Al leer mi reciente blog de @CHM «¿Quién inventó el diodo?» el conservador jefe del CHM, Dag Spicer, me señaló un fascinante tratado académico, «Singletons and Multiples in Scientific Discovery: Un capítulo de la sociología de la ciencia», que describe cómo los descubrimientos múltiples e independientes de los fenómenos científicos son la norma y no la excepción. El autor, Robert K. Merton, se remonta a esta idea hasta el filósofo, estadista y científico isabelino Sir Francis Bacon.
Merton también parafrasea la observación de Bacon de que «una vez que se sigue el camino correcto, surgirán descubrimientos en número ilimitado a partir del creciente acervo de conocimientos». Esta pauta se hizo patente en la historia del diodo. Y como se describe en este blog, se repitió en el desarrollo del siguiente gran salto en los dispositivos semiconductores, el transistor.
A principios del siglo pasado los científicos sabían cómo hacer un diodo de dos terminales colocando una sonda metálica afilada en contacto con un cristal semiconductor. Estos diodos de contacto puntual podían convertir una señal oscilante en una señal fija y se utilizaron ampliamente como detectores en receptores de radio de cristal. En la década de 1920 los inventores empezaron a investigar el uso de semiconductores para amplificar y conmutar señales.
Los primeros amplificadores de semiconductores
Oleg V. Losev (1903 – 1942)
El físico austrohúngaro Julius E. Lilienfeld se trasladó a Estados Unidos y en 1926 presentó una patente para un «Método y aparato para controlar las corrientes eléctricas» en la que describía un dispositivo amplificador de tres electrodos utilizando material semiconductor de sulfuro de cobre. A Lilienfeld se le atribuye la invención del condensador electrolítico, pero no hay pruebas de que construyera un amplificador funcional. Su patente, sin embargo, tenía suficiente parecido con el posterior transistor de efecto de campo como para denegar futuras solicitudes de patente para esa estructura.
Julius E. Lilienfeld (1882 -1963), Cortesía de AIP Emilio Segre Visual Archives
Científicos alemanes también contribuyeron a estas primeras investigaciones. Mientras trabajaba en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, en 1934, el ingeniero eléctrico e inventor alemán Oskar Heil registró una patente sobre el control del flujo de corriente en un semiconductor a través del acoplamiento capacitivo en un electrodo – esencialmente un transistor de efecto de campo. Y en 1938, Robert Pohl y Rudolf Hilsch experimentaron con cristales de bromuro de potasio con tres electrodos en la Universidad de Gottingen. En ellos se observó la amplificación de señales de baja frecuencia (alrededor de 1 Hz). Ninguna de estas investigaciones dio lugar a ninguna aplicación, pero Heil es recordado hoy en día en los círculos de audiófilos por su transformador de movimiento de aire utilizado en los altavoces de alta fidelidad.
Los primeros transistores
Debido a su escasa fiabilidad y a su gran consumo de energía, a finales de la década de 1930 los ingenieros de American Telephone and Telegraph sabían que los circuitos de tubos de vacío no podrían satisfacer la creciente demanda de la compañía para aumentar la capacidad de las llamadas telefónicas. El director de investigación de los Laboratorios Bell, Mervin J. Kelly, encargó a William Shockley que investigara la posibilidad de utilizar la tecnología de semiconductores para sustituir a los tubos.
Utilizando materiales semiconductores mejorados desarrollados para los detectores de radar durante la guerra, a principios de 1945 Shockley experimentó con un amplificador de efecto de campo, similar en concepto a los patentados por Heil y Lilienfeld, pero no funcionó como pretendía. El físico John Bardeen sugirió que los electrones de la superficie del semiconductor podrían estar bloqueando la penetración de los campos eléctricos en el material. Bajo la dirección de Shockley, junto con el físico Walter Brattain, Bardeen comenzó a investigar el comportamiento de estos «estados superficiales.»
John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain en 1948, por cortesía de los Laboratorios Telefónicos Bell
El 16 de diciembre de 1947, sus investigaciones culminaron en un exitoso amplificador semiconductor. Bardeen y Brattain aplicaron dos contactos de oro estrechamente espaciados y sujetos por una cuña de plástico a la superficie de una pequeña placa de germanio de gran pureza. El 23 de diciembre hicieron una demostración de su dispositivo ante los responsables del laboratorio y, en junio de 1948, los Laboratorios Bell anunciaron públicamente el revolucionario dispositivo de estado sólido que denominaron «transistor»
A principios de ese mismo año, mientras examinaban un fenómeno que denominó «interferencia», el físico alemán Herbert Mataré y su colega Heinrich Welker fabricaron de forma independiente un amplificador basado en germanio con dos contactos puntuales que tocaban su superficie en un laboratorio de Westinghouse en París, Francia. Cuando se enteraron del anuncio de los Laboratorios Bell, Mataré y Welker solicitaron la patente de su propio dispositivo, al que llamaron «transistrón»
Mejorando el transistor
Al darse cuenta de que la estructura de contactos puntuales tenía serias limitaciones, y espoleado por los celos profesionales al resentirse por no haber participado en su descubrimiento, Shockley trabajó en solitario para concebir un dispositivo más fiable y reproducible. Presentado en 1952, el transistor de unión bipolar de Shockley, fabricado con una pieza sólida de material semiconductor y sin contactos puntuales, dominó la industria durante los siguientes 30 años. Los tres científicos de los Laboratorios Bell recibieron el Premio Nobel de Física en 1956 por sus contribuciones.
Durante la siguiente década se desarrollaron muchos métodos de fabricación diferentes para producir transistores más rápidos, más baratos y cada vez más fiables. Un avance importante en 1954 fue el transistor de silicio, primero de la mano de Morris Tanenbaum en los Laboratorios Bell y poco después de un equipo dirigido por el químico Willis Adcock en la advenediza Texas Instruments. A finales de la década de 1950, el silicio se había convertido en el material preferido de la industria y TI en el proveedor dominante de semiconductores.
El equipo de transistores de silicio de Texas Instruments de 1954: W. Adcock, M. Jones, E. Jackson y J. Thornhill, Cortesía de Texas Instruments, Inc.
Los fundadores de Fairchild Semiconductor, una empresa de nueva creación en el Valle del Silicio de California, comenzaron su compañía con la premisa de hacer un transistor de silicio aún mejor. Sus retos diarios en el desarrollo de una nueva tecnología se describen con detalle en varios de los Cuadernos de Patentes de Fairchild de la colección del Museo, especialmente los escritos por Gordon Moore y Sheldon Roberts. Coincidiendo con el inicio de la «carrera espacial», su introducción en 1958 de un transistor de mesa de silicio de doble difusión fue un gran éxito comercial. Los problemas de fiabilidad que amenazaban el futuro de la empresa se resolvieron con el revolucionario proceso planar del físico suizo Jean Hoerni. La técnica planar de Hoerni no sólo transformó la fabricación de transistores de una operación semiartesanal a una producción automatizada de gran volumen. También permitió el desarrollo del moderno circuito integrado (CI).
El transistor MOS
Martin M. Atalla (1924 – 2009), Cortesía de la Familia Atalla
Las ideas de Lilienfeld y Heil y los primeros experimentos fallidos de Shockley finalmente dieron sus frutos en 1959 cuando, trabajando para el ingeniero egipcio Martin M. (John) Atalla en el estudio de las superficies semiconductoras en los Laboratorios Bell, el ingeniero eléctrico coreano Dawon Kahng construyó el primer transistor de efecto de campo (FET) con éxito, compuesto por un sándwich de capas de metal (M – puerta), óxido (O – aislamiento) y silicio (S – semiconductor). El MOSFET, popularmente abreviado como MOS, prometía un transistor significativamente más pequeño, más barato y de menor potencia.
Dawon Kahng (1931 – 1992), cortesía de NEC Corporation
Como ocurre con la mayoría de los desarrollos tecnológicos, la creación del transistor moderno siguió la pauta baconiana de surgir gradualmente del «creciente acervo de conocimientos» construido por un elenco verdaderamente internacional de ingenieros y científicos, más que de los esfuerzos solitarios de un único «inventor» heroico.»
Contenido adicional
- Patentado de los rectificadores semiconductores como detectores de «bigote de gato»
- Patentado de los conceptos de dispositivos semiconductores de efecto de campo
- Invención del transistor de contacto puntual
- Concepción del transistor de unión
- Primeros transistores de unión crecidos
- .Junction Transistors Fabricated
- Silicon Transistors Offer Superior Operating Characteristics
- Invention of the «Planar» Manufacturing Process
- Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated