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

En este año 2022 se cumplen 75 desde la invención del transistor bipolar, probablemente la invención más importante del siglo XX, ya que ha posibilitado que nuestra vida cotidiana sea inconcebible sin los ordenadores personales, los teléfonos móviles, Internet y un sinfín de aplicaciones que usan ese dispositivo electrónico. Inicialmente, su descubrimiento representó la solución a un grave problema que tenía una empresa privada (A.T.& T.) y como veremos, fue conseguido en un entorno científico excepcional, aunque no exento de pugnas y egos personales. Voy a relatar los hechos principales que dieron lugar a la invención del dispositivo en una serie de varios textos que iré publicando en este blog en las próximas semanas.

Izquierda: La foto más célebre de los inventores del transistor. De pie y de izquierda a derecha, John Bardeen y Walter Brattain, inventores del transistor de puntas de contacto. En el centro, sentado, William Shockley, el inventor del transistor de unión. Derecha: el transistor de puntas de contacto de Bardeen y Brattain, dado a conocer en las Navidades de 1947

1. El reinado de las válvulas

La electrónica de la primera mitad del siglo XX estuvo dominada por las válvulas de vacío. Su hegemonía se prolongó durante más de 60 años, pero desde sus orígenes, las válvulas adolecieron de infinidad de problemas: calentamiento, alto índice de fallos, consumo elevado de energía, muy voluminosas, etc.

En 1925 se fundaron los Bell Telephone Laboratories (en lo que sigue, Bell Labs) laboratorio de investigación de A. T. & T. en el 463 West Street, Manhattan. Como veremos en los sucesivos artículos de esta serie, estos laboratorios jugaron un papel esencial en esta historia. Durante el primer tercio del siglo, la compañía A. T. & T. gozaba de una posición hegemónica en el campo de las comunicaciones telefónicas dentro de los EE. UU. Al intentar expandir su red telefónica de costa a costa del país, comprobaron que sus sistemas, operados con válvulas de vacío y relés electromecánicos, tenían serias limitaciones y la empresa sufría en su cuenta de resultados esas limitaciones, ya que las comunicaciones telefónicas de larga distancia, al depender de esos dispositivos, fallaban muy frecuentemente, razón por la que buscaban resolver ese problema sustituyendo las válvulas por equipos que tuvieran un comportamiento más fiable.

En este momento, entra en esta historia un personaje clave: Mervin Kelly, Director del Departamento de Válvulas de Vacío en Bell Labs. Kelly se dio cuenta de forma premonitoria de la relevancia potencial de la nueva teoría cuántica de sólidos e imaginó que la solución a sus problemas podría venir de la mano de dispositivos amplificadores o conmutadores construidos con semiconductores, basados por lo tanto en los principios de esa teoría. Animado por este empeño, en 1936 contrató a un científico que había trabajado en esta teoría, William Shockley, justo cuando los Bell Labs comenzaban a resurgir tras la Gran Depresión de la década. Dirigido por Shockley, se formó un equipo de físicos teóricos, experimentales, ingenieros, químicos, etc., con el fin de buscar alternativas fiables a las válvulas. Este camino se interrumpió con el estallido de la Segunda Guerra Mundial.

Izquierda: Mervin Kelly, en los años de director del departamento de válvulas de vacío de Bell Labs en 1928. Tiene en sus manos una enorme válvula. Derecha: Wiliam Shockley en la década de 1930, cuando fue contratado por Kelly

2. La Segunda Guerra Mundial y el programa del radar

La guerra iba a ser el momento en el que un arma, hasta ese momento de utilidad marginal, cobraría un enorme protagonismo: el radar. El desarrollo del radar comenzó en la década de 1930 y se intensificó enormemente como parte del esfuerzo bélico en la década de 1940. En los primeros años del conflicto, los equipos radar funcionaban a frecuencias inferiores a 200-300 MHz y utilizaban válvulas de vacío, tanto para emitir las ondas electromagnéticas, como para detectar el eco recibido proveniente de un objeto lejano.

Con el desarrollo del magnetrón de cavidad, la frecuencia de operación subió a 3 GHz, pero a frecuencias tan elevadas, los mezcladores de válvulas que se usaban para la detección de la señal de radar reflejada en un blanco no eran prácticos. La razón es que las válvulas de vacío trabajaban muy bien en el rango de frecuencias de 50 kHz-100 MHz, pero adolecían de una seria limitación cuando se enfrentaban al desafío de trabajar a las frecuencias de microondas (típicamente 300 MHz-30 GHz), frecuencias a las que los radares son más efectivos en la realización de su trabajo. El problema radica en el tiempo que tardan los electrones en atravesar el espacio existente entre el cátodo y el ánodo de la válvula, que es del orden de 1 mm, en comparación con la escala de tiempo en la que varía la señal de microondas. Ese tiempo de tránsito es típicamente 10 ns (10e-8 s), mientras que la señal de microondas cambia de un pico al siguiente en un tiempo de 0.3 ns (3 × 10e-10 s), unas 30 veces más pequeño. Es decir, la válvula de vacío simplemente no puede responder con la rapidez suficiente a las variaciones de la señal que debe detectar.

Era necesario disponer de otros detectores y la respuesta vino de la mano de un dispositivo conocido desde finales del siglo XIX: los diodos de punta de contacto (crystal detectors) fueron la respuesta, basados en un dispositivo ideado por el científico alemán Ferdinand Braun a finales del siglo XIX, denominado cat wisker (bigote de gato), llamado así por la disposición del contacto entre un metal (un hilo de alambre) y el semiconductor. Los primeros crystal detectors en desarrollarse en la era moderna fueron los de la empresa británica Thompson Houston, fabricados a partir de silicio comercial con una pureza muy baja (98%), que era lo mejor que se podía obtener al comienzo de la guerra. La pobre calidad del silicio daba lugar a comportamientos erráticos e irreproducibles, ya que los detectores solo funcionaban correctamente si se podía encontrar en la superficie del semiconductor un punto de rectificación adecuado, algo parecido a lo que sucedía con sus "hermanos mayores", los detectores cat wisker. El punto adecuado para lograr la rectificación se lograba tras un tedioso proceso de "prueba y error".

Corte transversal de un diodo rectificador de comienzos de la guerra fabricado por la compañía británica Thompson Houston. La figura está obtenida del artículo de  J. H. Scaff y R. S. Ohl "Development of Silicon Crystal Rectifiers for Microwave Radar Receivers", The Bell System Technical Journal, 26, 1 (1947)

Considerando que la solución a ese problema debería buscarse en la profundización del estudio de las propiedades de los semiconductores y en lograr muestras de mayor pureza, el desarrollo se trasladó a los EE. UU., donde se puso en marcha un gigantesco programa para obtener radares de altas prestaciones. En el Massachussets Institute of Technology se fundó el Radiation Laboratory, organismo que se encargó de subcontratar numerosos programas específicos a otras instituciones y empresas. Los avances en la purificación de silicio se produjeron principalmente en la Universidad de Pennsylvania, dirigidos por Frederick Seitz, en colaboración con la empresa Du Pont. En la Universidad de Purdue, bajo la dirección de Karl Lark- Horovitz, se trabajó para la obtención de germanio de alta calidad. Hacia el final de la guerra, se obtenían silicio y germanio con una pureza del 99.999%. Como veremos, el germanio obtenido en Purdue jugó un papel clave en esta historia.

Izquierda: Frederick Seitz. responsable de la investigación sobre silicio durante los años de la segunda guerra mundial en la Universidad de Pennsylvania. Derecha: Karl Lark-Horowitz, director de los estudios sobre germanio en la Universidad de Purdue durante el mismo período de tiempo

Simultáneamente, en los Bell Labs, un grupo de científicos encabezados por Russell Ohl, Jack Scaff y Henry Theuerer, purificaron el silicio y fabricaron dispositivos para el programa del radar. Previamente detectaron el efecto fotovoltaico, pero no divulgaron esta información, ya que, según comentó en años posteriores Ohl: El gobierno no había declarado la guerra, por lo que no podían clasificarlo como secreto, pero la empresa sí. Así que trabajamos como si hubiera una guerra uno o dos años antes de que la guerra fuera declarada realmente.

 Izquierda: Russel Ohl (con pajarita) y Jack Scaff en los Bell Labs en los años de la guerra. Derecha: corte transversal de dos de los diodos rectificadores de microondas, uno de los productos finales del programa del radar desarrollado en EE. UU. durante la vigencia del programa (1942-1945). La pieza de silicio o germanio del detector esta resaltada en color azul.

Así estaba la situación al término de la Segunda Guerra Mundial. En el siguiente artículo veremos que sucedió a la finalización de la guerra en los Bell Labs.