Cuando se dio a conocer al público en 1948 el transistor recibió poca atención. El New York Times publicó un artículo de cuatro párrafos que decía que “el dispositivo de un poco más de un centímetro tiene muchas aplicaciones en radio, donde comúnmente se utiliza el tubo de vacío”.
Hoy los transistores han reducido su tamaño de manera notoria y se encuentran por millones en los microprocesadores —chips o microchips— de las computadoras.
También abundan como cerebros electrónicos de juguetes, cámaras, relojes, teléfonos celulares, radios, instrumentos musicales, carros, aviones, televisores, cohetes, satélites y un sinnúmero de dispositivos.
Historia
Hace 75 años los investigadores Walter Brattain, John Bardeen y William Schockley, de los Laboratorios Bell de AT&T, inventaron el primer dispositivo electrónico con base en
semiconductores capaz de amplificar señales eléctricas.
Se denominó transistor y fue mejorando hasta que a mediados de los cincuenta comenzó a utilizarse para fabricar receptores de radio mucho más compactos y portátiles que los existentes hasta ese momento y más tarde reemplazó a otros dispositivos electrónicos. Apenas una década después, en 1958, Jack Kilby, un joven físico e ingeniero contratado por la compañía Texas Instruments, tuvo la idea de fabricar todos los elementos necesarios para realizar un circuito —resistores, condensadores, inductores y transistores— empleando materiales semiconductores e integrándolos en un sustrato común. El resultado fue lo que hoy denominamos circuito integrado.
Una de las claves para el avance constante de los transistores es la denominada Ley de Moore. En 1965, Gordon E. Moore, cofundador de Fairchild y posteriormente de Intel, observó la evolución que tenían las tecnologías de fabricación de los entonces recién nacidos circuitos integrados y predijo que la densidad de transistores, es decir, el número de transistores que podrían integrarse en un chip, se doblaría cada dos años.
Su predicción se cumple hasta la actualidad e incluso se supera: se ha conseguido doblar la cantidad de transistores integrados por unidad de área de chip cada 18 meses.
El escalado o reducción del tamaño de los componentes de un chip tiene multitud de beneficios, pero Moore destaca tres: disminución del costo por componente al necesitar menos materia prima para su fabricación, aumento de velocidad de operación y reducción del consumo energético.
Avance
Ahora una nueva y espectacular transformación de este invento podría ayudar a satisfacer la creciente necesidad de la civilización humana por la memoria digital, al tiempo de reducir de manera notable el consumo energético derivado del uso de dichos dispositivos de memoria.
Luego de años de una ardua investigación y desarrollo el equipo de Christian Binek y Peter Dowben de la Universidad de Nebraska-Lincoln, así como Jonathan Bird y Keke He de la Universidad de Búfalo, ambas en Estados Unidos, lograron crear el primer transistor magnetoeléctrico.
Además de reducir el consumo de energía de cualquier microelectrónica que lo incorpore, el nuevo diseño podría reducir hasta en 75% la cantidad de transistores necesarios para almacenar ciertos datos, lo que permitiría miniaturizar aún más los dispositivos de memoria. También podría servir para dotar a la microelectrónica de la capacidad de recordar exactamente todo lo que tenía cargado el usuario y en qué punto al terminar la sesión, incluso después de ser apagados o de perder la energía de forma abrupta.
Técnica
Actualmente el material principal con que se construyen los transistores es el silicio. Al regular el flujo de corriente eléctrica dentro de un microchip, cada minúsculo transistor actúa como un interruptor nanoscópico de encendido y apagado que es esencial para escribir, leer y almacenar datos como los ceros y unos del código binario en que se basa la informática estándar actual y la tecnología digital en general.
Sin embargo, los microchips con base en el silicio se acercan a sus límites prácticos: no se pueden miniaturizar más, ni dan más de sí. Esos límites hacen que la industria de los semiconductores busque alternativas con una urgencia cada vez mayor.
Los transistores típicos con base en silicio constan de múltiples terminales. Dos de ellas, denominadas fuente y drenaje, sirven como puntos de partida y final para los electrones que fluyen a través de un circuito. Encima de ese canal se encuentra otra terminal, la puerta. La aplicación de un voltaje entre la puerta y la fuente puede determinar si la corriente eléctrica fluye con una resistencia baja o alta, lo que conduce a una acumulación o ausencia de cargas de electrones que se codifican como un 1 o un 0, respectivamente. Un inconveniente es que la memoria de acceso aleatorio —la memoria predominante en computación— requiere un suministro constante de energía para mantener esos estados binarios.
Así que en vez de depender de la carga eléctrica como base de su diseño el equipo de Binek y Dowben recurrió al espín, una propiedad de los electrones relacionada con el magnetismo que apunta “hacia arriba” o “hacia abajo” y que puede leerse, al igual que la carga eléctrica, como un 1 o un 0.
Binek y Dowben sabían que los electrones que fluyen a través del grafeno, un material en forma de lámina con solo un átomo de grosor, pueden mantener sus orientaciones de espín iniciales durante distancias relativamente largas, una propiedad atractiva para demostrar el potencial de un transistor con base en la espintrónica.
Para controlar la orientación de esos espines utilizando una potencia sustancialmente menor que la requerida para un transistor convencional los investigadores recurrieron a recubrir el grafeno con óxido de cromo, que es un material magnetoeléctrico, lo que significa que los espines de los átomos de su superficie pueden pasar de apuntar hacia arriba a apuntar hacia abajo, o viceversa, aplicando para ello una escasa cantidad de voltaje temporal.
Nueva era para los transistores
Para la fabricación de chips se comenzó utilizando germanio, pero el silicio ha sido el material más importante empleado como sustrato en microelectrónica. Entre otras ventajas, el rango de temperaturas en el que puede operar en comparación con el germanio es más del doble (250º C para el silicio y 100º C en el caso del germanio). Además es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre. Sin ir más lejos, la arena de las playas está principalmente compuesta por pequeños gránulos de sílice.
Sin embargo, ya se habla de la era postsilicio como consecuencia del desarrollo de nuevos materiales y dispositivos que continúan aumentando el nivel de integración y con ello la escalada tecnológica.
Uno de esos materiales es el carbono, en concreto el grafeno y los nanotubos de carbono. Según científicos el grafeno tiene propiedades físicas extraordinarias. Es casi completamente transparente y 200 veces más resistente que el acero, muy flexible y elástico, por eso puede ser un material ideal para la realización de chips en sustratos flexibles para entornos muy diversos como tejidos, espejos, paredes, monitores, entornos de realidad virtual, etcétera.
Fuente: CSIC