¿Cómo funciona el TRANSISTOR?

¿Qué inventos han transformado más la vida humana? En la lista seguro estarían la rueda, inventada hace unos 6 mil años, la imprenta en el Siglo Quince, la máquina de vapor del Siglo Dieciocho y la corriente eléctrica en el Diecinueve. Pero hay un humilde aparatito que dio origen a la más grande revolución tecnológica imaginable: el transistor. Quizá hayas oído que tu abuelito tenía un radio de transistores y esta invención te suene como una antigualla. ¡Pues te equivocas!

Origen

Sus nombres no son tan conocidos como los de Edison, Graham Bell, Tesla o los Hermanos Wright, pero deberían, porque el 16 de diciembre de 1947, los científicos de Bell Labs John Bardeen, Walter H. Brattain y William B. Shockley crearon un dispositivo del tamaño de la palma de una mano: el transistor, y el mundo ya no sería igual. Bueno, el físico e ingeniero eléctrico austro-húngaro Julius Edgar Lilienfeld ya había patentado en 1926 el Transistor de efecto de campo, también llamado FET, pero en su momento no hubo una aplicación práctica para su invento y quedó por mucho tiempo en el olvido.

Función

Básicamente cumple la función de un interruptor, de un switch: cierra y abre circuitos, pero con tres grandes diferencias: no requiere que alguien lo active, sino que puede ser automático; se puede activar y desactivar mucho más rápido y, muy importante, puede ser sorprendentemente pequeño.

Los aparatos de radio de los años 40 eran bastante grandes y pesados y funcionaban con tubos de vacío: bulbos que debían calentarse para empezar a funcionar, mientras que el primer radio de transistores salió a la venta en 1954, era totalmente portátil y tenía cuatro transistores. El teléfono celular en el que probablemente estás viendo este video tiene por lo menos CIEN MIL MILLONES de transistores.

  Como un interruptor, el transistor sirve para almacenar o procesar información: si deja pasar corriente es un UNO, si no, es un CERO. Y con ceros y unos se puede hablar en lenguaje binario, el idioma de la informática. ¿Cómo lo hace? ¡Con arena!

Semiconductores

Verás: el transistor se basa en la magia de los semiconductores. ¿Qué es eso? Bueno, seguro sabes que hay materiales o elementos que conducen electricidad, como el cobre: los llamamos conductores. Otros, como los de los elementos que forman el plástico, no conducen electricidad y se les llama aislantes. Y hay otros que se convierten en conductores en ciertas condiciones: es el caso del silicio, que se obtiene de la arena. Veámoslo con detalle:

El átomo de cobre, es conductor. El electrón de la última capa tiene mucha energía y el núcleo no lo puede retener, en especial cuando hay tanto espacio que podría ocupar en otros átomos vecinos. En teoría de bandas se dice que la capa de valencia está muy cerca de la banda de conducción, así que, si se aplica una corriente, aunque la energía sea poca, los electrones fluyen libremente. 

En un átomo aislante, los electrones están más controlados por el núcleo y no hay espacios a dónde moverse.  La banda de conducción está lejos de la capa de valencia: se necesitaría demasiada energía para que los electrones fluyeran.

El silicio conduce la electricidad mejor que los aislantes pero no tan bien como los conductores. Tiene cuatro electrones en su capa externa, lo que le permite formar enlaces con cuatro átomos y hacer así los cristales que vemos en la arena. Como sus electrones de valencia están ocupados, no son libres de viajar fácilmente a otros átomos. A menos que el cristal de silicio sea “dopado”, sí: igual que los atletas tramposos, se trata de inyectarle otra sustancia a los cristales para mejorar su desempeño. Por ejemplo, se puede dopar el silicio sustituyendo así algunos de sus átomos por fósforo, por ejemplo, que es similar al silicio y encaja muy bien, pero tiene 5 electrones de valencia. Ahora el semiconductor tiene más electrones que se pueden mover, lo que hace al material un mejor conductor. Como hay exceso de electrones, de carga negativa, este semiconductor se llama “Tipo N”.  Si se dopara con otro material, como el aluminio, que tiene 3 electrones de valencia, se crea una escasez de electrones y se le nombraría a este semiconductor “Tipo P”, por positivo. También esto aumenta la conductividad: hay espacios o huecos a donde los electrones se pueden mover.

Un transistor usa los dos tipos de semiconductores, haciendo una especie de “sandwich”. Así, hay transistores tipo BJT (Bipolar Junction Transistor) o Transistor de unión bipolar y los FET (Field Effect Transistor) o Transistor de efecto de campo. Ahora solo nos concentraremos en los transistores BJT o Transistor de unión bipolar. Existen dos sub tipos; los transistores PNP y transistores tipo NPN. Los “panes” del sandwich están conectados a la corriente. Un extremo se llama emisor y el otro colector, y en medio está el interruptor, que se llama base. 

En su estado inicial, en la parte donde hay contacto entre las partes P y N, se da un intercambio de electrones: los que hay en exceso del lado N corren a ocupar los huecos que hay en el lado P. Esto crea una zona que se llama “región de agotamiento” que actúa como una barrera: la corriente ya no puede fluir. El interruptor está apagado, en estado “cero”. Pero si, a través de la base se aplica un leve voltaje (en este caso, positivo), se crean huecos en los átomos de la región de agotamiento que atraen a los electrones vecinos y la frontera queda abierta: los electrones fluyen y hay corriente. El transistor está encendido, en estado “uno”. 

Tenemos un switch que es automático y que se puede apagar y encender a gran velocidad. En un circuito, el transistor ocuparía este lugar. Sólo necesitaríamos aplicar una corriente muy pequeña (unos 0.6 voltios) para encender un flujo de corriente mayor (digamos, 9 voltios). Como necesitamos un cambio muy pequeño para generar un cambio grande, el transistor también funciona como un amplificador. Incluso se le puede agregar un interruptor con un sensor que se active dada cierta condición. Por ejemplo, poner un micrófono y, en vez del foco, una bocina. O usarlo para amplificar la señal recibida por una antena y un sintonizador.  Y, usados en conjunto, los transistores pueden usarse para calcular datos y computar información. 

Transistores en los chips

Los transistores son tan sencillos que se pueden fabricar muy pequeños y formar parte de circuitos prefabricados muy complejos que llamamos “circuitos integrados” y que conocemos como chips. Y como ya sabes, los chips están presentes en prácticamente toda la tecnología electrónica en la actualidad: desde electrodomésticos y automóviles hasta naves espaciales y robots, incluyendo teléfonos, tarjetas bancarias, drones y, sobre todo, computadoras. Sin los transistores no existiría la economía actual dominada por la informática: no existiría Microsoft, ni Android, ni Google, ni Amazon o Facebook, ni YouTube, ni Wikipedia ¡Ni Platzi! Apenas podríamos imaginar la Inteligencia Artificial o la Realidad virtual. Y olvídate de las redes sociales y los videojuegos. Por eso decimos que el transistor es el invento más importante del Siglo Veinte.

Y lo más épico es que un transistor se puede fabricar cada vez más diminuto: los más chiquitos actualmente miden unos 22 nanómetros ¡hay virus más grandes que eso! Esta miniaturización fue predicha por la “Ley de Moore”, que en 1965 dijo que los transistores se podrían hacer tan pequeños que cada año cabrían más en un solo microprocesador (aunque en los años 70 ajustó la ley para afirmar que la duplicación se da cada dos años). Hasta la fecha se ha cumplido, pero al parecer hay un límite: por un lado tal cantidad de transistores generan demasiado calor, y por el otro está el límite físico que impone la mecánica cuántica: si los transistores se hacen demasiado pequeños, los electrones pueden moverse por efecto túnel y serían muy difíciles de controlar. Y, por supuesto, no puede haber transistores más pequeños que un átomo. Aún así ¿Te das cuenta de que caben decenas de miles de millones de transistores en un chip del tamaño de tu uña?

¡Curiosamente!