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Tercer Milenio

75 años de la invención del transistor: el origen de una tecnología revolucionaria

En tan solo 75 años, se han llevado a cabo los cambios económicos, sociales y tecnológicos más importantes de la historia de la humanidad. El origen de esta revolución tecnológica de la información y la comunicación está en un dispositivo que actualmente es más pequeño que un virus: el transistor.

Primer transistor de la historia: Bell Labs (1947).
Primer transistor de la historia: Bell Labs (1947).
Bell Labs

En el primer minuto de lectura de este texto, se van a enviar alrededor de 50 millones de mensajes de WhatsApp, se subirán unas 65.000 fotos a Instagram o se visualizarán unos 167 millones de vídeos en TikTok. Por no hablar de los casi 2 millones de euros que se habrán gastado en compras ‘online’. Todo en 60 segundos. Sin duda estamos en la sociedad de la comunicación digital. La historia de la humanidad podría explicarse con base en las revoluciones en la comunicación que, como humanos, hemos tenido.

Si en el siglo XIX tuvo lugar la Revolución Industrial con el acero como materia prima y la industria pesada como protagonistas, en el siglo XX sucedió la Revolución Electrónica, con el silicio como principal materia prima y la industria de los semiconductores como protagonistas. Actualmente estamos inmersos en la transformación de una sociedad industrial por una sociedad de la información, en lo que se ha denominado como la Revolución Tecnológica de la Información y la Comunicación. Entre las tecnologías que han hecho posible esta nueva era están la microelectrónica, los nuevos materiales, la bioingeniería y la informática. El big bang de esta revolución social ha sido el desarrollo de la microelectrónica, proporcionándonos día a día circuitos integrados más pequeños, más baratos, más rápidos y con mejores prestaciones.

El origen

La microelectrónica tiene su origen en el descubrimiento del primer amplificador de estado sólido, el transistor de puntas de contacto. A la gran invención científica que resultó el descubrimiento del transistor le siguió la invención tecnológica del circuito integrado. El impacto sobre la industria electrónica fue aún mayor que la invención científica del transistor.

El transistor surgió de la necesidad de sustituir las válvulas de vacío –que, a pesar de sus limitaciones, permitieron el diseño de los primeros equipos propiamente electrónicos– por un dispositivo que tuviera una vida media superior y un coste, tamaño y consumo mucho menores, manteniendo las funciones que realizaban las válvulas de vacío: interrupción, rectificación y amplificación de señal. Esto exigía la concepción de un dispositivo radicalmente distinto, cuyo desarrollo conseguiría equipos electrónicos fiables en el ámbito de las comunicaciones y el tratamiento de datos.

Como ejemplo paradigmático de esos primeros ordenadores está el ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). Este ordenador totalmente digital fue construido en la Universidad de Pensilvania en 1946. Ocupaba una superficie de 167 m², operaba con un total de más de 17.000 válvulas que le permitían realizar 5.000 sumas y 300 multiplicaciones por segundo con un consumo de 150 kW de potencia. Pesaba 27 toneladas, elevaba la temperatura del local a 50 grados y para programar las diferentes operaciones era preciso cambiar, conectar y reconectar los cables manualmente. Unas cifras estratosféricas si las comparamos con los ordenadores personales y tablets actuales.

El transistor nació, junto con otros grandes descubrimientos, en los Laboratorios Bell, centro de investigación creado en 1924 y donde ya se había trabajado en el desarrollo del diodo de semiconductor (fruto de los avances del radar en la II Guerra Mundial). De sus laboratorios han salido más de 30.000 patentes, ocho premios Nobel y mucha de la tecnología que hace posible nuestra vida tal y como la entendemos hoy. Por los pasillos de los Laboratorios Bell han pasado investigadores como Claude Shannon, uno de los padres de la teoría de la información, el Nobel de Física Clinton Davisson, los inventores del transistor o Russell Ohl, que patentó la primera célula fotovoltaica.

A mediados de la década de 1940, el entonces director de investigación de los Laboratorios Bell, Mervin J. Kelly, se dio cuenta de que el trabajo futuro requería un detallado conocimiento de la física de semiconductores. Mervin J. Kelly tomó una serie de decisiones que resultaron trascendentes no solo para el futuro de los Laboratorios Bell, sino para el de la sociedad en su conjunto. 

En 1945 creó el Grupo de Semiconductores con un conjunto de físicos y químicos brillantes: Brattain, Pearson, Moore, Gibney y Bardeen, dirigidos por Willan Shockley. Su objetivo: investigar los fenómenos de conducción eléctrica en semiconductores para poder desarrollar un amplificador que revolucionara los campos de las microondas y de la radio. Se limitó el estudio al silicio y al germanio como materiales base, y se retomó la idea patentada en 1926 por Julius Edgar Lilienfield en el que un electrodo de control podría regular el flujo de corriente mediante el cambio del número de portadores que fluyen. 

La combinación perfecta de estos factores, fruto de la visión de Mervin al crear un verdadero programa de I+D, culminó en el ‘mes del milagro’: el 16 de diciembre de 1947, Brittain y Bardeen pusieron a punto el primer amplificador de estado sólido, el transistor de puntas de contacto. Había empezado la era de la microelectrónica.

De izquierda a derecha, John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain, en una imagen tomada en 1948.
De izquierda a derecha, John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain, en una imagen tomada en 1948.
Jack St. / AT&T

Pero la carrera no había hecho más que comenzar. Shockley, que no participó activamente en la invención del transistor de puntas de contacto, se dio cuenta de que era muy difícil de controlar el espacio de los electrodos y no creía que ese dispositivo fuera la solución definitiva. Pasó esa Nochevieja de 1947 y los dos días siguientes en un hotel de Chicago (había ido allí a una reunión de la Physical Society) trabajando en algunas ideas para un nuevo transistor que pudiera mejorar los resultados de Bardeen y Brittain. Esta conducta no era extraña en él, una mente brillante con un carácter difícil que traería sorprendentes consecuencias.

Sándwich de semiconductores

Una de las ideas fue construir un sándwich de semiconductores: tres capas apiladas juntas podrían trabajar como un tubo de vacío con la capa intermedia controlando el paso o no de corriente. En enero de 1948 tuvo una idea que mejoraba su concepción de transistor de tres capas que había postulado en Nochevieja en Chicago. Las partes de las capas externas podrían ser semiconductores con muchos electrones, mientras que la del medio tendría muy pocos electrones. Esta capa actuaría como la llave de un grifo, controlando la corriente con una tensión eléctrica. 

La física detrás de este amplificador era muy diferente a la del transistor de puntas de contacto, ya que la corriente fluía a través de las piezas de semiconductor, no en la superficie. Acaba de concebir el transistor bipolar de unión. En 1956 se les concedió a Shockley, Bardeen y Brattain el Premio Nobel de Física por sus investigaciones sobre los semiconductores y por sus descubrimientos acerca del efecto transistor.

El primer transistor bipolar de unión fue construido en 1951, dos años después de que Shockley formulara la teoría del dispositivo. Curiosamente dicha teoría no fue inicialmente aceptada para su publicación en ‘Physical Review’. Transcurrieron varios años antes de que la industria electrónica aceptase la utilización de este nuevo dispositivo en sus productos. Varias causas contribuyeron: deficiencias iniciales en la fabricación, así como la necesidad de reciclaje de los diseñadores. Conscientes de ello, y para colaborar en su difusión, se realizó un Symposium patrocinado por el Institute of Radio Engineers en 1952. En dicha reunión se revelaron los procesos de construcción del transistor de puntas de contacto, así como los progresos realizados con el de unión. Asistieron unas 35 compañías y todas obtuvieron la licencia de explotación.

El comienzo de la producción comercial de transistores bipolares permitió sustituir a las válvulas en los receptores de radio. Después de varios prototipos, el primer receptor que solo empleaba transistores, el Regency TR-1, comenzó a comercializarse en 1954. Este cambio tecnológico permitió que estos receptores fueran más pequeños y funcionaran a pilas. Su éxito fue enorme; tanto, que para mucha gente ‘transistor’ sigue siendo sinónimo de radio portátil.

‘Los ocho traidores’ de Silicon Valley

W. Shockley decidió marcharse de Bell Labs en 1953 y regresó al lugar donde había crecido, en Palo Alto, California, cerca de la Universidad de Stanford, y en 1955, fundó una división de semiconductores, Shockley Semiconductors Laboratory, en lo que hoy conocemos como Silicon Valley, con el capital de la empresa de un amigo suyo. A la hora de formar el equipo de trabajo, trató de reclutar sin éxito a antiguos compañeros de trabajo. Ninguno quiso acompañarle en su aventura, así que decidió recorrer el ámbito universitario en busca de los más prometedores estudiantes. Shockley, que gozaba de un enorme prestigio, logró reunir un auténtico ‘dream team‘ de ingenieros, físicos y químicos jóvenes y talentosos, como Julius Blank, Victor Grinich, Jean Hoerni, Eugene Kleiner, Jay Last, Gordon Moore, Robert Noyce y Sheldon Roberts.

Los problemas a la hora de trabajar fueron numerosos y se sucedieron en poco tiempo, llevando a un grupo de colaboradores a replantearse su pertenencia a la compañía. La ruptura se hizo real a mediados del año 1957, cuando ocho de los trabajadores de la empresa abandonaron a W. Shockley para buscar su propio camino de la mano de Sherman Fairchild, gracias al cual crearon su propio laboratorio de semiconductores, Fairchild Semiconductor. La nueva compañía se convirtió muy pronto en un líder de la industria de los semiconductores y sería la primera de un buen número de empresas del sector que se establecerían en lo que acabó conociéndose como Silicon Valley. 

Hablar de los inicios de Silicon Valley es hacerlo de este grupo de hombres con un peculiar sobrenombre. Son conocidos como ‘los ocho traidores’, y son en buena parte responsables de la creación de ese enclave de la tecnología y la computación. Entre ellos se contaban Robert Noyce, uno de los inventores del primer circuito integrado junto a Jack Kilby (Texas Instruments) y Gordon Moore, que acuñaría la ley que lleva su apellido, en la que predijo que el número máximo de transistores por circuito integrado se duplica cada 18 meses, todos ellos galardonados con el premio Nobel de Física en años posteriores.

Todo (o casi todo) viene de Fairchild

A la gran invención científica que supuso el descubrimiento del transistor le siguió la invención tecnológica del circuito integrado. En 1958 Hoerni inventa la técnica para difundir impurezas en el silicio y construir transistores en tecnología planar. Un año después, Noyce desarrolla el primer circuito integrado utilizando esta técnica. Había terminado de nacer la microelectrónica. Gracias al método propuesto por Noyce, Fairchild pasó de facturar unos pocos miles de dólares en sus inicios a más de 130 millones, alcanzando los 12.000 empleados. Gracias a la tecnología del silicio se contribuyó a uno de los mayores hitos tecnológicos de la historia de la humanidad: el vuelo del Apollo 8. 

Si el valor que creó Fairchild se midiera en dólares de hoy en día, la empresa podría ser la primera ‘startup’ de más de un millón de millones del mundo (Endeavor Insights). El rastro de Fairchild, la compañía que sacó al mercado el primer chip, puede seguirse hasta la práctica totalidad de los gigantes actuales de la tecnología: Apple, Google, Twitter, Amazon… Aquellos ocho pioneros sentaron las bases, formaron a los ingenieros y aportaron la financiación necesaria para prender la mecha que desembocó, décadas más tarde, en el ‘boom’ de la informática, el de internet e incluso el de las redes sociales.

Fue en el año 1968 cuando Moore y Noyce decidieron emprender una nueva aventura empresarial y fundaron la compañía Integrated Electronics, Intel. Recorrer la evolución de la microelectrónica es hacerlo a través de los grandes hitos de Intel. 

En 1971 se creaba en su seno otro invento crucial: nacía el microprocesador 4004 (i4004), el primer microprocesador en un solo chip, así como el primero disponible comercialmente. Tenía 2.300 transistores en una tecnología de 10 micras (10 millonésimas de metro) y su objetivo era reunir en un microprocesador todos los elementos necesarios para crear un ordenador, a excepción de los dispositivos de entrada y salida (teclado, pantalla, impresora, etc.), imposibles de miniaturizar. Este hecho marcó el comienzo de una revolución digital cuya influencia está presente en prácticamente la totalidad de los aspectos de nuestra vida.

El gigante taiwanés TSMC celebra el lanzamiento de la producción en masa de sus chips de 3 nanómetros más avanzados.
El gigante taiwanés TSMC celebra el lanzamiento de la producción en masa de sus chips de 3 nanómetros más avanzados.
Ann Wang / Reuters

Ha sido necesario un avance continuo en las tecnologías de integración desde el primer circuito integrado para llegar a los sistemas actuales con la fabricación de chips con miles de millones de componentes del tamaño de un virus. Esto ha llevado en las últimas décadas a la irrupción en nuestra vida de dispositivos a través de los cuales nos informamos, trabajamos, entretenemos y relacionamos con otras personas. Los actuales teléfonos móviles contienen en un único chip la mayoría de los sistemas que componen un ordenador: almacenamiento, procesado de imagen, procesado de datos, etc. fabricados con tecnología de 5 nm, es decir, que podríamos colocar más de 5.000 transistores en un cabello humano, y va más allá de todo lo conocido hasta la fecha y permite efectuar 26 TOPS (tera operaciones por segundo; es decir 26 billones de operaciones por segundo).

Los avances en la fabricación de circuitos integrados han desarrollado hasta tal punto la tecnología del silicio que ya no solo es exclusiva en el ámbito de la electrónica, sino en la fabricación de nanosistemas electromecánicos de gran precisión para nuevas aplicaciones. El uso de nuevos materiales para hacer estructuras de escala nanométrica diseñados para interactuar con los sistemas biológicos está abriendo un nuevo campo de la nanotecnología que promete avances en el control biológico y aplicaciones médicas.

Quedan todavía muchos retos por alcanzar en la tecnología del silicio, una tecnología consolidada y todavía imbatible en comparación con otras alternativas, y que ha sido y es fuente de continuos hitos tecnológicos y sociales. Y en el corazón de todos estos dispositivos, el transistor.

Concepción Aldea Catedrática de Electrónica de la Universidad de Zaragoza

Carlos Sánchez Azqueta Profesor contratado doctor en Física Aplicada en la Universidad de Zaragoza

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