Cómo funcionó el primer transistor

Incluso sus inventores no entendieron completamente el transistor de contacto puntual.

Una foto publicitaria de AT&T de 1955 muestra [en la palma de la mano, desde la izquierda] un fototransistor, un transistor de unión y un transistor de contacto puntual.

El triodo de tubo de vacío no tenía ni 20 años cuando los físicos comenzaron a intentar crear su sucesor, y había mucho en juego. El triodo no solo había hecho posible la telefonía de larga distancia y el sonido de las películas, sino que estaba impulsando toda la empresa de la radio comercial, una industria que valía más de mil millones de dólares en 1929. Pero los tubos de vacío eran frágiles y sedientos de energía. Si se pudiera encontrar una alternativa más robusta, confiable y eficiente al triodo, las recompensas serían inmensas.

El objetivo era un dispositivo de tres terminales hecho de semiconductores que aceptaría una señal de baja corriente en un terminal de entrada y la usaría para controlar el flujo de una corriente más grande que fluye entre otros dos terminales, amplificando así la señal original. El principio subyacente de tal dispositivo sería algo llamado efecto de campo: la capacidad de los campos eléctricos para modular la conductividad eléctrica de los materiales semiconductores. El efecto de campo ya era bien conocido en aquellos días, gracias a los diodos y la investigación relacionada con los semiconductores.

Este artículo es parte de nuestro reportaje especial sobre el 75 aniversario de la invención del transistor.

Pero construir un dispositivo de este tipo resultó ser un desafío insuperable para algunos de los mejores físicos del mundo durante más de dos décadas. Las patentes para dispositivos similares a transistores se habían presentado a partir de 1925, pero la primera instancia registrada de un transistor en funcionamiento fue el legendario dispositivo de punto de contacto construido en AT&T Bell Telephone Laboratories en el otoño de 1947.

Aunque el transistor de contacto puntual fue el invento más importante del siglo XX, sorprendentemente no existe una descripción clara, completa y autorizada de cómo funcionaba realmente. Los transistores planos y de unión modernos y más robustos se basan en la física en la mayor parte de un semiconductor, en lugar de los efectos de superficie explotados en el primer transistor. Y se ha prestado relativamente poca atención a esta brecha en la erudición.

En la foto recortada de un punto de contacto, se ven dos conductores delgados; estos se conectan a los puntos que hacen contacto con una pequeña losa de germanio. Uno de estos puntos es el emisor y el otro es el colector. Un tercer contacto, la base, está unido al reverso del germanio.AT&T ARCHIVES AND HISTORY CENTER

Era un ensamblaje de aspecto desgarbado de germanio, plástico y láminas de oro, todo coronado por un resorte ondulado. Sus inventores fueron un teórico del Medio Oeste de voz suave, John Bardeen, y un experimentador voluble y "algo volátil", Walter Brattain. Ambos trabajaban con William Shockley, una relación que más tarde resultaría polémica. En noviembre de 1947, Bardeen y Brattain se vieron frustrados por un problema simple. En el semiconductor de germanio que estaban usando, una capa superficial de electrones parecía estar bloqueando un campo eléctrico aplicado, impidiendo que penetrara en el semiconductor y modulando el flujo de corriente. Sin modulación, sin amplificación de señal.

En algún momento a fines de 1947 encontraron una solución. Presentaba dos piezas de lámina de oro apenas separadas empujadas suavemente por ese resorte ondulado en la superficie de una pequeña losa de germanio.

Tanto los libros de texto como los relatos populares tienden a ignorar el mecanismo del transistor de contacto puntual a favor de explicar cómo funcionan sus descendientes más recientes. De hecho, la edición actual de esa biblia de EEs de pregrado, El arte de la electrónica de Horowitz y Hill, no menciona en absoluto el transistor de contacto puntual, pasando por alto su existencia al afirmar erróneamente que el transistor de unión era un "Premio Nobel- invención ganadora en 1947". Pero el transistor que se inventó en 1947 fue el punto de contacto; El transistor de unión fue inventado por Shockley en 1948.

Por lo tanto, parece apropiado de alguna manera que la explicación más completa del transistor de contacto puntual esté contenida en la conferencia de John Bardeen para ese Premio Nobel, en 1956. Aun así, leerlo da la sensación de que algunos detalles finos probablemente eludieron incluso a los propios inventores. . "Mucha gente estaba confundida por el transistor de contacto puntual", dice Thomas Misa, ex director del Instituto Charles Babbage para la Historia de la Ciencia y la Tecnología de la Universidad de Minnesota.

Tanto los libros de texto como los relatos populares tienden a ignorar el mecanismo del transistor de contacto puntual a favor de explicar cómo funcionan sus descendientes más recientes.

Un año después de la conferencia de Bardeen, RD Middlebrook, profesor de ingeniería eléctrica en Caltech que luego realizaría un trabajo pionero en electrónica de potencia, escribió: "Debido a la naturaleza tridimensional del dispositivo, el análisis teórico es difícil y la operación interna es, de hecho, aún no completamente entendido".

Sin embargo, y con el beneficio de 75 años de teoría de semiconductores, aquí vamos. El transistor de contacto puntual se construyó alrededor de una losa de germanio tipo n del tamaño de un pulgar, que tiene un exceso de electrones cargados negativamente. Esta losa fue tratada para producir una capa superficial muy delgada de tipo p, lo que significa que tenía un exceso de cargas positivas. Estas cargas positivas se conocen como agujeros. En realidad, son deficiencias localizadas de electrones que se mueven entre los átomos del semiconductor de forma muy parecida a como lo haría una partícula real. Se adjuntó un electrodo conectado a tierra eléctricamente en la parte inferior de esta losa, creando la base del transistor. Las dos tiras de lámina de oro que tocaban la superficie formaban dos electrodos más, conocidos como emisor y colector.

Esa es la configuración. En funcionamiento, se aplica un pequeño voltaje positivo, solo una fracción de voltio, al emisor, mientras que un voltaje negativo mucho mayor, de 4 a 40 voltios, se aplica al colector, todo con referencia a la base conectada a tierra. La interfaz entre la capa de tipo p y la losa de tipo n creó una unión como la que se encuentra en un diodo: esencialmente, la unión es una barrera que permite que la corriente fluya fácilmente en una sola dirección, hacia un voltaje más bajo. Entonces, la corriente podría fluir desde el emisor positivo a través de la barrera, mientras que ninguna corriente podría fluir a través de esa barrera hacia el colector.

El transistor de contacto de punto tipo 2 de Western Electric fue el primer transistor que se fabricó en grandes cantidades, en 1951, en la planta de Western Electric en Allentown, Pensilvania. Para 1960, cuando se tomó esta foto, la planta había pasado a producir transistores de unión .AT&T ARCHIVOS Y CENTRO DE HISTORIA

Ahora, veamos lo que sucede entre los átomos. Primero, desconectaremos el colector y veremos qué sucede alrededor del emisor sin él. El emisor inyecta cargas positivas (agujeros) en la capa de tipo p y comienzan a moverse hacia la base. Pero no hacen una línea recta hacia él. La capa delgada los obliga a extenderse lateralmente por una cierta distancia antes de pasar a través de la barrera hacia la losa de tipo n. Piense en verter lentamente una pequeña cantidad de polvo fino sobre la superficie del agua. El polvo finalmente se hunde, pero primero se esparce en un círculo aproximado.

Ahora conectamos el colector. Aunque no puede extraer corriente por sí mismo a través de la barrera de la unión pn, su gran voltaje negativo y su forma puntiaguda dan como resultado un campo eléctrico concentrado que penetra el germanio. Debido a que el colector está tan cerca del emisor y también tiene carga negativa, comienza a absorber muchos de los agujeros que se extienden desde el emisor. Este flujo de carga da como resultado una concentración de agujeros cerca de la barrera pn debajo del colector. Esta concentración reduce efectivamente la "altura" de la barrera que, de lo contrario, evitaría que la corriente fluya entre el colector y la base. Con la barrera bajada, la corriente comienza a fluir desde la base hacia el colector, mucha más corriente que la que el emisor está introduciendo en el transistor.

La cantidad de corriente depende de la altura de la barrera. Pequeñas disminuciones o aumentos en el voltaje del emisor hacen que la barrera fluctúe hacia arriba y hacia abajo, respectivamente. Por lo tanto, cambios muy pequeños en la corriente del emisor controlan cambios muy grandes en el colector, ¡así que voilà! Amplificación. (Los EE notarán que las funciones de la base y el emisor están invertidas en comparación con las de los transistores posteriores, donde la base, no el emisor, controla la respuesta del transistor).

Aunque era frágil y desgarbado, era un amplificador de semiconductores, y su descendencia cambiaría el mundo. Y sus inventores lo sabían. El fatídico día fue el 16 de diciembre de 1947, cuando a Brattain se le ocurrió la idea de utilizar un triángulo de plástico ceñido por una tira de lámina de oro, con esa pequeña hendidura que separaba los contactos del emisor y del colector. Esta configuración proporcionó una ganancia de potencia confiable, y el dúo supo entonces que habían tenido éxito. En su casa compartida esa noche, Brattain les dijo a sus compañeros que acababa de hacer "el experimento más importante que jamás había hecho en mi vida" y les juró guardar el secreto. El taciturno Bardeen tampoco pudo resistirse a compartir la noticia. Mientras su esposa, Jane, preparaba la cena esa noche, dijo simplemente: "Descubrimos algo hoy". Con sus hijos correteando por la cocina, ella respondió: "Qué bien, querida".

Era un transistor, por fin, pero estaba bastante desvencijado. Más tarde, los inventores tuvieron la idea de formar eléctricamente el colector pasando grandes corrientes a través de él durante la fabricación del transistor. Esta técnica les permitió obtener flujos de corriente algo mayores que no estaban tan estrechamente confinados dentro de la capa superficial. Sin embargo, la formación eléctrica fue un poco impredecible. "Simplemente tiraban los que no funcionaban", señala Misa.

Sin embargo, los transistores de contacto puntual entraron en producción en muchas empresas, bajo licencia de AT&T y, en 1951, en la propia división de fabricación de AT&T, Western Electric. Se utilizaron en audífonos, osciladores, equipos de enrutamiento telefónico, en un receptor de televisión experimental construido en RCA y en Tradic, la primera computadora digital aerotransportada, entre otros sistemas. De hecho, los transistores de contacto puntual permanecieron en producción hasta 1966, en parte debido a su velocidad superior en comparación con las alternativas.

El fatídico día fue el 16 de diciembre de 1947, cuando a Brattain se le ocurrió la idea de utilizar un triángulo de plástico ceñido por una tira de lámina de oro...

El grupo Bell Labs no estaba solo en su exitosa búsqueda de un transistor. En Aulnay-sous-Bois, un suburbio al noreste de París, dos físicos alemanes, Herbert Mataré y Heinrich Welker, también estaban tratando de construir un amplificador de semiconductores de tres terminales. Trabajando para una subsidiaria francesa de Westinghouse, estaban dando seguimiento a observaciones muy intrigantes que Mataré había hecho mientras desarrollaban rectificadores de germanio y silicio para el ejército alemán en 1944. Los dos lograron crear un transistor confiable de punto de contacto en junio de 1948.

Quedaron asombrados, una semana más tarde, cuando Bell Labs finalmente reveló la noticia de su propio transistor, en una conferencia de prensa el 30 de junio de 1948. Aunque se desarrollaron de forma completamente independiente y en secreto, los dos dispositivos eran más o menos idénticos. .

Aquí la historia del transistor toma un giro extraño, impresionante en su brillantez y también inquietante en sus detalles. El jefe de Bardeen y Brattain, William Shockley, estaba furioso porque su nombre no estaba incluido con el de Bardeen y Brattain en la solicitud de patente original para el transistor. Estaba convencido de que Bardeen y Brattain simplemente habían convertido sus teorías sobre el uso de campos en semiconductores en su dispositivo de trabajo y no le habían dado suficiente crédito. Sin embargo, en 1945, Shockley construyó un transistor basado en esas mismas teorías y no funcionó.

En 1953, el ingeniero de RCA Gerald Herzog lideró un equipo que diseñó y construyó el primer televisor "todo transistor" (aunque, sí, tenía un tubo de rayos catódicos). El equipo usó transistores de contacto puntual producidos por RCA bajo una licencia de Bell Labs. MUSEO DE TRANSISTORES JERRY HERZOG HISTORIA ORAL

A finales de diciembre, apenas dos semanas después del éxito inicial del transistor de contacto puntual, Shockley viajó a Chicago para asistir a la reunión anual de la American Physical Society. En la víspera de Año Nuevo, encerrado en su habitación de hotel y alimentado por una potente mezcla de celos e indignación, comenzó a diseñar su propio transistor. En tres días garabateó unas 30 páginas de notas. A finales de mes, tenía el diseño básico de lo que se conocería como el transistor de unión bipolar, o BJT, que eventualmente reemplazaría al transistor de contacto puntual y reinaría como el transistor dominante hasta finales de la década de 1970.

Con los conocimientos obtenidos del trabajo de Bell Labs, RCA comenzó a desarrollar sus propios transistores de contacto puntual en 1948. El grupo incluía los siete que se muestran aquí, cuatro de los cuales se usaron en el televisor experimental de 22 transistores de RCA construido en 1953. Estos cuatro fueron el TA153 [fila superior, segundo desde la izquierda], el TA165 [arriba, extremo derecho], el TA156 [fila inferior, centro] y el TA172 [abajo, derecha].COLECCIÓN JONATHAN HOPPE DEL MUSEO TRANSISTOR

El BJT se basó en la convicción de Shockley de que las cargas podían y debían fluir a través de los semiconductores a granel en lugar de a través de una capa delgada en su superficie. El dispositivo constaba de tres capas de semiconductores, como un sándwich: un emisor, una base en el medio y un colector. Fueron dopados alternativamente, por lo que había dos versiones: tipo n/tipo p/tipo n, llamado "NPN", y tipo p/tipo n/tipo p, llamado "PNP".

El BJT se basa esencialmente en los mismos principios que el punto de contacto, pero utiliza dos uniones pn en lugar de una. Cuando se usa como amplificador, un voltaje positivo aplicado a la base permite que fluya una pequeña corriente entre esta y el emisor, que a su vez controla una gran corriente entre el colector y el emisor.

Considere un dispositivo NPN. La base es tipo p, por lo que tiene exceso de agujeros. Pero es muy delgado y ligeramente dopado, por lo que hay relativamente pocos agujeros. Una pequeña fracción de los electrones que fluyen se combina con estos agujeros y se eliminan de la circulación, mientras que la gran mayoría (más del 97 por ciento) de los electrones siguen fluyendo a través de la base delgada y hacia el colector, creando un fuerte flujo de corriente.

Pero esos pocos electrones que se combinan con los huecos deben drenarse de la base para mantener la naturaleza de tipo p de la base y el fuerte flujo de corriente a través de ella. Esa eliminación de los electrones "atrapados" se logra mediante un flujo de corriente relativamente pequeño a través de la base. Ese goteo de corriente permite un flujo de corriente mucho más fuerte hacia el colector, y luego fuera del colector y hacia el circuito del colector. Entonces, en efecto, la corriente de base pequeña controla el circuito colector más grande.

Los campos eléctricos entran en juego, pero no modulan el flujo de corriente, lo que los primeros teóricos pensaron que tendría que suceder para que un dispositivo de este tipo funcione. Aquí está la esencia: ambas uniones pn en un BJT están atravesadas por regiones de agotamiento, en las que se combinan electrones y huecos y hay relativamente pocos portadores de carga móviles. El voltaje aplicado a través de las uniones establece campos eléctricos en cada una, que empujan las cargas a través de esas regiones. Estos campos permiten que los electrones fluyan desde el emisor, a través de la base y hacia el colector.

En el BJT, "los campos eléctricos aplicados afectan la densidad de la portadora, pero debido a que ese efecto es exponencial, solo se necesita un poco para crear una gran cantidad de corriente de difusión", explica Ioannis "John" Kymissis, presidente del departamento de ingeniería eléctrica. en la Universidad de Columbia.

Los primeros transistores eran del tipo conocido como punto de contacto, porque dependían de contactos metálicos que tocaban la superficie de un semiconductor. Aumentaron la corriente de salida, etiquetada como "Corriente de colector" en el diagrama superior, mediante el uso de un voltaje aplicado para superar una barrera al flujo de carga. Pequeños cambios en la corriente de entrada, o "emisor", modulan esta barrera, controlando así la corriente de salida.

El transistor de unión bipolar logra la amplificación utilizando prácticamente los mismos principios pero con dos interfaces de semiconductor, o uniones, en lugar de una. Al igual que con el transistor de contacto puntual, un voltaje aplicado supera una barrera y permite el flujo de corriente modulado por una corriente de entrada más pequeña. En particular, las uniones de semiconductores están atravesadas por regiones de empobrecimiento, a través de las cuales los portadores de carga se difunden bajo la influencia de un campo eléctrico.Chris Philpot

El BJT era más resistente y confiable que el transistor de contacto puntual, y esas características lo prepararon para la grandeza. Pero tomó un tiempo para que eso se volviera obvio. El BJT fue la tecnología utilizada para fabricar circuitos integrados, desde los primeros a principios de la década de 1960 hasta finales de la década de 1970, cuando se hicieron cargo los transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal (MOSFET). De hecho, fueron estos transistores de efecto de campo, primero el transistor de efecto de campo de unión y luego los MOSFET, los que finalmente realizaron el sueño de décadas de un dispositivo semiconductor de tres terminales cuyo funcionamiento se basaba en el efecto de campo: la ambición original de Shockley.

Un futuro tan glorioso apenas podía imaginarse a principios de la década de 1950, cuando AT&T y otros luchaban por encontrar formas prácticas y eficientes de fabricar los nuevos BJT. El propio Shockley pasó literalmente a poner el silicio en Silicon Valley. Se mudó a Palo Alto y en 1956 fundó una empresa que lideró el cambio del germanio al silicio como el semiconductor electrónico elegido. Los empleados de su empresa fundarían Fairchild Semiconductor y luego Intel.

Más adelante en su vida, después de perder su empresa debido a su terrible gestión, se convirtió en profesor en Stanford y comenzó a promulgar teorías sin fundamento y desquiciadas sobre la raza, la genética y la inteligencia. En 1951, Bardeen dejó Bell Labs para convertirse en profesor en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, donde ganó un segundo Premio Nobel de física, por una teoría de la superconductividad. (Él es la única persona que ha ganado dos premios Nobel de física). Brattain permaneció en Bell Labs hasta 1967, cuando se unió a la facultad de Whitman College, en Walla Walla, Washington.

Shockley murió como un paria en gran parte sin amigos en 1989. Pero su transistor cambiaría el mundo, aunque todavía no estaba claro en 1953 que el BJT sería el futuro. En una entrevista ese año, Donald G. Fink, quien ayudaría a establecer el IEEE una década más tarde, reflexionó: "¿Es un adolescente con granos, ahora torpe, pero con futuro vigor prometedor? ¿O ha llegado a la madurez, lleno de languidez, rodeada de decepciones?"

Fue lo primero, y todas nuestras vidas son mucho mejores gracias a ello.

Este artículo aparece en la edición impresa de diciembre de 2022 como "El primer transistor y cómo funcionaba".

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