La edad cuántica: el transistor

Hay cosas que por evidentes son ignoradas, u olvidadas, casi por completo. El otro día reflexionando sobre el cambio que ha producido en nuestra sociedad algo tan "esotérico", para la mayoría, como es la mecánica cuántica, me di cuenta de lo asombroso y decisivo que ha sido un dispositivo llamado transistor. En su momento, allá por los años 40 del siglo pasado, empezó a sustituir a la válvula electrónica de tres electrodos llamada triodo. Básicamente hacía lo mismo, pero la válvula necesitaba un aporte grande de energía para alimentar un filamento que calentaba el electrodo llamado cátodo (electrodo negativo) para que desprendiera electrones, que eran canalizados hacia el ánodo (electrodo positivo) y regulados por el electrodo llamado rejilla.El conjunto debía estar protegido por una cápsula de vidrio con un gas inerte, que ayudaba a conservar y proteger los electrodos, y su funcionamiento necesitaba de tensiones elevadas y peligrosas.

El transistor fue una revolución por su bajo consumo, fiabilidad, tensiones pequeñas y reducido tamaño. Sus inventores, de los Laboratorios Bell, en Estados Unidos, fueron John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley que fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956.Con el tiempo se logró integrar en tamaños más pequeños y en grandes cantidades, formando circuitos de miles y millones de unidades que actualmente inundan toda nuestra industria y nuestras casas con miles de dispositivos capaces de controlarlo y automatizarlo todo.


Los ordenadores actuales y con ellos internet no habrían sido posibles. La sociedad actual es, en gran medida, el producto directo de este pequeño dispositivo que funciona según las leyes de la mecánica cuántica.


En un sustrato semiconductor, que suele ser de silicio, se crean dos regiones con impurezas N (colector y emisor, capaces de producir un exceso de electrones y entre ellas se crea una región P (llamada base), también con impurezas, con falta de electrones. Aplicando una pequeña corriente electrica, en los transistores llamados bipolares, o una pequeña tensión en los de efecto de campo, en la base se consigue que entre las dos regiones N se produzca una corriente elevada. Con una pequeña señal, en el electrodo llamado base, se consiguen grandes señales entre los dos electrodos de potencia llamados emisor y colector (esto ocurre en el transistor del tipo NPN, si las impurezas de los electrodos de potencia son P , el transistor se llama PNP). Además de ser utilizado como amplificador de señal, una función no menos importante es la de simple conmutador dejando pasar, o no, la señal en los ordenadores (bit 1 ó bit 0).



La mecánica cuántica nos enseña que los semiconductores son materiales con una gran separación entre dos estados cuánticos, que constituyen (a lo largo de toda la red cristalina), la llamada banda de valencia, o nivel energético de la última capa de elecrones del átomo, y la banda de conducción. Con la señal de la base se consigue que se acerquen los dos estados cuánticos separados y se permite que los electrones pasen a la banda superior y se comporten como en un material conductor.



En la figura:

Chip de Intel con 80 núcleos de procesamiento, millones de transistores en el espacio que ocupa una uña, y con capacidad para realizar un millón de millones de cálculos por segundo (teraflop). Hace 10 años un ordenador con la misma capacidad de cálculo ocupaba una superficie superior 185 metros cuadrados, utilizaba cerca de 10.000 procesadores, y consumía más de 500 kilovatios de electricidad.