo de los Bell Labs, pero nadie dijo una palabra y finalmente, los Bell Labs anunciaron públicamente su logro el 30 de junio de 1948.

3. El nacimiento de Silicon Valley: el Shockley Semiconductors Laboratory
Varios años después, en 1955, Shockley abandonó los Bell Labs y se trasladó a California, en donde fundó su propia empresa, Shockley Semiconductor Laboratory en el área industrial de Stanford, que de hecho fue la primera compañía de semiconductores que se instaló en lo que hoy se conoce como el Silicon Valley.

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Shockley pretendía que su empresa realizara la investigación, el desarrollo y la producción de dispositivos semiconductores. Aunque tenía una intuición asombrosa para resolver problemas científicos y una capacidad innata para generar ideas, sus cualidades como hombre de negocios eran escasas, apenas confiaba en sus subordinados, trabajar con él se convirtió en un verdadero infierno y la compañía fue de mal en peor. En 1957 un grupo de ocho de sus empleados, liderados por Robert N. Noyce (uno de los inventores del circuito integrado) y Gordon E. Moore (uno de los fundadores de Intel) le dejaron para formar una compañía muy célebre, Fairchild Semiconductors. Desde entonces, se los conoce como “los ocho traidores”.

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Los “ocho traidores”. De izquierda a derecha: Gordon Moore (uno de los fundadores de Intel), C. Sheldon Roberts, Eugene Kleiner, Robert Noyce (uno de los inventores del circuito integrado), Victor Grinich, Julius Blank, Jean Hoerni y Jay Last (primer director de Fairchild Semiconductors)

Fairchild Semiconductors fue un verdadero semillero de empresas de microelectrónica; muchas de las más célebres que están instaladas hoy en día en Silicon Valley proceden de Fairchild. Entre las más conocidas se encuentran Intel, National Semiconductor, Advanced Micro Devices (AMD), etc.

Mientras las cosas en su empresa iban de mal en peor, Shockley recibió la noticia de la concesión del Premio Nobel de física de 1956, junto a sus antiguos subordinados en los Bell Labs, John Bardeen y Walter Brattain. El comité del Nobel tomó esta decisión por “Sus investigaciones sobre semiconductores y su descubrimiento del efecto transistor”.

Tras el fracaso de su empresa, Shockley se fue al mundo académico y en 1963 la Universidad de Stanford le contrató como profesor de ingeniería, permaneciendo en dicha institución hasta su jubilación en 1975.

4. Epílogo
Shockley dedicó los últimos años de su vida al estudio de la supuesta diferencia de la inteligencia entre razas y a finales de los años 60 realizó unas controvertidas declaraciones abrazando las teorías eugenésicas y defendiendo que las capacidades intelectuales de los afro-estadounidenses eran inferiores a las de los estadounidenses caucásicos y que la mayor tasa de reproducción entre los primeros ejercía un efecto regresivo sobre la evolución. Estas ideas dieron al traste con su prestigio y reputación científica.

En el ámbito familiar, Shockley tuvo tres hijos, dos varones y una mujer. A uno no lo vio en los últimos 20 años de su vida, rara vez veía al segundo y sólo de vez en cuando hablaba con su hija. Murió en 1989, a la edad de 79 años. Sus hijos y sus escasos amigos se enteraron de la noticia por la prensa.


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