Historia del transistor: vadear al tacto en la oscuridad

El camino hacia los interruptores de estado sólido fue largo y difícil. Comenzó con el descubrimiento de que ciertos materiales se comportan de manera extraña en presencia de electricidad, no en la forma en que las teorías que existían entonces predijeron. Esto fue seguido por una historia sobre cómo, en el siglo XX, la tecnología se convirtió en una disciplina cada vez más científica e institucional. Aficionados, principiantes e inventores profesionales, prácticamente sin educación científica, hicieron serias contribuciones al desarrollo del telégrafo, la telefonía y la radio. Pero, como veremos, casi todos los avances en la historia de la electrónica de estado sólido se han producido gracias a los científicos que estudian en universidades (y generalmente tienen un doctorado en física) y trabajan en universidades o laboratorios de investigación corporativos.

Cualquier persona con acceso a un taller y con habilidades básicas para trabajar con materiales puede ensamblar relés de cables, metal y madera. Para crear lámparas electrónicas, se requieren herramientas más especializadas que puedan crear un matraz de vidrio y extraer aire de él. Los dispositivos de estado sólido desaparecieron en una madriguera de conejo, desde la cual el interruptor digital nunca regresó, y se sumergieron más profundamente en mundos que eran entendibles solo para las matemáticas abstractas y accesibles solo con equipos increíblemente caros.

Galenita

En 1874, Ferdinand Brown , un físico de 24 años de la Escuela de St. Thomas en Leipzig, publicó el primero de muchos trabajos científicos importantes en su larga carrera. El trabajo "Sobre el paso de corrientes eléctricas a través de sulfuros metálicos" fue aceptado en la revista Annalen de Pogendorff, una prestigiosa revista dedicada a las ciencias físicas. A pesar del aburrido titular, el trabajo de Brown describió varios resultados experimentales sorprendentes y crípticos.


Fernando Brown

Brown estaba intrigado por los sulfuros, cristales minerales que consisten en compuestos de azufre con metales, gracias al trabajo de Johann Wilhelm Gittorf . En 1833, Michael Faraday observó que la conductividad del sulfuro de plata aumenta con la temperatura, lo cual es completamente opuesto al comportamiento de los conductores metálicos. Hittorf compiló un informe cuantitativo exhaustivo sobre las mediciones de este efecto en la década de 1850, para sulfuros de plata y cobre. Brown, utilizando una configuración experimental sofisticada que presionó un cable de metal contra un cristal de sulfuro con un resorte para garantizar un buen contacto, encontró algo aún más extraño. La conductividad de los cristales dependía de la dirección; por ejemplo, la corriente podía fluir bien en una dirección, pero cuando se invierte la polaridad de la batería, la corriente puede caer bruscamente de repente. Los cristales en una dirección funcionaban más como conductores (como metales normales), y en la otra funcionaban más como aislantes (como vidrio o caucho). Esta propiedad se conoce como rectificación, debido a la capacidad de rectificar una corriente alterna "sinuosa", convirtiéndola en corriente continua "plana".

Casi al mismo tiempo, los investigadores descubrieron otras propiedades extrañas de materiales como el selenio, que podrían fundirse a partir de ciertos minerales de sulfuro de metal. Bajo la influencia de la luz, el selenio aumentó la conductividad e incluso comenzó a generar electricidad, y también podría usarse para la rectificación. ¿Hubo alguna conexión con los cristales de sulfuro? Sin modelos teóricos capaces de explicar lo que estaba sucediendo, la confusión reinaba en esta área.

Sin embargo, la falta de teoría no detuvo los intentos de poner en práctica los resultados. A finales de la década de 1890, Brown se convirtió en profesor de la Universidad de Estrasburgo, recientemente anexado desde Francia durante la Guerra Franco-Prusiana y renombrado Universidad de Kaiser Wilhelm. Allí fue absorbido por un nuevo y emocionante mundo de radio telegrafía. Estuvo de acuerdo con la propuesta de un grupo de empresarios para crear conjuntamente un sistema de comunicación inalámbrica basado en la transmisión de ondas de radio a través del agua. Sin embargo, él y sus cómplices pronto abandonaron la idea original a favor de la señalización aérea, que Marconi y otros utilizaron.

Entre los aspectos de la radio que el grupo de Brown buscaba mejorar estaba el receptor estándar en ese momento, el coherente . Se basó en el hecho de que las ondas de radio obligaron a las limaduras de metal a reunirse en un bulto, lo que permitió que la corriente de la batería pasara al dispositivo de señal. Esto funcionó, pero el sistema respondió solo a señales relativamente fuertes, y para romper el trozo de aserrín fue necesario golpear constantemente el dispositivo. Brown recordó sus viejos experimentos con cristales de sulfuro, y en 1899 recreó su antigua configuración experimental con un nuevo propósito: servir como detector de señales inalámbricas. Utilizó el efecto de rectificación para convertir la pequeña corriente oscilante generada por las ondas de radio que pasan en corriente continua, que podría ser alimentada por un pequeño altavoz que producía clics audibles para cada punto o guión. Este dispositivo más tarde se hizo conocido como el " detector de bigotes de gato " debido a la apariencia del cableado, que tocaba fácilmente la parte superior del cristal. En la India británica (donde hoy se encuentra Bangladesh), el científico e inventor Jagadish Bose construyó un dispositivo similar, posiblemente incluso en 1894. El resto pronto comenzó a hacer detectores similares basados ​​en silicio y carborundo (carburo de silicio).

Sin embargo, es la galena , el sulfuro de plomo que se ha derretido para producir plomo desde la antigüedad, que se ha convertido en el material preferido para los detectores cristalinos. Resultó ser simple de fabricar y barato, y como resultado se volvió increíblemente popular entre la primera generación de radioaficionados. Además, a diferencia del coherente binario (con aserrín que se extravió o no), el rectificador de cristal podría producir una señal continua. Por lo tanto, podría emitir transmisiones de voz y música audibles, y no solo el código Morse con sus puntos y rayas.


Detector de bigotes de gato a base de Galena. Un pequeño trozo de alambre a la izquierda es un bigote, y un trozo de material plateado debajo es un cristal de galena.

Sin embargo, como pronto descubrieron los molestos jamones, podría llevar minutos o incluso horas encontrar un punto mágico en la superficie del cristal que pudiera enderezarse. Y las señales sin amplificación eran débiles y tenían un sonido metálico. En la década de 1920, los receptores basados ​​en tubos con amplificadores de triodo prácticamente habían eliminado los detectores cristalinos en casi todas partes. Su característica atractiva era solo la baratura.

Esta breve aparición en el campo de las radios parecía ser el límite de la aplicación práctica de las extrañas propiedades eléctricas del material descubierto por Brown y otros.

Óxido de cobre

Luego, en la década de 1920, otro físico llamado Lars Grondahl descubrió algo extraño con su configuración experimental. Grondal, el primero de una serie de maridos inteligentes e inquietos en la historia del oeste americano, era hijo de un ingeniero civil. Su padre, quien emigró de Noruega en 1880, trabajó durante varias décadas en los ferrocarriles de California, Oregón y Washington. Al principio, Grondal pareció decidir dejar atrás el mundo de la ingeniería de su padre y fue al Instituto Johns Hopkins para obtener un doctorado en física para tomar el camino académico. Pero luego se involucró en el negocio ferroviario y asumió el cargo de director de investigación de Union Switch and Signal, una división del gigante industrial Westinghouse , que suministraba equipos para la industria ferroviaria.

Varias fuentes indican razones contradictorias que motivaron a Grondal a estudiarlo, pero sea como fuere, comenzó a experimentar con discos de cobre calentados en un lado para crear una capa oxidada. Trabajando con ellos, llamó la atención sobre la asimetría de la corriente: la resistencia en una dirección era tres veces mayor que en la otra. Un disco de cobre y óxido de cobre rectificó la corriente, como un cristal de sulfuro.


Circuito rectificador de óxido de cobre

Durante los siguientes seis años, Grondal desarrolló un rectificador de uso comercial basado en este fenómeno, que contó con la ayuda de otro investigador estadounidense, Paul Geiger, y luego envió una solicitud de patente y anunció su descubrimiento en la American Physical Society en 1926. El dispositivo se convirtió inmediatamente en un éxito comercial. Debido a la ausencia de hilos quebradizos, era mucho más confiable que un rectificador en lámparas electrónicas, basado en el principio de la válvula Fleming, y su producción era barata. A diferencia de los cristales rectificadores brownianos, trabajó en el primer intento, y gracias a la mayor área de contacto del metal y el óxido, trabajó con una amplia gama de corrientes y voltajes. Podía cargar baterías, detectar señales en varios sistemas eléctricos, trabajar como derivación de seguridad en generadores potentes. Cuando se usan como fotocélula, los discos pueden funcionar como fotómetros y son especialmente útiles en fotografía. Otros investigadores al mismo tiempo desarrollaron rectificadores de selenio que encontraron usos similares.


Un paquete de rectificadores a base de óxido de cobre. El ensamblaje de varios discos aumentó la resistencia inversa, lo que permitió su uso con alto voltaje.

Unos años más tarde, dos físicos de los Laboratorios Bella, Joseph Becker y Walter Brattain , decidieron estudiar el principio de funcionamiento de un rectificador de cobre: ​​estaban interesados ​​en aprender cómo funciona y cómo se puede usar en Bell System.


Brattain en la vejez - aprox. 1950

Brattain era originario de los mismos lugares que Grondal, del noroeste del Pacífico, donde creció en una granja ubicada a pocos kilómetros de la frontera con Canadá. En la escuela secundaria, se interesó en la física, mostró habilidades en este campo y, finalmente, recibió su doctorado en la Universidad de Minnesota a fines de la década de 1920, y consiguió un trabajo en el Laboratorio Bell en 1929. Entre otras cosas, estudió la última física teórica en la universidad. , ganando popularidad en Europa, y conocido como mecánica cuántica (su curador fue John Hazbrook Van Fleck , quien también instruyó a John Atanasov).

Revolución cuántica

La nueva plataforma teórica se ha desarrollado lentamente durante las últimas tres décadas y, a su debido tiempo, podrá explicar todos los fenómenos extraños que se han observado durante muchos años en materiales como la galena, el selenio y el óxido de cobre. Toda una cohorte de físicos predominantemente jóvenes, principalmente de Alemania y países vecinos, causó una revolución cuántica en la física. Mire, no descubrieron el mundo suave y continuo que les enseñaron, sino extraños bultos discretos.

Todo comenzó en la década de 1890. Max Planck, un conocido profesor de la Universidad de Berlín, decidió trabajar con un conocido problema no resuelto: ¿cómo un " cuerpo absolutamente negro " (una sustancia ideal que absorbe toda la energía y no la refleja) emite radiación en el espectro electromagnético? Se probaron varios modelos, ninguno de los cuales coincidió con los resultados experimentales: no pudieron hacer frente a uno u otro extremo del espectro. Planck descubrió que si asumimos que la energía es emitida por el cuerpo en pequeños "paquetes" de magnitud discreta, entonces podemos escribir una ley simple de la relación entre frecuencia y energía, que idealmente coincide con los resultados empíricos.

Poco después, Einstein descubrió que lo mismo sucede con la absorción de luz (el primer indicio de fotones), y J.J. Thomson demostró que la electricidad también es transportada no por un líquido u onda continua, sino por partículas discretas: electrones. Niels Bohr luego creó un modelo que explicaba cómo los átomos excitados emiten radiación asignando órbitas separadas en un átomo a electrones, cada uno de los cuales tiene su propia energía. Sin embargo, este nombre es engañoso porque no se comportan de manera similar a las órbitas de los planetas: en el modelo de Bohr, los electrones se transfieren instantáneamente de una órbita o nivel de energía a otro, sin pasar por un estado intermedio. Y finalmente, en la década de 1920, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Bourne y otros crearon una plataforma matemática generalizada conocida como mecánica cuántica, que incluía todos los modelos cuánticos especiales creados durante los últimos veinte años.

En este momento, los físicos ya estaban convencidos de que materiales como el selenio y la galena, que demuestran propiedades fotovoltaicas y rectificadoras, pertenecen a una clase separada de materiales, que llamaron semiconductores. La clasificación tomó tanto tiempo por varias razones. Primero, las categorías de "conductores" y "aislantes" en sí eran bastante extensas. T.N. Los "conductores" eran extremadamente diferentes en conductividad, lo mismo (en menor medida) era característico de los aislantes, y no era obvio cómo un conductor en particular puede atribuirse a cualquiera de estas clases. Además, hasta mediados del siglo XX era imposible obtener o crear sustancias muy puras, y cualquier rareza en la conductividad de los materiales naturales siempre se podía atribuir a la contaminación.

Los físicos ahora tienen herramientas matemáticas de mecánica cuántica y una nueva clase de materiales a los que podrían aplicarse. El teórico británico Alan Wilson fue el primero en reunir todo y construyó un modelo general de semiconductores y el principio de su trabajo en 1931.

Al principio, Wilson argumentó que los materiales conductores difieren de los dieléctricos en el estado de las zonas de energía. La mecánica cuántica afirma que los electrones pueden existir en un número limitado de niveles de energía inherentes a las capas u orbitales de los átomos individuales. Si aprieta estos átomos en la estructura de un material, sería más correcto imaginar zonas de energía continua que lo atraviesen. Hay lugares libres en conductores en zonas de alta energía, y el campo eléctrico puede mover libremente electrones allí. En los aisladores, las zonas están llenas, y a una zona conductora más alta, en la que es más fácil llegar la electricidad, escalar bastante lejos.

Esto lo llevó a concluir que las impurezas (átomos extraños en la estructura del material) deberían contribuir a sus propiedades semiconductoras. Pueden suministrar electrones adicionales que ingresan fácilmente a la banda de conducción o agujeros (la ausencia de electrones en comparación con el resto del material), lo que crea puntos de energía vacíos donde los electrones libres pueden moverse. Posteriormente, la primera opción se denominó semiconductores de tipo n (o electrónicos), para un exceso de carga negativa, y la segunda, tipo p, o agujero, para un exceso de carga positiva.

Finalmente, Wilson sugirió que la rectificación de la corriente por semiconductores puede explicarse en términos del efecto de túnel cuántico, el salto repentino de electrones a través de una delgada barrera eléctrica en un material. La teoría parecía plausible, pero predijo que en el rectificador, la corriente debería fluir del óxido al cobre, aunque en realidad era al revés.

Entonces, a pesar de todos los avances de Wilson, los semiconductores seguían siendo difíciles de explicar. A medida que gradualmente se hizo evidente, los cambios microscópicos en la estructura cristalina y la concentración de impurezas afectaron desproporcionadamente su comportamiento eléctrico macroscópico. Ignorando la falta de comprensión, ya que nadie podía explicar las observaciones experimentales hechas por Brown 60 años antes, Brattain y Becker desarrollaron un eficiente proceso de fabricación de rectificadores de óxido de cobre para su empleador. El sistema Bell comenzó a reemplazar rápidamente los rectificadores de lámparas electrónicas en todo el sistema con un nuevo dispositivo, que sus ingenieros llamaron varistor , porque su resistencia variaba según la dirección.

Medalla de oro

Mervyn Kelly, física y ex directora del Departamento de Lámparas Electrónicas del Laboratorio Bell, estaba muy interesada en este logro. Durante un par de décadas, las lámparas electrónicas le han prestado a Bell un servicio inestimable y podrían realizar funciones inaccesibles para la generación anterior de componentes mecánicos y electromecánicos. Pero estaban muy calientes, regularmente sobrecalentados, consumían mucha energía y eran difíciles de mantener. Kelly estaba a punto de reconstruir el sistema Bell nuevamente basado en componentes electrónicos de estado sólido más confiables y duraderos, como un varistor, que no requería ningún recinto sellado lleno de gas o filamentos vacíos o calientes. En 1936, se convirtió en jefe del departamento de investigación de los Laboratorios Bell y comenzó a redirigir a la organización hacia un nuevo camino.

Con un rectificador de estado sólido, el siguiente paso obvio era crear un amplificador de estado sólido. , , , . , . , , , , , , .

1936 , , , . , , , , - (). MIT : « ».

, . . , entre el cátodo y el ánodo, tanto Brattain como Becker presentaron cómo insertar una rejilla en el lugar donde el cobre y el óxido de cobre entran en contacto, donde se suponía que tenía lugar la rectificación. Sin embargo, debido al pequeño grosor de la capa, consideraron que era imposible hacerlo y no tuvieron éxito.

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Que mas leer

Ernest Bruan and Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)

Friedrich Kurylo and Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)

GL Pearson and WH Brattain, “History of Semiconductor Research,” Proceedings of the IRE (December 1955).

Michael Riordan and Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)