Noviembre, 2022
La invención de este dispositivo marcó el comienzo de la electrónica y la era de las telecomunicaciones. La revista Science repasa en un número especial la historia del transistor y los retos de su evolución tecnológica, que plantea la utilización de materiales de última generación, pero mantiene los mismos principios de funcionamiento original.
Hace 75 años comenzó la era de las tecnologías de la información. El hito estuvo marcado por la invención de un dispositivo, el transistor, que en aquel momento tenía un tamaño cercano a una naranja. En la actualidad, el pequeño chip microprocesador de un ordenador puede contener unos 700 millones de transistores y la cifra sigue aumentando cada año.
Con motivo de esta efeméride, la revista Science ha publicado una edición especial en la que repasa la historia del transistor y los retos que afronta su evolución tecnológica en la actualidad.
“Sin transistores, no habría teléfonos celulares, computadoras portátiles o videojuegos. Además, tendríamos que volver a usar los mapas, porque la tecnología GPS utiliza satélites que transmiten señales mediante el uso de transistores. Casi toda la tecnología médica se basa en estos dispositivos, desde la toma de imágenes y la cirugía robótica hasta los instrumentos que obtienen los resultados de los análisis de sangre”, explica en entrevista Phil Szuromi, editor adjunto de Science y autor de la introducción del especial.
Una revolución tecnológica de Premio Nobel
Como recuerdan Suman Datta y sus compañeros en una revisión de este especial de Science, el desarrollo tecnológico del transistor fue posible gracias a los avances en la teoría de los semiconductores de 1930 y en la purificación del germanio y el silicio, en la década de 1940.
En los Estados Unidos de los años cuarenta, la telefonía de larga distancia tenía un problema. Para que la señal eléctrica recorriera largas distancias era necesario amplificarla y este proceso pasaba por las válvulas de vacío o triodos, unos componentes que se calentaban y eran poco fiables.
La Bell Telephone Company, compañía fundada por Alexander Graham Bell y posterior AT&T, contaba con una división de investigación a la que se le encomendó resolver este problema, los Bell Labs. En diciembre de 1947, John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley, de Bell Labs, desarrollaron el transistor: el primer semiconductor de estado sólido. En 1956, los tres investigadores recibieron el Premio Nobel de Física “por sus investigaciones en semiconductores y su descubrimiento del efecto transistor”.
El transistor tomó su nombre de la función semiconductora del dispositivo: TRANsfer y reSISTOR. Aquel primer transistor de 1947 estaba hecho de láminas de oro, plástico y germanio. Posteriormente, para su comercialización se empleó el silicio, más fiable y fácil de fabricar.
La creación del transistor no sólo contribuyó a la mejora de la telefonía. Permitió la computación digital y su impacto en la sociedad es “difícil de sobreestimar”, destacan los autores de la revisión.
Por citar otros ejemplos, su comercialización permitió el desarrollo de la radio de bolsillo, la creación de Silicon Valley y fue clave en el desarrollo del programa Apollo, agregan.
Nuevos transistores para nuevas necesidades
Durante décadas, la evolución tecnológica del transistor ha permitido reducir su tamaño y su consumo de energía para poder introducir millones de transistores en chips y circuitos integrados. Nuestro propio teléfono celular funciona gracias a millones de estos semiconductores, señalan Datta y sus colegas.
La Ley de Moore, postulada casi 20 años después de la creación del transistor, vaticinaba que el número de transistores en un circuito integrado se doblaría cada 1 o 2 años. Esta premisa, que ha sido cierta en las últimas décadas, está perdiendo validez. En la actualidad, el escalado resulta mucho más complejo, entre otros motivos, por la posible aparición de pequeñas fugas eléctricas cuando el transistor está apagado, subrayan.
Los autores comentan que al igual que la necesidad de realizar llamadas de costa a costa de Estados Unidos motivó el desarrollo del transistor, las necesidades de hoy en día propician la creación de la nueva generación de transistores, de materiales que van desde los nanotubos de carbono al óxido de galio.
“La mayor necesidad es usar menos energía. Todos hemos sentido cómo se calientan nuestros regazos cuando usamos un ordenador portátil: ese calor es energía que se usa para hacer funcionar el dispositivo. Los nuevos diseños de transistores deberían usar menos energía y los nanotubos de carbono pueden reemplazar al silicio, como una forma de usar menos energía en este tipo de aplicaciones. Por otro lado, para controlar los sistemas de alta potencia en la industria también se están explorando otros semiconductores más allá del silicio, como el carburo de silicio y el óxido de galio, que disminuirán la energía desperdiciada en los sistemas de control”, comenta Szuromi.
En el caso de los transistores de nanotubos de carbono (CNT), esta tecnología propiciará multitud de nuevas aplicaciones. Por ejemplo, la creación de biosensores que podrían ser útiles para detectar el cáncer, según los expertos citados en el número especial.
Si bien los CNT podrían constituirse como una evolución tecnológica a los transistores actuales, también plantean problemas de producción. Su desarrollo se basa en procesos que no son fáciles de escalar.
Para Aaron Franklyn y otros firmantes, autores de otro de los artículos de revisión, “la realización de una tecnología de transistores CNT que cubra las necesidades del alto volumen de fabricación tiene muchos obstáculos. Se requiere un esfuerzo conjunto de la academia y la industria para superarlos”.
Las aplicaciones del futuro
Los expertos citados auguran que los próximos circuitos integrados realizarán tareas más rápido, gracias a que su diseño estará orientado a la realización de tareas específicas.
“Ya tenemos chips especializados que ejecutan los gráficos de los videojuegos; sin ellos, los juegos serían más lentos y menos realistas visualmente. Los fabricantes de automóviles diseñarán específicamente los chips que harán funcionar los automóviles autónomos, para ejecutar todas las tareas de navegación y conducción de manera rápida y eficiente”, dice Szuromi.
En su opinión, “la tecnología de transistores utilizada en tareas de detección y control, como guiar a los robots a un edificio derrumbado para buscar supervivientes, tendrá los sensores integrados en los chips, en lugar de sensores separados, y acelerará el procesamiento. Los dispositivos flexibles, como sensores portátiles y monitores en forma de parches para la piel, impulsarán la medicina personalizada”.
Con independencia de su construcción y sus aplicaciones, los principios detrás del funcionamiento del transistor siguen siendo clave para el desarrollo tecnológico, 75 años después de la creación del primer transistor. 
Referencias:
Número especial de Science (noviembre, 2022)
Introducción: Phil Szuromi “From one transistor…”
Perspectiva: Mark S. Lundstrom, Muhammad A. Alam. “Moore’s law: The journey ahead”; Marko J. Tadjer “Toward gallium oxide power electronics”
Revisión: Aaron D. Franklin, Mark C. Hersam, and H.-S. Philip Wong. “Carbon nanotube transistors: Making electronics from molecules”; Suman Datta, Wriddhi Chakraborty, Marko Radosavljevic. “Toward attoJoule switching energy in logic transistors“.
