Un poco de ciencia, por favor

75 años del transistor, la invención más importante del siglo XX (4). Llega el transistor

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

Imagen real del dispositivo que construyeron Bardeen y Brattain en diciembre de 1947

 

Tras lograr un dispositivo amplificador, tal y como vimos en el artículo anterior de esta serie, Bardeen y Brattain se plantearon el siguiente paso: eliminar el dieléctrico líquido que habían utilizado para neutralizar los efectos perjudiciales de la superficie del semiconductor (Ge) sobre el que habían fabricado ese amplificador. La idea era mejorar la respuesta en frecuencia del dispositivo. Siguieron usando el Ge que les había cedido el grupo de Karl-Lark Horowitz de la Universidad de Purdue, ya que se podían hacer mejores contactos que sobre el silicio o el germanio ordinarios. El germanio se había utilizado mucho durante la guerra en detectores de alta frecuencia, mientras que el silicio había encontrado menos usos, aunque reconocían que podría ser "una cosa del futuro". ¡Desde luego que lo fue!

Los acontecimientos esenciales durante la segunda quincena de diciembre fueron los que describo a continuación. Los detalles más técnicos del funcionamiento del transistor los incluyo en notas al final del artículo para aquellos lectores que estén interesados en conocerlos. Pueden pasarse por alto sin perder el hilo conductor del relato.

15 de diciembre. Bardeen sugirió que la deseada amplificación en tensión ocurriría si los dos contactos puntuales (pensando todavía que uno de ellos actuaría como rejilla y el otro como ánodo, a semejanza del triodo) pudieran estar muy próximos, separados únicamente por unas pocas micras. Aquí intervino la extraordinaria habilidad de Brattain como científico experimental para fabricarlo: logró hacer los contactos con la separación deseada envolviendo un trozo de lámina de oro alrededor del borde de una cuña triangular de poliestireno, un material aislante y cortando la lámina con cuidado en ese borde mediante una cuchilla de afeitar, lo que permitió tener una separación entre ambos contactos de ~ 50 µm. Luego presionó la cuña con los dos contactos de oro estrechamente espaciados sobre la superficie del germanio usando un resorte improvisado mediante un clip sujetapapeles (más casero no podía ser el artilugio). En las primeras pruebas, realizadas el 16 de diciembre, el dispositivo funcionó como se esperaba: logró ganancias tanto de tensión como de corriente y por lo tanto, de potencia a frecuencias de hasta 1 kHz. Finalmente, ¡había nacido el transistor!, aunque en esos días el dispositivo todavía no tenía nombre. En el siguiente artículo de esta serie veremos a qué obedece esa denominación.

23 de diciembre. El dispositivo se mostró oficialmente a los ejecutivos de Bell Labs, para lo que se insertó en un circuito que les permitió escuchar una voz amplificada en un par de auriculares. La imagen que abre este artículo es ese dispositivo, cuyo esquema se muestra en la siguiente imagen:

Sección transversal del dispositivo construido por Brattain

 

24 de diciembre. Bardeen dio una explicación más detallada del funcionamiento del dispositivo en su cuaderno de laboratorio:

Se han observado ganancias de voltaje de hasta aproximadamente 100 y ganancias de potencia de hasta aproximadamente 40. Se cree que la explicación es la siguiente. Cuando A [el contacto de emisor] es positivo, se emiten huecos en el semiconductor. Estos se difunden por la capa delgada de tipo P [1]. Los que se acercan a B [el contacto de colector] son atraídos y entran en el electrodo. Así, A actúa como un cátodo y B como una placa (ánodo) en analogía con una válvula de vacío. La tierra [la base de Ge] corresponde a la rejilla, por lo que la acción es similar a la de una válvula con la rejilla conectada a tierra. La señal se introduce entre A (el cátodo) y tierra (rejilla puesta a tierra). La salida está entre B (la placa o ánodo) y tierra. Los signos de los potenciales se invierten respecto de los de una válvula de vacío porque la conducción es por huecos (carga positiva) en lugar de electrones (carga negativa). La analogía fue sugerida por W. Shockley.

 

Izquierda: el cuaderno de laboratorio de Brattain, en una entrada del 16 de diciembre de 1947, en el que detalla cómo fabricó el transistor de puntas de contacto. Derecha: el cuaderno de laboratorio de Bardeen, en una entrada del 24 de diciembre de 1947, donde explica el principio de funcionamiento del dispositivo, que está recogido en el párrafo precedente

 

Los resultados se patentaron y publicaron posteriormente [2]. En ellos, siguiendo los comentarios de Bardeen reflejados en el párrafo precedente, los autores introdujeron el concepto clave de inyección de minoritarios, aunque no queda claro si la idea era suya o de Shockley, quien en enero de 1948 ya estaba convencido de la importancia del papel que juegan estos portadores en el funcionamiento del dispositivo [3].

Dos páginas del cuaderno de laboratorio de W. Brattain fechadas el 24 de diciembre de 1947, donde anotó todos los aspectos constructivos y los resultados obtenidos en las pruebas realizadas sobre el dispositivo

 

En el verano del año siguiente, finalmente se patentó el dispositivo, cuya figura esencial se muestra en la siguiente imagen:

La figura principal de la patente del transistor de puntas de contacto

 

Se tiene la idea de que los "cerebros" del grupo eran Bardeen y Shockley, mientras que Brattain jugaba un papel secundario, lo que no es en absoluto cierto, ya que Brattain no solo era un excelente científico experimental, sino que también conocía en profundidad la física de los semiconductores, tal y como se muestra en este vídeo, donde podemos verle dando una clase introductoria a la física de estos materiales, que es una verdadera joya de la historia de la ciencia:

En el siguiente artículo mostraré los pasos seguidos por Shockley hasta lograr fabricar el denominado "transistor de unión". También veremos cómo tuvo lugar la presentación oficial del dispositivo.

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[1] A sugerencia de R. Gibney, la muestra de n-Ge utilizada se había sometido previamente a un tratamiento químico de su superficie a resultas del que se formaba una capa de inversión de tipo p. Según Bardeen, los huecos inyectados por el emisor se difundian a través de esta capa hasta llegar al otro contacto, el de colector. No obstante, en los artículos que publicaron posteriormente, dejaron abierta la posibilidad de que esos huecos se podían haber difundido también como portadores minoritarios a través del sustrato de tipo n.

[2] Los resultados relevantes del funcionamiento del dispositivo se publicaron en dos artículos cortos en la revista Physical Review: J. Bardeen and W. H. Brattain, "The Transistor, A Semi-Conductor Triode" Phys. Rev. 74, 230 (1948), DOI: 10.1103/PhysRev.74.230; W. H. Brattain and J. Bardeen, "Nature of the Forward Current in Germanium Point Contacts", Phys. Rev. 74, 231 (1948), DOI: 10.1103/PhysRev.74.231.

[3] Según explicaron posteriormente Bardeen y Brattain: "Creemos que hay una fina capa junto a la superficie de conductividad de tipo P. Como resultado, la corriente en la dirección de avance con respecto al bloque se compone en gran parte de huecos, es decir, de portadores de signo contrario a los que normalmente están en exceso en el cuerpo del bloque, que es n-Ge". Las palabras "en gran parte" son extremadamente importantes: "Una gran parte de la corriente fluye a través de la capa conductora de tipo p en la superficie". En otras palabras, no excluían que pudiera haber transporte de huecos a través del bloque n-Ge como portadores minoritarios. De hecho, de algunos cálculos que se hacen en el primero de los artículos mencionados en la nota anterior, se deduce que en su dispositivo una fracción del transporte de portadores minoritarios es simultáneo con el transporte en la capa tipo p de inversión en la superficie. En otras palabras, los huecos introducidos desde el emisor podrían fluir también como portadores minoritarios a través del n-Ge. En un análisis posterior, se ha especulado con que la muestra que utilizaron Bardeen y Brattain no solo era de n-Ge, sino que no tenía la capa de inversión superficial de tipo p y, por consiguiente, la corriente de huecos a través del cuerpo del germanio de tipo n (minoritarios, por lo tanto) era mucho más importante que lo que habían sugerido en sus artículos de 1948.