Transistor

Un transistor es una pequeña pieza de semiconductor en la que una corriente o una tensión débil controla una corriente mucho más fuerte, de modo que puede amplificar una señal o hacer de interruptor. John Bardeen y Walter Brattain fabricaron el primero en los Bell Labs en diciembre de 1947, y hoy un chip contiene miles de millones.

Qué es

Un transistor es una válvula de corriente eléctrica sin piezas móviles. Una pequeña corriente o tensión aplicada a un terminal controla una corriente mucho mayor entre los otros dos. Polarizado con una corriente o una tensión continua adecuada, reproduce una señal débil con mayor amplitud: eso es amplificar, lo que hace en una radio o un audífono. Conmutado entre plena conducción y bloqueo, funciona como interruptor, y un ordenador está hecho de miles de millones de esos interruptores.

A la izquierda, la lámina muestra el primer transistor, el dispositivo de contacto puntual que Bardeen y Brattain construyeron en 1947: una placa de germanio sobre una base metálica, contra la que un muelle aprieta una cuña de plástico. Una tira de lámina de oro pasa por la punta de la cuña y está cortada con una cuchilla, de modo que dos contactos de oro tocan el germanio a una fracción de milímetro uno del otro. A la derecha, un transistor de unión de los años cincuenta en su pequeña cápsula metálica, con tres terminales de alambre.

Cómo funciona

Los transistores se fabrican con semiconductores como el germanio o el silicio. Un cristal puro de estos elementos conduce mal. Una traza mínima de otro elemento, añadida mediante el dopado, eleva mucho su conductividad. El fósforo o el arsénico aportan electrones de sobra al cristal, y se obtiene material de tipo n. El boro o el galio dejan huecos que se comportan como cargas positivas, y se obtiene material de tipo p.

Antes de 1950 la válvula de vacío hacía el mismo trabajo, pero necesitaba un filamento caliente, una ampolla de vidrio y mucha más energía.

Donde se encuentran un material p y uno n se forma una unión que deja pasar la corriente con facilidad en un solo sentido. Un transistor de unión apila tres capas, n-p-n o p-n-p, llamadas emisor, base y colector. La base es muy delgada. En un transistor n-p-n, una pequeña corriente que entra por la base deja pasar del colector al emisor una corriente mucho mayor, a menudo cien veces mayor o más. En un transistor p-n-p todos los sentidos se invierten.

La mayoría de los transistores actuales son transistores de efecto de campo (MOSFET). En ellos, una tensión aplicada a una puerta, aislada del silicio por una fina capa de óxido, abre o cierra un estrecho canal conductor justo debajo. Mientras la puerta mantiene su estado, apenas entra corriente en ella. En los circuitos CMOS de los chips, un transistor consume sobre todo al conmutar, y esa es una de las razones por las que caben miles de millones en un solo chip.

Cómo construirlo

Los transistores modernos salen de fábricas que necesitan silicio ultrapuro, salas blancas y máquinas que valen miles de millones. Lo que sigue es un repaso histórico de cómo se fabricaron los primeros, en el orden que seguiría un taller de reconstrucción: primero un detector de punta, luego un transistor de contacto puntual y solo después las uniones. No es una receta; quien quiera ver un transistor en acción debería usar uno comercial en un circuito de baja tensión.

Conseguir un cristal adecuado. Los dispositivos de contacto puntual necesitan un trozo de germanio de tipo n bastante puro. En los años cuarenta procedía de las investigaciones de guerra sobre detectores de radar. La galena (sulfuro de plomo), el cristal con «bigote de gato» de las primeras radios, solo da un diodo detector rudimentario.

Preparar la superficie. Se pule plana y luego se decapa, porque el comportamiento de los contactos depende de ella. Este paso emplea ácidos fuertes y corresponde a un laboratorio bien equipado.

Hacer los contactos. Dos puntas metálicas finas, o una lámina de oro cortada sobre una cuña de plástico como en 1947, deben tocar el cristal muy juntas. Un muelle las mantiene con una presión ligera y constante. La cara inferior del cristal se suelda a un bloque metálico que forma el tercer terminal.

Formar y probar. Los primeros fabricantes «formaban» el contacto del colector haciendo pasar por él breves impulsos de corriente, lo que mejoraba la ganancia, y después medían cada transistor. Muchos fallaban, y solo se conservaban los que superaban las pruebas.

Pasar a las uniones. Los transistores de unión crecida necesitan cristales estirados desde un baño fundido con dopado controlado, lo que exige un horno con regulación fina de temperatura y atmósfera inerte. Los transistores de unión aleada, fabricados desde principios de los años cincuenta, se hacían de otra forma: se fundían pequeñas bolitas de indio sobre las dos caras de una fina oblea de germanio. Ambos son procesos industriales.

Seguridad. Los ácidos de decapado queman la piel y los ojos; el ácido fluorhídrico, que se usa para decapar el silicio, puede envenenar el organismo a través de la piel, con síntomas retardados, incluso por una pequeña salpicadura, y debe dejarse en manos de especialistas. No hay que respirar el polvo de germanio ni de silicio. El soldador quema, y el estaño de soldar antiguo contiene plomo. Pruebe los circuitos a baja tensión; la corriente de la red puede matar.

Historia y evolución

La Regency TR-1 de 1954 solo necesitaba cuatro transistores.

Desde los años veinte, los ingenieros buscaban un sustituto sólido de la válvula de vacío. Julius Lilienfeld solicitó en 1925 una patente para un dispositivo de efecto de campo, pero no consta ningún prototipo que funcionara. Tras la Segunda Guerra Mundial, los Bell Labs crearon un grupo de física del estado sólido dirigido por William Shockley para encontrar un amplificador para la red telefónica. El diseño de efecto de campo de Shockley no funcionó. John Bardeen atribuyó el fallo a electrones atrapados en la superficie del cristal, y él y Walter Brattain probaron entonces a hacer pasar la corriente por contactos puntuales.

El 16 de diciembre de 1947 su montaje amplificó una señal. Una semana después se lo mostraron a la dirección de los Bell Labs. La empresa anunció el invento en Nueva York el 30 de junio de 1948, y el ingeniero John Pierce acuñó el nombre de «transistor». Ese mismo año, en París, Herbert Mataré y Heinrich Welker construyeron por su cuenta un dispositivo parecido, al que llamaron «transistrón».

Un circuito integrado reúne muchos transistores y sus conexiones en una sola pieza de silicio.

Los transistores de contacto puntual eran frágiles. En enero de 1948 Shockley concibió el transistor de unión, que los Bell Labs pudieron producir a partir de 1951. La radio de bolsillo Regency TR-1, de 1954, usaba cuatro transistores de germanio de Texas Instruments y vendió más de 100.000 unidades. Después, el silicio, que soporta mejor el calor, sustituyó al germanio.

En 1958 Jack Kilby, en Texas Instruments, construyó el primer circuito integrado sobre una pequeña barra de germanio. Mohamed Atalla y Dawon Kahng presentaron el transistor MOS en los Bell Labs en 1960. Bardeen, Brattain y Shockley compartieron el Premio Nobel de Física de 1956. Desde entonces los transistores no han dejado de encogerse, y el transistor MOS es hoy el objeto fabricado en mayor número de la historia.