La revolución del transistor: Cómo los transistores cambiaron el mundo

A lo largo de la historia humana, varios hitos tecnológicos redefinieron el progreso humano: la Revolución Agrícola, la Revolución Industrial y el descubrimiento de la electricidad. Algunos inventos cambiaron el mundo: el generador eléctrico de corriente continua, la bombilla, el teléfono, el concreto, motores de CA/generadores, aviones, trenes, automóviles, rayos X y la penicilina.

Cuando se compilan estas listas, a menudo se pasa por alto un invento: la invención del transistor. Este artículo examina la historia de los transistores y resalta la importancia de la tecnología de transistores en el mundo moderno.

¿Qué es un transistor?

En su forma más simple, un transistor es un pequeño interruptor basado en semiconductores que funciona como un interruptor de luz estándar. Los transistores regulan o controlan el flujo de corriente o voltaje a nivel microscópico. Los transistores modernos consisten en tres conductores eléctricos: la fuente, el drenaje y la compuerta. Cuando se aplica una pequeña señal eléctrica a la compuerta del transistor, se permite que la señal eléctrica principal más grande pase a través del drenaje.

Varias configuraciones modernas permiten aplicar diferentes voltajes primarios y secundarios a estos conductores, lo cual a menudo es una función de los materiales semiconductores utilizados. Por ejemplo, los transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal (MOSFETS) basados en silicio estándar requieren 1000mm*Rds(on) a un voltaje de compuerta de 5V y un voltaje de drenaje a fuente de 200, mientras que los semiconductores de Nitruro de Galio solo necesitan 60mm*Rds(on) a los mismos voltajes (una reducción de 16x).

¿Cómo se utilizan los transistores?

Los transistores se utilizan en casi todos los dispositivos electrónicos modernos. Son la base de los circuitos integrados (CI), microchips, microprocesadores, FPGAs, chips de memoria, interruptores electrónicos, fuentes de alimentación, y mucho más. Como resultado, casi todos los dispositivos electrónicos modernos constan de al menos un transistor, si no millones de ellos.

Por ejemplo, un adaptador de carga estándar de Apple iPhone consta de un solo transistor de conmutación MOSFET de alta frecuencia y un solo transformador flyback. Estos dos transformadores trabajan juntos, junto con muchos otros componentes pasivos, para tomar un amplio rango de potencia de entrada CA 'sucia' y convertirla en voltajes de salida CC 'limpios' y bien filtrados utilizados para cargar un iPhone.

Una computadora personal moderna consta de miles de millones de transistores. Por ejemplo, Dell XPS 15 Laptop utiliza un 12ᵗʰ Gen Intel® Core™ i9-12900HK como su unidad central de procesamiento (CPU) principal. Aunque Intel ya no divulga el total de su recuento de transistores, una CPU Apple M1 Max consta de 57 mil millones de transistores. En las computadoras de renderizado gráfico profesional que utilizan tanto CPU como GPU, los recuentos totales de transistores pueden superar centenas de miles de millones.

Una breve historia de los transistores

La base conceptual de un transistor está arraigada en los tubos de vacío termoiónicos, inventados en 1907 y utilizados principalmente en tecnología de radio, televisores, radares y comunicaciones de larga distancia. Estos amplificadores de tubos de vacío consumían mucha energía, eran muy costosos de fabricar, podían ser muy grandes y pesados, y eran muy frágiles.
 
Los tubos de vacío termoiónicos utilizan una señal de entrada para controlar el flujo de corriente eléctrica entre electrodos. Los tubos requieren un filamento calentado en un vacío, lo que consume energía adicional y los hace propensos a fallos catastróficos.
 
Los transistores de efecto de campo en estado sólido fueron patentados por primera vez por el físico Julius Edgar Lilienfeld en 1925 en Canadá, y posteriormente en 1926 y 1928 en los EE. UU. Estas patentes identificaron los principios de los transistores de estado sólido y su uso como solución alternativa a los tubos de vacío termoiónicos, pero el reconocimiento de Lilienfeld como el abuelo de la tecnología de transistores terminó ahí. En la década de 1920, no se había inventado aún la capacidad de fabricar los materiales semiconductores de alta calidad necesarios para construir los conceptos de Lilienfeld.
 
El primer transistor funcional, el transistor de contacto puntual, fue inventado en 1947 por los físicos estadounidenses John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley en Bell Labs. Su investigación original sobre el comportamiento de los semiconductores estaba relacionada tangencialmente con los conceptos delineados en el trabajo de Lilienfeld, pero sus intentos fallidos de construir transistores de efecto de campo (FETS) los llevaron al descubrimiento e invención de transistores bipolares de contacto puntual y de unión. Shockley presentó la patente estadounidense para la primera tecnología de transistores bipolares de unión en junio de 1948.
 
Curiosamente, los físicos alemanes Herbert Matare y Heinrich Welker, que trabajaban para una filial de Westinghouse en París, estaban investigando temas muy similares a principios de 1948. Tras sus descubrimientos posteriores y la realización de que estaban compitiendo con el equipo de Shockley en la investigación de transistores, presentaron su primera patente de transistor el 13 de agosto de 1948 en Francia.
 
Ya a principios de la década de 1950, los transistores ya se producían a pequeña escala para su uso en comunicaciones de radio. Varios descubrimientos y productos importantes siguieron durante mediados de la década de 1950:

• Bell Labs desarrolló el primer transistor de silicio funcional el 26 de enero de 1954.
• Texas Instruments construyó el primer transistor de silicio comercial a finales de 1954.
• El primer radio de transistores, el Regency TR-1, fue lanzado en octubre de 1954.
• El primer radio de automóvil totalmente de transistores fue desarrollado por Chrysler y Philco y fue presentado el 28 de abril de 1955.
• El primer radio de transistores producido en masa, el Sony TR-63, fue lanzado en 1957 y vendió siete millones de unidades, lo que llevó a la adopción masiva de radios de transistores a finales de la década de 1950 y principios de la de 1960.

La importancia global del transistor

En menos de una década desde su creación, el transistor revolucionó la electrónica moderna y los institutos de investigación. Físicos de todo el mundo descubrieron furiosamente el potencial de la tecnología de transistores.
 
William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain de Bell Labs recibieron el Premio Nobel de Física en 1956 “por sus investigaciones sobre semiconductores y su descubrimiento del efecto transistor”. Aunque este premio tiene un enorme reconocimiento, el impacto en la humanidad y la tecnología futura fue mucho más significativo.
 
Los transistores se han convertido en la base de casi todos los dispositivos electrónicos, sistemas eléctricos e industrias en todo el planeta. En 2022, se espera que la industria global de chips semiconductores supere los 600 mil millones de dólares.
 
Ya sea si eres un controlador de tráfico aéreo en Australia, un banquero en Bélgica, un concesionario de autos en Canadá, un educador en Egipto, un agricultor en Francia, un inversionista en valores en Singapur, o un jugador de videojuegos en Venezuela, utilizas la tecnología de transistores en tu vida cotidiana. La invención del transistor puede ser la invención más importante del siglo XX. Sin transistores, tecnologías fundamentales comunes como internet, teléfonos móviles, medicina moderna y transporte moderno pueden no haber existido nunca.