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

Desde la aparición de Internet, los teléfonos móviles y el ordenador, –artífices de una verdadera revolución silenciosa sin parangón en la historia más que con la revolución industrial–, nuestra sociedad y la manera de relacionarnos han cambiado drásticamente. El comienzo de este cambio tan radical lo materializaron tres científicos, William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain, cuando tal día como hoy, 23 de diciembre de 1947 , Bardeen y Brattain presentaron a los directores de los Bell Labs el dispositivo sobre el que habían estado trabajando en los últimos meses de ese año. Podemos decir que ellos son los padres del transistor, los abuelos del circuito integrado, los bisabuelos de los ordenadores y los tatarabuelos de Internet.

En dos artículos previos publicados en este blog, he detallado la biografía de los dos primeros, Wiliam Shockley y John Bardeen [1]. En este artículo, describiré la vida y la trayectoria científica del tercer miembro del grupo, Walter Brattain. Si Shockley y Bardeen son poco conocidos, Brattain lo es aún menos.

Walter Brattain, en el año 1956, cuando recibió el premio Nobel de física junto a Shockley y Bardeen. Imagen: Nobelprize.org

1. Primeros años

Walter Brattain nació en 1902 en Amoy (China), debido a que su padre era profesor de ciencias en dicha ciudad, aunque poco después, en 1903, la familia regresó a Estados Unidos. Inició sus estudios universitarios de física en 1920, en el Whitman College de Walla Walla, en el estado de  Washington. Después realizó su doctorado en la universidad de Minnesota. Tras finalizarlo, en 1928 dejó esta universidad e ingresó en el National Bureau of Standars (el actual National Institute of Standards and Technology)

Poco después, en 1929 entró a trabajar en los Bell Telephone Laboratories, donde desarrolló la mayor parte de su carrera profesional, primero en la ciudad de Nueva York y más tarde en Murray Hill, Nueva Jersey. Sus primeros trabajos estuvieron relacionados con la emisión termoiónica; posteriormente, se involucró en el estudio de los procesos de rectificación de señales eléctricas (procesos imprescindibles en los sistemas de comunicaciones), comenzando con un estudio de la rectificación en la superficie del CuO, trabajo que prosiguió con estudios similares en silicio, semiconductor del que por entonces se conocían pocas propiedades.

2. El interés por el transistor

El transistor tuvo su origen en la búsqueda de la solución a un problema al que se enfrentaba una compañía privada, el gigante de las telecomunicaciones de EEUU en los años 30,  A. T. & T., que en aquellos años estaba muy interesada en la expansión de sus líneas telefónicas por todo el continente. La compañía recurrió a su laboratorio de investigación, los Bell Labs, para desarrollar nuevos productos que le permitieran mantener el liderazgo en el sector.

Por aquellos años, los equipos telefónicos que comercializaba A. T. & T. eran fuertemente dependientes de la utilización de válvulas de vacío para controlar la corriente eléctrica y amplificarla. Las válvulas de vacío eran imprescindibles para tender líneas telefónicas de centenares o miles de kilómetros de longitud, ya que las señales eléctricas que se propagan por los cables de cobre de una línea se atenúan, debiendo amplificarse y reenviarse de nuevo a la línea cada pocos kilómetros, de manera que había que situar a lo largo de ésta numerosos amplificadores construidos con válvulas de vacío. Cuanto más larga fuera la línea, mayor número de amplificadores requería. Pero las válvulas de vacío no eran ni fiables ni eficientes y además consumían demasiada energía y producían demasiado calor para poder utilizarlas de manera práctica en grandes cantidades. Además, como descubrieron los científicos de los Bell Labs, las comunicaciones telefónicas de costa a costa de los EEUU, requerían el uso de ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia y los tubos de vacío eran incapaces de trabajar a esas frecuencias. Como consecuencia de todas esas limitaciones, los Bell Labs estaban especialmente interesados en encontrar una tecnología alternativa a las válvulas de vacío mencionadas.

3. El nacimiento del transistor

A comienzos de la década de 1930, Brattain trabajó con Shockley (el jefe del grupo de investigación de los Bell Labs que tenía encomendado buscar soluciones a los problemas mencionados de las válvulas) en la idea de construir un amplificador basado en el semiconductor CuO, un primer intento que resultó fallido. Otros investigadores también estaban experimentando con semiconductores, utilizando materiales como el germanio y el silicio, pero el esfuerzo de investigación anterior a la Segunda Guerra Mundial estuvo basado en observaciones empíricas, carente de una sólida base teórica.

Tras finalizar el gran conflicto bélico y tras casi dos años de trabajo infructuoso, el 16 de diciembre de 1947 dos de los miembros del equipo, Brattain y Bardeen, lograron hacer funcionar un transistor por primera vez en la historia, en ausencia del jefe del equipo W. Shockley, lo que motivó la irritación de este último, tal y como describí en este otro artículo.

Bardeen sugirió la disposición que debían tener dos elementos esenciales del dispositivo, denominados emisor y colector, que había que situar muy próximos entre sí para su correcto funcionamiento; Brattain fue el que con su habilidad e imaginación, logró materializar con éxito el primer transistor de puntas de contacto. Para ello, construyó una pieza de plástico triangular, a la que recubrió por sus bordes con una fina lámina de oro. Con una cuchilla de afeitar separó justamente en el vértice la lámina en dos partes, dejándolas separadas unas 40 micras. El triángulo con los hilos de oro adosados en sus lados se colocó entonces encima de una pieza de un semiconductor (germanio), presionando ligeramente su superficie por medio de un muelle. Este montaje funcionó como el primer amplificador con semiconductores de la historia. La figura muestra un esquema del dispositivo, auténticamente artesanal:

La ganancia en potencia del amplificador que montaron con el dispositivo fue de 4,5 y la ganancia en tensión de 4. Esto sucedió el 16 de diciembre de 1947, mientras que la presentación interna en los laboratorios Bell se realizó el 23 de diciembre del mismo año. Bardeen y Brattain publicaron la explicación de su comportamiento en la prestigiosa revista Physical Review, el 15 de julio de 1948. En el siguiente video se explica con detalle el funcionamiento del primer transistor:

Como gran físico experimental que era, Brattain anotaba todos los pormenores del trabajo realizado en el laboratorio en un cuaderno, que es una verdadera joya, ya que en él se recogen minuciosamente los avances y los detalles del primer amplificador con semiconductores de la historia. La siguiente figura recoge las tres páginas que Brattain escribió el día de Nochebuena, 24 de diciembre de 1947, el día siguiente de la demostración del dispositivo ante los directivos del laboratorio, en la que se resumen los detalles esenciales del funcionamiento del transistor:

Anotaciones de Brattain del día 24 de diciembre de 1947 en su cuaderno de laboratorio. Imagen: Bell Labs Memorial.

El siguiente vídeo, un documento histórico de un valor incalculable, muestra con detalle la cronología de los avances que realizaron Bardeen y Brattain, y que culiminaron en el dispositivo descrito. En dos secuencias del mismo, entre los minutos 7-10 y 11.30-12.30, se puede ver a Brattain explicando el principio de funcionamiento del transistor, así como las anotaciones que realizó en su cuaderno de laboratorio los días decisivos de la invención:

El transistor ideado por Bardeen y Brattain era un dispositivo de superficie, por lo tanto, muy dependiente de la calidad y limpieza de esta. La superficie se contaminaba con facilidad, lo que hacía que su funcionamiento fuera inestable e irreproducible. El jefe del equipo, Shockley, detectó este defecto rápidamente, y pensó trasladar la zona más crítica (la Base) al interior del dispositivo. Para ello inventó el transistor de unión (Bipolar Junction Transistor). Las diferencias esenciales entre ambos dispositivos se recogen en las siguientes figuras, que muestran la estructura del transistor construido por Bardeen y Brattain y el ideado por Shockley, según se muestran en las figuras que ilustran las patentes de ambos dispositivos:

Izquierda: Figura principal -coloreada para facilitar su comprensión- de la patente de Bardeen y Brattain para el transistor de puntas de contacto. Imagen: portada de la patente US 2524035. Derecha: figura principal de la patente de Shockley para el transistor de unión. Imagen: portada de la patente US 2569347.

De las figuras de ambas patentes se deduce que en el transistor ideado por Bardeen y Brattain, la corriente entre el emisor y el colector fluye a través de la superficie del semiconductor, lo que dificultaba su funcionamiento si ésta no estaba adecuadamente pasivada, mientras que en el de Shockley lo hace por el interior del dispositivo, evitando los problemas asociados a la superficie, tal y como ilustra la siguiente figura:

Ilustración del flujo de la corriente entre E y C en el transistor de puntas de contacto, ideado por Bardeen y Brattain (izquierda) y en transistor de unión, concebido por Shockley (derecha), resaltando sus diferencias. Imagen: Mixed signal.com

No obstante, a pesar de las limitaciones que presentaba el transistor ideado por Bardeen y Brattain, el primer transistor que comercializó Bell fue el de puntas de contacto, que fue utilizado en los sistemas telefónicos de Bell Telephone durante una década.

4. Epílogo

Las aportaciones de Brattain a la invención le valieron, junto a Bardeen y Shockley, el Premio Nobel de física de 1956. Probablemente, Brattain era el menos brillante de los tres galardonados del equipo de los Bell Labs, cuestión que reconoció en su charla tras recibir el premio, en la que se puede leer lo siguiente:

"Primero permítanme decir que aunque estoy muy orgulloso de ser uno de los ganadores del Premio Nobel de Física, soy muy consciente de que soy solo un representante de muchos otros, sin cuyo trabajo y esfuerzo no estaría aquí hoy...Uno debe ser muy humilde para aceptar tal premio cuando piensa en la suerte que tuvo de estar en el entorno adecuado en el momento adecuado, para aprovechar todo lo que se había hecho con anterioridad. Permítanme expresar mi gratitud a todas estas personas..."

Brattain continuó trabajando en los Bell Labs hasta su jubilación formal, en 1967. Desde ese momento y hasta su retiro definitivo, regresó al Whitman College (lugar en el que había realizado sus estudios de física), donde trabajó como profesor adjunto entre 1972 y 1976, año en que se retiró definitivamente.

Víctima de la enfermedad de Alzheimer, pasó los últimos cinco años de su vida en una residencia de ancianos en Seattle (estado de Washington, EEUU), donde murió el 13 de octubre de 1987.

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[1] Tres versiones más reducidas de las biografías de los tres las he publicado en OpenMind. Los enlaces a los textos son los siguientes: Shockley, Bardeen y Brattain.