Historia del transistor

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Plazo de la tecnología transistor (sumario)
Año Tecnología Organización
1947Contacto de puntosBell Labs
1948Grown junctionBell Labs
1951Alloy junctionGeneral Electric
1953Barrera de superficiePhilco
1953JFETBell Labs
1954Base difusaBell Labs
1954MesaBell Labs
1959PlanarFairchild
1959MOSFETBell Labs

Un transistor es un dispositivo semiconductor con al menos tres terminales para su conexión a un circuito eléctrico. En el caso común, el tercer terminal controla el flujo de corriente entre los otros dos terminales. Esto se puede utilizar para amplificación, como en el caso de un receptor de radio, o para conmutación rápida, como en el caso de los circuitos digitales. El transistor reemplazó al triodo de tubo de vacío, también llamado válvula (termiónica), que era mucho más grande en tamaño y utilizaba significativamente más energía para funcionar. El primer transistor se demostró con éxito el 23 de diciembre de 1947 en los Laboratorios Bell en Murray Hill, Nueva Jersey. Bell Labs era el brazo de investigación de American Telephone and Telegraph (AT&T). Las tres personas a las que se les atribuye la invención del transistor fueron William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain. La introducción del transistor a menudo se considera una de las invenciones más importantes de la historia.

Los transistores se clasifican en dos categorías: transistor de unión bipolar (BJT) y transistor de efecto de campo (FET).

El principio del transistor de efecto de campo fue propuesto por Julius Edgar Lilienfeld en 1925. John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley inventaron los primeros transistores funcionales en Bell Labs, el transistor de contacto puntual, en 1947. Shockley introdujo el transistor de unión bipolar mejorado en 1948, que entró en producción a principios de los años 50 y condujo al primer uso generalizado de transistores.

El MOSFET fue inventado en los Laboratorios Bell entre 1955 y 1960, después de que Frosch y Derick descubrieran la pasivación de superficies mediante dióxido de silicio y utilizaran su hallazgo para crear los primeros transistores planares, los primeros en los que el drenador y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie. Este avance condujo a la producción en masa de transistores MOS para una amplia gama de usos, convirtiéndose en la base de procesadores y memorias sólidas. Desde entonces, el MOSFET se ha convertido en el dispositivo más fabricado de la historia.

Origen del concepto transistor

Julius Edgar Lilienfeld, c.1934

La primera patente para el principio del transistor de efecto de campo fue presentada en Canadá por el físico austrohúngaro Julius Edgar Lilienfeld el 22 de octubre de 1925, pero Lilienfeld no publicó ningún artículo de investigación sobre sus dispositivos y su trabajo fue ignorado por la industria. En 1934, el físico alemán Dr. Oskar Heil patentó otro transistor de efecto de campo. No hay evidencia directa de que estos dispositivos fueran construidos, pero trabajos posteriores en la década de 1990 muestran que uno de los diseños de Lilienfeld funcionó como se describe y dio ganancias sustanciales. Los documentos legales de la patente de Bell Labs muestran que William Shockley y un compañero de trabajo en Bell Labs, Gerald Pearson, habían construido versiones operativas a partir de las patentes de Lilienfeld, aunque sus diseños finales de transistores se basaron en principios diferentes.

John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain en Bell Labs, 1948

El trabajo del Laboratorio Bell sobre el transistor surgió de los esfuerzos realizados durante la guerra para producir diodos mezcladores de "cristal" de germanio extremadamente puro, utilizados en unidades de radar como elemento mezclador de frecuencia en receptores de radar de microondas. Un proyecto paralelo sobre diodos de germanio en la Universidad de Purdue logró producir los cristales semiconductores de germanio de buena calidad que se utilizaron en los Laboratorios Bell. Los primeros circuitos basados en tubos no conmutaban lo suficientemente rápido para esta función, lo que llevó al equipo de Bell a utilizar diodos de estado sólido en su lugar.

Después de la guerra, Shockley decidió intentar construir un dispositivo semiconductor similar a un triodo. Consiguió financiación y espacio en el laboratorio y se puso a trabajar en el problema con Bardeen y Brattain. John Bardeen acabó desarrollando una nueva rama de la mecánica cuántica conocida como física de superficies para explicar el comportamiento "extraño" que observaron, y Bardeen y Walter Brattain finalmente lograron construir un dispositivo funcional.

La clave para el desarrollo del transistor fue la comprensión más profunda del proceso de movilidad de los electrones en un semiconductor. Se comprendió que si había alguna manera de controlar el flujo de electrones desde el emisor al colector de este diodo recién descubierto (descubierto en 1874; patentado en 1906), se podría construir un amplificador. Por ejemplo, si se colocaban contactos a ambos lados de un único tipo de cristal, la corriente no fluiría a través de él. Sin embargo, si un tercer contacto pudiera "inyectar" electrones o huecos en el material, la corriente sí fluiría.

Realmente, hacer esto parecía ser muy difícil. Si el cristal fuera de un tamaño razonable, la cantidad de electrones (o huecos) que se necesitaría inyectar tendría que ser muy grande, lo que lo haría menos útil como amplificador porque requeriría una gran corriente de inyección para comenzar. Dicho esto, la idea general del diodo de cristal era que el propio cristal pudiera proporcionar los electrones a una distancia muy pequeña, la región de agotamiento. La clave parecía ser colocar los contactos de entrada y salida muy cerca uno del otro en la superficie del cristal a cada lado de esta región.

Brattain comenzó a trabajar en la construcción de un dispositivo de este tipo y, a medida que el equipo trabajaba en el problema, siguieron apareciendo tentadores indicios de amplificación. A veces, el sistema funcionaba, pero luego dejaba de funcionar inesperadamente. En un caso, un sistema que no funcionaba empezó a funcionar cuando se lo colocó en agua. Los electrones de cualquier pieza del cristal migraban debido a las cargas cercanas. Los electrones de los emisores, o los "agujeros" de los colectores, se agrupaban en la superficie del cristal, donde podían encontrar su carga opuesta "flotando" en el aire (o el agua). Sin embargo, podían ser empujados lejos de la superficie con la aplicación de una pequeña cantidad de carga desde cualquier otra ubicación del cristal. En lugar de necesitar una gran cantidad de electrones inyectados, una cantidad muy pequeña en el lugar correcto del cristal lograría lo mismo.

Su comprensión resolvió hasta cierto punto el problema de necesitar un área de control muy pequeña. En lugar de necesitar dos semiconductores separados conectados por una región común, pero diminuta, serviría una única superficie más grande. Los cables del emisor y del colector se colocarían muy cerca uno del otro en la parte superior, con el cable de control colocado en la base del cristal. Cuando se aplicara corriente al cable de la "base", los electrones o huecos serían expulsados, a través del bloque de semiconductor, y se acumularían en la superficie más alejada. Mientras el emisor y el colector estuvieran muy cerca uno del otro, esto debería permitir que hubiera suficientes electrones o huecos entre ellos para permitir que se iniciara la conducción.

Uno de los primeros testigos del fenómeno fue Ralph Bray, un joven estudiante de posgrado. Se unió al proyecto de germanio en la Universidad de Purdue en noviembre de 1943 y se le encomendó la difícil tarea de medir la resistencia de propagación en el contacto metal-semiconductor. Bray encontró una gran cantidad de anomalías, como barreras internas de alta resistividad en algunas muestras de germanio. El fenómeno más curioso fue la resistencia excepcionalmente baja observada cuando se aplicaban pulsos de voltaje. Este efecto siguió siendo un misterio porque nadie se dio cuenta, hasta 1948, de que Bray había observado la inyección de portadores minoritarios, el efecto que fue identificado por William Shockley en los Laboratorios Bell y que hizo realidad el transistor.

Bray escribió: "Ese fue el único aspecto que nos perdimos, pero incluso si hubiéramos entendido la idea de la inyección de portadores minoritarios... habríamos dicho: 'Oh, esto explica nuestros efectos'. No necesariamente habríamos dicho: 'Comencemos a fabricar transistores', abramos una fábrica y los vendamos... En ese momento, el dispositivo importante era el rectificador de alto voltaje".

El equipo de investigación de Shockley intentó inicialmente construir un transistor de efecto de campo (FET), intentando modular la conductividad de un semiconductor, pero no tuvo éxito, principalmente debido a problemas con los estados de superficie, el enlace colgante y los materiales compuestos de germanio y cobre. En el proceso de intentar comprender las misteriosas razones detrás de su fracaso en construir un FET funcional, esto los llevó a inventar en su lugar los transistores bipolares de punto de contacto y de unión.

Primer transistor de trabajo

Una réplica estilizada del primer transistor

El equipo de Bell intentó muchas veces construir un sistema de este tipo con distintas herramientas, pero en general fracasó. Las configuraciones en las que los contactos estaban lo suficientemente cerca eran invariablemente tan frágiles como los detectores de bigotes de gato originales y sólo funcionaban durante un breve período, si es que funcionaban. Finalmente, lograron un avance práctico. Pegaron un trozo de lámina de oro al borde de una cuña de plástico triangular y luego cortaron la lámina con una cuchilla en la punta del triángulo. El resultado fueron dos contactos de oro muy próximos entre sí. Cuando se empujó el plástico hacia abajo sobre la superficie de un cristal y se aplicó voltaje al otro lado (en la base del cristal), la corriente comenzó a fluir de un contacto al otro a medida que el voltaje de la base empujaba los electrones desde la base hacia el otro lado cerca de los contactos. Se había inventado el transistor de contacto puntual.

De la entrada del cuaderno de laboratorio de Walter Brattain del 15 de diciembre de 1947: "Cuando los puntos estaban muy juntos, se obtenía un voltaje de amplificación de aproximadamente 2, pero no de amplificación de potencia. Esta amplificación de voltaje era independiente de la frecuencia de 10 a 10 000 ciclos".

Y en las notas del 16 de diciembre de 1947, "Usando este contacto de doble punto, se hizo contacto con una superficie de germanio que había sido anodizada a 90 voltios, se había lavado el electrolito con H2O y luego se le habían evaporado algunas manchas de oro. Los contactos de oro se presionaron sobre la superficie desnuda. Ambos contactos de oro con la superficie se rectificaron bien... La separación entre los puntos era de aproximadamente 4x10−3 cm. Un punto se utilizó como rejilla y el otro como placa. La polarización (CC) en la rejilla tenía que ser positiva para obtener amplificación... ganancia de potencia 1,3 ganancia de voltaje 15 en una polarización de placa de aproximadamente 15 voltios".

Brattain y H. R. Moore realizaron una demostración a varios de sus colegas y directivos de los Laboratorios Bell la tarde del 23 de diciembre de 1947, fecha que suele considerarse la fecha de nacimiento del transistor. El "transistor de germanio de contacto puntual PNP" funcionó como amplificador de voz con una ganancia de potencia de 18 en esa prueba. En 1956, John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley fueron galardonados con el Premio Nobel de Física "por sus investigaciones sobre semiconductores y su descubrimiento del efecto transistor".

Se menciona a doce personas que participaron directamente en la invención del transistor en el Laboratorio Bell.

Al mismo tiempo, algunos científicos europeos se dejaron llevar por la idea de los amplificadores de estado sólido. El físico alemán Herbert F. Mataré (1912-2011) había realizado experimentos en Telefunken con lo que él llamó "Duodiode" (diodo doble) desde 1942, cuando observó por primera vez los efectos de transconductancia con diodos de silicio fabricados para equipos de radar alemanes durante la Segunda Guerra Mundial. Finalmente, el 13 de agosto de 1948, Mataré y Heinrich Welker (1912-1981), que trabajaban en la Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse en Aulnay-sous-Bois, Francia, solicitaron una patente para un amplificador basado en el proceso de inyección de portadora minoritaria al que llamaron "Transistron". El dispositivo se mostró públicamente el 18 de mayo de 1949. Los transistores se fabricaron comercialmente para la compañía telefónica francesa y el ejército, y en 1953 se presentó un receptor de radio de estado sólido con cuatro transistores en la Feria de Radio de Düsseldorf.

Como Bell Labs no hizo ningún anuncio público de su transistor antes de junio de 1948, el transistor fue un descubrimiento y desarrollo paralelo e independiente.

Etymology

Bell Telephone Laboratories necesitaba un nombre genérico para el nuevo invento: se consideraron "triodo semiconductor", "triodo de estados superficiales", "triodo de cristal", "triodo sólido" e "iotatrón", pero "transistor", acuñado por John R. Pierce, fue el claro ganador de una votación interna (debido en parte a la afinidad que los ingenieros de Bell habían desarrollado por el sufijo "-istor"). La razón del nombre se describe en el siguiente extracto del memorando técnico de la empresa que convoca a las votaciones:

Transistor. Esta es una combinación abreviada de las palabras "transconductancia" o "transferencia", y "varistor". El dispositivo pertenece lógicamente a la familia varistor, y tiene la impedancia de transconductancia o transferencia de un dispositivo que tiene ganancia, de modo que esta combinación es descriptiva.

—Bell Phone Laboratories — Technical Memorandum (May 28, 1948)

Pierce recuerda el nombre de una manera un tanto diferente:

La forma en que proporcioné el nombre, era pensar en lo que el dispositivo hizo. Y en ese momento, se suponía que era el doble del tubo de vacío. El tubo de vacío tenía transconductancia, por lo que el transistor tendría 'transresistencia'. Y el nombre debe encajar con los nombres de otros dispositivos, como varistor y termisor. Y... sugerí el nombre 'transistor. '

—John R. Pierce, entrevistado para PBS show "Transistorized!"

La Fundación Nobel afirma que el término es una combinación de las palabras "transferencia" y "resistencia".

Conflicto temprano

Shockley estaba molesto porque el dispositivo se le atribuyera a Brattain y Bardeen, quienes, según él, lo habían construido "a sus espaldas" para llevarse la gloria. Las cosas empeoraron cuando los abogados de Bell Labs descubrieron que algunos de los escritos del propio Shockley sobre el transistor eran lo suficientemente parecidos a los de una patente anterior de 1925 de Julius Edgar Lilienfeld, por lo que pensaron que era mejor que su nombre no apareciera en la solicitud de patente.

Mejoras en el diseño transistor

Cambiar a silicio

El germanio era difícil de purificar y tenía un rango de temperatura de funcionamiento limitado. Los científicos teorizaron que el silicio sería más fácil de fabricar, pero pocos se molestaron en investigar esta posibilidad. Morris Tanenbaum y otros, de los Laboratorios Bell, fueron los primeros en desarrollar un transistor de silicio funcional el 26 de enero de 1954. Unos meses más tarde, Gordon Teal, trabajando independientemente en Texas Instruments, desarrolló un dispositivo similar. Ambos dispositivos se fabricaron controlando el dopaje de cristales de silicio individuales mientras se cultivaban a partir de silicio fundido. A principios de 1955, Morris Tanenbaum y Calvin S. Fuller, de los Laboratorios Bell, desarrollaron un método superior mediante la difusión gaseosa de impurezas donantes y aceptoras en chips de silicio monocristalino.

Sin embargo, hasta finales de la década de 1950, el germanio siguió siendo el material semiconductor dominante para transistores y otros dispositivos semiconductores. Inicialmente, se consideró que el germanio era el material semiconductor más eficaz, ya que podía demostrar un mejor rendimiento debido a una mayor movilidad de los portadores. La relativa falta de rendimiento de los primeros semiconductores de silicio se debía a que la conductividad eléctrica estaba limitada por estados superficiales cuánticos inestables, lo que impedía que la electricidad penetrara de forma fiable en la superficie para alcanzar la capa semiconductora de silicio.

Pasiva de superficie de silicona

La pasivación de la superficie, el proceso por el cual una superficie semiconductora se vuelve inerte y no cambia las propiedades del semiconductor como resultado de la interacción con el aire u otros materiales en contacto con la superficie o el borde del cristal, fue descubierta por primera vez por Carl Frosch y Lincoln Derrick en Bell Labs entre 1955 y 1957. Frosch y Derrick demostraron que un dióxido de silicio (SiO
2) capa protegía las obleas de silicio contra el medio ambiente, las enmascaraba contra la difusión de dopantes en el silicio y las aislaba eléctricamente y lo demostró creando los primeros transistores de dióxido de silicio, los primeros transistores en los que el drenaje y la fuente estaban adyacentes en la superficie aislada por un SiO
2.

Proceso de planificación

Jean Hoerni conocía el trabajo realizado por Frosch y Derick en Bell Labs. Más tarde, Hoerni asistió a una reunión en la que Atalla presentó un trabajo sobre pasivación basado en los resultados previos en Bell Labs. Aprovechando el efecto pasivante del dióxido de silicio sobre la superficie del silicio, Hoerni propuso fabricar transistores que estuvieran protegidos por una capa de dióxido de silicio y emitió una primera patente en 1959, mientras trabajaba en Fairchild Semiconductor.

MOSFET

En 1959 se introdujo el MOSFET. En 2020, sigue siendo el tipo de transistor dominante en uso, con un total estimado de 13 sextillones ( 1,3×1022) MOSFET fabricados entre 1960 y 2018. Las principales ventajas de los transistores MOSFET sobre los BJT son que no consumen corriente excepto cuando cambian de estado y tienen una velocidad de conmutación más rápida (ideal para señales digitales).

Comercialización temprana

La primera línea de producción comercial de transistores del mundo se encontraba en la planta de Western Electric en Union Boulevard en Allentown, Pensilvania. La producción comenzó el 1 de octubre de 1951 con el transistor de germanio de contacto puntual.

La primera aplicación comercial de transistores en telecomunicaciones se produjo en el otoño de 1952, en los generadores de tonos para la señalización multifrecuencia del sistema de conmutación Crossbar nº 5 en la instalación de Englewood (Nueva Jersey), utilizado para la primera prueba de campo de marcación directa a distancia (DDD).

En 1953, el transistor ya se utilizaba en algunos productos, como audífonos y centrales telefónicas, pero todavía había problemas importantes que impedían su aplicación más amplia, como la sensibilidad a la humedad y la fragilidad de los cables unidos a los cristales de germanio. Donald G. Fink, director de investigación de Philco, resumió el estado del potencial comercial del transistor con una analogía: "¿Es un adolescente lleno de granos, ahora torpe, pero que promete un vigor futuro? ¿O ha llegado a la madurez, lleno de languidez, rodeado de decepciones?".

En los primeros años de la industria de semiconductores, las empresas de semiconductores se centraron inicialmente en los transistores de unión. Sin embargo, el transistor de unión era un dispositivo relativamente voluminoso y difícil de fabricar en serie, lo que lo limitaba a una serie de aplicaciones especializadas.

Radios transistoras

El Regency TR-1 que utilizó los transistores NPN de Texas Instruments, fue la primera radio transistor producida comercialmente por el mundo.

Se hicieron demostraciones de prototipos de receptores de radio AM totalmente a transistores, pero en realidad eran solo curiosidades de laboratorio. Sin embargo, en 1950 Shockley desarrolló un tipo radicalmente diferente de amplificador de estado sólido que se conoció como transistor de unión bipolar, que funciona según un principio completamente diferente al del transistor de contacto puntual. Morgan Sparks convirtió el transistor de unión bipolar en un dispositivo práctico. Estos también fueron licenciados a varias otras empresas de electrónica, incluida Texas Instruments, que produjo una serie limitada de radios a transistores como herramienta de ventas. Los primeros transistores eran químicamente inestables y solo eran adecuados para aplicaciones de baja potencia y baja frecuencia, pero a medida que se desarrolló el diseño de transistores, estos problemas se fueron superando poco a poco.

Son muchos los que se atribuyen el título de la primera empresa que fabricó radios de transistores funcionales. Texas Instruments ya había presentado radios AM con transistores en 1952, pero su rendimiento era muy inferior al de los modelos equivalentes de válvulas de vacío. En agosto de 1953, la empresa alemana Intermetall presentó una radio funcional con transistores en la Feria de Radio de Düsseldorf. Se construyó con cuatro transistores fabricados a mano por Intermetall, basados en la invención de 1948 de Herbert Mataré y Heinrich Welker. Sin embargo, al igual que con las primeras unidades Texas (y otras), solo se construyeron prototipos; nunca se puso en producción comercial.

La primera radio a transistores se suele atribuir incorrectamente a Sony (originalmente Tokyo Tsushin Kogyo), que lanzó la TR-55 en 1955. Sin embargo, fue precedida por la Regency TR-1, fabricada por la División Regency de I.D.E.A. (Industrial Development Engineering Associates) de Indianápolis, Indiana, que fue la primera radio a transistores práctica. La TR-1 se anunció el 18 de octubre de 1954 y se puso a la venta en noviembre de 1954 por 49,95 dólares estadounidenses (el equivalente a unos 500 dólares estadounidenses en dólares del año 2020) y se vendieron unas 150.000 unidades.

El TR-1 utilizaba cuatro transistores NPN de Texas Instruments y tenía que funcionar con una batería de 22,5 voltios, ya que la única forma de obtener un rendimiento de radiofrecuencia adecuado de los primeros transistores era hacerlos funcionar cerca de su voltaje de ruptura de colector a emisor. Esto hizo que el TR-1 fuera muy caro de mantener y fue mucho más popular por su novedad o valor de estatus que por su rendimiento real, más bien al estilo de los primeros reproductores de MP3.

Aun así, más allá de su rendimiento mediocre, el TR-1 era un producto muy avanzado para su época, que utilizaba placas de circuito impreso y componentes que entonces se consideraban microminiaturas.

Masaru Ibuka, cofundador de la firma japonesa Sony, estaba de visita en Estados Unidos cuando Bell Labs anunció la disponibilidad de licencias de fabricación, incluidas instrucciones detalladas sobre cómo fabricar transistores de unión. Ibuka obtuvo un permiso especial del Ministerio de Finanzas japonés para pagar la tarifa de licencia de 50.000 dólares y en 1955 la compañía presentó su propia radio de bolsillo de cinco transistores, la TR-55, bajo la nueva marca Sony. A este producto pronto le siguieron diseños más ambiciosos, pero en general se considera que marcó el comienzo del crecimiento de Sony hasta convertirse en una superpotencia manufacturera.

La TR-55 era bastante similar a la Regency TR-1 en muchos aspectos, ya que funcionaba con el mismo tipo de batería de 22,5 voltios, y no era mucho más práctica. Nota: según el esquema, la TR-55 utilizaba una fuente de alimentación de 6 voltios. Muy pocas se distribuyeron fuera de Japón. No fue hasta 1957 que Sony produjo su revolucionaria radio de bolsillo para camisa "TR-63", un diseño mucho más avanzado que funcionaba con una batería estándar de 9 voltios y podía competir favorablemente con las radios portátiles de tubo de vacío. La TR-63 también fue la primera radio de transistores que utilizó todos los componentes en miniatura. (El término "de bolsillo" fue motivo de cierta interpretación, ya que supuestamente Sony hizo que sus vendedores fabricaran camisas especiales con bolsillos de gran tamaño).

1955 Chrysler–Philco todos los transistores de la radio de radio – "Breaking News"

En la edición del 28 de abril de 1955 del Wall Street Journal, Chrysler y Philco anunciaron que habían desarrollado y producido la primera radio para automóvil totalmente a transistores del mundo. Chrysler puso a disposición la radio para automóvil totalmente a transistores, modelo Mopar 914HR, como una "opción" en el otoño de 1955 para su nueva línea de automóviles Chrysler e Imperial de 1956, que llegó a las salas de exposición el 21 de octubre de 1955. La radio para automóvil totalmente a transistores era una opción de 150 dólares.

La Sony TR-63, lanzada en 1957, fue la primera radio de transistores producida en serie, lo que condujo a la penetración en el mercado masivo de las radios de transistores. La TR-63 llegó a vender siete millones de unidades en todo el mundo a mediados de la década de 1960. Con el éxito visible de la TR-63, competidores japoneses como Toshiba y Sharp Corporation se unieron al mercado. El éxito de Sony con las radios de transistores llevó a que los transistores reemplazaran a los tubos de vacío como la tecnología electrónica dominante a fines de la década de 1950.

Uso hobby

El primer transistor de unión de bajo costo disponible para el público en general fue el CK722, una unidad de señal pequeña de germanio PNP introducida por Raytheon a principios de 1953 por $7,60 cada una. En las décadas de 1950 y 1960, cientos de proyectos de electrónica para aficionados basados en el transistor CK722 se publicaron en libros y revistas populares. Raytheon también participó en la expansión del papel del CK722 como dispositivo de electrónica para aficionados mediante la publicación de "Transistor Applications" y "Transistor Applications - Volume 2" a mediados de la década de 1950.

Computadoras transistoras

El primer ordenador de transistores del mundo se construyó en la Universidad de Manchester en noviembre de 1953. El ordenador fue construido por Richard Grimsdale, entonces estudiante de investigación en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y más tarde profesor de Ingeniería Electrónica en la Universidad de Sussex. La máquina utilizaba transistores de contacto puntual, fabricados en pequeñas cantidades por STC y Mullard. Éstos consistían en un solo cristal de germanio con dos alambres finos, parecidos al cristal y al bigote de gato de la década de 1920. Estos transistores tenían la útil propiedad de que un solo transistor podía poseer dos estados estables... El desarrollo de la máquina se vio gravemente obstaculizado por la falta de fiabilidad de los transistores. Consumía 150 vatios.

Metropolitan Vickers Ltd reconstruyó el diseño completo de 200 transistores (y 1300 diodos) en 1956 utilizando transistores de unión (para uso interno).

Los modelos IBM 7070 (1958), IBM 7090 (1959) y CDC 1604 (1960) fueron los primeros ordenadores (productos comercializados) basados en transistores.

MOSFET (transistor MOS)

1957, Diagrama de uno de los dispositivos transistores SiO2 hechos por Frosch y Derrick

En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derick crearon accidentalmente una capa de dióxido de silicio sobre la oblea de silicio, en la que observaron efectos de pasivación de la superficie. En 1957, Frosch y Derick, utilizando enmascaramiento y predeposición, lograron fabricar transistores de efecto de campo de dióxido de silicio; los primeros transistores planares, en los que el drenaje y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie.

Tras esta investigación, Mohamed Atalla y Dawon Kahng propusieron un transistor MOS de silicio en 1959 y demostraron con éxito un dispositivo MOS funcional con su equipo de Bell Labs en 1960. Su equipo incluía a E. E. LaBate y E. I. Povilonis, quienes fabricaron el dispositivo; M. O. Thurston, L. A. D’Asaro y J. R. Ligenza, quienes desarrollaron los procesos de difusión, y H. K. Gummel y R. Lindner, quienes caracterizaron el dispositivo.

Con su alta escalabilidad, un consumo de energía mucho menor y una densidad más alta que los transistores de unión bipolar, el MOSFET hizo posible construir circuitos integrados (CI) de alta densidad, lo que permitió la integración de más de 10.000 transistores en un solo CI.

El primer transistor de efecto de campo de puerta Schottky de arseniuro de galio (MESFET) fue fabricado por Carver Mead y publicado en 1966. El primer informe sobre un MOSFET de puerta flotante (FGMOS) fue realizado por Dawon Kahng y Simon Sze en 1967.

Desde entonces, el MOSFET se ha convertido en el dispositivo más fabricado de la historia. Hasta 2018, se estima que se han fabricado 13 sextillones de transistores MOS.

PMOS y NMOS

Originalmente, había dos tipos de lógica MOSFET: PMOS (MOS de tipo p) y NMOS (MOS de tipo n). Ambos tipos fueron desarrollados por Frosch y Derrick en 1957 en los Laboratorios Bell.

CMOS

En 1948, Bardeen y Brattain patentaron en los Laboratorios Bell un transistor de puerta aislada (IGFET) con una capa de inversión; este concepto constituye la base de la tecnología CMOS actual. Chih-Tang Sah y Frank Wanlass inventaron un nuevo tipo de lógica MOSFET, CMOS (MOS complementario), en Fairchild Semiconductor, y en febrero de 1963 publicaron la invención en un artículo de investigación.

Puerta autoalineada

El transistor MOSFET de compuerta autoalineada (compuerta de silicio) fue inventado por Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace en Bell Labs en 1967. Los investigadores de Fairchild Semiconductor Federico Faggin y Tom Klein utilizaron posteriormente MOSFET de compuerta autoalineada para desarrollar el primer circuito integrado MOS de compuerta de silicio.

Comercialización de MOSFET

El MOSFET, también conocido como transistor MOS, fue el primer transistor verdaderamente compacto que se podía miniaturizar y producir en masa para una amplia gama de usos. Revolucionó la industria electrónica en general, incluida la electrónica de potencia, la electrónica de consumo, los sistemas de control y las computadoras. Desde entonces, el MOSFET se ha convertido en el tipo de transistor más común en el mundo, con usos que incluyen computadoras, electrónica y tecnología de comunicaciones (como teléfonos inteligentes). El transistor MOS ha sido descrito como el "caballo de batalla de la industria electrónica" debido a que es el componente básico de cada microprocesador, chip de memoria y circuito de telecomunicaciones en uso. Miles de millones de transistores MOS se fabrican todos los días, a partir de 2013.

Circuitos integrados

General Microelectronics presentó los primeros circuitos integrados MOS comerciales en 1964, que consistían en 120 transistores de canal p. Se trataba de un registro de desplazamiento de 20 bits, desarrollado por Robert Norman y Frank Wanlass. En 1967, los investigadores de Bell Labs Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace desarrollaron el transistor MOS de compuerta autoalineada (compuerta de silicio), que los investigadores de Fairchild Semiconductor Federico Faggin y Tom Klein utilizaron para desarrollar el primer circuito integrado MOS de compuerta de silicio.

En 1972, los circuitos MOS LSI (integración a gran escala) se comercializaron para numerosas aplicaciones, incluidos automóviles, camiones, electrodomésticos, máquinas comerciales, instrumentos musicales electrónicos, periféricos de computadora, cajas registradoras, calculadoras, equipos de transmisión de datos y telecomunicaciones.

Memoria semiconductora

Las primeras celdas de memoria modernas se introdujeron en 1965, cuando John Schmidt diseñó la primera SRAM MOS (RAM estática) de 64 bits. En 1967, Robert H. Dennard de IBM presentó una patente para una celda de memoria DRAM (RAM dinámica) de un solo transistor, utilizando un MOSFET.

La primera aplicación práctica de los MOSFET de compuerta flotante (FGMOS) fueron las celdas de memoria de compuerta flotante, que Dawon Kahng y Simon Sze propusieron que podrían utilizarse para producir ROM reprogramable (memoria de solo lectura). Las celdas de memoria de compuerta flotante se convirtieron más tarde en la base de las tecnologías de memoria no volátil (NVM), incluidas las EPROM (ROM programable borrable), EEPROM (ROM programable borrable eléctricamente) y la memoria flash.

Microprocesadores

El MOSFET es la base de cada microprocesador. Los primeros microprocesadores eran todos microprocesadores MOS, construidos con circuitos MOS LSI. Los primeros microprocesadores multichip, el Four-Phase Systems AL1 en 1969 y el Garrett AiResearch MP944 en 1970, se desarrollaron con múltiples chips MOS LSI. El primer microprocesador comercial de un solo chip, el Intel 4004, fue desarrollado por Federico Faggin, utilizando su tecnología de circuitos integrados MOS de compuerta de silicio, con los ingenieros de Intel Marcian Hoff y Stan Mazor, y el ingeniero de Busicom Masatoshi Shima. Con la llegada de los microprocesadores CMOS en 1975, el término "microprocesadores MOS" comenzó a referirse a chips fabricados completamente con lógica PMOS o fabricados completamente con lógica NMOS, en contraste con los "microprocesadores CMOS" y los "procesadores bipolares de corte de bits".

Calculadoras de bolsillo

Uno de los primeros productos electrónicos de consumo influyentes que se hicieron realidad gracias a los transistores MOS fue la calculadora electrónica de bolsillo. En 1965, la calculadora de escritorio Victor 3900 fue la primera calculadora MOS LSI, con 29 chips MOS LSI. En 1967, la Texas Instruments Cal-Tech fue el primer prototipo de calculadora electrónica de mano, con tres chips MOS LSI, y más tarde se lanzó como Canon Pocketronic en 1970. La calculadora de escritorio Sharp QT-8D fue la primera calculadora MOS LSI producida en serie en 1969, y la Sharp EL-8, que utilizaba cuatro chips MOS LSI, fue la primera calculadora electrónica de mano comercial en 1970. La primera calculadora de bolsillo verdaderamente electrónica fue la Busicom LE-120A HANDY LE, que utilizaba una única calculadora MOS LSI en un chip de Mostek, y se lanzó en 1971.

Computadoras personales

En la década de 1970, el microprocesador MOS fue la base de los ordenadores domésticos, los microordenadores (micros) y los ordenadores personales (PC). Esto dio lugar al inicio de lo que se conoce como la revolución de los ordenadores personales o la revolución de los microordenadores.

Electrónica de energía

El MOSFET de potencia es el dispositivo de potencia más utilizado en el mundo. Las ventajas sobre los transistores de unión bipolar en electrónica de potencia incluyen que los MOSFET no requieren un flujo continuo de corriente de excitación para permanecer en el estado ON, ofrecen velocidades de conmutación más altas, menores pérdidas de potencia de conmutación, resistencias de encendido más bajas y menor susceptibilidad a la fuga térmica. El MOSFET de potencia tuvo un impacto en las fuentes de alimentación, permitiendo frecuencias de operación más altas, reducción de tamaño y peso y mayor producción en volumen.

El MOSFET de potencia, que se utiliza habitualmente en electrónica de potencia, se desarrolló a principios de la década de 1970. El MOSFET de potencia permite un bajo consumo de energía de control de compuerta, una velocidad de conmutación rápida y una capacidad avanzada de conexión en paralelo.

Transistores sostenibles

A finales de abril de 2023, investigadores de la Universidad de Linköping y del Real Instituto Tecnológico KTH desarrollaron con éxito el primer transistor de madera del mundo, lo que podría allanar el camino para una electrónica más sostenible e incluso para el control de plantas electrónicas, según un artículo de Hackster.io. El equipo creó un transistor funcional para conmutar señales electrónicas utilizando electrolitos a base de celulosa y semiconductores orgánicos derivados de la lignina. Este avance podría conducir a una mayor investigación en la creación de dispositivos electrónicos respetuosos con el medio ambiente y a la exploración de la posibilidad de integrar la electrónica en plantas vivas con fines de seguimiento y control.

Patentes

  • US 1745175 Julius Edgar Lilienfeld: "Método y aparato para controlar la corriente eléctrica" archivado en Canadá el 1925-10-22, describiendo un transistor de efectos de campo
  • US 1900018 Julius Edgar Lilienfeld: "Dispositivo para controlar la corriente eléctrica" archivado en 1928-03-28, un transistor de efectos de campo fino
  • GB 439457 Oskar Heil: "Mejoras en o relacionadas con amplificadores eléctricos y otros arreglos y dispositivos de control" archivado en Alemania en 1934-03-02
  • US 2524035 John Bardeen et al.: "Elemento de tres circuitos utilizando materiales semiconductores" prioridad más antigua 1948-02-26
  • US 2569347 William Shockley: "Elemento clave que utiliza material semiconductor" prioridad más antigua 1948-06-26
  • US 3206670 Mohamed Atalla: "Semiconductor devices having dielectric coatings" archivado en 1960-08-03, describiendo un MOSFET
  • US 3102230 Dawon Kahng: "Electric field controlled semiconductor device" archivado en 1960-08-03, describiendo un MOSFET

Referencias

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  • Genio electrónico: La HISTORIA TANGLADA DE SILICON (304s)
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