A lo largo de la historia de la humanidad, varios hitos tecnológicos redefinieron nuestro progreso: la Revolución Agrícola, la Revolución Industrial y el descubrimiento de la electricidad. Algunos inventos cambiaron el mundo: el generador eléctrico de CC, la bombilla eléctrica, el teléfono, el hormigón, los motores o generadores de CA, los aviones, los trenes, los automóviles, los rayos X y la penicilina.
Cuando se compilan estas listas, a menudo se pasa por alto una invención: la invención del transistor. Este artículo analiza la historia de los transistores y destaca la importancia de esta tecnología en el mundo moderno.
¿Qué es un transistor?
En su forma más simple, un transistor es un pequeño interruptor basado en semiconductores que funciona como un interruptor de luz estándar. Los transistores regulan o controlan el flujo de corriente o tensión a nivel microscópico. Los transistores modernos constan de tres conductores eléctricos: la fuente, el drenaje y la compuerta. Cuando se aplica una pequeña señal eléctrica a la compuerta del transistor, se permite que la señal eléctrica primaria más grande pase por el drenaje.
Varias configuraciones modernas permiten aplicar diferentes tensiones primarias y secundarias a estos conductores, lo que a menudo constituye una función de los materiales semiconductores utilizados. Por ejemplo, los transistores de efecto de campo por semiconductor de óxido metálico estándares basados en silicio (MOSFET) requieren 1000mm*Rds(on) con 5 V de tensión de compuerta y una tensión de drenaje a fuente de 200, mientras que los semiconductores de nitruro de galio solo necesitan 60mm*Rds(on) con las mismas tensiones (una reducción de 16x).
¿Cómo se usan los transistores?
Los transistores se utilizan en casi todos los dispositivos electrónicos modernos. Son la base de los circuitos integrados (IC), los microchips, los microprocesadores, las FPGA, los chips de memoria, los conmutadores electrónicos, las fuentes de alimentación y mucho más. Como resultado, casi todos los dispositivos electrónicos modernos constan, al menos, de un transistor o de millones de ellos.
Por ejemplo, un adaptador de carga estándar para un iPhone de Apple consta de un único transistor de conmutación MOSFET de alta frecuencia y un solo transformador de retorno. Estos dos transformadores funcionan juntos, entre muchos otros componentes pasivos, para tomar un amplio rango de energía de CA de entrada “sucia” y convertirla en tensiones de salida de CC “limpias” y bien filtradas que se usan para cargar un iPhone.
Una computadora personal moderna está compuesta por miles de millones de transistores. Por ejemplo, una laptop Dell XPS 15 utiliza un procesador Intel® Core™ i9-12900HK de 12.ª generación como su unidad de procesamiento central (CPU) principal. Si bien Intel ya no revela su recuento total de transistores, una CPU Apple M1 Max consta de 57 000 millones de transistores. En las computadoras para procesamiento de gráficos profesionales que utilizan CPU y GPU, el número total de transistores puede superar los cientos de miles de millones.
Una breve historia de los transistores
La base conceptual de los transistores tiene sus raíces en las válvulas termoiónicas, inventadas en 1907 y utilizadas principalmente en radios, televisores, radares y comunicaciones de larga distancia. Estos amplificadores de tubos de vacío consumían mucha energía, eran sumamente costosos de fabricar, podían ser muy grandes y pesados y, además, eran muy frágiles.
Las válvulas termoiónicas empleaban una señal de entrada para controlar el flujo de corriente eléctrica entre los electrodos. Para funcionar, las válvulas requerían un filamento calentado en vacío, lo que consumía energía adicional y las hacía propensas a fallas catastróficas.
Los transistores de efecto de campo de estado sólido fueron patentados por primera vez por el físico Julius Edgar Lilienfeld en 1925 en Canadá y, posteriormente, en 1926 y 1928 en los Estados Unidos. Estas patentes identificaron los principios de los transistores de estado sólido y su uso como una solución alternativa a las válvulas termoiónicas, pero el crédito de Lilienfeld como el abuelo de la tecnología de transistores terminó allí. En la década de 1920, aún no se había inventado la capacidad para fabricar los materiales semiconductores de alta calidad necesarios para construir los conceptos de Lilienfeld.
El primer transistor funcional, el transistor de contacto puntual, fue inventado en 1947 por los físicos estadounidenses John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley en Bell Labs. Su investigación original sobre el comportamiento de los semiconductores estaba tangencialmente relacionada con los conceptos descritos en el trabajo de Lilienfeld, pero sus intentos fallidos por construir transistores de efecto de campo (FETS) los llevaron al descubrimiento y la invención de los transistores bipolares de unión y de contacto puntual. Shockley presentó la patente estadounidense para la primera tecnología de transistores bipolares de unión en junio de 1948.
Curiosamente, los físicos alemanes Herbert Matare y Heinrich Welker, que trabajaban para una subsidiaria de Westinghouse en París, estaban investigando temas muy similares a principios de 1948. Tras sus descubrimientos posteriores y, al darse cuenta de que estaban compitiendo con el equipo de Shockley en la investigación de transistores, presentaron su primera patente para transistores el 13 de agosto de 1948 en Francia.
A principios de la década de 1950, los transistores ya se producían a pequeña escala para su empleo en comunicaciones por radio. Y a mediados de la década de 1950, surgieron varios descubrimientos y productos emblemáticos:
- Bell Labs desarrolló el primer transistor de silicio en funcionamiento el 26 de enero de 1954.
- Texas Instruments creó el primer transistor de silicio comercial hacia finales de 1954.
- La primera radio a transistores, la Regency TR-1, se presentó en octubre de 1954.
- La primera producción de radios de transistores para automóviles fue desarrollada por Chrysler y Philco, y se presentó el 28 de abril de 1955.
- La primera radio a transistores producida en masa, la Sony TR-63, se presentó en 1957 y vendió siete millones de unidades, lo que condujo a la adopción masiva estas radios en el mercado a fines de la década de 1950 y principios de la década de 1960.
Para la década de 1960, la tecnología de transistores se había convertido en una fuerza tecnológica dominante y las válvulas termoiónicas pronto quedaron obsoletas. En 1965, Gordon Moore, el fundador de Fairchild Semiconductor e Intel, predijo que la cantidad de transistores en microchips se duplicaría cada dos años. La Ley de Moore define una relación logarítmica lineal de esta densidad de transistores a lo largo del tiempo. En 1970, los circuitos integrados tenían alrededor de 2000 transistores. Para 2020, los circuitos integrados de última generación tenían más de 10 000 millones.
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La magnitud global de los transistores
En menos de una década de su creación, el transistor revolucionó la electrónica moderna y los institutos de investigación. Los físicos de todo el mundo asistieron furiosos al descubrimiento del potencial de la tecnología de transistores.
William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain de Bell Labs recibieron el Premio Nobel de Física en 1956 “por su investigación en semiconductores y su descubrimiento del efecto transistor”. Si bien este premio representa un gran reconocimiento, el impacto en la humanidad y en la tecnología futura fue mucho más significativo.
Los transistores se han convertido en la base de casi todos los dispositivos electrónicos, los sistemas eléctricos y las industrias del planeta. En 2022, se espera que la industria mundial de chips de semiconductores supere los 600 000 millones de dólares.
Ya sea un controlador de tráfico aéreo en Australia, un banquero en Bélgica, un vendedor de automóviles en Canadá, un educador en Egipto, un agricultor en Francia, un inversionista de valores en Singapur o un jugador de videojuegos en Venezuela, utiliza la tecnología de transistores en su vida cotidiana. La invención del transistor puede ser la invención más importante del siglo XX. Sin transistores, las tecnologías fundamentales comunes, como Internet, los teléfonos celulares, la medicina moderna y el transporte actual, nunca habrían existido.
