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Historia del transistor

Un transistor es un dispositivo semiconductor con al menos tres terminales para su conexión a un circuito eléctrico . Generalmente, el tercer terminal controla el flujo de corri...

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Un transistor es un dispositivo semiconductor con al menos tres terminales para su conexión a un circuito eléctrico . Generalmente, el tercer terminal controla el flujo de corriente entre los otros dos. Esto se puede utilizar para amplificación, como en el caso de un receptor de radio , o para conmutación rápida, como en el caso de circuitos digitales. El transistor reemplazó al triodo de tubo de vacío , también llamado válvula (termiónica), que era mucho más grande y consumía mucha más energía. El primer transistor se demostró con éxito el 23 de diciembre de 1947 en los Laboratorios Bell en Murray Hill, Nueva Jersey. Los Laboratorios Bell eran la división de investigación de American Telephone and Telegraph (AT&T). Los tres individuos a quienes se les atribuye la invención del transistor fueron William Shockley , John Bardeen y Walter Brattain . La introducción del transistor se considera a menudo uno de los inventos más importantes de la historia. [ 1 ] [ 2 ]

Los transistores se clasifican generalmente en dos categorías: transistor de unión bipolar (BJT) y transistor de efecto de campo (FET). [ 3 ]

El principio de un transistor de efecto de campo fue propuesto por Julius Edgar Lilienfeld en 1925. [ 4 ] 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 la década de 1950 y condujo al primer uso generalizado de transistores.

El MOSFET se inventó en los Laboratorios Bell entre 1955 y 1960, después de que Frosch y Derick descubrieran la pasivación de la superficie mediante dióxido de silicio y utilizaran este hallazgo para crear los primeros transistores planares, los primeros en los que el drenador y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Este avance condujo a la producción en masa de transistores MOS para una amplia gama de usos, convirtiéndose en la base de los procesadores y las memorias de estado sólido. Desde entonces, el MOSFET se ha convertido en el dispositivo más fabricado de la historia.

Orígenes del concepto de transistor

Julio Edgar Lilienfeld , c. 1934

La primera patente [ 11 ] para el principio del transistor de efecto de campo fue presentada en Canadá por el físico austríaco-húngaro Julius Edgar Lilienfeld el 22 de octubre de 1925, pero Lilienfeld no publicó artículos 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. [ 12 ] No hay evidencia directa de que estos dispositivos se construyeran, pero trabajos posteriores en la década de 1990 muestran que uno de los diseños de Lilienfeld funcionaba como se describía y proporcionaba una ganancia sustancial. Los documentos legales de la patente de Bell Labs muestran que William Shockley y un colega de Bell Labs, Gerald Pearson, habían construido versiones operativas a partir de las patentes de Lilienfeld, aunque sus diseños finales de transistores se basaban en principios diferentes. [ 13 ]

John Bardeen , William Shockley y Walter Brattain en los Laboratorios Bell , 1948.

El trabajo del Laboratorio Bell sobre el transistor surgió de los esfuerzos realizados durante la guerra para producir diodos mezcladores de germanio de cristal 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. [ 14 ] 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.

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

La clave para el desarrollo del transistor fue una mayor comprensión del proceso de movilidad de los electrones en un semiconductor. Se comprendió que si se lograba controlar el flujo de electrones desde el emisor hasta el colector de este diodo recién descubierto (descubierto en 1874 y patentado en 1906), se podría construir un amplificador . Por ejemplo, si se colocaban contactos a ambos lados de un solo 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 fluiría.

En realidad, esto parecía muy difícil. Si el cristal tuviera un tamaño razonable, la cantidad de electrones (o huecos) que se necesitarían inyectar sería muy grande, lo que lo haría menos útil como amplificador, ya que requeriría una gran corriente de inyección inicial. Dicho esto, la idea principal del diodo de cristal era que el propio cristal pudiera proporcionar los electrones a lo largo de 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 ambos lados 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, seguían apareciendo indicios prometedores de amplificación. A veces, el sistema funcionaba, pero luego dejaba de hacerlo inesperadamente. En un caso, un sistema que no funcionaba empezó a funcionar al colocarlo en agua. Los electrones en cualquier parte del cristal migraban debido a las cargas cercanas. Los electrones en los emisores, o los "huecos" en los colectores, se agrupaban en la superficie del cristal, donde podían encontrar su carga opuesta "flotando" en el aire (o en el agua). Sin embargo, podían alejarse de la superficie aplicando una pequeña cantidad de carga desde cualquier otro punto del cristal. En lugar de necesitar un gran suministro de electrones inyectados, una cantidad muy pequeña en el lugar adecuado del cristal lograría el mismo efecto.

Su comprensión resolvió, en cierta medida, el problema de necesitar un área de control muy pequeña. En lugar de dos semiconductores separados conectados por una región común, aunque diminuta, bastaría con una única superficie más grande. Los terminales del emisor y del colector se colocarían muy cerca uno del otro en la parte superior, mientras que el terminal de control se ubicaría en la base del cristal. Al aplicar corriente al terminal de la base, los electrones o huecos serían expulsados ​​a través del bloque de semiconductor y se acumularían en la superficie opuesta. Siempre que el emisor y el colector estuvieran muy cerca, esto debería permitir que hubiera suficientes electrones o huecos entre ellos para que comenzara la conducción.

Uno de los primeros testigos de este 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 compleja tarea de medir la resistencia de propagación en el contacto metal-semiconductor. Bray descubrió numerosas anomalías, como barreras internas de alta resistividad en algunas muestras de germanio. El fenómeno más curioso fue la resistencia excepcionalmente baja observada al aplicar pulsos de voltaje. Este efecto permaneció en el misterio, ya que nadie se percató, hasta 1948, de que Bray había observado la inyección de portadores minoritarios , el efecto que William Shockley identificó en los Laboratorios Bell y que hizo posible el transistor. 

Bray escribió: «Ese fue el único aspecto que pasamos por alto, pero incluso si hubiéramos comprendido la idea de la inyección de portadores minoritarios... habríamos dicho: "Ah, esto explica nuestros efectos". Puede que no necesariamente hubiéramos dicho: "Empecemos a fabricar transistores", abramos una fábrica y los vendamos... En aquel entonces, el dispositivo importante era el rectificador de alto voltaje inverso». [ 15 ]

El equipo de investigación de Shockley intentó inicialmente construir un transistor de efecto de campo (FET) modulando la conductividad de un semiconductor , pero no lo logró, principalmente debido a problemas con los estados superficiales , el enlace colgante y los materiales compuestos de germanio y cobre . En su intento por comprender las misteriosas razones de su fracaso en la construcción de un FET funcional, esto los llevó a inventar los transistores bipolares de contacto puntual y de unión . [ 16 ] [ 17 ]

Primer transistor funcional

Una réplica estilizada del primer transistor.

El equipo de Bell realizó numerosos intentos para construir un sistema de este tipo con diversas herramientas, pero generalmente fracasaron. Las configuraciones con contactos suficientemente cercanos resultaban invariablemente tan frágiles como los detectores originales de bigotes de gato, y solo funcionaban brevemente, si es que funcionaban. Finalmente, lograron un avance práctico. Se pegó una lámina de oro al borde de una cuña triangular de plástico, y luego se cortó la lámina con una cuchilla en la punta del triángulo. El resultado fueron dos contactos de oro muy próximos entre sí. Al presionar el plástico sobre la superficie de un cristal y aplicar voltaje al otro lado (en la base del cristal), la corriente comenzó a fluir de un contacto al otro, ya 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 .

Según la anotación del cuaderno de laboratorio de Walter Brattain del 15 de diciembre de 1947: "Cuando los puntos estaban muy juntos, se obtenía una amplificación de voltaje de aproximadamente 2, pero no una amplificación de potencia. Esta amplificación de voltaje era independiente de la frecuencia de 10 a 10 000 ciclos". [ 18 ]

Y en las notas del 16 de diciembre de 1947, "Utilizando este contacto de doble punto, se estableció contacto con una superficie de germanio que había sido anodizada a 90 voltios, se le había lavado el electrolito con H₂O y luego se le habían evaporado algunos puntos de oro. Los contactos de oro se presionaron sobre la superficie desnuda. Ambos contactos de oro a la superficie rectificaron correctamente... La separación entre los puntos era de aproximadamente 4 × 10⁻³ cm . Un punto se utilizó como rejilla y el otro como placa. La polarización (CC) en la rejilla debía ser positiva para obtener amplificación... ganancia de potencia 1,3, ganancia de voltaje 15 con una polarización de placa de aproximadamente 15 voltios". [ 19 ]

Brattain y H.R. Moore realizaron una demostración para varios de sus colegas y gerentes en los Laboratorios Bell la tarde del 23 de diciembre de 1947, fecha que suele considerarse el nacimiento del transistor. En esa prueba, el transistor de germanio de contacto puntual PNP funcionó como amplificador de voz con una ganancia de potencia de 18. 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 el descubrimiento del efecto transistor.

Se mencionan doce personas como directamente involucradas en la invención del transistor en el Laboratorio Bell. [ 20 ]

Al mismo tiempo, algunos científicos europeos se vieron impulsados ​​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 denominó " Duodiodo " (diodo doble) desde 1942, cuando observó por primera vez 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 portadores minoritarios, al que llamaron "Transistron". [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] 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 demostró un receptor de radio de estado sólido con cuatro transistores en la Feria de Radio de Düsseldorf .

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

Etimología

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"). [ 25 ] [ 26 ] La justificación del nombre se describe en el siguiente extracto del Memorando Técnico de la compañía que solicitaba votaciones:

Transistor. Esta es una combinación abreviada de las palabras " transconductancia " o "transferencia" y " varistor ". El dispositivo pertenece lógicamente a la familia de los varistores y posee la transconductancia o impedancia de transferencia de un dispositivo con ganancia, por lo que esta combinación resulta descriptiva.

— Laboratorios Bell Telephone — Memorando Técnico (28 de mayo de 1948)

Pierce recordaba el nombre de forma algo diferente:

La forma en que propuse el nombre fue pensando en la función del dispositivo. En aquel entonces, se suponía que era el equivalente a la válvula de vacío . La válvula de vacío tenía transconductancia, por lo que el transistor tendría transresistencia. Además, el nombre debía encajar con los de otros dispositivos, como varistor y termistor. Y... sugerí el nombre "transistor".

— John R. Pierce, entrevistado para el programa de PBS "¡Transistorizado!"

La Fundación Nobel afirma que el término es una combinación de las palabras "transferencia" y " resistor ". [ 27 ]

Conflicto temprano

Shockley se indignó al ver que el dispositivo se atribuía a Brattain y Bardeen, quienes, según él, lo habían construido "a sus espaldas" para llevarse el mérito. La situación empeoró cuando los abogados de Bell Labs descubrieron que algunos de los escritos de Shockley sobre el transistor eran tan similares a los de una patente anterior de 1925 de Julius Edgar Lilienfeld que consideraron que lo mejor era omitir su nombre de la solicitud de patente.

Mejoras en el diseño de transistores

Cámbiate al 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 en los Laboratorios Bell [ 28 ] fueron los primeros en desarrollar un transistor de silicio funcional el 26 de enero de 1954. [ 29 ] Unos meses más tarde, Gordon Teal , trabajando de forma independiente en Texas Instruments , desarrolló un dispositivo similar. Ambos dispositivos se fabricaron controlando el dopaje de monocristales de silicio mientras crecían a partir de silicio fundido. Un método superior fue desarrollado por Morris Tanenbaum y Calvin S. Fuller en los Laboratorios Bell a principios de 1955 mediante la difusión gaseosa de impurezas donadoras y aceptoras en chips de silicio monocristalino. [ 30 ]

Sin embargo, hasta finales de la década de 1950, el germanio siguió siendo el material semiconductor dominante para transistores y otros dispositivos semiconductores . Inicialmente, el germanio se consideró el material semiconductor más eficaz, ya que demostró un mejor rendimiento debido a una mayor movilidad de portadores . [ 31 ] [ 32 ] La relativa falta de rendimiento en los primeros semiconductores de silicio se debió a que la conductividad eléctrica estaba limitada por estados superficiales cuánticos inestables , [ 33 ] lo que impedía que la electricidad penetrara de forma fiable en la superficie para alcanzar la capa semiconductora de silicio. [ 34 ] [ 35 ]

Pasivación de la superficie de silicio

La pasivación de la superficie , el proceso mediante 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 los Laboratorios Bell entre 1955 y 1957. [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] Frosch y Derrick demostraron que un dióxido de silicio ( SiO2 ) La capa protegía las obleas de silicio contra el entorno, enmascaraba la difusión de dopantes en el silicio y las aislaba eléctricamente, demostrándolo mediante la creación de los primeros transistores de dióxido de silicio, los primeros transistores en los que el drenador y la fuente estaban adyacentes en la superficie aislada por unacapa de SiO₂.2 capas. [ 37 ]

Proceso planar

Jean Hoerni estaba al tanto del trabajo realizado por Frosch y Derick en Bell Labs. [ 40 ] Posteriormente, Hoerni asistió a una reunión donde Atalla presentó un documento sobre pasivación basado en los resultados previos de Bell Labs. [ 40 ] Aprovechando el efecto pasivante del dióxido de silicio en la superficie del silicio, Hoerni propuso fabricar transistores protegidos por una capa de dióxido de silicio [ 40 ] y emitió una primera patente en 1959, [ 41 ] [ 42 ] mientras trabajaba en Fairchild Semiconductor .

MOSFET

En 1959 se introdujo el MOSFET. En 2020 seguía 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 al cambiar 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. [ 43 ]

La primera aplicación comercial de transistores en telecomunicaciones se produjo en el otoño de 1952 en generadores de tonos para señalización multifrecuencia del sistema de conmutación de barra transversal n.° 5 en la instalación de Englewood, NJ, utilizado para la primera prueba de campo de marcación directa de distancia (DDD). [ 44 ]

Para 1953, el transistor se utilizaba en algunos productos, como audífonos y centrales telefónicas , pero aún existían problemas importantes que impedían su aplicación más generalizada, como la sensibilidad a la humedad y la fragilidad de los cables conectados a los cristales de germanio. [ 45 ] Donald G. Fink , director de investigación de Philco , resumió el estado del potencial comercial del transistor con una analogía: "¿Es un adolescente con acné, ahora torpe, pero que promete un futuro vigoroso? ¿O ha llegado a la madurez, lleno de languidez, rodeado de decepciones?" [ 45 ]

En los primeros años de la industria de semiconductores , las empresas se centraron inicialmente en los transistores de unión . Sin embargo, el transistor de unión era un dispositivo relativamente voluminoso y difícil de fabricar en masa , lo que limitaba su uso a aplicaciones especializadas. [ 46 ]

Radios de transistores

El Regency TR-1 , que utilizaba transistores NPN de Texas Instruments , fue la primera radio de transistores producida comercialmente en el mundo .

Se demostraron prototipos de receptores de radio AM totalmente transistorizados, pero en realidad solo eran 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 con un principio completamente distinto al del transistor de contacto puntual . Morgan Sparks convirtió el transistor de unión bipolar en un dispositivo práctico. [ 47 ] [ 48 ] Estos también fueron licenciados a varias otras compañías de electrónica, incluyendo Texas Instruments , que produjo una serie limitada de radios de 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 el diseño de transistores evolucionó, estos problemas se fueron superando gradualmente.

Existen numerosos candidatos a ser la primera empresa en producir radios de transistores prácticas. Texas Instruments ya había presentado radios AM totalmente de transistores en 1952, pero su rendimiento era muy inferior al de los modelos equivalentes de válvulas. En agosto de 1953, la empresa alemana Intermetall presentó una radio de transistores funcional en la Feria de Radio de Düsseldorf . Estaba construida con cuatro transistores fabricados a mano por Intermetall, basados ​​en la invención de Herbert Mataré y Heinrich Welker de 1948. Sin embargo, al igual que con las primeras unidades de Texas (y otras), solo se construyeron prototipos; nunca se produjo en serie.

A menudo se atribuye erróneamente la invención de la primera radio de transistores 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 IDEA (Industrial Development Engineering Associates) de Indianápolis, Indiana, que fue la primera radio de transistores práctica. La TR-1 se anunció el 18 de octubre de 1954 y se puso a la venta en noviembre de ese mismo año por 49,95 dólares estadounidenses (el equivalente a unos 500 dólares estadounidenses en 2020), vendiéndose aproximadamente 150 000 unidades.

El TR-1 utilizaba cuatro transistores NPN de Texas Instruments y debía alimentarse 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 tensión de ruptura colector-emisor . Esto hacía que el funcionamiento del TR-1 fuera muy costoso, y fue mucho más popular por su novedad o prestigio que por su rendimiento real, de forma similar a los primeros reproductores de MP3 .

Sin embargo, aparte de su rendimiento mediocre, el TR-1 era un producto muy avanzado para su época, ya que utilizaba placas de circuitos impresos y lo que entonces se consideraban componentes microminiatura.

Masaru Ibuka , cofundador de la empresa japonesa Sony , se encontraba de visita en Estados Unidos cuando Bell Labs anunció la disponibilidad de licencias de fabricación, incluyendo 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 lanzó su propia radio portátil de cinco transistores, la TR-55, bajo la nueva marca Sony . A este producto pronto le siguieron diseños más ambiciosos, pero generalmente se considera que marcó el inicio del crecimiento de Sony hasta convertirse en una potencia manufacturera.

El TR-55 era bastante similar al Regency TR-1 en muchos aspectos, ya que funcionaba con el mismo tipo de batería de 22,5 voltios y no era mucho más práctico. Nota: según el esquema, el TR-55 utilizaba una fuente de alimentación de 6 voltios. [ 49 ] Se distribuyeron muy pocas unidades fuera de Japón. No fue hasta 1957 que Sony produjo su revolucionaria radio de bolsillo "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 válvulas. El TR-63 fue también la primera radio de transistores en utilizar componentes totalmente en miniatura. (El término "de bolsillo" era objeto de cierta interpretación, ya que, supuestamente, Sony mandaba fabricar camisas especiales con bolsillos extragrandes para sus vendedores).

Radio de automóvil Chrysler-Philco de transistores de 1955: anuncio de transmisión de radio de "Últimas noticias".

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 transistorizada del mundo. [ 50 ] Chrysler ofreció la radio para automóvil totalmente transistorizada, modelo Mopar 914HR, como una "opción" en otoño de 1955 para su nueva línea de automóviles Chrysler e Imperial de 1956, que llegó a los concesionarios el 21 de octubre de 1955. La radio para automóvil totalmente transistorizada era una opción de $150. [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]

El Sony TR-63, lanzado en 1957, fue la primera radio de transistores producida en masa, lo que impulsó la penetración masiva de las radios de transistores en el mercado. [ 54 ] El TR-63 llegó a vender siete millones de unidades en todo el mundo a mediados de la década de 1960. [ 55 ] Con el éxito evidente del TR-63, competidores japoneses como Toshiba y Sharp Corporation se unieron al mercado. [ 56 ] El éxito de Sony con las radios de transistores llevó a que los transistores reemplazaran a las válvulas de vacío como la tecnología electrónica dominante a finales de la década de 1950. [ 57 ]

Uso como pasatiempo

El primer transistor de unión de bajo costo disponible para el público 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. [ 58 ] [ 59 ] Raytheon también participó en la expansión del papel del CK722 como dispositivo de electrónica para aficionados al publicar "Transistor Applications" y "Transistor Applications - Volume 2" a mediados de la década de 1950.

Computadoras de transistores

La primera computadora de transistores del mundo se construyó en la Universidad de Manchester en noviembre de 1953. Fue construida por Richard Grimsdale , entonces estudiante de investigación en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y posteriormente profesor de Ingeniería Electrónica en la Universidad de Sussex. La máquina utilizaba transistores de contacto puntual, fabricados en pequeñas cantidades por STC y Mullard. Estos consistían en un monocristal de germanio con dos finos hilos, similares 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 poca fiabilidad de los transistores. Consumía 150 vatios. [ 60 ]

Metropolitan Vickers Ltd reconstruyó el diseño completo de 200 transistores (y 1300 diodos) en 1956 utilizando transistores de unión (para uso interno). [ 61 ]

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

MOSFET (transistor MOS)

1957, Diagrama de uno de los dispositivos transistores fabricados por Frosch y Derrick [ 62 ]

En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derick cultivaron accidentalmente una capa de dióxido de silicio sobre la oblea de silicio, en la que observaron efectos de pasivación de la superficie. [ 63 ] [ 64 ] Para 1957, Frosch y Derick, utilizando enmascaramiento y predeposición, lograron fabricar los primeros transistores planares, en los que el drenador y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie. [ 65 ]

Tras esta investigación, Mohamed Atalla y Dawon Kahng propusieron un transistor MOS de silicio en 1959 [ 66 ] y demostraron con éxito un dispositivo MOS funcional con su equipo de Bell Labs en 1960. [ 67 ] [ 68 ] Su equipo incluía a EE LaBate y EI Povilonis, quienes fabricaron el dispositivo; MO Thurston, LA D'Asaro y JR Ligenza, quienes desarrollaron los procesos de difusión; y HK Gummel y R. Lindner, quienes caracterizaron el dispositivo. [ 69 ] [ 70 ]

Con su alta escalabilidad , [ 71 ] y un consumo de energía mucho menor y mayor densidad que los transistores de unión bipolar, [ 72 ] el MOSFET hizo posible construir circuitos integrados (CI) de alta densidad , [ 73 ] permitiendo la integración de más de 10 000 transistores en un solo CI. [ 74 ]

El primer transistor de efecto de campo de puerta Schottky de arseniuro de galio ( MESFET ) fue fabricado por Carver Mead y reportado en 1966. [ 75 ] El primer informe de un MOSFET de puerta flotante (FGMOS) fue realizado por Dawon Kahng y Simon Sze en 1967. [ 76 ]

El MOSFET se ha convertido desde entonces en el dispositivo más fabricado de la historia. [ 77 ] [ 78 ] Hasta 2018, se estima que se habían fabricado un total de 13 sextillones de transistores MOS. [ 77 ] 

PMOS y NMOS

Originalmente existían dos tipos de lógica MOSFET: PMOS ( MOS de tipo p ) y NMOS ( MOS de tipo n ). [ 79 ] Ambos tipos fueron desarrollados por Frosch y Derrick en 1957 en los Laboratorios Bell. [ 80 ]

CMOS

En 1948, Bardeen y Brattain patentaron en Bell Labs un transistor de puerta aislada (IGFET) con una capa de inversión; este concepto constituye la base de la tecnología CMOS actual. [ 81 ] Un nuevo tipo de lógica MOSFET, CMOS (MOS complementario), fue inventado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor , y en febrero de 1963 publicaron la invención en un artículo de investigación . [ 82 ] [ 83 ]

Puerta autoalineada

El transistor MOSFET de puerta autoalineada (puerta de silicio) fue inventado por Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace en los Laboratorios Bell en 1967. Los investigadores de Fairchild Semiconductor, Federico Faggin y Tom Klein, utilizaron posteriormente transistores MOSFET de puerta autoalineada para desarrollar el primer circuito integrado MOS de puerta de silicio . [ 84 ]

Comercialización de MOSFET

El MOSFET , también conocido como transistor MOS, fue el primer transistor verdaderamente compacto que pudo miniaturizarse y producirse en masa para una amplia gama de usos. [ 46 ] Revolucionó la industria electrónica en general , [ 85 ] incluyendo la electrónica de potencia , [ 86 ] la electrónica de consumo , los sistemas de control y las computadoras . [ 87 ] Desde entonces, el MOSFET se ha convertido en el tipo de transistor más común en el mundo, con usos que incluyen computadoras, electrónica, [ 35 ] y tecnología de comunicaciones (como los teléfonos inteligentes ). [ 88 ] El transistor MOS ha sido descrito como el "caballo de batalla de la industria electrónica" debido a que es el bloque de construcción de cada microprocesador , chip de memoria y circuito de telecomunicaciones en uso. [ 89 ] Se fabrican miles de millones de transistores MOS cada día, a partir de 2013. [ 73 ]

circuitos integrados

General Microelectronics introdujo los primeros circuitos integrados MOS comerciales en 1964, que consistían en 120 transistores de canal p . [ 90 ] Era un registro de desplazamiento de 20 bits , desarrollado por Robert Norman [ 91 ] y Frank Wanlass . [ 92 ] En 1967, los investigadores de Bell Labs Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace desarrollaron el transistor MOS de puerta autoalineada (puerta de silicio), que los investigadores de Fairchild Semiconductor Federico Faggin y Tom Klein utilizaron para desarrollar el primer circuito integrado MOS de puerta de silicio . [ 84 ]

Para 1972, los circuitos MOS LSI ( integración a gran escala ) se comercializaban para numerosas aplicaciones, incluyendo automóviles , camiones , electrodomésticos , máquinas de oficina , instrumentos musicales electrónicos , periféricos de computadora , cajas registradoras , calculadoras, equipos de transmisión de datos y telecomunicaciones . [ 93 ]

Memoria de semiconductores

Las primeras celdas de memoria modernas se introdujeron en 1965, cuando John Schmidt diseñó la primera SRAM ( RAM estática ) MOS de 64 bits . [ 94 ] 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 . [ 95 ]

La primera aplicación práctica del MOSFET de puerta flotante (FGMOS) fueron las celdas de memoria de puerta flotante , que Dawon Kahng y Simon Sze propusieron que podrían usarse para producir ROM reprogramable ( memoria de solo lectura ). [ 96 ] Posteriormente, las celdas de memoria de puerta flotante se convirtieron en la base de las tecnologías de memoria no volátil (NVM), incluidas la EPROM (ROM programable borrable), la EEPROM (ROM programable borrable eléctricamente) y la memoria flash .

Microprocesadores

El MOSFET es la base de todo microprocesador . [ 89 ] Los primeros microprocesadores eran todos microprocesadores MOS, construidos con circuitos LSI MOS. Los primeros microprocesadores multichip, el Four-Phase Systems AL1 en 1969 y el Garrett AiResearch MP944 en 1970, se desarrollaron con múltiples chips LSI MOS. El primer microprocesador comercial de un solo chip, el Intel 4004 , fue desarrollado por Federico Faggin , utilizando su tecnología de circuitos integrados MOS de puerta de silicio, con los ingenieros de Intel Marcian Hoff y Stan Mazor , y el ingeniero de Busicom Masatoshi Shima . [ 97 ] 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 de segmento de bits bipolares ". [ 98 ]

Calculadoras de bolsillo

Uno de los primeros productos electrónicos de consumo influyentes que permitieron los transistores MOS fue la calculadora electrónica de bolsillo . [ 74 ] En 1965, la calculadora de escritorio Victor 3900 fue la primera calculadora MOS LSI , con 29 chips MOS LSI. [ 99 ] En 1967, la Texas Instruments Cal-Tech fue el primer prototipo de calculadora electrónica portátil , con tres chips MOS LSI, y posteriormente se lanzó como Canon Pocketronic en 1970. [ 100 ] La calculadora de escritorio Sharp QT-8D fue la primera calculadora LSI MOS producida en masa en 1969, [ 99 ] y la Sharp EL-8 , que utilizaba cuatro chips MOS LSI, fue la primera calculadora electrónica portátil comercial en 1970. [ 100 ] La primera calculadora electrónica de bolsillo verdadera fue la Busicom LE-120A HANDY LE, que utilizaba una calculadora MOS LSI en un solo chip de Mostek , y se lanzó en 1971. [ 100 ]

Ordenadores personales

En la década de 1970, el microprocesador MOS fue la base de las computadoras domésticas , las microcomputadoras (micros) y las computadoras personales (PC). Esto dio inicio a lo que se conoce como la revolución de las computadoras personales o la revolución de las microcomputadoras . [ 101 ]

electrónica de potencia

El MOSFET de potencia es el dispositivo de potencia más utilizado en el mundo. [ 102 ] Entre las ventajas sobre los transistores de unión bipolar en electrónica de potencia se incluyen que los MOSFET no requieren un flujo continuo de corriente de excitación para permanecer en estado ON, ofreciendo mayores velocidades de conmutación, menores pérdidas de potencia de conmutación, menores resistencias de encendido y menor susceptibilidad al desbordamiento térmico. [ 103 ] El MOSFET de potencia tuvo un impacto en las fuentes de alimentación , permitiendo mayores frecuencias de operación, reducción de tamaño y peso, y mayor producción en volumen. [ 104 ]

El MOSFET de potencia, que se usa comúnmente en electrónica de potencia , se desarrolló a principios de la década de 1970. [ 105 ] El MOSFET de potencia permite una baja potencia de control de puerta, una velocidad de conmutación rápida y una capacidad de paralelismo avanzada. [ 102 ]

transistores sostenibles

A finales de abril de 2023, investigadores de la Universidad de Linköping y del Real Instituto de Tecnología KTH desarrollaron con éxito el primer transistor de madera del mundo, lo que podría abrir el camino a una electrónica más sostenible e incluso al control de plantas electrónicas, según un artículo de Hackster.io. El equipo creó un transistor funcional para conmutar señales electrónicas utilizando un electrolito a base de celulosa y semiconductores orgánicos derivados de la lignina . Este avance podría impulsar nuevas investigaciones para crear dispositivos electrónicos respetuosos con el medio ambiente y explorar la posibilidad de integrar la electrónica en plantas vivas con fines de monitorización y control. [ 106 ]

Patentes

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  • Patente estadounidense 1900018 de Julius Edgar Lilienfeld: "Dispositivo para controlar la corriente eléctrica", presentada el 28 de marzo de 1928, un transistor de efecto de campo de película delgada. 
  • GB 439457 Oskar Heil : "Mejoras en o relacionadas con amplificadores eléctricos y otros sistemas y dispositivos de control", presentada por primera vez en Alemania el 2 de marzo de 1934. 
  • US 2524035 John Bardeen et al.: "Elemento de circuito de tres electrodos que utiliza materiales semiconductores" prioridad más antigua 1948-02-26 
  • US 2569347 William Shockley : "Elemento de circuito que utiliza material semiconductor" prioridad más antigua 1948-06-26 
  • Patente estadounidense 3206670 de Mohamed Atalla : «Dispositivos semiconductores con recubrimientos dieléctricos», presentada el 3 de agosto de 1960, que describe un MOSFET. 
  • US 3102230 Dawon Kahng : "Dispositivo semiconductor controlado por campo eléctrico", presentado el 3 de agosto de 1960, que describe un MOSFET. 

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