Semillero de la era digital: El Transistor y la microelectrónica de estado sólido (parte I)

Por: Hayah García || 

A partir de 1947 la electrónica inicia el tránsito a la frontera del estado sólido, dejando atrás años de uso de los llamados tubos al vacío. Es así como científicos de los Laboratorios Bell (actual AT&T) en medio de investigaciones sobre el uso de nuevos materiales semiconductores descubren cierta propiedad en minerales como el silicio (Si) de transportar pequeñas cargas eléctricas dado los enlaces covalentes que posee dicho material.

La electrónica es una rama de la física dedicada al estudio del flujo de los electrones y de partículas cargadas eléctricamente. El electrón en su concepto más sencillo es una partícula atómica que posee carga negativa y forman la corteza externa de los átomos, los cuales interactúan entre si para mantener las uniones moleculares.

Los investigadores utilizando la técnica del dopaje, que consistente en añadir impurezas de otros minerales de un grupo mayor o menor al del semiconductor a dopar, lograron crear uniones del tipo N (negativas) y P (positivas) observando en principio la existencia de un flujo eléctrico, efecto que posteriormente los llevaría a crear el primer Transistor, el cual pasaría a sustituir los tubos al vacío que hasta ese momento eran los componentes electrónicos utilizados en la construcción de radios, televisores, equipos de sonido y hasta computadoras. Estos componentes eran como una especia de bombillos incandescentes, con filamentos encapsulados en pequeños envases de vidrio con gases, que requerían de grandes voltajes para su funcionamiento y generaban altas temperaturas por lo que su tiempo de vida era muy reducido. Estas desventajas de los tubos al vacío fue el motivo principal que impulsó a los científicos para crear sustitutos más confiables, de menor costo y consumo eléctrico.

La invención del transistor (1947) estuvo marcada por varios hechos desde el equipo de investigadores del Laboratorio Bell donde estuvieron John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley y de forma aislada Julius Lilienfeld quien patentó un transistor previo a los diseñados por el trinomio de la Bell, quienes en 1956 fueron merecedores del Premio Nobel de Física por sus investigaciones sobre los semiconductores y por sus descubrimientos acerca del efecto transistor.

El transistor bipolar es un componente electrónico construido a base de Silicio. Posee tres contactos (denominados Emisor, Base y Colector) incrustados entre las uniones semiconductoras P-N-P o N-P-N. La denominación de bipolar se debe a que la conducción entre uniones tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos) entre ellas, lo que permite aumentar la corriente y bajar el voltaje, según sea la configuración que se le dé al transistor entre sus terminales.

El uso principal del transistor es como amplificador, pero también funciona como interruptor y es bajo esta forma que se recrean los unos y los ceros con los que trabaja la computadora, es decir dejando o no pasar la corriente eléctrica en un determinado momento, desde el punto de vista electrónico se trata de pasar de la región de corte del transistor a su región activa. Esta propiedad del transistor abrió las puertas a la electrónica digital que trabaja con dos estados lógicos: 1 y 0.

Con la ayuda de la lógica binaria, el álgebra de Boole (1854), los mapas de Karnaugh (1953) y la microelectrónica se desarrollan los primeros circuitos lógicos en estado sólido: compuertas AND, OR, NOT, NOR NAND, XOR, que constituyen la base de las máquinas electrónicas sumadoras que dan vida a las calculadoras. Gracias a los avances que ya se tenía con las computadoras con tubos al vacío (la ENIAC fue lanzada en 1946 y tenía 17468 tubos de vacío y podía resolver 5000 sumas o 300 multiplicaciones en 1 segundo) y la aparición de otros componentes electrónicos integrados fue sumamente rápido el desarrollo de nuevos y cada vez más pequeños equipos electrónicos entre la década del 60 y 70.

Es parte de la historia que luego de patentar el transistor Shockley funda su propia empresa “Shockley Semiconductores”, siendo la precursora del Valle de Silicio en los Estados Unidos, empresa que tuvo poco éxito en el desarrollo con semiconductores. Posteriormente, Robert Noyce y Gordon Moore tras su salida del equipo de científicos de Shockley Semiconductores crean en 1957 una de las empresas de semiconductoras más icónicas de la época: Fairchild Semiconductor, la cual años más tarde lanzaría casi simultánea con Texas Instruments (otra de las grandes empresas del mundo de la electrónica) al mercado el primer circuito integrado gracias a los avances de la microelectrónica, iniciando así la carrera por la miniaturización de un conjunto de componentes electrónicos dentro de una pequeña oblea de silicio, lo que abrió el paso al surgimiento de los microprocesadores, corazón de las Computadoras Personales (Personal Computer o PC en inglés). Lo curioso es que la dupla Noyce y Moore en 1968 serían los fundadores de Intel, hoy empresa líder en la fabricación de microchips y microprocesadores.

Los avances sucesivos a la invención del transistor y de la electrónica de estado sólido ha sido impresionante (tubos al vacío –> transistor –> micro chip –> micro procesadores) al punto que podemos tener hoy día computadoras portátiles y teléfonos capaces de realizar llamadas y de emular no solo una computadora, sino que además integran un conjunto de otros dispositivos electrónicos que nos han llevado a establecer la denominada frontera digital, donde hardware y software se unen en un pequeño dispositivo para brindar múltiples opciones de comunicación en varias dimensiones gracias a la conectividad en tiempo real y las redes comunicacionales que se han establecido alrededor del mundo.

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