Dispositivo semiconductor

Detector de bigotes de gatoEditar

Los semiconductores se habían utilizado en el campo de la electrónica desde algún tiempo antes de la invención del transistor. Hacia finales del siglo XX eran bastante comunes como detectores en radios, utilizados en un dispositivo llamado «bigote de gato» desarrollado por Jagadish Chandra Bose y otros. Sin embargo, estos detectores eran algo problemáticos, ya que requerían que el operador moviera un pequeño filamento de tungsteno (el bigote) alrededor de la superficie de un cristal de galena (sulfuro de plomo) o de carborundo (carburo de silicio) hasta que de repente empezaba a funcionar. Luego, a lo largo de unas horas o días, el bigote dejaba de funcionar lentamente y había que repetir el proceso. En aquel momento su funcionamiento era completamente misterioso. Tras la introducción de las radios basadas en tubos de vacío, más fiables y amplificadas, los sistemas de bigote de gato desaparecieron rápidamente. El «bigote de gato» es un ejemplo primitivo de un tipo especial de diodo aún popular hoy en día, llamado diodo Schottky.

Rectificador metálicoEditar

Otro tipo temprano de dispositivo semiconductor es el rectificador metálico en el que el semiconductor es óxido de cobre o selenio. Westinghouse Electric (1886) fue uno de los principales fabricantes de estos rectificadores.

Segunda Guerra MundialEditar

Durante la Segunda Guerra Mundial, la investigación del radar empujó rápidamente a los receptores de radar a operar a frecuencias cada vez más altas y los receptores de radio tradicionales basados en tubos ya no funcionaban bien. La introducción del magnetrón de cavidad de Gran Bretaña a los Estados Unidos en 1940 durante la Misión Tizard dio lugar a una necesidad apremiante de un amplificador práctico de alta frecuencia.

En un capricho, Russell Ohl de los Laboratorios Bell decidió probar un bigote de gato. En ese momento ya no se utilizaban desde hacía varios años, y nadie en los laboratorios tenía uno. Después de encontrar uno en una tienda de radios de segunda mano en Manhattan, descubrió que funcionaba mucho mejor que los sistemas basados en tubos.

Ohl investigó por qué el bigote de gato funcionaba tan bien. Pasó la mayor parte de 1939 intentando cultivar versiones más puras de los cristales. Pronto descubrió que con cristales de mayor calidad su comportamiento quisquilloso desaparecía, pero también su capacidad de funcionar como detector de radio. Un día encontró uno de sus cristales más puros que, sin embargo, funcionaba bien y tenía una grieta claramente visible cerca del centro. Sin embargo, cuando se movía por la habitación tratando de probarlo, el detector funcionaba misteriosamente y luego se detenía de nuevo. Después de estudiarlo, descubrió que el comportamiento estaba controlado por la luz de la habitación: más luz provocaba más conductancia en el cristal. Invitó a otras personas a ver este cristal, y Walter Brattain se dio cuenta inmediatamente de que había algún tipo de unión en la grieta.

Las investigaciones posteriores aclararon el misterio que quedaba. El cristal se había agrietado porque ambos lados contenían cantidades muy ligeramente diferentes de las impurezas que Ohl no podía eliminar, aproximadamente un 0,2%. Un lado del cristal tenía impurezas que añadían electrones adicionales (los portadores de la corriente eléctrica) y lo convertían en «conductor». El otro tenía impurezas que querían unirse a estos electrones, convirtiéndolo en (lo que él llamó) un «aislante». Como las dos partes del cristal estaban en contacto, los electrones podían ser empujados fuera de la parte conductora, que tenía electrones de más (lo que pronto se conocería como emisor), y sustituidos por otros nuevos que se proporcionaban (desde una pila, por ejemplo), donde fluirían hacia la parte aislante y serían recogidos por el filamento de bigote (llamado colector). Sin embargo, cuando se invierte la tensión, los electrones que son empujados hacia el colector llenan rápidamente los «agujeros» (las impurezas necesitadas de electrones), y la conducción se detiene casi instantáneamente. Esta unión de los dos cristales (o partes de un cristal) creó un diodo de estado sólido, y el concepto pronto se conoció como semiconducción. El mecanismo de acción cuando el diodo está apagado tiene que ver con la separación de los portadores de carga alrededor de la unión. Esto se denomina «región de agotamiento».

Desarrollo del diodoEditar

Armado con el conocimiento de cómo funcionaban estos nuevos diodos, se inició un vigoroso esfuerzo para aprender a construirlos por encargo. Los equipos de la Universidad de Purdue, los Laboratorios Bell, el MIT y la Universidad de Chicago unieron sus fuerzas para construir mejores cristales. Al cabo de un año, la producción de germanio se había perfeccionado hasta el punto de que los diodos de calidad militar se utilizaban en la mayoría de los aparatos de radar.

Desarrollo del transistorEditar

Después de la guerra, William Shockley decidió intentar la construcción de un dispositivo semiconductor tipo triodo. Consiguió financiación y espacio en el laboratorio, y se puso a trabajar en el problema con Brattain y John Bardeen.

La clave para el desarrollo del transistor fue la mayor comprensión del proceso de la movilidad de los electrones en un semiconductor. Se comprendió que si había alguna forma de controlar el flujo de los electrones desde el emisor al colector de este diodo recién descubierto, se podría construir un amplificador. Por ejemplo, si se colocan contactos a ambos lados de un mismo tipo de cristal, la corriente no fluirá entre ellos a través del cristal. Sin embargo, si un tercer contacto pudiera «inyectar» electrones o agujeros en el material, la corriente fluiría.

En realidad, hacer esto parecía ser muy difícil. Si el cristal fuera de cualquier tamaño razonable, el número de electrones (o agujeros) necesarios para ser inyectados tendría que ser muy grande, lo que lo haría menos útil como amplificador porque requeriría una gran corriente de inyección para empezar. Dicho esto, la idea del diodo de cristal era que el propio cristal podía proporcionar los electrones a una distancia muy pequeña, la región de agotamiento. La clave parecía ser colocar los contactos de entrada y salida muy juntos en la superficie del cristal, a ambos lados de esta región.

Brattain comenzó a trabajar en la construcción de un dispositivo de este tipo, y siguieron apareciendo tentadores indicios de amplificación mientras el equipo trabajaba en el problema. A veces el sistema funcionaba, pero luego dejaba de funcionar inesperadamente. En una ocasión, un sistema que no funcionaba empezó a funcionar cuando se colocó en el agua. Ohl y Brattain acabaron desarrollando una nueva rama de la mecánica cuántica, conocida como física de superficies, para explicar este comportamiento. Los electrones de cualquier parte del cristal migrarían debido a las cargas cercanas. Los electrones de los emisores, o los «agujeros» de los colectores, se agrupaban en la superficie del cristal, donde podían encontrar su carga opuesta «flotando» en el aire (o en el agua). Sin embargo, podrían ser empujados fuera de la superficie con la aplicación de una pequeña cantidad de carga desde cualquier otro lugar del cristal. En lugar de necesitar un gran suministro de electrones inyectados, un número muy pequeño en el lugar adecuado del cristal lograría lo mismo.

Su comprensión resolvió el problema de necesitar un área de control muy pequeña hasta cierto punto. En lugar de necesitar dos semiconductores separados conectados por una región común, pero diminuta, serviría una única superficie mayor. Los conductores emisores y colectores de electrones se colocarían muy juntos en la parte superior, y el conductor de control se situaría en la base del cristal. Cuando la corriente fluye a través de este cable de la «base», los electrones o agujeros son empujados hacia fuera, a través del bloque de semiconductor, y se acumulan en la superficie lejana. Siempre que el emisor y el colector estuvieran muy juntos, esto debería permitir que hubiera suficientes electrones o huecos entre ellos para que se iniciara la conducción.

El primer transistorEditar

Una réplica estilizada del primer transistor

El equipo de Bell hizo muchos intentos de construir un sistema de este tipo con varias herramientas, pero en general fracasó. Los montajes en los que los contactos estaban lo suficientemente cerca eran invariablemente tan frágiles como lo habían sido los detectores originales de bigotes de gato, y funcionaban brevemente, si es que lo hacían. Finalmente, lograron un avance práctico. Se pegó un trozo de lámina de oro al borde de una cuña de plástico y se cortó la lámina con una navaja en la punta del triángulo. El resultado fueron dos contactos de oro muy próximos entre sí. Cuando la cuña se empujaba hacia abajo sobre la superficie de un cristal y se aplicaba un voltaje al otro lado (en la base del cristal), la corriente empezaba a fluir de un contacto al otro, ya que el voltaje de la base empujaba los electrones desde la base hacia el otro lado, cerca de los contactos. Se había inventado el transistor de contacto puntual.

Aunque el dispositivo se construyó una semana antes, las notas de Brattain describen la primera demostración a los altos cargos de los Laboratorios Bell en la tarde del 23 de diciembre de 1947, a menudo considerada como la fecha de nacimiento del transistor. Lo que ahora se conoce como «transistor de germanio de contacto puntual p-n-p» funcionó como amplificador de voz con una ganancia de potencia de 18 en esa prueba. John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 1956 por su trabajo.

Origen del término «transistor «Editar

Los Laboratorios Telefónicos Bell necesitaban un nombre genérico para su nuevo invento: «Triodo semiconductor», «Triodo sólido», «Triodo de estado superficial» , «Triodo de cristal» e «Iotatron» fueron considerados, pero «transistor», acuñado por John R. Pierce, ganó una votación interna. La justificación del nombre se describe en el siguiente extracto de los Memorandos Técnicos de la empresa (28 de mayo de 1948) en los que se solicitaban votos:

Transistor. Se trata de una combinación abreviada de las palabras «transconductancia» o «transferencia», y «varistor». El dispositivo pertenece lógicamente a la familia de los varistores, y tiene la transconductancia o impedancia de transferencia de un dispositivo que tiene ganancia, por lo que esta combinación es descriptiva.

Mejoras en el diseño de transistoresEditar

Shockley estaba molesto por el hecho de que el dispositivo se acreditara a Brattain y Bardeen, quienes creía que lo habían construido «a sus espaldas» para llevarse la gloria. Las cosas empeoraron cuando los abogados de los Laboratorios Bell descubrieron que algunos de los escritos del propio Shockley sobre el transistor eran lo suficientemente parecidos a los de una patente anterior de 1925 de Julius Edgar Lilienfeld como para pensar que lo mejor era que su nombre no figurara en la solicitud de patente.

Shockley estaba indignado y decidió demostrar quién era el verdadero cerebro de la operación. Unos meses más tarde, inventó un tipo de transistor completamente nuevo, considerablemente más robusto, con una estructura de capas o «sándwich». Esta estructura se utilizó para la gran mayoría de los transistores en la década de 1960 y evolucionó hasta convertirse en el transistor de unión bipolar.

Una vez resueltos los problemas de fragilidad, quedaba el problema de la pureza. Fabricar germanio con la pureza requerida resultaba un problema serio, y limitaba el rendimiento de los transistores que realmente funcionaban a partir de un determinado lote de material. La sensibilidad del germanio a la temperatura también limitaba su utilidad. Los científicos teorizaron que el silicio sería más fácil de fabricar, pero pocos investigaron esta posibilidad. Gordon K. Teal fue el primero en desarrollar un transistor de silicio que funcionaba, y su empresa, la naciente Texas Instruments, se benefició de su ventaja tecnológica. A partir de finales de los años 60, la mayoría de los transistores eran de silicio. En pocos años aparecieron en el mercado productos basados en transistores, sobre todo radios fácilmente portátiles.

El transistor de inducción estática, el primer transistor de alta frecuencia, fue inventado por los ingenieros japoneses Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe en 1950. Fue el transistor más rápido hasta la década de 1980.

Una importante mejora en el rendimiento de la fabricación se produjo cuando un químico aconsejó a las empresas que fabricaban semiconductores que utilizaran agua destilada en lugar de agua del grifo: los iones de calcio presentes en el agua del grifo eran la causa de los bajos rendimientos. La «fusión por zonas», una técnica que utiliza una banda de material fundido que se desplaza a través del cristal, aumentó aún más la pureza del cristal.

Semiconductor de óxido metálico (MOS)Editar

En la década de 1950, Mohamed Atalla investigó las propiedades superficiales de los semiconductores de silicio en los Laboratorios Bell, donde propuso un nuevo método de fabricación de dispositivos semiconductores, recubriendo una oblea de silicio con una capa aislante de óxido de silicio para que la electricidad pudiera penetrar de forma fiable hasta el silicio conductor situado debajo, superando los estados superficiales que impedían que la electricidad llegara a la capa semiconductora. Esto se conoce como pasivación superficial, un método que se convirtió en fundamental para la industria de los semiconductores, ya que hizo posible la producción en masa de circuitos integrados (CI) de silicio. Basándose en su método de pasivación superficial, desarrolló el proceso del semiconductor de óxido metálico (MOS), que propuso que podría utilizarse para construir el primer transistor de efecto de campo (FET) de silicio. Esto condujo a la invención del MOSFET (transistor de efecto de campo MOS) por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en 1959. Gracias a su escalabilidad, y a un consumo de energía mucho menor y una mayor densidad que los transistores de unión bipolar, el MOSFET se convirtió en el tipo de transistor más común en los ordenadores, la electrónica y la tecnología de las comunicaciones, como los smartphones. La Oficina de Patentes y Marcas de EE.UU. califica al MOSFET de «invento innovador que transformó la vida y la cultura en todo el mundo».

El MOS (MOS complementario) fue inventado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor en 1963. El primer informe de un MOSFET de puerta flotante fue realizado por Dawon Kahng y Simon Sze en 1967. El FinFET (transistor de efecto de campo de aleta), un tipo de MOSFET de puertas múltiples en 3D, fue desarrollado por Digh Hisamoto y su equipo de investigadores del Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989.