Abstract— Lo que el transistor representa para el siglo XX es lo que la máquina de vapor significó para el siglo XIX, pues es claro cómo este dispositivo llegó a transformar la forma en la que vivimos, estudiamos y trabajamos. Por tal razón, el presente ensayo hace un recorrido histórico por los laboratorios Bell, donde tres grandes genios en un principio comenzaron la construcción del transistor, sus antecedentes y hechos que marcaron su elaboración. También se explicará la fabricación del microprocesador y cómo desde un puñal de arena se puede obtener un chip electrónico de altas prestaciones. Con este background se detallará el proceso de manufactura de una laptop gaming en las fábricas de MSI en Shanghái, China.
Palabras clave—Transistor, microprocesadores, semiconductor, Brattain y Barden, amplificador
INTRODUCCIÓN
El transistor es un componente semiconductor, considerado uno de los inventos más importante de la historia, especialmente de la electrónica actual, se dice que fue el componente que marco el verdadero inicio de la revolución electrónica, puesto que ha sido el punto de partida para la invención de la mayoría de los dispositivos que hoy conocemos (radios, televisores, reproductores de audio, video, computadoras, teléfonos) cumpliendo actividades de conmutación y amplificación de señal. Este invento, considerado el mejor del siglo XX, reemplazo a los tubos de vacío, que consumía mucha energía y era muy voluminoso. El primer transistor que se presentó fue en diciembre de 1947 a mano de físicos e inventores del laboratorio de investigación Bell, de la compañía de telefonía AT&T.
DESARROLLO DE CONTENIDO
Después de la creación del teléfono en 1854 y producto de una grave crisis en la que se encontraba la gigantesca compañía de telefonía AT&T, estos últimos, a través de su fundador Graham Bell anunciaron lo que ninguna otra empresa había ofrecido en EEUU, un servicio de telefonía de costa a costa, sin embargo, no existía un buen amplificador que permitiera impulsar las señales eléctricas, que posteriormente viaja por hilos conductores de cobre, por todo el país. Pero no fue hasta 1915 cuando el padre del teléfono ponía en marcha el servicio de costa a costa, usando lo que hoy se conoce como tubo de vacío; un dispositivo formado por filamentos dentro de una envoltura similar a los de una bombilla [1]. Estos filamentos se calientan y causan que el cátodo libere electrones que inmediatamente tratan de llegar al ánodo, que tiene voltaje positivo. Este continuo flujo de electrones se convierte en una corriente eléctrica. Luego, por medio de un pequeño voltaje (frenador), aplicado entre una rejilla y el cátodo, se logra el efecto amplificador, controlando el valor de la corriente, de mayor intensidad, entre cátodo y ánodo [2].
Este invento creado por John Fleming en 1904, fue mejorado por el inventor Lee de Forrest en 1907, el cual agregó un electrodo más, creando así el primer amplificador electrónico verdadero “el triodo”. Con esta invención fue posible realizar llamadas a larga distancia y hacer funcionar radios. Pero esta tecnología tenía algunas desventajas como por ejemplo su uso era muy costoso, eran muy voluminosos, consumían mucha energía y emitían bastante calor, llegando a fundirse.
Ante este inconveniente era necesario otro método para amplificar la señal. Buscando respuestas la compañía creó el laboratorio de investigación Bell. Después de finalizada la Segunda Guerra Mundial, gracias al desarrollo del radar, usado para rastrear aviones y barcos, se evidenció el uso de semiconductores y materiales como el silicio y germanio, los cuales en un futuro tendrían un papel clave en la invención del transistor.
Ante una alta demanda en los servicios de telefonía de AT&T, el director del laboratorio Bell, Mervin Kelly, se dio cuenta que se podía dejar de lado la intervención humana para la conexión entre llamadas si se encontraba un interruptor electrónico. Para ello, contrató a William Shockley, un visionario capaz de ver la importancia de los transistores antes que nadie, Walter Brattain, un físico experimental capaz de construir y reparar prácticamente
cualquier cosa y John Bardeen, capaz de ir más allá en la comprensión de los fenómenos aparentemente complejos y exponerlos de la manera más sencilla posible y así comenzó una competencia de ingenio, peleas y ego [3].
En un principio Shockley tenía una idea para construir el amplificador deseado con ayuda de semiconductores, la cual consistía en acoplar una bateria a un semiconductor y colocar una placa de metal encima, en donde, si se aplicaba una carga eléctrica a la placa, el campo eléctrico resultante debería extraer electrones de los átomos y de esta manera amplificar el flujo de corriente, sin embargo, su idea no funcionó [1]. Mientras tanto, Brattain y Bardeen, trabajaban en resolver el problema del experimento de Shockley, este último creía que los electrones estaban atrapados en la superficie del silicio, creando una barrera. Pero no fue hasta que a Brattain se le ocurrió mojar los semiconductores con otros materiales y cuando lo realizó con el agua, las particulas del agua migraron al silicio y neutralizaron la barrera.
Así fue cuando en 1947, durante el conocido como "Mes milagroso", Brattain y Bardeen se acercaban más a reducir la barrera; sustituyeron el silicio por el germanio, debido a que conducía la electricidad mejor que el silicio, ya que, sus átomos son más grandes y sus electrones libres están un poco más lejos del núcleo. Para ello, Brattain cubrió la placa de oro y se dieron cuenta de que estaban inyectando cargas positivas directamente al germanio, envés de, arrastrar electrones a la superficie como pensaba Shockley; asi pues por experimentación lograron construir el primer transistor y comenzaron a fabricarlo, en donde, tuvieron algunos problemas de diseño, pero gracias al ingenio de Brattain, lo solucionó creando un triángulo de plástico con una fina capa de oro, cortando la lámina en el vértice.
En los primeros días de enero de 1948 presentaron una patente para la fabricación del primer transistor de puntas de contacto de la historia, en la que no figuraba Shockley como autor [4]. Furioso Shockley creó un transistor mejorado, conocido como transistor de unión, debido a que este tenía en un mismo conjunto la base, el colector y el emisor, es decir, una estructura diferente, parecida a la estructura del transistor que conocemos actualmente, pero con el mismo funcionamiento del transistor de Brattain y Bardeen.
Con peleas de por medio, así es como nace el invento silencioso más importante del siglo XX. De ahí que, en junio de 1948 el laboratorio Bell daría a conocer a un elemento llamado “Transistor”, palabra que proviene de su propio funcionamiento; se dieron cuenta que el invento funcionaba variando la resistencia cuando pasaba la corriente: "Transfer" y "Resistor", trans-resistencia y de ahí su nombre [5].
Inventado el transistor, muchos no creían en su potencial, pero no fue hasta que dos ingenieros japoneses confiaron en el invento de Brattain y Bardeen, y se pusieron a construir transistores a gran escala con el fin de implementarlos en sus revolucionarias radios, lo que daría paso a una de las empresas más conocidas actualmente como es Sony.
Con el avance de la tecnología millones de transistores, encapsulados en un microprocesador, han pasado a estar en todo lo que nos rodea desde nuestra refrigeradora, televisión, automóvil hasta nuestros celulares, computadoras; pero, esto no sería posible sin contar con la materia prima como es el silicio, el cual dependiendo de que materiales se le agreguen puede actuar como “conductor” o como un “aislador” [6]. Para poder construir un microprocesador, todo comienza con un puñado de arena que se calienta a altas temperaturas hasta obtener un monocristal. De este cristal se le da la forma de un cilindro, para después cortarle en obleas con un milímetro de espesor y con una alta pureza; con ello entra a un proceso de labrado para pulirles y estar listas para empezar con el diseño del circuito. En este punto, después de 1500 pasos y un proceso de fotolitografía, que consiste en transferir el diseño del chip a una oblea, se obtienen láminas de silicio con hasta mil microchips diferentes que se cortan hasta obtener varios microprocesadores que permiten realizar cálculos.
Para que cada una de estos chips electrónicos puedan interactuar con el mundo exterior, se les dotará de una cápsula protectora plástica y una tapa de aluminio, la cual permitirá disipar el calor, además de proteger al chip y por último se les añade los pines de conexión y entra a un horno para realizar el control de calidad del chip.
Este microprocesador creado está listo para ser añadido en una placa madre de una computadora, como sucede en la fábrica de MSI en Shanghái, China. En donde, el proceso para la construcción de una laptop gaming comienza con la impresión del circuito por capas en la placa madre, para después pasar el ensamblaje y soldadura de los componentes electrónicos, los cuales se encuentra almacenados en contenedores. Con manillas estáticas, el siguiente paso consiste en el ensamblaje manual de los distintos componentes del ordenador como el teclado, trackpad, sistema de refrigeración y ventilación, así como un control de calidad de los acabados. Para finalizar, se realiza alrededor de 1900 pruebas a cada ordenador para verificar su correcto funcionamiento, desde su carcasa, cámara y potencia de sonido hasta la pantalla [7].
CONCLUSIONES
Para finalizar, podemos afirmar que el invento del transistor hace 70 años fue el desarrollo tecnológico más revolucionario e importante del siglo XX, debido al giro enorme que provocó y continúa provocando en la actualidad, puesto que en casi todos los aparatos electrónicos que usamos día a día se encuentran presentes. Pasando desde una idea de negocio por parte de AT&T hasta convertirse en un choque de ego, los físicos Brattain y Bardeen reemplazaron los tubos de vacío por un dispositivo de germanio, que se convertiría en el primer amplificador construido con semiconductores de la historia, y que le darían el nombre de transistor. Este dispositivo dio paso a las llamadas a larga distancia, radios, televisiones y con el encapsulamiento de millones de transistores en un microprocesador, una nueva generación de ordenadores mucho más potentes.
De un puñal de arena a una placa de circuito, los microprocesadores encargados de ejecutar las instrucciones que ordena el usuario, como se pudo evidenciar se han convertido en el “cerebro” de varios dispositivos electrónicos. Su evolución ha sido sorprendente, lo que ha dado paso a dispositivos más veloces, pequeños y de bajo consumo de energía; como por ejemplo los chips que se encuentran en las laptops gaming de altas prestaciones como las que se fabrican en MSI China vistas.
Ahora bien, el transistor ha llevado a la informatización y la automatización de la sociedad, sin las cuales es difícil imaginar el siglo XXI, pero no se detiene ahí. Este invento continúa evolucionando, sometiéndose a procesos de miniaturización y aumento de potencia cada dos años y a un menor costo, lo que ha permitido el desarrollo de nuevas tecnologías como la nanotecnología, biotecnología, etc; con estos antecedentes podemos ver como el trabajo de Brattain y Bardeen tiene y tendrá un gran impacto en nuestra vida cotidiana.
COMENTARIOS
La invención del transistor y consigo el desarrollo de los microprocesadores han sido uno de los inventos que de forma silenciosa y tras críticas de su potencial con respecto a las tecnologías que existían a los inicios del siglo XX, como son los tubos de vacío, han revolucionado de forma radical las actividades que realizamos cotidianamente. Conociendo como fue el proceso de invención del transistor y sus antecedentes podemos hacernos las siguientes preguntas: ¿Qué hubiese pasado si no se inventaba el transistor?, ¿Pudiéramos llamar o chatear con alguien al otro lado del mundo?, ¿Se tuviera un gran dispositivo como son los smartphones en nuestro bolsillo? Son interrogantes que nos hacen pensar sobre cómo hubiese sido nuestro diario vivir; por tal razón, considero que es necesario apreciar siempre el arduo trabajo de dos científicos que permitieron el desarrollo de este gran invento, y nos inspira como futuros ingenieros a trabajar y seguir desarrollando nuevas tecnologías como es la computación cuántica, que en un futuro las sociedades nos agradecerán, de igual forma como lo hacemos nosotros a Brattain y Bardeen.
Centrándonos en el desarrollo del trabajo, me parece bien la manera de tratar los temas, con cada uno de los vídeos se puede ver de forma secuencial desde cómo comenzó la invención del transistor para después pasar a la construcción del microprocesador y por último dar paso a la fabricación de grandes máquinas como los ordenadores.
SUGERENCIAS
Para una mejora continua, se podría implementar videos o artículos sobre las nuevas tendencias que se están desarrollando actualmente en el área tecnológica para no depender solo de los transistores, y así poder hacer un contraste más amplio entre las antiguas, nuevas y futuras tecnologías.
Por otro lado, para cimentar el aprendizaje sobre el transistor, una opción sería trasladar todo el bagaje teórico a la práctica, a través, de la implementación de este componente electrónico en algún circuito funcional que realice alguna actividad.
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