El Ascenso del Transistor

por Oscar Toledo Esteva

Conferencia dictada el 26 de noviembre del 2009, durante el Congreso Multidisciplinario 2009 de la Universidad Veracruzana, campus Ixtac, en la ciudad de Córdoba, Veracruz.

Muchos adelantos científicos que disfrutamos se derivan de la física cuántica que descubrió el transistor, tema de la conferencia presentada por el científico Oscar Toledo Esteva el 26 de noviembre del 2009, en el marco del Congreso Multidisciplinario 2009 de la Universidad Veracruzana, celebrado en la ciudad de Córdoba, Veracruz, donde compartimos con profesores y alumnos que con dedicación y nuevos conocimientos todo es posible.

De una lista de descubrimientos científicos, el bulbo y el transistor están considerados como las invenciones más importantes del siglo XX. El bulbo es una válvula termoiónica que consta de placa, rejillas, cátodo y filamento, y fue desarrollado por Lee de Forest en 1907, este dispositivo incandescente persistió en los receptores de radio y televisión hasta hace poco.

Los bulbos triodos constituyeron los componentes esenciales de las primeras computadoras, el sistema de cálculo ENIAC (Electronics Numerical Integrator And Calculator), puesto en marcha en 1940, contaba con 18,000 triodos. Sistemas similares de cálculo pervivieron hasta principios de los años sesenta, ya con la llegada del transistor se inicia otra revolución, que entraña el paulatino abandono de los bulbos, el inicio de la miniaturización de los circuitos electrónicos y el auge de la microelectrónica.

El descubrimiento del transistor ocurrió en 1947 en los laboratorios Bell Telephone en los Estados Unidos de Norteamérica por los científicos John Bardeen, Walter Houser Brattain, que nace el 10 de febrero de 1902 en Amoy, China; lidereados por William Shockley, que nace el 13 de febrero de 1910 en Londres; este equipo de investigadores recibió en 1956 el premio Nobel por el descubrimiento del transistor, William Shockley trabajando en su casa en Gillete, Nueva Jersey, E.U.A. escribió en su cuaderno el 29 de diciembre de 1939 «Hoy se me ocurrió un amplificador que posiblemente use semiconductores en vez de bulbos», posteriormente su profundo conocimiento de la física clásica y la física cuántica hizo posible descubrir el efecto transistor.

El bulbo triodo

Por estas fechas, la segunda guerra mundial sorprendió a Shockley y a Brattain lejos del Laboratorio Bell, para trabajar separadamente en operaciones militares anti-submarinos, Bardeen fue al laboratorio naval en Washington D.C. Shockley fue condecorado con la orden al mérito por su trabajo en radares de bombarderos. Personas que nunca han ido a una guerra, no conciben que para que un país se defienda y triunfe en una guerra, debe tener los recursos industriales, técnicos y científicos que representan su soberanía y su seguridad nacional, donde la tecnología puede ser usada contra objetivos destructivos. Consecuentemente los primeros transistores producidos por Bell Telephone se aplicaron en sistemas militares, pero los objetivos creadores se impusieron y espero que puedan ayudar al hombre a continuar por esta senda.

Terminada la guerra, William Shockley regresó al laboratorio Bell, en julio de 1945 el gerente Mervin Kelly firmó la autorización para iniciar un programa de investigación sobre componentes prácticos de estado solido, el propósito era obtener "conocimientos nuevos que pudieran usarse en el desarrollo de nuevos y mejores componentes, para aparatos en sistemas de comunicación". El subgrupo encabezado por Shockley, incluía a Brattain, el físico Gerald Pearson, el físico-químico Robert Gibney y un recien reclutado por la empresa Bell, llamado John Bardeen, nacido el 23 de mayo de 1908 en Madison, Wisconsin. Este grupo asignado para la investigación de semiconductores, descubrió el efecto transistor dos años después.

Los primeros físicos de partículas habían sacado sus ecuaciones y habían previsto lo que después otros descubrieron, catalogaron y clasificaron los objetos que observaban, igual como lo hacen los zoologos, las clasificaciones, cuando están bien hechas, conducen a las teorías científicas, gracias a esto se diseñaron diodos rectificadores de estado sólido para corriente alterna, hechos de cobre, selenio y germanio. Sin embargo, todo comenzó cuando Shockley anotó en su cuaderno un 24 de diciembre de 1939, lo que él llamó: "FET de compuerta Shockley, hecho de óxido de cobre", buscando crear el FET (Field Effect Transistor) que fue un fracaso en 1940, lo que Shockley menciona como una «Falla creativa», esta labor dió la idea para descubrir el transistor bipolar, más tarde en 1960 otros fabricaron por primera vez el transistor de efecto de campo.

Prototipo del transistor original de punto de contacto

El prototipo del transistor de punto de contacto estaba montado en un soporte de ángulo recto, con un trozo de poliestireno de corte triangular, que tenía pegadas dos tiras de laminilla de oro, cuidadosamente cortadas con una navaja para rasurar, un resorte sujetado presionaba el lado del corte inferior de las dos laminillas que se posaba en la superficie irregular del germanio, dos alambres de cobre estaban conectados a las laminillas y otro a la base con el germanio, las dos tiras de laminillas fueron nombradas respectivamente "Colector" y "Emisor", la parte inferior donde estaba depositado el germanio se llamó "Base". Los alambres del transistor se conectaron a dos baterías que polarizaban el transistor con el voltaje apropiado, mientras la bobina de un transformador inducía la señal de prueba desde un oscilador de audio, otro transformador en la salida del circuito fue utilizado para ver la amplificación por medio de un osciloscopio. El circuito constaba de un transistor, dos transformadores, un generador de audio, dos baterías, un osciloscopio y un interruptor rotatorio, fueron los componentes para comprobar el funcionamiento del transistor en condiciones de trabajo, una vez detectada la amplitud de la señal de entrada de la función amplificadora, se descubrió por primera vez el efecto transistor de respuesta instantánea, sin el calentamiento de los filamentos de los bulbos, ni el alto voltaje que utilizaban, además la duración de vida del transistor es superior a la del tubo de vacío.

El moderno transistor en sus dos presentaciones y polaridades

De acuerdo con Shockley, la fecha del descubrimiento del transistor fue el 16 de diciembre de 1947, y el 23 de diciembre fue el día en que el componente fue demostrado a los ejecutivos del laboratorio Bell. Ese año por la alegría del descubrimiento él tuvo una navidad inolvidable, el anuncio público no llegó sino hasta el primero de julio de 1948, más adelante William Shockley admite su sentida frustración, a pesar de todos sus esfuerzos, él no estuvo presente en el momento en que funcionó el transistor, fue a comer a su casa, al regresar al laboratorio, lo que sucedió en los famosos segundos había ocurrido a los ojos de John Bardeen y Walter Houser Brattain, la curiosidad y la impaciencia de los otros rompió la camaradería del grupo, años después, la decisión salomónica del comité del premio Nobel los volvió a unir aunque fuera por un momento.

El trabajo de ellos fue parte de una política deliberada para la investigación de una nueva tecnología para mejorar el sistema telefónico de AT&T en los laboratorios de Bell Telephone.

Cuando John Bardeen y Walter Brattain presentaron su histórico artículo sobre el transistor en 1948 lo titularon "El Transistor: Un Triodo Semiconductor", aludiendo al elemento electrónico mas usado en aquellos momentos. Diez años después, en 1959 apareció una nueva generación de computadoras, basada ya en los transistores.

Circuito de prueba con el transistor de punto de contacto, circuito amplificador con base común, tal y como W.H. Brattain lo presentó a los ejecutivos del laboratorio Bell el 24 de diciembre de 1947.

En 1952, Texas Instruments obtuvo por $25000 dólares la licencia de Bell Telephone para la fabricación de transistores. Por estas mismas fechas, después de mucha insistencia el japonés Akio Morita obtuvo también una licencia, fundó la compañía Sony y fabricó la primera radio portátil a transistores. Al renunciar William Shockley de Bell Telephone, fundó en 1954 con la ayuda de Beckman Instruments la empresa "Shockley Semiconductor Laboratories" en su pueblo de Palo Alto, California, y fue la primera compañia de semiconductores en lo que es ahora el Valle del Silicio. Profesionalmente la reputación de Shockley es admirable, pero sus puntos de vista ortodoxos en raza y genética le trajeron problemas en repetidas ocasiones, principalmente con los que laboraban con él. Durante los últimos años de su vida, dió clases en la universidad de Stanford, donde fue profesor emérito.

De la compañia que fundó Shockley, más tarde fue rebautizada como «Shockley Transistor Corporation», que finalmente fue adquirida en abril de 1960 por "Clevite Transistor" y clausurada en 1969, su dedicación primaria de hacer investigación científica lo alejó del mundo real, el altivo, despectivo, tiránico, dinámico, emprendedor y entusiasta, rodeado en su laboratorio de numerosos asistentes a quienes mandaba de una forma dictatorial, se dedicó obsesivamente a desarrollar el supertransistor, lo cual nunca logró, tuvo dificultad en los negocios, por su estilo personal de dirigir su grupo de investigación y en el trato con los subalternos, los ocho empleados que se unieron inicialmente con Shockley, renunciaron en masa en mayo de 1957, para firmar un contrato por 1.3 millones de dólares con una compañia involucrada en proyectiles militares y sistemas satelitales, llamada "Fairchild Camera and Instruments", esto sucedió en el mes de septiembre de 1957, y los ocho hombres fueron conocidos como "Los ocho traidores", ellos fueron: Julius Blank, Victor Grinich, Jean Hoerni, Gene Kleiner, Jay Last, Gordon Moore, Robert Noyce y Sheldon Roberts. Con ellos nació en 1957 "Fairchild Semiconductor", una compañia dedicada a encapsular transistores en circuitos integrados como ellos querían, no como Shockley había decretado.

Desde entonces el robo de empleados calificados y la piratería de secretos técnicos se volvió muy común, de Fairchild Semiconductor salieron las personas que fundaron Rheem Semiconductor en 1959, Amelco en 1961, Signetics en 1961, Molectro en 1962, General Microelectronics en 1963, National Semiconductor en 1967, Intel en 1968, Advanced Micro Devices (AMD) en 1969, Four Phase en 1969 e Integrated Electronics en 1970, de Intel emigraron Federico Faggin y Masatoshi Shima para fundar Zilog en 1974, donde diseñaron el popular microprocesador Z-80 que fue puesto a la venta en 1976.

El primer transistor de punto de contacto nunca fue comercializado, sólo sirvió como muestra para fabricantes y se volvió obsoleto, ocupando su lugar el transistor de juntura que fue producido masivamente para uso comercial.

En 1958, Jack Kilby inventó en Texas Instruments el circuito integrado donde los transistores se encapsularon por docenas en un solo circuito integrado, poco después la integración ganó espacio para incluir miles de transistores, una vez dominada la técnica de las lógicas, se avanzó a la de las memorias, para continuar con los microprocesadores con una alta integración de funciones.

En las primeras computadoras era necesario iniciarlas en dos pasos: primero introducir un disco duro extraíble para leer el conjunto de instrucciones del procesador central del computador, en la siguiente secuencia se colocaba otro disco duro que contenía el programa del trabajo correspondiente. Al descubrirse el concepto Von Neumann este se integró por primera vez con las claves del conjunto de instrucciones con el ULA (Unidad Lógico Aritmética) a los nuevos microprocesadores encapsulados en un solo circuito integrado, que facilitó crear los primeros programas concatenados de órdenes, lo que vino a ser los primeros BIOS (Basic Input Output System). Los mandos u órdenes como "Guardar", "Listar" y "Ejecutar" eran el primer requisito de un monitor de programas para crear software de desarrollo, sistemas operativos y lenguajes, así se creó el compilador FORTRAN en el mes de noviembre de 1954.

Walter Houser Brattain fallece en 1987, John Bardeen en 1991, el profesor William Shockley falleció en agosto de 1989 a la edad de 79 años en la ciudad de San Francisco, California, USA. Dejó dos hijas de su segunda esposa.

Hoy los circuitos integrados con transistores son la clave para el avance de la electrónica digital programable, los países que apostaron por crear productos con transistores, se volvieron ricos y poderosos. En Juchitán, Oaxaca, por la década de 1950, siendo niño me interesó la física de la electricidad y la óptica, con la experiencia obtenida fabriqué con un foco, un interruptor y baterías, un proyector de transparencias en una caja de madera, llamó la atención de otros niños, y lo llamamos "cinehuiini", en diidxazá significa cine en miniatura, sobre un ladrillo pintado con cal y un cuadro bordeado con carbón, formaba la pantalla donde proyectaba transparencias de películas comerciales, en una función los niños alegremente pagaron cinco centavos cada uno. Ya en sexto año de primaria, compré un libro de física experimental de nivel secundaria, esto alentó mi vocación hacia la electrónica, para que en los años sesenta armara con entusiasmo un circuito con transistores de una celda de memoria para colocar y borrar un solo bit, dos focos indicaban el estado cero y uno del código binario, este experimento me ayudó a comprender la naturaleza de las memorias de las computadoras, y la capacidad que encerraban los nuevos circuitos integrados ya disponibles de la familia TTL (Transistor-Transistor-Logic), y con estos circuitos integrados diseñé un reloj digital que me proporcionó la práctica y la idea de realizar un frecuencímetro digital, que dió inicio a nuestra labor en la ciencia de la computación que ahora desarrollamos.

Soñaba con una computadora como la herramienta universal, concebida como un instrumento para medir parametros científicos y desarrollos más complejos, tenía que ser con video integrado para ilustrar detalladamente dibujos y caracteres, la meta no era sencilla ya que se requerían materiales difíciles de conseguir en este país, de la contemplación pasé a la acción, en los inicios de 1970 tenía listos los diagramas para la primera computadora, con optimismo y paciencia construí módulo por módulo, empecé por alambrar la fuente regulada, para continuar con el video de 64 columnas con 2048 octetos en 16 chips de memoria, finalmente modifiqué un televisor de transistores para conectar la computadora directamente al amplificador de video, así pude ver maravillado bloques de caracteres en blanco y negro, pasaron meses antes de concluir mi primera generación de computadoras que satisfacía las necesidades humanas, y fue la primera computadora construida por un mexicano.

Ya no hay duda de que la computadora personal con microcircuitos le ha dado poder a los individuos y a pequeños grupos, mientras los políticos se hunden en su corrupción que día con día se descubre por la alta tecnología.

Nacieron industrias y revistas que no existían, en 1975 se publicó el primer número de la revista "Byte" orientada a los aficionados y usuarios de las primeras computadoras con microprocesadores, y el 16 de agosto de 1981 IBM anunció la computadora "Personal Computer" más conocida como PC, su motherboard contenía un microprocesador 8088 de 8 bits, 16 kilobytes en RAM, un controlador de disco flexible de 5 ¼ de pulgadas, tarjeta de video en blanco y negro con texto de 80 columnas por 25 líneas.

Cada avance de la química y la física sobre nuevos materiales aumenta la densidad de transistores dentro de los chips, igual que la velocidad de los microprocesadores, las computadoras se han integrado en todos los instrumentos militares, equipos industriales y domésticos, obviamente la era digital ha trastornado el mundo industrial que todos conocían, donde el trabajo bien preciado de la gente está desapareciendo, para reducirse en trabajos relacionados con nuevos conocimientos y tecnologías programables, donde todos nosotros podemos participar, muchas cosas materiales han quedado atrás, como las confiables reglas de cálculo con que trabajabamos, igual que Michael Faraday, quien abrió la puerta a la física moderna, a nuestra comprensión de la eléctricidad y a la revolución tecnológica, a pesar de que era un autodidácta sin formación científica, que ya solo son un recuerdo distante pero son parte de la historia moderna.

Nosotros que crecimos con el transistor atestiguamos la transformación de la tecnología y la cultura basada en ella. Nuestros padres aceptaron como novedad la televisión, obtenían información de los periódicos, revistas y el radio. En cambio ahora podemos ligar e intercambiar millones de datos, videos y una catarata de información al toque de un botón con Internet, y todo gracias a la microelectrónica con millones de transistores. La revolución de las computadoras marca el nacimiento de una época radicalmente nueva que trae una tormenta de cambios y progresos no libres de trastornos sociales, culturales y políticos, una cultura basada en el conocimiento con poco que perder y una gran industria que ganar.

Los gigantes corporativos de las computadoras que conocemos, están reduciendo su tamaño, descentralizándose y desmembrándose por si mismos, desesperados por ser más eficientes en un nuevo ambiente implacable, temen y están en verdadero peligro de ser rebasados por pequeñas compañías de Cambridge, Helsinki, Bangalore y emprendedores como la Familia Toledo, que han multiplicado sus portentos e ingeniosidad con dedicación, paciencia y conocimiento a través de más de 40 años, a pesar de las voces que repiten su mantra de que «una golondrina no hace verano».

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