La increíble historia de don transistor

Electricidad y electrónica
La electricidad tiene que ver con la transformación de otras energías en energía eléctrica así como su transporte y uso, por ejemplo en iluminación, motores, etc. Por su mayor facilidad para generar y eficiencia al transportarla, se usa principalmente la corriente alterna en electricidad, esta corriente se genera a partir del movimiento mecánico circular de un aparato con bobinas e imanes, lo que induce una corriente con forma sinusoidal que -en Chile por ejemplo- hace un ciclo completo 50 veces por segundo (50 hertz).

La diferencia entre electricidad y electrónica
Mientras que la electricidad se refiere a energía, la electrónica maneja y distribuye información, para hacer esto usa como soporte a la electricidad, que en los aparatos electrónicos se conoce como "alimentación" mientras que la información a menudo se refiere como la "señal". La información puede ser sonidos o imágenes como en la radio y TV tradicionales (analógicas) o puede ser números como ocurre en los computadores. Los computadores solo pueden trabajar con números, la enorme mayoría (los llamados "digitales") funcionan con un sistema de solo dos números: 1 y 0. Así como la electricidad funciona con corriente alterna, los aparatos electrónicos deben ·"rectificarla" porque se alimentan con corriente continua, es decir en un solo sentido. Por eso el primer dispositivo electrónico que se inventó fue el diodo rectificador, que deja pasar la corriente alterna solo para un lado

Rectificador y amplificador son la base de todo

La figura de arriba muestra una onda recortada Usando circuitos con más diodos y condensadores se puede tener una línea de corriente perfectamente plana, o sea un flujo constante en un solo sentido. La energía eléctrica se usa en 110, 220 o 380volts de corriente alterna, mientras que los aparatos electrónicos normalmente funcionan con baja tensión, por ejemplo 5 o 12 volts de corriente continua.

El diodo fue entonces el primer dispositivo electrónico, inventado como rectificador por un alemán de apellido Braun en 1874. Allí nació la electrónica, cuando se pudo transformar de manera eficiente la corriente alterna en continua. En 1907 el ingeniero estadounidense Lee de Forest inventó el triodo, la base para el otro circuito electrónico fundamental que es el amplificador.

Como funciona la amplificación

El problema de amplificar es más o menos el siguiente: supongamos que tengo una señal de 1 milivolt de amplitud, la meto en una caja que está alimentada con 12 volts de corriente continua y necesito obtener a la salida y una señal idéntica de 10 volts de amplitud. ¿Cómo hacerlo? Este es uno de los inventos más geniales, miren:

Esto es lo que queremos hacer

¿Y cómo lo hacemos?

Notarán que los 12 volt son de corriente continua, que no varía para nada, en cambio la señal es variable, puede ser por ejemplo una voz o una señal de video. Para entender la magia de la amplificación podemos pensar en una gran tubería con un chorro (caudal) continuo de agua, este caudal fijo equivale a los 12 volts de la "alimentación" en nuestro circuito

Lo que hacemos entones es controlar con una llave para que ese caudal varíe, haciéndose mayor o menor. Supongamos que de alguna manera pudiésemos controlar la llave con un chorrito pequeño y débil, para que la mueva de modo que las variaciones del chorrito se repliquen iguales en las variaciones del caudal de la tubería. Ese chorrito pequeño sería la señal débil de entrada y el chorro grande -ahora variable- sería la señal amplificada de salida

O sea un amplificador es un flujo constante de corriente continua que se hace variar mediante una señal de control, para que la replique, pero amplificada. Así como el diodo servía para rectificar, el triodo sirvió para amplificar y es una de las ideas más ingeniosas de la historia moderna, que hizo posible toda la electrónica que conocemos hasta hoy, es la base de la radio, TV, radar, electrónica y de los computadores. Sin el diodo y el triodo nada de eso habría jamás existido.

Los computadores
Los computadores también ocupan la electrónica pero de otra forma. No usan amplificadores sino interruptores, igual como los que usamos para encender y apagar la luz, pero son millones de ellos que pueden encenderse y apagarse a una velocidad enorme. En teoría cualquier computador moderno podría fabricarse con interruptores manuales, o mecánicos como sistemas de engranajes y clavijas ¿Por qué es necesaria entonces la electrónica? Por tres motivos principales (i) porque consumen menos energía, (ii) porque ocupan mucho menos espacio y (iii) porque son mucho más rápidos. Se pueden prender y apagar los interruptores a velocidades cercanas a la de la luz, con un consumo muy pequeño d energía y colocando millones de ellos en el espacio menor que la uña de nuestro dedo.

Los circuitos electrónicos capaces de cambiar entre el estado 1 y 0 que cumplen las características anteriores se llaman "flip-flop" y están en el corazón del hardware de los computadores. Aquí es donde aparece el transistor, que solucionó los problemas prácticos que hacían inviabls los computadores potentes usando válvulas.

Los primeros computadores se desarrollaron durante la II Guerra Mundial y se usaban para hacer cálculos complejos, como la trayectoria de los proyectiles balísticos o descifrar mensajes encriptados usando el análisis estadístico. En eso años los computadoras usaban miles de triodos que eran válvulas al vacío, iguales a las ampolletas incandescentes. Los primeros computadores eran enormes, gastaban mucha energía, eran lentos y su capacidad de cálculo era muy limitada.

En el año 1947, John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain, científicos de los laboratorios Bell de Estados Unidos, inventaron los primeros transistores de estado sólido prácticos. La investigación química y de ciencia de los materiales, llevó a desarrollar un reemplazante para las válvulas al vacío, que usaba muchísima menos energía y ocupaba un espacio mucho menor para reemplazar a los diodos y triodos de válvulas: con otros de materiales del llamado "estado sólido" los diodos y triodos fueron reemplazados por componentes de silicio, galio y otros materiales, muy abundantes en la naturaleza y baratos. Esa  fue la segunda ola de la revolución electrónica, que marcó el despegue definitivo del cambio que todavía estamos viviendo.

El transistor y los diodos de estado sólido, aunque no fueron una gran innovación teórica, significaron un salto gigantesco en la tecnología, que podemos comparar a la aparición de los LED en reemplazo de las ampolletas incandescentes, la analogía es bastante precisa porque las válvulas funcionaban con la misma tecnología de las luces incandescentes, tenían un filamento que se calentaba igual como el filamento de la ampolleta, eran de vidrio, grandes y consumían mucha energía.

Sus equivalentes de estado sólido hacían lo mismo, pero en comparación su tamaño era millones de veces menor, un chip procesador del porte de una caja de fósforos o menos, lleva millones de transistores que solo podrían verse eventualmente con un microscopio, y consumen una milésima de la energía que consumía una válvula, es muy similar a la comparación entre ampolletas incandescentes y LEDs, ambas hacen lo mismo pero los LED son mucho más eficientes que las incandescentes.

A los pocos años de inventado el transistor se inventó el uso de la fotolitografía que permitió construir en masa y a muy bajo costo los circuitos integrados. Primero se dibujan las distintas capas done va el silicio con sus conexiones en un mapa enorme, esta imagen se reduce al tamaño milimétrico y se usa para enmascarar el sustrato de base y crear las capas donde se va depositando el silicio por difusión química, el proceso es rápido  y muy barato gracias a el enorme volumen en que se producen los chip, lo que permite economías de escala nunca antes vistas en la historia.

Y todo esto es gracias a la energía eléctrica, a los diodos y transistores, que han hecho posible toda la electrónica que hoy conocemos. Ninguna otra tecnología en la historia del mundo ha avanzado con esa rapidez y ha abaratado los costos de producción como lo ha hecho la electrónica, el transistor ha sido el milagro de los siglos XX y XXI.

En comparación, todas las demás tecnologías avanzan a paso de tortuga. Los vehículos mecánicos, automóviles, aviones, barcos usan la misma tecnología de hace más de 100 años, con muy poco avance, de hecho, los mayores avances han sido gracias a la electrónica que se les ha incorporado. 

Este desarrollo explosivo que ha tenido la electrónica, ha creado una especie de euforia y falsas expectativas en torno a los avances tecnológicos, la gente común piensa que todas las tecnologías han avanzado al mismo ritmo vertiginoso, pero no es así, en realidad solo lo ha hecho la electrónica y lo demás permanece igual o ha tenido avances muy lentos, en comparación a la electrónica, insignificantes.

¡Larga vida a don transistor! Invento de los inventos que nos ha cambiado la vida a todos, normalmente para mejor, en muy pocos años. Yo que nací y alcancé a estudiar cuando todavía reinaban las válvulas electrónicas y que conozco la tecnología involucrada al haber visto su desarrollo, no puedo dejar de maravillarme con esta historia fabulosa, que la mayoría ve como cosa normal y corriente, pero ha sido un milagro de alcances incalculables.