Los transistores... diminutos titanes de la electrónica

RADIOS, aparatos de TV, ayudas auditivas en miniatura... éstos deben gran parte de su existencia a esos diminutos titanes de la electrónica llamados transistores. ¿Qué hay detrás de estas maravillas electrónicas? Las ideas están muy relacionadas con un ramo de la física que se llama mecánica cuántica, la cual trata de objetos muy pequeños como los átomos y los electrones.

Exactamente, ¿qué hacen los transistores? ¿Cuáles son sus ventajas? ¿Cómo están hechos?

Básicamente el transistor efectúa los mismos trabajos que un tubo al vacío. Muchas de sus aplicaciones giran en torno de su papel de amplificador. Es decir, el transistor fortalece las señales recogidas, por ejemplo, por las antenas de los radios y los aparatos de televisión.

Podemos imaginar a este dispositivo amplificador de la siguiente manera: por un lado del transistor se recibe una cantidad pequeña de una señal eléctrica; ésta se copia y al otro lado se emiten grandes cantidades del patrón eléctrico. El transistor que se usa de amplificador recibe una imagen eléctrica en forma de corriente y emite quizás veinte veces la corriente de entrada con el mismo patrón eléctrico.

Ventajas

Uno se pudiera preguntar: Si los transistores efectúan básicamente lo mismo que un tubo, ¿por qué molestarse en usarlos? Porque el transistor tiene ventajas sobre su antepasado, el tubo al vacío.

La primera ventaja es el diminuto tamaño del transistor. Es aproximadamente de una centésima del tamaño de un tubo al vacío de ejecución similar; en otros términos, un tubo puede ser del tamaño del pulgar de un varón, pero un transistor es aproximadamente del tamaño de un guisante. Gracias a los transistores, se puede efectuar la miniaturización de toda clase de dispositivos electrónicos.

Otra ventaja de estos diminutos titanes de la electrónica es que pueden funcionar con mucho menos energía que los tubos. Esto se debe a que los transistores no tienen filamento o calentador. Para que un tubo pueda funcionar, debe tener un calentador que se llama filamento (como el quemador de una estufa eléctrica, solo que mucho más pequeño) para eliminar por un procedimiento de “hervir” los electrones del cátodo, la región del tubo que emite los electrones. El transistor no necesita este calentador. Y puesto que el transistor casi no produce calor, no se calienta. En cualquier ocasión que un tubo se calienta, está utilizando energía.

Otras ventajas son: el transistor, al no necesitar un período de calentamiento como los tubos, empieza a funcionar instantáneamente. También, el transistor dura más, pues carece de los alambres finos suspendidos que tiene el tubo. Como resultado, el transistor tiene una confiabilidad superior. Algunas personas han calculado que si un transistor funcionara todo el día y toda la noche, durante todos los días del año, duraría de ocho a diez años. En realidad hay poca razón para que estos diminutos titanes de la electrónica se gasten; sin embargo, las sacudidas, los cambios de temperatura y la humedad sí tienen un efecto adverso en ellos.

Debido a sus muchas ventajas, una de las cosas que los transistores han hecho posibles es el satélite de comunicaciones. El 3 de julio de 1962, el satélite de comunicaciones Telstar se usó para transmitir un programa de televisión en vivo de los Estados Unidos a Europa. El Telstar recibió señales de una estación terrestre en los Estados Unidos, amplificó estas señales y luego las retransmitió para que pudieran ser detectadas en otra estación terrestre lejana. Puesto que los transistores funcionan con muy poca energía, es posible usar baterías solares como fuente de energía. El satélite Telstar usa un tubo al vacío, 1.064 transistores y otros dispositivos sólidos. Todos los satélites de comunicaciones que fueron lanzados después del Telstar han usado transistores. Pero, ¿de qué están hechos los transistores?

Hechos de materiales semiconductores

Los materiales que conducen muy fácilmente la electricidad se llaman conductores. La plata, el aluminio y el cobre, por ejemplo, son conductores. Ahora bien, ¿a qué se debe que cierto material sea buen conductor? Se debe al gran número de electrones libres en el material. Exactamente, ¿qué se da a entender por electrones “libres”? Bueno, los electrones están libres en estos materiales en el sentido de que pueden vagar fácilmente de uno de los átomos, que componen el conductor, al otro.

En contraste con los materiales que son buenos conductores de electricidad, algunos materiales se llaman aisladores. Estos materiales no tienen electrones libres. Como resultado, la electricidad no fluye fácilmente a través de ellos. Es fácil de entender el porqué esos materiales se usen en aparatos domésticos a fin de impedir impacto. Es por eso que tenemos enchufes eléctricos cubiertos de hule e interruptores de luz hechos de material plástico.

Hay aún una tercera clase de materiales... una clase de materiales sólidos conocidos como semiconductores. Los materiales de esta clase no conducen muy bien la electricidad, y tampoco son buenos aisladores. Por consiguiente a estos materiales se les llama semiconductores. El germanio (descubierto por un químico alemán, y nombrado así por Germania o Alemania) y el silicio son los materiales semiconductores más extensamente conocidos.

Ahora bien, ¿a qué se debe que esta tercera clase de materiales no son buenos para servir sea de conductores o de aisladores? La razón de que solo sirven como conductores a medias es que carecen de electrones libres. Y tampoco son buenos aisladores porque no se necesita mucha energía para producir electrones libres. De hecho, el número de electrones libres aumenta aproximadamente un millón de veces cuando la temperatura se eleva de -17,8 a aproximadamente 177 grados centígrados.

Los transistores empiezan con material semiconductor cristalino y puro, y debido a que este material está en condición sólida, en contraste con la condición líquida y gaseosa, se habla de los transistores como dispositivos “sólidos.”

Hay que añadir impurezas

Aunque parezca extraño, no se puede hacer que el material semiconductor trabaje muy bien en su estado puro; pero cuando se agrega la cantidad adecuada de impurezas, realmente puede hacerse que trabaje muy bien.

Pero, ¿por qué hay necesidad de añadir impurezas? Porque un leve vestigio de determinadas impurezas produce unos cuantos electrones libres o una falta de electrones. Por lo tanto, algunas impurezas no producen electrones libres sino más bien se llevan electrones de unos cuantos átomos del semiconductor. ¿El resultado? A un átomo le falta un electrón. A esto se le llama laguna. Ahora bien, la ventaja de una “laguna” es que puede trasladarse de un átomo a otro. Y una corriente de estas “lagunas,” que se desplaza de átomo en átomo, forma una corriente eléctrica. La “laguna” llega a ser portadora de electricidad positiva, lo cual es lo contrario del electrón con carga negativa.

El material semiconductor con electrones libres se llama tipo-n (debido a la carga negativa). Cuando el material tiene un exceso de “lagunas” o le faltan electrones se llama tipo-p (debido a la carga positiva).

Para ilustrar: Si se disuelve arsénico en silicio o germanio derretido en estado muy puro, se produce un exceso de electrones que prácticamente pueden considerarse como electrones libres. El resultado es material de tipo-n porque el átomo de arsénico tiene cinco electrones exteriores por átomo mientras que el germanio solo tiene cuatro, de modo que hay un exceso de electrones. Es muy fácil excitar a estos electrones para que se conviertan en electrones libres.

Ahora bien, ¿qué hay si se añade boro o aluminio al material semiconductor? Bueno, estos dos elementos solo tienen tres electrones exteriores. De modo que hay una falta de electrones en comparación con el germanio; por eso existe una “laguna.” El resultado es material de tipo-p.

Hechos de capas de material

El transistor, entonces, consta de una capa de material de tipo-p entre dos capas de tipo-n. A éste se le llama transistor n-p-n. O un transistor puede constar de una capa de material de tipo-n entre dos capas de tipo-p. A éste se le llama transistor p-n-p.

Es en las junturas donde se unen estos materiales en las que tiene lugar la acción amplificadora. Se puede hacer una analogía imaginando que son válvulas que interrumpen o facilitan el flujo de la corriente, dependiendo de la manera en que se coloca el potencial o voltaje eléctrico a través de estas dos junturas.

Microminiaturización

Aunque el transistor es de tamaño pequeño y utiliza poca energía en comparación con el tubo, los nuevos desarrollos han hecho paquetes electrónicos más pequeños de lo que es posible hacer aun con los transistores. Estos se llaman circuitos integrados o solo ICs.

En este nuevo desarrollo los transistores así como otros elementos de circuito se reúnen en una serie de capas. Estos paquetitos forman circuitos enteros en vez de solo un componente (digamos un transistor) de un circuito. Los circuitos integrados permiten la microminiaturización.

Dice el World Book Science Annual de Science Year (1968): “Hoy los ICs son de tamaño de una décima de pulgada cuadrada y de unas pocas milésimas de pulgada de espesor. Al igual que los transistores, casi no gastan energía eléctrica en forma de calor, y por consiguiente requieren relativamente poco enfriamiento. . . . Un aparato de televisión hecho enteramente de ICs, salvo por el cinescopio y el altavoz, cabría en una fosforera pequeña.”

Para ilustrar la diferencia entre circuitos enteros y componentes individuales de un circuito, imaginemos una caja del tamaño de un recipiente de leche de unos dos litros. Ahora un circuito que posiblemente contenga cien partes convencionales podría meterse en esa caja. Pero con los circuitos integrados, ¿cuántas partes podrían meterse en ese mismo espacio? Aproximadamente mil millones.

De modo que los nuevos desarrollos son verdaderamente asombrosos. El progreso del hombre en el arte de la miniaturización realmente está endeudado a los transistores, los diminutos titanes de la electrónica. Sin embargo el arte mismo de la microminiaturización no es nuevo. El Creador del hombre utilizó la microminiaturización en el cerebro humano. Lo diseñó de tal manera que aproximadamente cien mil millones de partes se pueden utilizar en ese espacio.