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75 años del transistor, la invención más importante del siglo XX (3). Comienza el “mes mágico”

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

Réplica del primer transistor ideado por J. Bardeen y W. Brattain, que se conserva en el museo de la compañía.  En 1997, Lucent Technologies (nombre de A. T. & T. en aquel año) creó esta réplica para conmemorar el 50 aniversario de la invención del transistor. Hoy día la empresa se llama Nokia Bell Labs

 

En el artículo anterior de esta serie, hemos visto que el problema esencial al que se enfrentaban los científicos de los Bell Labs en 1947 para lograr un amplificador de estado sólido, era evitar los efectos de atrapamiento de carga en la superficie del semiconductor. En este punto de partida, Bardeen y Brattain comenzaron a ensayar posibles soluciones para superar esos problemas. Podemos decir que el camino hacia el transistor de puntas de contacto comenzó su andadura a mediados de noviembre de 1947. Veamos los principales hitos en ese recorrido.

El "mes mágico" del transistor de puntas de contacto: primeros avances.

La secuencia de los principales avances, contratiempos y serendipias que lograron, sufrieron y se encontraron (respectivamente) Bardeen y Brattain durante la segunda mitad de noviembre y los primeros días de diciembre de 1947 fue la siguiente:

17 de noviembre. Ese día Robert Gibney un químico físico del equipo sugirió a Bardeen y Brattain la inmersión del experimento en un electrolito, concretamente en agua destilada. Suponía que de esa forma se podría neutralizar el efecto de bloqueo de los estados superficiales sobre el campo eléctrico al actuar como pasivante de esos estados (en la práctica, se limitaron a colocar una gota de agua en la superficie del semiconductor). La idea era que un contacto puntual introducido en el electrolito se debía polarizar para actuar de zona de control del dispositivo, logrando la neutralización efectiva de las cargas negativas de la superficie por los iones móviles del electrolito. Efectivamente, así ocurrió, era la primera vez que lograban modulación de la conductividad del semiconductor.

De acuerdo con las palabras escritas por Shockley años después: "Este nuevo hallazgo fue electrizante. Por fin, Brattain y Gibney habían superado el efecto de bloqueo de los estados superficiales". Con esta nueva idea puesta en marcha, el 21 de noviembre, lograron amplificación de corriente, pero no de tensión.

22 de noviembre. En el cuaderno de laboratorio de Bardeen hay una entrada fechada ese día en la que se puede leer el siguiente comentario:

Estas pruebas muestran definitivamente que es posible introducir un electrodo o rejilla para controlar el flujo de corriente en un semiconductor. Las condiciones estaban lejos de ser ideales en esta primera prueba preliminar. La gota cubría un área mucho más grande de lo necesario, lo que hizo que las corrientes de control resultaran mucho más grandes de lo que se requería en un diseño adecuado. Podía obtenerse fácilmente un factor de amplificación de corriente de 100 o más. No se sabe si el espesor de la capa tipo N utilizado en estas pruebas fue óptimo o no. Por supuesto, se podría hacer mucho más para mejorar el aislamiento entre la punta metálica y el electrolito [el contacto donde se recogía la corriente, lo que pocos días después pasaría a denominarse el colector, véase la última figura del artículo anterior de esta serie]. El electrodo de control [la punta colocada sobre la gota de agua] podría colocarse mucho más cerca del electrodo colector para mejorar el factor de amplificación de voltaje (que ahora es menor que la unidad).

 

Izquierda: las figuras de la segunda patente del transistor de puntas de contacto. Derecha: la explicación de su funcionamiento: al aplicar una tensión VG a la punta introducida en la gota de agua, los iones del agua pasivan la superficie del semiconductor, logrando modular la conducción entre los otros dos contactos, designados en la imagen como Source y Drain.

 

Por supuesto, era evidente que el dieléctrico líquido podría reemplazarse por un dieléctrico sólido si se encontraba uno que pasivara la superficie del semiconductor. Este fue un momento clave, ya que se comprobaba por primera vez que los efectos de los estados de superficie podían ser eliminados.

De acuerdo con las hipótesis de Bardeen y Brattain, y en analogía con el funcionamiento de un triodo (una válvula amplificadora), el voltaje VG aplicado al electrodo en contacto con la gota de agua, controlaba la corriente que fluía desde el terminal denominado en la imagen Source (Fuente) hacia el punto de contacto sumergido en agua, pero aislado de este con un recubrimiento de cera, denominado en la imagen Drain (Drenador), que actuaba como electrodo colector de corriente. Aunque se logró una ganancia neta, la frecuencia de operación se limitó a alrededor de 10 Hz por la muy baja capacidad de movimiento de los iones en el líquido. Es decir, el electrodo en contacto con la gota de agua moduló efectivamente la corriente que fluía entre los otros dos contactos (Fuente y Drenador).

Uno de los problemas que surgió es que la gota de agua se evaporaba rápidamente durante la realización de las medidas, por lo que la sustituyeron por un electrolito más denso, borato de glicol, que obtuvieron rompiendo condensadores electrolíticos "con un clavo, un martillo y mucho empeño". También sustituyeron el Si por una muestra de Ge. Con esta disposición se obtuvieron resultados aún mejores, obteniendo elevadas ganancias de potencia pero, aún más sorprendente, el voltaje VG necesario para lograrlo era positivo, justo del signo opuesto al esperado [1]. Eso sugería que la corriente en esta situación debía ser transportada por huecos, no por electrones, lo que no entraba en ese momento en el marco de explicación del funcionamiento del dispositivo. Seguía habiendo el mismo problema que con el silicio y la gota de agua: la respuesta en frecuencia era extremadamente mala y estaba limitada por la baja movilidad de los iones en el electrolito: el dispositivo solo respondía a frecuencias por debajo de 10 Hz.

11/12-diciembre. A sugerencia de Bardeen, reemplazaron el silicio y el germanio utilizado en las primeras experiencias por una pequeña muestra disponible de germanio de tipo N de alta pureza y calidad, denominado "high-back voltage" de los tiempos de la guerra, proveniente de la Universidad de Purdue, que como vimos en el primer artículo de esta serie, se había optimizado durante el programa de radar por el grupo de investigación de Karl Lark-Horovitz.

Decidieron también sustituir el electrolito líquido por una fina capa de material aislante (GeO2) sobre la que iban a depositar un electrodo de oro. Esta estructura Au-GeO2-Ge debería haber funcionado como el electrodo de control de un MOSFET actual. Lo que descubrieron justo después es que Brattain había lavado la muestra antes de depositar el oro, proceso en el que ¡la capa de Geo2 desapareció! De manera que, sin saberlo inicialmente, habían fabricado un dispositivo con dos contactos Metal-Ge directamente (Au-Ge y W-Ge).

Al realizar las medidas, comprobaron otro asunto no previsto inicialmente: pensaron que, al aplicar una tensión negativa al electrodo de Au, se inyectarían electrones al semiconductor, que se recogerían en el electrodo de W que debería estar polarizado positivamente. Lo que observaron fue nuevamente que debían cambiar el signo de las polaridades para que funcionara, de manera que al aplicar una tensión positiva al electrodo de oro, se inyectaron huecos al Ge, que fluyeron hacia el otro electrodo, polarizado negativamente, actuando por tanto como sumidero de estos portadores de carga positiva. Al variar el voltaje en el electrodo de oro, se obtuvo una réplica amplificada de esa variación de tensión en el electrodo de tungsteno. Es decir, la idea de utilizar la estructura Au-GeO2-Ge como si fuera el electrodo de control de un MOSFET había fracasado. Tenían un amplificador, pero no funcionaba de acuerdo con lo que esperaban, el efecto campo.

El dispositivo previo al transistor, según se puede ver en la figura 11 de la charla de J. Bardeen de concesión del Premio Nobel de Física de 1956. En el pie de la figura daba una breve explicación de lo que estaba pasando

 

Era la primera vez que se observaba amplificación de tensión, aunque no de potencia. Brattain achacó esto al tamaño excesivo del electrodo de oro; para mejorar la eficiencia, necesitaba usar un segundo punto de contacto cerca del primero, es decir, hacer el contacto de oro también puntual, situado muy próximo al electrodo de tungsteno.

En el siguiente artículo, veremos los siguientes pasos que dieron Bardeen y Brattain, en los días inmediatamente posteriores, que ya fueron definitivos para obtener el transistor bipolar.

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[1] Explicado en términos algo técnicos, este hecho sugirió que los iones cargados del electrolito habían inducido una "capa de inversión" en la superficie de Ge, creando una capa de p-Ge. Es decir, el campo era tan fuerte como para hacer que la superficie fuera de tipo p (lo que sucede en una unión metal-semiconductor cuando la función de trabajo del metal es elevada. Como el Ge tiene un gap de energía prohibida menor que el silicio, es posible lograr la inversión con voltajes menores). Este detalle, bastante especializado, no es demasiado relevante para seguir la explicación del resto del artículo.