El increíble transistor que se encoge

En Bell Telephone Laboratories, el 16 de diciembre de 1947, los físicos John Bardeen y Walter Brattain conectaron tres débiles contactos de metal a una fina astilla del elemento germanio, aplicaron una señal eléctrica y descubrieron que la señal que emergía de su dispositivo era casi cien veces más fuerte. que el que entró. Presentado una semana después a los ejecutivos de Bell Labs, el nuevo amplificador de estado sólido, que pronto se denominó transistor, fue un magnífico regalo de Navidad, en palabras del líder del grupo de investigación William Shockley, quien solo un mes después concibió una versión mejorada que finalmente resultó mucho más fácil de fabricar.



Cincuenta años después, los transistores se han encogido tan dramáticamente que ahora son invisibles a simple vista. Sin embargo, como los ingredientes cruciales en cada microchip, actuando como bombas y válvulas microscópicas que regulan el flujo de corriente eléctrica, estos dispositivos minúsculos continúan teniendo un impacto tremendo en casi todos los aspectos de la vida moderna.

Irradiación de alimentos: ¿mantendrá alejados a los médicos?

Esta historia fue parte de nuestro número de noviembre de 1997





que es un wikileak
  • Ver el resto del número
  • Suscribir

En ese momento era obvio que el artilugio difícil de manejar de Bardeen y Brattain representaba un gran avance en la electrónica. Pero sus inventores lo consideraron principalmente como un reemplazo de los tubos de vacío, que se usaban como amplificadores e interruptores en equipos telefónicos, radios y la mayoría de los demás dispositivos electrónicos. Shockley tenía quizás la mejor intuición de lo que estaba por venir. Recientemente, se ha dedicado una gran cantidad de pensamiento a los cerebros electrónicos o las máquinas informáticas, especuló en diciembre de 1949. Me parece que en estos cerebros de robot el transistor es la célula nerviosa ideal.

El proceso físico que Bardeen, Brattain y Shockley descubrieron ahora se encuentra en el corazón palpitante de una industria electrónica que genera ventas mundiales de más de $ 1 billón al año. El mayor valor del transistor es que se puede miniaturizar tan drásticamente: sus principios operativos fundamentales se han mantenido esencialmente inalterados a medida que sus dimensiones lineales se han reducido más de 10,000 veces. Por el contrario, los tubos de vacío no tenían absolutamente ninguna perspectiva para el tipo de miniaturización asombrosa que se ha producido en los dispositivos de estado sólido. Y los otros problemas de los tubos (eran reacios, se quemaban con demasiada frecuencia, generaban demasiado calor y consumían demasiada energía) demostraron ser completamente insuperables.

Los primeros transistores tenían típicamente un centímetro de largo; a finales de la década de 1950, se medían en milímetros. Con la invención del circuito integrado en 1958, se preparó el escenario para un desfile constante de innovaciones adicionales que redujeron el tamaño de los transistores a niveles submicrónicos, menos de una millonésima de metro. Hoy en día, el transistor es poco más que un principio físico abstracto impreso innumerables veces en estrechas astillas de silicio: millones de ondas microscópicas en un mar de cristal reluciente. Como señaló recientemente el cofundador de Intel, Gordon Moore, cada año se fabrican más transistores que gotas de lluvia que caen sobre California, y producir uno cuesta menos que imprimir un solo carácter en un periódico.



La sinergia entre un nuevo componente y una nueva aplicación generó un crecimiento explosivo de ambos, observó Robert Noyce, socio de mucho tiempo de Moore, al reflexionar sobre cómo el transistor y la computadora crecieron juntos. Hizo este comentario en 1977, unos años antes de que la computadora personal comenzara a estimular otra explosión comercial basada en semiconductores. Más que cualquier otro factor, la fantástica contracción del transistor tanto en tamaño como en costo es lo que ha permitido a la persona promedio poseer y operar una computadora que es mucho más poderosa que cualquier cosa que las fuerzas armadas o las grandes corporaciones pudieran permitirse hace unas décadas. Si, en cambio, tuviéramos que depender de los tubos de vacío, por ejemplo, la potencia de cálculo de un chip Pentium requeriría una máquina tan grande como el Pentágono.

Y precisamente el año pasado, que también es el centenario del descubrimiento del electrón, ha habido intentos exitosos de construir transistores tan pequeños que implican la transmisión de un solo electrón a través de un canal de menos de 10 nanómetros de largo. Si esta tecnología se puede transferir alguna vez a la línea de producción, otra reducción de cien veces en el tamaño de los transistores puede estar a la vista.

Combinaciones raras

La saga de la invención del transistor en Bell Labs es una historia bastante conocida que a menudo se vuelve a contar cuando surgen preguntas sobre la importancia de la investigación básica en el proceso de innovación. Mucho menos familiar es la historia del desarrollo tecnológico que siguió. Fue esta rara combinación de investigación básica y desarrollo de tecnología fundamental lo que hizo posible los transistores y microchips modernos. Pocos episodios, si es que hay alguno, en la historia de la innovación se pueden comparar.



cuánto durará el hubble

Los laboratorios combinaron una filosofía de investigación pragmática y orientada a objetivos con lo que Shockley llamó respeto por los aspectos científicos de los problemas prácticos. La investigación se guió por el objetivo a largo plazo de mejorar los componentes y servicios del sistema Bell: mejores interruptores, señales más claras, etc. Pero dentro de ese contexto, los científicos tenían amplia libertad para realizar investigaciones básicas sobre las propiedades de los materiales. Físicos teóricos destacados trabajaron hombro con hombro con experimentadores de primer nivel y algunos de los mejores ingenieros de desarrollo de dispositivos del país. La invención y el desarrollo del transistor ilustra esta interacción entre lo práctico y lo científico que caracterizó a Bell Labs en su apogeo.

Cuando las ideas originales de Shockley para hacer un amplificador de estado sólido fallaron, por ejemplo, Bardeen propuso una teoría completamente diferente del comportamiento de los semiconductores que finalmente publicó en Physical Review. El enfoque del efecto de campo de Shockley implicó el uso de campos eléctricos externos para inducir un exceso de electrones cerca de la superficie de materiales cristalinos como el silicio; con más electrones congregándose allí, debería fluir más corriente. O eso pensaba él. Para explicar la aparente falta de tal efecto, Bardeen propuso su teoría de los estados superficiales, en la que los electrones quedan atrapados en la superficie y bloquean la penetración de los campos eléctricos. Este fue un nuevo punto de partida que reorientó los esfuerzos de investigación del grupo hacia la comprensión de estos estados problemáticos. Abandonamos el intento de hacer un dispositivo amplificador, recordamos a Shockley y nos concentramos en nuevos experimentos relacionados con los estados de la superficie de Bardeen.

Sin embargo, cuando Brattain tropezó con una forma burda de superar este bloqueo en noviembre de 1947, la atención del grupo volvió casi de inmediato al objetivo práctico de hacer un amplificador de estado sólido. Un mes después, inventaron el primer transistor, el transistor de contacto puntual, que tenía dos tiras de lámina de oro pegadas a los lados de una cuña de plástico que presionaba los bordes de la lámina en una placa de germanio. Aunque este extraño artilugio se extendía casi una pulgada, el nuevo proceso físico responsable de la ganancia de potencia se produjo en solo 2 milésimas de pulgada, o 50 micras, aproximadamente el grosor de una hoja de papel, de germanio entre las puntas de metal que tocan su superficie. Las entidades de mecánica cuántica cargadas positivamente conocidas como agujeros generados debajo de un punto se filtraron a lo largo de una capa superficial hasta el otro punto, reduciendo la resistencia del material debajo de él y aumentando así la corriente que fluye a través de él.

Bajo la inteligente dirección de Mervin Kelly y Jack Morton, Bell Labs pronto comenzó a invertir recursos en el desarrollo de tecnologías para hacer que los transistores fueran comercialmente viables. Perfeccionó los métodos para purificar el germanio y el silicio y el cultivo de grandes cristales de estos elementos. En unos pocos años, estas tecnologías permitieron a Shockley y sus colegas darse cuenta de su idea de un transistor de unión, que demostró ser mucho más confiable que el extraño dispositivo de Bardeen y Brattain y se prestó mucho más fácilmente a la producción en masa. En este tipo de transistor, las llamadas uniones p-n reemplazan los contactos de punto de metal a semiconductor; estas uniones se forman entre dos capas diferentes de material semiconductor impregnadas con diferentes impurezas para inducir un ligero exceso de electrones o huecos. Este enfoque demostró ser crucial en la fabricación de transistores confiables y baratos que comenzaron a aparecer en dispositivos eléctricos como radios y audífonos durante la década de 1950.

Es más, los laboratorios pusieron estas y otras tecnologías a disposición de las empresas que estaban ansiosas por ingresar al negocio de los semiconductores. Combinándolos con algunas innovaciones adicionales propias, Noyce y Jack Kilby inventaron el circuito integrado en Fairchild Semiconductor y Texas Instruments hacia el final de la década. Más conocidos hoy en día como microchips, que ahora incorporan millones de transistores en una sola astilla de silicio, estos circuitos forman la base de la industria de semiconductores de 150.000 millones de dólares de hoy. Como observó Morton, a veces, cuando untas tu pan en agua, vuelve como un pastel de ángel.

peter temin desapareciendo de la clase media

Evolución adicional

Cincuenta años de ciencia e ingeniería de materiales han derrumbado las dimensiones necesarias para el efecto transistor al nivel submicrónico. El germanio ha sido reemplazado por silicio, que se comporta mucho mejor a altas temperaturas. La difusión de capas micrométricas de átomos de impureza en silicio y la formación de una capa de óxido protectora vítrea sobre ella, la fotolitografía para grabar rasgos delicados en la superficie del silicio y la deposición de vapor de los contactos metálicos en la parte superior de esta capa vítrea comenzaron a permitir la producción en masa. de circuitos integrados que contienen muchos transistores y otros componentes de estado sólido.

Una vez que Bell Labs finalmente puso bajo control los estados de la superficie de Bardeen en 1960, mediante la formación de la capa de óxido en un entorno cuidadosamente controlado, el enfoque de efecto de campo original de Shockley volvió a primer plano en la forma de los transistores semiconductores de óxido de metal (MOS) que dominan la industria hoy. Aquí se aplica un campo eléctrico a través de la capa de óxido aislante cargando una pequeña tira de metal depositada en su superficie; este campo gobierna la corriente que fluye en el silicio justo debajo. Pequeños cambios en la carga eléctrica en la tira pueden tener un gran impacto en esta corriente, a veces incluso bloqueándola por completo.

En 1965, Moore observó que el número de componentes individuales en circuitos integrados se duplicaba cada año. Extrapoló este crecimiento exponencial para otra década y se le ocurrió una proyección asombrosa: que los circuitos de 1975 contendrían unos 65.000 dispositivos. Ahora consagrada como la Ley de Moore, su predicción se ha mantenido cierta durante más de tres décadas, aunque el período de duplicación ha aumentado a unos 18 meses. Los chips más avanzados de la actualidad contienen millones de transistores, cada uno con dimensiones típicas de menos de medio micrón. Y las técnicas de fotolitografía basadas en luz ultravioleta prometen una mayor reducción de tamaño a casi una décima de micrón, o 100 nanómetros. Los chips con miles de millones de componentes de estado sólido pronto se convertirán en una realidad.

Innovación hoy

La lección crucial que debemos aprender del episodio de los transistores es que la investigación básica dentro de los límites de una empresa motivada por las ganancias condujo a un punto de partida completamente nuevo y extraordinariamente valioso para la electrónica. Una estrecha interacción entre lo práctico y lo científico condujo al descubrimiento y rápido desarrollo del proceso físico de la acción de los transistores, que podría miniaturizarse tan drásticamente.

Pero los Bell Labs de la posguerra eran una institución única que sería muy difícil, si no imposible, de replicar en la actualidad. Lo que Kelly describió como un instituto de tecnología creativa, concentró las energías intelectuales de media docena de eventuales premios Nobel bajo el techo de un solo laboratorio industrial en Nueva Jersey. Sin embargo, su empresa matriz, AT&T, se encontraba en una situación muy especial: tenía el monopolio del servicio telefónico en todo Estados Unidos. Por lo tanto, cada vez que alguien hacía una llamada telefónica de larga distancia, de hecho estaba pagando un impuesto básico por investigación y desarrollo tecnológico para apoyar los proyectos en curso en los laboratorios. A cambio, muchos de los científicos e ingenieros que trabajaban allí se consideraban parte de un recurso nacional que tenía la responsabilidad de servir al interés nacional.

En el actual clima empresarial altamente competitivo, la mayoría de las empresas no pueden afrontar gastos de investigación y desarrollo que probablemente no mejorarán su rentabilidad durante años. Impulsadas por las presiones de las ganancias y los ciclos de productos de 18 meses, pocas corporaciones pueden permitirse reunir a los equipos multidisciplinarios y permitirles la amplia libertad de investigación que Bell Labs hizo con su grupo de estado sólido en los años de la posguerra. Y hacer que sus nuevas tecnologías estén disponibles de manera tan gratuita es absolutamente impensable.

El gobierno federal intenta ayudar a cerrar la brecha entre la ciencia y la industria promoviendo la transferencia de tecnología y los programas de tecnología avanzada. Pero se trata de propuestas difíciles, plagadas de graves problemas y desacuerdos políticos. En el entorno fragmentado de I + D actual, los físicos de las universidades de investigación y los laboratorios nacionales continúan buscando supercuerdas y leptoquarks imaginarios que no tienen aplicaciones prácticas concebibles; mientras tanto, los ingenieros de las empresas de semiconductores se centran en desarrollar formas de grabar características cada vez más finas en el silicio.

En parte debido a esta desafortunada dicotomía, las innovaciones tienen dificultades para llegar a la producción. Los avances recientes, como las nanoestructuras de fullereno y los superconductores de alta temperatura, siguen siendo curiosidades de laboratorio; en comparación con el transistor, que comenzó a aparecer en los audífonos apenas cinco años después de su invención, estas innovaciones van cojeando hacia la comercialización. Una posible solución puede estar dentro de los consorcios de la industria, como Sematech de Austin, que tienen como objetivo principal desarrollar los conjuntos profundos de nueva tecnología que sus empresas participantes necesitan para mejorar las líneas de productos. Los grupos de investigación básica podrían incorporarse dentro de estos consorcios bien financiados. De esa manera, operarían en medio de un entorno pragmático que también podría promover el desarrollo fundamental que generalmente se necesita para convertir los descubrimientos científicos en productos útiles.

Otra tendencia esperanzadora es que las grandes empresas como Microsoft, que tienen una participación cómoda en su mercado específico o un monopolio virtual en él, están comenzando una vez más a ver la conveniencia de invertir en investigación. Esto es lo que ocurrió en el Centro de Investigación de Xerox en Palo Alto durante la década de 1970 y condujo al desarrollo de tecnologías de información extremadamente útiles como Ethernet, el mouse y la interfaz gráfica de usuario. Bajo el liderazgo de Bill Gates y Nathan Myhrvold, Microsoft recientemente ha dado un giro similar, dedicando cientos de millones a proyectos básicos de investigación y desarrollo en ciencias de la computación. Pero me pregunto cuánto compartirá la empresa sus hallazgos con otras empresas.

Cualquiera que sea el caso, es importante reconocer la verdadera asociación que debe existir entre ciencia y tecnología. No es que la ciencia se convierta en tecnología, se convierta en productos, afirma Moore al atacar el modelo lineal de desarrollo industrial de Bell Labs. Es la tecnología la que hace que la ciencia la respalde. Pero la ciencia a la que se refiere es la ciencia estrictamente aplicada que se hace en la mayor parte de la industria actual, de la cual pocas, si es que alguna, surgirán innovaciones y puntos de partida radicalmente nuevos. La ciencia y la tecnología son como dos cadenas polipeptídicas entrelazadas en una molécula de ADN. Cada uno influye en el otro en una relación simbiótica complicada que se vería enormemente disminuida si alguno se convirtiera en la sirvienta del otro.

Mi punto central es que debemos superar la naturaleza fragmentada de la empresa de I + D actual. Lo que caracterizó a los Bell Labs de la posguerra y condujo a la invención y el desarrollo del transistor fue que la gama completa de talentos necesarios para la innovación revolucionaria se encontraba bajo un mismo techo, trabajando en estrecha colaboración como una unidad bien engrasada bajo una dirección ilustrada que entendía cómo estos equipos multidisciplinarios habían desarrollado el radar y la bomba atómica durante la Segunda Guerra Mundial. Espero que no necesitemos otro cataclismo de este tipo para recordarnos una vez más el valor de la investigación y el desarrollo cooperativos.

el mayor agujero negro
esconder

Tecnologías Reales

Categoría

Sin Categorizar

Tecnología

Biotecnología

Política De Tecnología

Cambio Climático

Humanos Y Tecnología

Silicon Valley

Informática

Revista Mit News

Inteligencia Artificial

Espacio

Ciudades Inteligentes

Blockchain

Artículo De Fondo

Perfil De Exalumnos

Conexión De Exalumnos

Característica De Noticias Del Mit

1865

Mi Vista

77 Mass Ave

Conoce Al Autor

Perfiles De Generosidad

Visto En El Campus

Cartas De Exalumnos

Función De Noticias Del Mit

Cadena De Bloques

Perfil De Ex Alumnos

77 Avenida De Masas

Política Tecnológica

Perfiles En Generosidad

Noticias

Revista De Noticias Del Mit

Elecciones 2020

Con Índice

Bajo La Cúpula

Manguera

Historias Infinitas

Proyecto De Tecnología Pandémica

Del Presidente

Artículo De Portada

Galería De Fotos

Recomendado