Historia del transistor, Parte 3: Reinvención múltiple

Durante más de cien años, un perro analógico ha estado moviendo su cola digital. Los intentos de ampliar las capacidades de nuestros sentidos: vista, oído e incluso, en cierto sentido, tacto, llevaron a ingenieros y científicos a buscar los mejores componentes para telégrafo, teléfono, radio y radar. Por pura suerte, estas búsquedas encontraron una manera de crear nuevos tipos de máquinas digitales. Y decidí contar la historia de esta exaltación constante, durante la cual los ingenieros de telecomunicaciones suministraron los materiales de origen para las primeras computadoras digitales, y algunas veces incluso diseñaron y crearon estas computadoras ellos mismos.

Pero en la década de 1960, esta fructífera colaboración llegó a su fin, y con ella mi historia. Los fabricantes de equipos digitales ya no necesitaban investigar el mundo del telégrafo, el teléfono y la radio en busca de interruptores nuevos y mejorados, ya que el transistor en sí proporcionaba una fuente inagotable de mejoras. Año tras año, cavaban más y más, siempre encontrando formas de aumentar exponencialmente la velocidad y reducir los costos.

Sin embargo, nada de esto habría sucedido si la invención del transistor se hubiera detenido en el trabajo de Bardin y Brettein .

Inicio lento

No hubo entusiasmo activo en la prensa popular por el anuncio de Bell de la invención del transistor. El 1 de julio de 1948, The New York Times llevó tres párrafos a este evento al final del resumen de Radio News. Además, esta noticia apareció después de otras, obviamente consideradas más importantes: por ejemplo, el programa de radio de una hora "Waltz Time", que se suponía que aparecería en NBC. En retrospectiva, podríamos querer reírnos o incluso regañar a autores desconocidos: ¿cómo podrían no reconocer el evento que puso el mundo patas arriba?



Pero una mirada al pasado distorsiona la percepción, amplificando esas señales cuyo significado conocemos, aunque en ese momento se perdieron en un mar de ruido. El transistor de 1948 era muy diferente de los transistores de las computadoras, en uno de los cuales leyó este artículo (si no decidió imprimirlo). Diferían tanto que, a pesar del mismo nombre y la línea continua de herencia que los conectaba, deberían considerarse especies diferentes, si no géneros diferentes. Tienen diferentes composiciones, diferentes estructuras, diferentes principios de funcionamiento, sin mencionar la gigantesca diferencia de tamaños. Solo gracias a los constantes inventos repetidos, el extraño dispositivo construido por Bardin y Brettin podría transformar el mundo y nuestras vidas.

De hecho, un transistor de germanio con un solo punto de contacto no merecía más atención de la que recibió. Tenía varios defectos heredados del tubo de electrones. Él, por supuesto, era mucho más pequeño que las lámparas más compactas. La ausencia de un hilo caliente significa que produce menos calor, consume menos energía, no se quema y no requiere calentamiento antes de su uso.

Sin embargo, la acumulación de suciedad en la superficie de contacto provocó fallas y anuló el potencial para una vida útil más larga; dio una señal más ruidosa; trabajó solo a baja potencia y en un rango de frecuencia estrecho; rechazado en presencia de calor, frío o humedad; y no se pudo producir de manera uniforme. Varios transistores creados de la misma manera por las mismas personas tendrían características eléctricas desafiantemente diferentes. Y todo esto estuvo acompañado de un costo ocho veces mayor que el de una lámpara estándar.

Solo en 1952, los laboratorios de Bell (y otros propietarios de patentes) resolvieron los problemas de producción lo suficiente como para que los transistores con un solo punto de contacto se convirtieran en dispositivos prácticos, e incluso entonces no se extendieron particularmente más allá del mercado de audífonos, donde la sensibilidad al precio era relativamente baja. y las ventajas con respecto a la duración de la batería excedieron las desventajas.

Sin embargo, los primeros intentos ya habían comenzado a convertir el transistor en algo mejor y más útil. En realidad comenzaron mucho antes que el momento en que el público se enteró de su existencia.

La ambición de Shockley

A finales de 1947, Bill Shockley, con gran entusiasmo, se embarcó en un viaje a Chicago. Tenía ideas vagas sobre cómo superar el transistor inventado recientemente por Bardin y Brettein, pero hasta ahora no tuvo oportunidad de desarrollarlos. Por lo tanto, en lugar de disfrutar de un descanso entre las etapas de su trabajo, pasó Navidad y Año Nuevo en el hotel, completando unas 20 páginas de un cuaderno con sus ideas. Entre ellos había una propuesta para un nuevo transistor que consistía en un sándwich semiconductor, una rebanada de germanio tipo p entre dos piezas de tipo n.

Animado por la presencia de un as bajo la manga, Shockley hizo un reclamo a Bardin y Bretstein a su regreso a Murray Hill, exigiendo toda la gloria por la invención del transistor. ¿No fue su idea de un efecto de campo lo que hizo que Bardin y Brettein se sentaran en el laboratorio? ¿No es necesario debido a esto transferirle todos los derechos de una patente? Sin embargo, el truco de Shockley resultó ser de lado: los abogados de patentes de Bell descubrieron que un inventor desconocido, Julius Edgar Lilienfeld , patentó un amplificador semiconductor de efecto de campo casi 20 años antes, en 1930. Lilienfeld, por supuesto, no se dio cuenta de su idea, dado el estado de materiales en ese momento, pero el riesgo de intersección era demasiado grande: era mejor evitar mencionar por completo el efecto de campo en la patente.

Entonces, aunque los laboratorios de Bell le dieron a Shockley una parte generosa de la fama del inventor, solo mencionaron a Bardin y Bretstein en la patente. Sin embargo, no puedes hacer lo que hiciste: las ambiciones de Shockley destruyeron su relación con dos subordinados. Bardin dejó de trabajar en el transistor y se concentró en la superconductividad. Dejó el laboratorio en 1951. Bretstein permaneció allí, pero se negó a trabajar con Shockley nuevamente e insistió en transferirse a otro grupo.

Debido a la incapacidad de trabajar con otras personas, Shockley no avanzó en los laboratorios, por lo que también se fue de allí. En 1956, regresó a su hogar en Palo Alto para establecer su propia compañía de fabricación de transistores, Shockley Semiconductor. Antes de irse, rompió con su esposa Gene cuando se estaba recuperando del cáncer uterino y se casó con Emmy Lenning, con quien pronto se casó. Pero de las dos mitades de su sueño de California: una nueva compañía y una nueva esposa, solo una se cumplió. En 1957, sus mejores ingenieros, enfurecidos por su estilo de gestión y la dirección en la que dirigió la compañía, lo dejaron para fundar una nueva compañía, Fairchild Semiconductor.


Shockley en 1956

Así que Shockley arrojó el cascarón vacío de su empresa y consiguió un trabajo en el Departamento de Ingeniería Eléctrica de Stanford. Allí, continuó alejando a sus colegas (y su amigo más antiguo, el físico Fred Seitz ) de las teorías de la degeneración racial y la higiene racial , que lo habían interesado en temas que eran impopulares en los Estados Unidos desde la última guerra, especialmente en la academia. Le agradaba desatar disputas, inflar los medios de comunicación y provocar protestas. Murió en 1989, alejándose de niños y colegas, y fue visitado solo por su segunda esposa, siempre dedicada a él, Emmy.

Aunque sus intentos patéticos en el campo del emprendimiento fracasaron, Shockley dejó caer el grano en suelo fértil. El área de la Bahía de San Francisco ha producido muchas pequeñas empresas de electrónica, que fueron condimentadas con fondos del gobierno federal durante la guerra. Fairchild Semiconductor, un descendiente aleatorio de Shockley, generó docenas de nuevas empresas, algunas de las cuales se conocen hoy en día: Intel y Advanced Micro Devices (AMD). A principios de la década de 1970, el área se ganó el apodo burlón de Silicon Valley. Pero espere un minuto, después de todo, Bardin y Brettein crearon un transistor de germanio. ¿De dónde vino el silicio?


Entonces, en 2009, parecía un lugar abandonado en Mountain View, donde anteriormente se encontraba Shockley Semiconductor. Hoy el edificio está demolido.

A la encrucijada de silicio

El destino de un nuevo tipo de transistor, inventado por Shockley en un hotel de Chicago, fue mucho más feliz que el de su inventor. Todo gracias al deseo de una persona de cultivar cristales semiconductores puros individuales. Gordon Thiel, un químico físico de Texas que estudió germanio inútil para su doctorado, consiguió un trabajo en el laboratorio de Bell en la década de 1930. Al enterarse del transistor, estaba convencido de que su confiabilidad y potencia se pueden mejorar significativamente al crearlo a partir de un solo cristal puro, y no a partir de las mezclas policristalinas que se usaron en ese momento. Shockley rechazó sus intentos, considerándolos un desperdicio de recursos.

Sin embargo, Teal persistió y logró el éxito, con la ayuda del ingeniero mecánico John Little, creando un aparato que saca un pequeño núcleo de cristal de germanio fundido. Al enfriarse alrededor del núcleo, el germanio expandió su estructura cristalina, creando una red semiconductora continua y casi pura. Para la primavera de 1949, Thiel y Little podían crear cristales a pedido, y las pruebas mostraron que dejaron atrás a sus competidores policristalinos. En particular, los portadores menores agregados a ellos podrían sobrevivir dentro de cien microsegundos o incluso más (contra no más de diez microsegundos en otras muestras de cristal).

Ahora Teal podía permitirse más recursos y reclutó a más personas para su equipo, entre los cuales se encontraba otro químico físico que vino al laboratorio de Bell desde Texas: Morgan Sparks. Comenzaron a cambiar la masa fundida para la fabricación de germanio tipo p o tipo n, agregando bolas de las impurezas correspondientes. En un año, mejoraron la tecnología hasta el punto de poder cultivar un sandwich de germanio npn directamente en la masa fundida. Y funcionó exactamente como lo predijo Shockley: la señal eléctrica del material de tipo p moduló la corriente eléctrica entre dos conductores conectados a las piezas de tipo n que lo rodean.


Morgan Sparks y Gordon Teal en un banco de trabajo en los laboratorios de Bell

Este transistor con una unión crecida superó a su antepasado con un punto de contacto en casi todos los aspectos. En particular, se volvió más confiable y predecible, produjo mucho menos ruido (y, por lo tanto, era más sensible) y extremadamente eficiente en el consumo de energía, consumiendo un millón de veces menos energía que una lámpara electrónica típica. En julio de 1951, los laboratorios de Bell organizaron otra conferencia de prensa para anunciar un nuevo invento. Incluso antes de que el primer transistor lograra ingresar al mercado, de hecho, ya se había vuelto insignificante.

Y sin embargo, esto fue solo el comienzo. En 1952, General Electric (GE) anunció el desarrollo de un nuevo proceso para crear transistores con un método de aleación de unión. En su estructura, se fusionaron dos bolas de indio (donante de tipo p) a ambos lados de una rebanada delgada de germanio de tipo n. Este proceso fue más simple y más barato que las transiciones crecientes en la aleación, tal transistor dio menos resistencia y soportó altas frecuencias.


Transistores crecidos y de aleación

Al año siguiente, Gordon Thiel decidió regresar a su estado natal y consiguió un trabajo en Texas Instruments (TI) en Dallas. La compañía fue fundada bajo el nombre de Geophysical Services, Inc., y primero produjo equipos para la exploración de petróleo, TI abrió una división de electrónica durante la guerra y ahora ingresó al mercado de transistores con una licencia de Western Electric (división de fabricación de Bell Labs).

Teal trajo consigo nuevas habilidades adquiridas en laboratorios: la capacidad de cultivar y alear cristales individuales de silicio. La debilidad más obvia de Alemania fue su sensibilidad a la temperatura. Cuando se exponen al calor, los átomos de germanio en el cristal liberan rápidamente electrones libres, y se convierte cada vez más en un conductor. A una temperatura de 77 ° C, generalmente dejó de funcionar como un transistor. El objetivo principal de la venta de transistores eran las fuerzas armadas, un consumidor potencial con baja sensibilidad al precio y una gran necesidad de componentes electrónicos estables, confiables y compactos. Sin embargo, el germanio sensible a la temperatura no sería útil en muchos casos de uso militar, especialmente en el campo aeroespacial.

El silicio era mucho más estable, pero tenía que pagar un punto de fusión mucho más alto, comparable al punto de fusión del acero. Esto causó grandes dificultades, dado que para crear transistores de alta calidad, se requerían cristales muy puros. El silicio fundido caliente absorbería las impurezas de cualquier crisol en el que estuviera. Teal y el equipo de TI pudieron superar estas dificultades con las muestras de silicio ultra puro de DuPont. En mayo de 1954, en una conferencia en el Radio Engineering Institute en Dayton, Ohio, Thiel demostró que los nuevos dispositivos de silicio fabricados en su laboratorio seguían funcionando, incluso cuando estaban sumergidos en aceite caliente.

Upstarts exitosos

Finalmente, unos siete años después de la primera invención del transistor, podría estar hecho de material con el que se convirtió en sinónimo. Y pasará aproximadamente la misma cantidad de tiempo antes de la aparición de los transistores, que se asemeja más o menos a la forma que se utiliza en nuestros microprocesadores y chips de memoria.

En 1955, los científicos de los laboratorios de Bell aprendieron con éxito cómo hacer transistores de silicio con una nueva tecnología de aleación: en lugar de agregar bolas sólidas de impurezas al líquido fundido, introdujeron aditivos gaseosos en la superficie sólida del semiconductor ( difusión térmica ). Al controlar cuidadosamente la temperatura, la presión y la duración del procedimiento, alcanzaron exactamente la profundidad y el grado de aleación requeridos. El fortalecimiento del control sobre el proceso de producción ha dado un mayor control sobre las propiedades eléctricas del producto final. Más importante aún, la difusión térmica hizo posible la producción del producto en lotes: era posible alear una placa de silicio grande y luego cortarla en transistores. Los militares obtuvieron fondos para los laboratorios de Bell, ya que la organización de la producción requería altos costos iniciales. Necesitaban un nuevo producto para una línea de detección temprana de radar de ultra alta frecuencia (" línea de rocío "), una cadena de estaciones de radar del Ártico diseñadas para detectar bombarderos soviéticos que volaban desde el Polo Norte, y estaban listos para pagar $ 100 por transistor (estos eran los tiempos cuando el nuevo un carro podría comprarse por $ 2000).

La aleación junto con la fotolitografía , que controlaba la ubicación de las impurezas, abrió la posibilidad de grabar todo el circuito en un solo sustrato semiconductor; esto fue concebido simultáneamente por Fairchild Semiconductor y Texas Instruments en 1959. La tecnología plana Fairchild utilizó la deposición química de películas metálicas que conectan los contactos eléctricos de un transistor. Eliminó la necesidad de cableado manual, redujo los costos de producción y aumentó la confiabilidad.

Finalmente, en 1960, dos ingenieros de los laboratorios de Bell (John Atalla y Devon Kahn) implementaron el concepto original de transistor Shockley de efecto de campo. Una delgada capa de óxido en la superficie del semiconductor pudo suprimir eficazmente los estados de la superficie, como resultado de lo cual el campo eléctrico de la puerta de aluminio penetró en el silicio. Así nació el MOSFET [transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal] (o estructura MOS, de semiconductor de óxido de metal), que resultó ser tan fácil de miniaturizar y que todavía se usa en casi todas las computadoras modernas (es interesante que Atalla fuera originalmente de Egipto y Kang de Corea del Sur, y casi solo estos dos ingenieros de toda nuestra historia no tienen raíces europeas).

Finalmente, trece años después de la invención del primer transistor, apareció algo que se parecía al transistor de su computadora. Era más fácil de producir, usaba menos energía que un transistor plano, pero reaccionaba bastante lentamente a las señales. Solo después de la propagación de grandes circuitos integrados con cientos o miles de componentes ubicados en un solo chip, las ventajas de los transistores de efecto de campo salieron a la luz.


Ilustración de una patente para un transistor de efecto de campo

El efecto de campo fue la última gran contribución de Bell al desarrollo del transistor. Los principales fabricantes de productos electrónicos como Bella Labs (con su Western Electric), General Electric, Sylvania y Westinghouse han desarrollado un impresionante cuerpo de investigación sobre semiconductores. De 1952 a 1965, solo los laboratorios de Bell registraron más de doscientas patentes sobre este tema. Aún así, el mercado comercial cayó rápidamente en manos de nuevos jugadores como Texas Instruments, Transitron y Fairchild.

El mercado de los primeros transistores era demasiado pequeño para que los grandes jugadores le prestaran atención: alrededor de $ 18 millones al año a mediados de la década de 1950, en comparación con un mercado total de productos electrónicos de $ 2 mil millones. Sin embargo, los laboratorios de investigación de estos gigantes sirvieron como campos de entrenamiento involuntarios, donde , , . Cuando el mercado de la electrónica de tubos comenzó a reducirse seriamente a mediados de la década de 1960, era demasiado tarde para que Bella, Westinghouse y los laboratorios compitieran con los advenedizos.

Transición de computadoras a transistores

En la década de 1950, los transistores invadieron el mundo de la electrónica en las cuatro áreas más importantes. Los dos primeros fueron audífonos y radios portátiles, en los que el bajo consumo de energía y, como resultado, la larga duración de la batería, superaron otras consideraciones. El tercero fue el uso militar. El ejército de los EE. UU. Tenía grandes esperanzas de que los transistores fueran componentes confiables y compactos que se pueden usar en cualquier lugar, desde radio de campo hasta misiles balísticos. Sin embargo, al principio su gasto en transistores se parecía más a apostar por el futuro de la tecnología que a confirmar su valor. Y finalmente, hubo más cálculos digitales.

En el campo de las computadoras, las desventajas de los interruptores en los tubos electrónicos eran bien conocidas, y algunos escépticos incluso pensaron antes de la guerra que una computadora electrónica no podía convertirse en un dispositivo práctico. Cuando se ensamblaron miles de lámparas en un solo dispositivo, devoraron electricidad, generando una gran cantidad de calor, y en términos de confiabilidad, uno solo podía confiar en su agotamiento regular. Por lo tanto, el transistor de bajo consumo, frío y sin hilos se ha convertido en el salvador de los fabricantes de computadoras. Sus desventajas como amplificador (por ejemplo, una señal de salida más ruidosa) no presentaban tal problema cuando se usaba como interruptor. El único obstáculo era el costo, y a su debido tiempo comenzaría a caer en picado.

Todos los primeros experimentos de Estados Unidos con computadoras de transistores ocurrieron en la intersección del deseo de los militares de explorar el potencial de una nueva tecnología prometedora y el deseo de los ingenieros de cambiar a interruptores mejorados.

En 1954, los laboratorios de Bell construyeron TRADIC para la Fuerza Aérea de los EE. UU. Para ver si los transistores permitirían la instalación de una computadora digital a bordo de un bombardero, reemplazándolos con navegación analógica y ayudando a encontrar objetivos. Lincoln Lab del MIT desarrolló la computadora TX-0 como parte de un extenso proyecto de defensa aérea en 1956. La máquina utilizó otra variante del transistor, una barrera de superficie, muy adecuada para la computación de alta velocidad. Philco construyó su computadora SOLO bajo un contrato con la Armada (pero realmente, a pedido de la NSA), finalizándola en 1958 (usando otra versión de un transistor de barrera de superficie).

En Europa occidental, no tan dotada de recursos durante la Guerra Fría, la historia era completamente diferente. Máquinas como Manchester Transistor Computer, Harwell CADET(otro nombre inspirado en el proyecto ENIAC, y encriptado escribiendo al revés) y el Austrian Mailüfterl fueron proyectos paralelos que utilizan recursos que sus creadores podrían reunir, incluidos los transistores con un punto de contacto de primera generación.

Existe mucha controversia sobre el título de la primera computadora que usó transistores. Todo, por supuesto, se basa en la elección de las definiciones correctas de palabras como "primero", "transistor" y "computadora". En cualquier caso, se sabe dónde termina la historia. La comercialización de las computadoras de transistores comenzó casi de inmediato. Año tras año, las computadoras por el mismo precio se volvieron más poderosas, y las computadoras de la misma potencia se volvieron más baratas, y este proceso parecía tan inexorable que se elevó al rango de ley, junto con la gravedad y la conservación de la energía. ¿Necesitamos discutir sobre qué piedra fue la primera en colapsar?

¿De dónde vino la ley de Moore?

Al acercarse el final de la historia del cambio, vale la pena hacer la pregunta: ¿qué llevó a la aparición de este colapso? ¿Por qué existe la ley de Moore (o existió, apostamos en otro momento)? Para aviones o aspiradoras, no existe la ley de Moore, al igual que no hay ninguna para lámparas electrónicas o relés.

La respuesta consta de dos partes:

1. Propiedades lógicas del conmutador como categoría de artefactos.
2. La capacidad de utilizar procesos puramente químicos para la fabricación de transistores.

Primero, sobre la esencia del cambio. Las propiedades de la mayoría de los artefactos son necesarias para satisfacer una amplia gama de limitaciones físicas inexorables. Los aviones de pasajeros deben soportar el peso total de muchas personas. Una aspiradora debe poder aspirar una cierta cantidad de suciedad en un momento determinado de un área física determinada. Las aeronaves y las aspiradoras serán inútiles si se reducen a nanoescala.

El interruptor, un interruptor automático que nunca ha sido tocado por una mano humana, tiene muchas menos limitaciones físicas. Debería tener dos estados diferentes, y debería ser capaz de informar a otros conmutadores similares de un cambio en sus estados. Es decir, todo lo que debería poder hacer es encender y apagar. ¿Qué tienen de especial los transistores? ¿Por qué otros tipos de interruptores digitales no han experimentado mejoras tan exponenciales?

Aquí llegamos al segundo hecho. Los transistores pueden fabricarse mediante procesos químicos sin intervención mecánica. Desde el principio, el uso de impurezas químicas ha sido un elemento clave en la fabricación de transistores. Luego apareció un proceso plano que eliminó el último paso mecánico de la producción: la conexión de los cables. Como resultado, se deshizo de la última restricción física sobre la miniaturización. Los transistores ya no necesitaban ser lo suficientemente grandes para los dedos de una persona, o para cualquier dispositivo mecánico. Todo se hizo mediante química simple, en una escala inimaginablemente pequeña: ácido para grabado, luz para controlar qué partes de la superficie resistirían el grabado, y vapores para introducir impurezas y películas metálicas en caminos grabados.

¿Y por qué necesitas miniaturización? La reducción en el tamaño dio una galaxia completa de efectos secundarios agradables: un aumento en la velocidad de conmutación, una disminución en el consumo de energía y el costo de las copias individuales. Estos poderosos incentivos llevaron a todos a buscar formas de reducir aún más los conmutadores. Y la industria de los semiconductores, en el transcurso de la vida de una sola persona, ha pasado de fabricar interruptores del tamaño de un clavo a empacar decenas de millones de interruptores por milímetro cuadrado. Desde una solicitud de ocho dólares por cambio hasta una oferta de veinte millones de cambios por dólar.


Chip de memoria Intel 1103 de 1971. Los transistores individuales, que miden solo decenas de micrómetros de tamaño, ya son indistinguibles a simple vista. Y desde entonces han disminuido mil veces.

¿Qué más leer?

• Ernest Bruan y Stuart MacDonald, Revolución en miniatura (1978)
• Michael Riordan y Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
• Joel Shurkin, Genio roto (1997)