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El camino hacia los interruptores de estado sólido fue largo y complicado. Comenzó con el descubrimiento de que ciertos materiales se comportan de manera extraña en presencia de electricidad, no como predecían las teorías existentes en ese momento. A esto le siguió una historia sobre cómo en el siglo XX la tecnología se convirtió en una disciplina cada vez más científica e institucional. Aficionados, novatos y profesionales inventores, prácticamente sin ninguna educación científica, hicieron contribuciones significativas al surgimiento del telégrafo, la telefonía y la radio. Sin embargo, como veremos, casi todos los avances en la historia de la electrónica de estado sólido ocurrieron gracias a científicos que estudiaron en universidades (y que generalmente poseían un doctorado en física), y que trabajaban en universidades o laboratorios de investigación corporativos.
Cualquier persona con acceso a un taller y habilidades básicas de trabajo con materiales puede construir un relé con alambres, metal y madera. Para crear válvulas electrónicas se necesitan herramientas más especializadas, capaces de crear un frasco de vidrio y evacuarlos de aire. Los dispositivos de estado sólido, por su parte, se sumergieron en una madriguera de conejo de la que el interruptor digital nunca regresó, adentrándose cada vez más en mundos comprensibles solo por la matemática abstracta y accesibles solo con el uso de equipos increíblemente costosos.
Galena
En 1874 , un físico de 24 años de la Escuela de Santo Tomás en Leipzig, publicó el primero de muchos trabajos científicos importantes en su larga carrera. El estudio 'Sobre la conducción de corrientes eléctricas a través de sulfuro de metales' fue aceptado en la revista Annalen de Pogendorff, una prestigiosa publicación dedicada a las ciencias físicas. A pesar del aburrido título, el trabajo de Braun describía algunos resultados experimentales sorprendentes y misteriosos.
Ferdinand Braun
Braun se sintió intrigado por los sulfuros, cristales minerales compuestos de combinaciones de azufre con metales, gracias a los trabajos de . En 1833, Michael Faraday observó que la conductividad del sulfuro de plata aumentaba con la temperatura, lo que es completamente opuesto al comportamiento de los conductores metálicos. Gittorf elaboró un minucioso informe cuantitativo sobre las mediciones de este efecto en la década de 1850, tanto para los sulfuros de plata como de cobre. Ahora, Brown, utilizando un ingenioso equipo experimental que presionaba un conductor metálico contra un cristal de sulfuro con un resorte, para asegurar un buen contacto, descubrió algo aún más extraño. La conductividad de los cristales dependía de la dirección: por ejemplo, la corriente podía fluir bien en una dirección, pero al invertir la polaridad de la batería, la corriente podía caer repentinamente. Los cristales en una dirección se comportaban más como conductores (como los metales normales), mientras que en la otra, actuaban más como aislantes (como el vidrio o la goma). Esta propiedad se conoció como rectificación, debido a la capacidad de rectificar la corriente alterna 'ondulante', convirtiéndola en corriente continua 'plana'.
Cerca de la misma época, los investigadores también descubrieron otras propiedades extrañas de materiales como el selenio, que se podía extraer de ciertos minerales de sulfuro metálico. Bajo la luz, el selenio aumentaba su conductividad e incluso comenzaba a generar electricidad, además de que se podía usar para rectificar. ¿Existía alguna conexión con los cristales de sulfuros? Sin modelos teóricos que pudieran explicar lo que estaba ocurriendo, reinaba la confusión en este campo.
Sin embargo, la falta de teoría no detenía los intentos de aplicación práctica de los resultados. A finales de 1890, Brown se convirtió en profesor de la Universidad de Estrasburgo, que había sido recientemente anexada a Francia durante y renombrada como la Universidad del Kaiser Guillermo. Allí se vio inmerso en el emocionante nuevo mundo de la radiotelegráfica. Aceptó la oferta de un grupo de empresarios para colaborar en la creación de un sistema de comunicación inalámbrica, basado en la transmisión de ondas de radio a través del agua. Sin embargo, él y sus cómplices pronto abandonaron la idea original en favor de la transmisión aérea de señales, que fue utilizada por Marconi y otros.
Entre los aspectos de la radio que el grupo de Brown buscaba mejorar, se encontraba el receptor estándar de la época, . Se basó en el hecho de que las ondas de radio hacían que las virutas de metal se agruparan, lo que permitía que la corriente de la batería pasara al dispositivo de señalización. Esto funcionó, pero el sistema solo respondía a señales relativamente fuertes, y para deshacer el grupo de virutas era necesario golpear continuamente el dispositivo. Brown recordó sus antiguos experimentos con cristales de sulfuro y en 1899 recreó su antiguo montaje experimental con un nuevo objetivo: servir como detector de señales inalámbricas. Utilizó el efecto de rectificación para convertir una diminuta corriente oscilante, generada por las ondas de radio que pasaban, en corriente continua, que podía alimentar un pequeño altavoz que emitía clics audibles para cada punto o raya. Este dispositivo se conoció más tarde como “” debido a la apariencia del alambre que tocaba fácilmente la parte superior del cristal. En la India británica (donde hoy se encuentra Bangladesh), el científico e inventor Jagadish Bose construyó un dispositivo similar, posiblemente incluso en 1894. Pronto otros comenzaron a fabricar detectores similares basados en silicio y carborundo (carburo de silicio).
Sin embargo, fue el , el sulfuro de plomo, que se fundía para obtener plomo desde tiempos antiguos, el que se convirtió en el material preferido para los detectores cristalinos. Eran fáciles de fabricar y baratos, lo que los hizo increíblemente populares entre la primera generación de radioaficionados. Además, a diferencia del coherer binario (con virutas que se agrupaban o no), el rectificador cristalino podía reproducir una señal continua. Por lo tanto, podía emitir transmisiones de voz y música audibles al oído, y no solo el código Morse con sus puntos y rayas.
Detector 'bigote de gato' basado en galenita. El pequeño trozo de cable a la izquierda es el bigote, y la pieza de material plateado en la parte inferior es el cristal de galenita.
Sin embargo, como pronto establecieron los frustrados radioaficionados, encontrar el punto mágico en la superficie del cristal que proporcionara una buena rectificación podía llevar minutos o incluso horas. Y las señales sin amplificación eran débiles y tenían un tinte metálico. Para la década de 1920, los receptores de válvulas electrónicas con amplificadores triodos prácticamente habían sacado a los detectores de cristal de uso en casi todas partes. Su única característica atractiva seguía siendo su bajo costo.
Esta breve aparición en la arena de los receptores de radio parecía ser el límite de la aplicación práctica de las extrañas propiedades eléctricas del material descubiertas por Braun y otros.
Óxido de cobre
Luego, en la década de 1920, otro físico llamado Lars Grøndal descubrió algo extraño utilizando su instalación experimental. Grøndal, el primero de una serie de hombres inteligentes e inquietos en la historia del Oeste americano, era hijo de un ingeniero constructor. Su padre, que emigró de Noruega en 1880, trabajó durante varias décadas en los ferrocarriles de California, Oregón y Washington. Al principio, Grøndal parecía decidido a dejar atrás el mundo ingenieril de su padre, y se trasladó al Instituto Johns Hopkins para obtener su doctorado en física y seguir un camino académico. Pero luego también se vio involucrado en el negocio ferroviario y ocupó el cargo de director de investigación en la empresa Union Switch and Signal, una división del gigante industrial , que suministraba equipos para la industria ferroviaria.
En diversas fuentes se mencionan razones contradictorias que motivaron a Grøndal en sus investigaciones, pero sea como fuere, comenzó a experimentar con discos de cobre, calentados por un lado para crear una capa oxidada. Al trabajar con ellos, notó la asimetría de la corriente: la resistencia en un sentido era tres veces mayor que en el otro. Un disco de cobre y óxido de cobre rectificaba la corriente, al igual que un cristal de sulfuro.
Esquema del rectificador de óxido de cobre
Durante los seis años siguientes, Grondahl desarrolló un rectificador comercial listo para usar basado en este fenómeno, con la ayuda de otro investigador estadounidense, Paul Geiger, y luego solicitó una patente y anunció su descubrimiento en la Sociedad Física Americana en 1926. El dispositivo se convirtió inmediatamente en un éxito comercial. Gracias a la ausencia de filamentos frágiles, era mucho más fiable que el rectificador basado en el principio de válvula de Fleming y era barato de producir. A diferencia de los rectificadores de cristales de Brown, funcionaba a la primera, y gracias a la mayor superficie de contacto entre el metal y el óxido, operaba en un rango más amplio de corrientes y voltajes. Podía cargar baterías, detectar señales en diversos sistemas eléctricos y funcionar como un shunt de seguridad en generadores potentes. Al utilizarse como fotoelemento, los discos podían funcionar como medidores de la cantidad de luz y eran especialmente útiles en la fotografía. Otros investigadores, aproximadamente en la misma época, desarrollaron rectificadores de selenio, que encontraron aplicaciones similares.
Un paquete de rectificadores a base de óxido de cobre. El ensamblaje de varios discos aumentaba la resistencia inversa, lo que permitía usarlos con altas tensiones.
Unos años más tarde, dos físicos de Bell Labs, Joseph Becker y , decidieron estudiar el principio de funcionamiento del rectificador de cobre; les interesaba saber cómo funcionaba y cómo podría utilizarse en la empresa Bell System.
Brattain en su vejez - aprox. 1950
Brattain era originario de la misma área que Grondahl, del noroeste del Pacífico, donde creció en una granja ubicada a unos kilómetros de la frontera canadiense. En la escuela secundaria se interesó por la física, mostró talento en esta área y finalmente obtuvo un doctorado en la Universidad de Minnesota a finales de los años 20, y comenzó a trabajar en Bell Labs en 1929. Entre otras cosas, en la universidad estudió la nueva física teórica que se estaba volviendo popular en Europa, conocida como mecánica cuántica (su tutor fue , que también fue mentor de John Atanasoff).
Revolución cuántica
Una nueva plataforma teórica ha ido evolucionando lentamente durante las últimas tres décadas y, con el tiempo, podrá explicar todos los extraños fenómenos que se han observado durante años en materiales como la galena, el selenio y el óxido de cobre. Una cohorte de físicos, en su mayoría jóvenes y principalmente de Alemania y países vecinos, ha provocado un giro cuántico en la física. Dondequiera que miraran, descubrían un mundo que no era suave y continuo, tal como les habían enseñado, sino extrañas partículas discretas.
Todo comenzó en la década de 1890. Max Planck, el más célebre profesor de la Universidad de Berlín, decidió trabajar en un conocido problema no resuelto: ¿cómo es que “” (una sustancia ideal que absorbe toda la energía y no la refleja) emite radiación en el espectro electromagnético? Se probaron varios modelos, ninguno de los cuales coincidía con los resultados experimentales; no funcionaban ni en un extremo ni en el otro del espectro. Planck descubrió que si se asumía que la energía es emitida por el cuerpo en pequeños "paquetes" de magnitud discreta, se podía formular una simple ley de relación entre frecuencia y energía, que coincidía perfectamente con los resultados empíricos.
Poco después, Einstein descubrió que lo mismo ocurre con la absorción de luz (la primera pista sobre los fotones), y J.J. Thomson demostró que la electricidad también se transporta no como un fluido continuo o una onda, sino como partículas discretas: los electrones. Luego, Niels Bohr creó un modelo que explicaba cómo los átomos excitados emiten radiación, asignando electrones a órbitas específicas en el átomo, cada una de las cuales posee su propia energía. Sin embargo, este nombre puede resultar engañoso, ya que no se comportan en absoluto como órbitas planetarias; en el modelo de Bohr, los electrones saltaban instantáneamente de una órbita, o nivel de energía, a otro, sin pasar por un estado intermedio. Y, finalmente, en la década de 1920, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born y otros crearon una plataforma matemática generalizada conocida como mecánica cuántica, que incorporó todos los modelos cuánticos especiales desarrollados en los veinte años anteriores.
Para entonces, los físicos ya estaban seguros de que materiales como el selenio y la galena, que demostraban propiedades fotovoltaicas y rectificadoras, pertenecían a una clase distinta de materiales que denominaron semiconductores. La clasificación tomó tanto tiempo por varias razones. En primer lugar, las categorías de "conductores" y "aislantes" eran bastante amplias. Los llamados "conductores" variaban enormemente en conductividad, lo mismo (en menor medida) ocurría con los aislantes, y no era obvio a qué clase particular se podía asignar un determinado conductor. Además, hasta mediados del siglo XX, era imposible obtener o crear sustancias extremadamente puras, y cualquier anomalía en la conductividad de los materiales naturales siempre podía atribuirse a la contaminación.
Ahora, los físicos contaban tanto con herramientas matemáticas de la mecánica cuántica como con una nueva clase de materiales a los que podían aplicarlas. El teórico británico fue el primero en reunir todo esto y construir un modelo general de semiconductores y su principio de funcionamiento en 1931.
Al principio, Wilson sostenía que los materiales conductores se diferenciaban de los dieléctricos por el estado de las bandas de energía. La mecánica cuántica establece que los electrones pueden existir en un número limitado de niveles de energía característicos de las capas o los orbitales de átomos individuales. Si estos átomos se comprimen en la estructura de un material, es más apropiado imaginar bandas de energía continuas que atraviesan el material. En los conductores, hay espacios libres en las zonas de energía alta, y un campo eléctrico puede mover electrones fácilmente allí. En los aislantes, las bandas están llenas, y escalar hacia una banda conductora más alta, por la que la electricidad puede fluir más fácilmente, requiere un esfuerzo considerable.
Esto lo llevó a la conclusión de que las impurezas, átomos ajenos en la estructura del material, deben contribuir a sus propiedades semiconductoras. Pueden suministrar electrones adicionales que pasan fácilmente a la banda de conducción, o huecos, la ausencia de electrones en comparación con el resto del material, lo que crea espacios energéticos vacíos por donde pueden moverse los electrones libres. La primera opción fue posteriormente denominada semiconductores de tipo n (o electrónicos) por su exceso de carga negativa, y la segunda, tipo p, o huecos, por su exceso de carga positiva.
Finalmente, Wilson sugirió que la rectificación de la corriente en semiconductores podía explicarse en términos del , el salto súbito de electrones a través de una delgada barrera eléctrica en el material. La teoría parecía plausible, pero predecía que en el rectificador la corriente debería fluir del óxido al cobre, aunque en realidad era al contrario.
Así, a pesar de todos los avances de Wilson, los semiconductores seguían siendo difíciles de explicar. A medida que se iba comprendiendo, los cambios microscópicos en la estructura cristalina y la concentración de impurezas influían desproporcionadamente en su comportamiento eléctrico macroscópico. A pesar de la falta de comprensión, ya que nadie pudo explicar las observaciones experimentales hechas por Braun 60 años antes, Brattain y Becker desarrollaron un proceso de producción efectivo de rectificadores de óxido de cobre para su empleador. Bell System rápidamente comenzó a reemplazar los rectificadores de tubos electrónicos en todo el sistema por un nuevo dispositivo que sus ingenieros llamaron , dado que su resistencia cambiaba según la dirección.
Medalla de Oro
Merwin Kelly, físico y exjefe del departamento de lámparas electrónicas de Bell Labs, mostró un gran interés por este logro. Durante unas décadas, las lámparas electrónicas habían servido invaluablemente a Bell, realizando funciones imposibles para la generación anterior de componentes mecánicos y electromecánicos. Sin embargo, se sobrecalentaban, se recalentaban regularmente, consumían mucha energía y eran complicadas de mantener. Kelly planeaba reconstruir el sistema de Bell utilizando componentes electrónicos de estado sólido más fiables y duraderos, como los varistores, que no requerían carcasas selladas, llenas de gas o vacías, ni filamentos incandescentes. En 1936, se convirtió en jefe del departamento de investigación en Bell Labs y comenzó a redirigir la organización hacia un nuevo rumbo.
Después de recibir el rectificador de estado sólido, el siguiente paso obvio era crear un amplificador de estado sólido. Naturalmente, al igual que el amplificador de válvulas, este dispositivo podría funcionar también como un interruptor digital. Esto interesaba especialmente a la empresa Bell, ya que en las centrales telefónicas aún operaban una gran cantidad de interruptores digitales electromecánicos. La empresa buscaba una sustitución más fiable, compacta, eficiente en energía y fría para las válvulas electrónicas en sistemas telefónicos, receptores de radio, radares y otros equipos analógicos, donde se utilizaban para amplificar señales débiles a niveles audibles para el oído humano.
En 1936, Bell Labs finalmente levantó la prohibición de contratación impuesta durante . Kelly inmediatamente comenzó a contratar expertos en mecánica cuántica para ayudar a lanzar su programa de investigación en dispositivos de estado sólido, entre los que se encontraba , otro oriundo de la costa oeste, de Palo Alto (California). El tema de su reciente disertación en el MIT se adaptaba perfectamente a las necesidades de Kelly: "Zonas electrónicas en el cloruro de sodio".
Brattain y Becker continuaron sus investigaciones sobre el rectificador de óxido de cobre, buscando obtener un amplificador de estado sólido mejorado. La forma más evidente de fabricarlo era seguir la analogía con la válvula electrónica. Al igual que Lee de Forest tomó un amplificador de válvula y entre el cátodo y el ánodo, Brattain y Becker imaginaron cómo se podría insertar la malla en el punto de contacto entre el cobre y el óxido de cobre, donde se suponía que ocurría la rectificación. Sin embargo, debido al pequeño grosor de la capa, consideraron que era imposible hacerlo y no tuvieron éxito en ello.
Mientras tanto, otros desarrollos mostraron que los Laboratorios Bell no eran la única empresa interesada en la electrónica de estado sólido. En 1938, Rudolf Hilf y Robert Paul publicaron los resultados de experimentos realizados en la Universidad de Gotinga sobre un amplificador de estado sólido que funcionaba, creado mediante la inserción de una malla en el cristal de bromuro de potasio. Este dispositivo de laboratorio no tenía valor práctico, principalmente porque funcionaba a una frecuencia no superior a 1 Hz. Sin embargo, este logro no podía menos que alegrar a todos los interesados en la electrónica de estado sólido. Ese mismo año, Kelly asignó a Shockley a un nuevo grupo de investigación independiente de dispositivos de estado sólido y le dio a él y a sus colegas – Foster Nichol y Dean Wooldridge – carta blanca para explorar sus posibilidades.
Al menos otros dos inventores lograron crear amplificadores de estado sólido antes de la Segunda Guerra Mundial. En 1922, el físico e inventor soviético publicó los resultados de experimentos exitosos con semiconductores de zincita, pero sus trabajos pasaron desapercibidos por la comunidad occidental; en 1926, el inventor estadounidense Julius Lilienfeld solicitó una patente para un amplificador de estado sólido, sin embargo, no hay evidencia de que su invención funcionara.
La primera gran revelación de Shockley en su nuevo cargo ocurrió mientras leía el trabajo del físico británico Neville Mott "Teoría de los rectificadores cristalinos" de 1938, donde finalmente se explicaba el principio de funcionamiento del rectificador Grondahl en óxido de cobre. Mott utilizó las matemáticas de la mecánica cuántica para describir la formación del campo eléctrico en la interfaz entre el metal conductor y el óxido semiconductor, y cómo los electrones "saltan" a través de esta barrera eléctrica, en lugar de hacer túneles, como propuso Wilson. La corriente fluye más fácilmente del metal al semiconductor que al revés, ya que el metal tiene muchos más electrones libres.
Esto llevó a Shockley a una idea exactamente igual a la que Brattain y Becker habían considerado y desechado muchos años antes: fabricar un amplificador de estado sólido insertando una rejilla de óxido de cobre en el espacio entre el cobre y el óxido de cobre. Esperaba que la corriente que pasaba a través de la rejilla aumentara la barrera que limitaba la corriente que iba del cobre al óxido, creando una versión amplificada e invertida de la señal en la rejilla. Su primer intento burdo fracasó por completo, así que se dirigió a alguien con habilidades de laboratorio más refinadas y familiarizado con los rectificadores: Walter Brattain. Y, aunque no tenía dudas sobre el resultado, Brattain accedió a satisfacer la curiosidad de Shockley y creó una versión más compleja del amplificador "de rejilla". También fracasó.
Luego, la guerra intervino, dejando el nuevo programa de investigación de Kelly en desorden. Kelly se puso al frente del grupo de trabajo sobre radares en los Laboratorios Bell, que operaba con el apoyo del principal centro de investigación de radares de EE. UU. en el MIT. Brattain trabajó brevemente con él y luego pasó a investigar la detección magnética de submarinos por encargo de la armada. Woolridge trabajó en sistemas de control de fuego, Nix en la difusión de gases para el proyecto Manhattan, y Shockley se pasó a la investigación operativa, inicialmente luchando contra submarinos en el Atlántico y luego en bombardeos estratégicos en el Pacífico.
Sin embargo, a pesar de esta intervención, la guerra no detuvo el desarrollo de la electrónica de estado sólido. Por el contrario, organizó una gran afluencia de recursos en este campo, lo que llevó a una concentración de investigaciones en dos materiales: germanio y silicio.
Qué leer a continuación
Ernest Bruan y Stuart MacDonald, Revolución en Miniatura (1978)
Friedrich Kurylo y Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson y W. H. Brattain, “Historia de la Investigación en Semiconductores,” Actas del IRE (diciembre de 1955).
Michael Riordan y Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Fuente: habr.com
