75 años del transistor, la invención más importante del siglo XX (2): vuelta al trabajo en Bell Labs

Ignacio Mártil

Catedrático de electrónica en la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

Como vimos en el anterior artículo de esta serie, la segunda guerra mundial impulsó la ciencia y la tecnología de los semiconductores de una forma extraordinaria, al amparo del Programa del Radar. En julio de 1945, poco antes de que terminara la guerra, Mervin Kelly, que por aquel entonces era Vicepresidente Ejecutivo de Bell Labs, anunció una reorganización completa del programa de investigación del laboratorio, que se había interrumpido tras el estallido de la guerra.

Tras la recuperación de la paz, y de acuerdo con las instrucciones de Kelly, los Bell Labs volvieron al trabajo y se prepararon para hacer un fuerte énfasis en la física básica de estado sólido. La sede de los laboratorios se había trasladado a Murray Hill, en el estado vecino de New Jersey.

Vista aérea de los Bell Labs en Murray Hill, NJ, la sede a la que se trasladaron tras la finalización de la segunda guerra mundial

En la nueva sede se estableció un gran equipo de investigación de carácter multidisciplinar. Kelly convirtió a los Bell Labs en un centro internacional líder en física de estado sólido, tanto en investigación teórica como experimental. Dos de los más destacados científicos del laboratorio, John Bardeen y Walter Brattain se pusieron a las órdenes de William Shockley, en un subgrupo dedicado a los semiconductores. Kelly los autorizó a realizar investigaciones básicas, pero también los animó a buscar dispositivos útiles para las comunicaciones, prioridad comercial de la empresa de la que dependían, A.T. &T.

Una vez puesto en marcha, reactivaron varias líneas de investigación sobre semiconductores, previas a la guerra, que en resumen eran:

i) Los estudios de Brattain sobre las funciones de trabajo de metales y los diodos basados en óxido de cobre.

ii) Los intentos de Shockley de finales de la década de 1930 para construir triodos basados en semiconductores, es decir, amplificadores. Trataba de reproducir las características de los triodos, los amplificadores basados en válvulas de vacío.

iii) Los primeros estudios de Ohl sobre rectificadores de silicio y su trabajo con Scaff y Theurer sobre la tecnología de purificación de ese semiconductor.

De hecho, podemos considerar que el camino hacia el transistor bipolar se inició en abril de 1945, cuando Shockley esbozó el diseño de un amplificador de "efecto de campo" en su cuaderno de laboratorio. La figura recoge la esencia del dispositivo ideado por Shockley y sus diseños en dos días de ese mes clave:

Bosquejos de un posible amplificador de efecto campo basado en semiconductores, tal y como los dibujó W. Shockley en su cuaderno de laboratorio en el mes de abril de 1945

Con la nueva estructura del grupo de trabajo ya establecida y bien organizada, Bardeen se implicó en el estudio de un problema de naturaleza teórica que había estado intrigando a Shockley durante varios meses: ¿por qué el amplificador con semiconductores que había ideado no lograba amplificar? En este diseño y sobre el papel, un campo eléctrico aplicado perpendicularmente a la superficie de un semiconductor debería ser capaz de crear una zona de carga espacial en la intercara de un metal y un semiconductor. Según la teoría, los cambios en el campo aplicado deberían alterar el número de portadores de carga en la superficie del semiconductor y así modular el paso de corriente a su través. La esencia de cómo debería haber funcionado el amplificador de Shockley se muestra a continuación:

El dispositivo de efecto campo ideado por Shockley. (a) La estructura del dispositivo sin voltaje aplicado al electrodo de control. (b) Situación cuando se aplica una tensión positiva en la placa de control para aumentar la conductancia del semiconductor. (c) Situación al aplicar un potencial negativo en el electrodo de control para reducir la conductancia del semiconductor.

De acuerdo con el análisis realizado por Bardeen, el dispositivo no lograba la deseada amplificación debido a que la superficie del semiconductor, mediante los denominados “estados de superficie” atrapaban a los electrones, dando lugar a una capa de carga fija en dicha superficie que impedía que el campo eléctrico aplicado desde el electrodo de control penetrara en el semiconductor y produjera la deseada modulación de la conductividad. El trabajo de Bardeen se publicó poco después en la muy famosa revista Physical Review y proporcionó una explicación plausible del fracaso, lo que renovó la confianza del grupo en que podrían lograr el dispositivo si pudieran aprender lo suficiente sobre la naturaleza de los estados de superficie y sobre las posibilidades prácticas de eliminar su influencia.

El resumen del artículo de Bardeen donde explicaba la presencia de los “estados de superficie” que impedían el funcionamiento de un amplificador basado en semiconductores

A partir de aquí, entre marzo 1946 y diciembre de 1947 se sucedieron estudios e intentos diversos buscando el ansiado amplificador basado en semiconductores. Los miembros del grupo, a excepción de Shockley, que se dedicó a otras cuestiones teóricas, revisaron y estudiaron los informes de tiempos de guerra sobre los dispositivos que habían fabricado para detectar los ecos de las señales de un radar provenientes de un objetivo, los denominados rectificadores crystal detector (que ya vimos en el artículo anterior), buscando posibles claves y se concentraron inicialmente en el trabajo utilizando muestras de silicio.

Bardeen y Brattain trataron de repetir la estructura del triodo de Lee de Forest para lo que pusieron contactos sobre una pieza de silicio, formando un dispositivo de tres terminales, en el que suponían que uno funcionaría como la rejilla, otro como el cátodo y otro como la placa o ánodo de una válvula. Es decir, buscaban un dispositivo que funcionara según el efecto campo imaginado por Shockley. Bardeen sugirió realizar los contactos de manera similar a cómo se hacían en los diodos rectificadores del tiempo de la guerra, lo que implicaba realizar contactos puntuales. No pensaba que esta fuera la disposición ideal, simplemente hizo la sugerencia porque tanto él como Brattain estaban familiarizados con el delicado arte y la comprensión de los contactos puntuales desarrollados en el programa del radar de la guerra.

La primera de las cuatro patentes que obtuvieron durante el transcurso del trabajo. En ella se detallaba el principio de utilización de contactos puntuales sobre la superficie del silicio en una estructura que debería funcionar de manera análoga a un triodo de vacío.

Es decir, los primeros experimentos con amplificadores efectuados por el grupo se basaban en tratar de encontrar la analogía más simple con el triodo de vacío y consistían en intentar ampliar la analogía insertando en un diodo semiconductor del tipo crystal detector un tercer electrodo que, según esperaban, desempeñaría el papel de la rejilla en el triodo del tubo de vacío. Brattain y Becker habían intentado fabricar esta estructura en la década de 1930 utilizando óxido de cobre, pero habían fracasado. La búsqueda de esta analogía persiguió a los científicos durante todo el proceso de manera asombrosamente obsesiva. Incluso cuando ya tuvieron el transistor, los primeros intentos de explicación de su funcionamiento reprodujeron este esquema de pensamiento, cosa que veremos en sucesivos artículos de esta serie.