La historia de la electrónica antes del transistor

Ignacio Mártil

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

(El contenido de este artículo está recogido de forma más amplia y detallada en el Capítulo 2 de mi libro: “Microelectrónica. La historia de la mayor revolución silenciosa del siglo XX”; 2018, Ediciones Complutense)

Hoy en día tenemos a nuestro alcance instrumentos y dispositivos que han modificado sustancialmente los hábitos y costumbres de la vida cotidiana, cuyo funcionamiento se rige por las leyes de la electrónica: teléfonos móviles, ordenadores, televisores, equipos de audio, etc. Con la excepción de algunos equipos de sonido, todos ellos están fabricados con circuitos integrados, que a su vez, están compuestos por miles de millones de transistores. Pero esto no siempre ha sido así, antes de la invención del transistor también había multitud de equipos que utilizaban las propiedades de los electrones para funcionar y cumplir determinadas tareas.

En este artículo repaso el mundo de la electrónica antes del transistor, centrándome principalmente en los dispositivos que posibilitaron aplicaciones tan decisivas como la radio, la televisión o el radar. Un viaje que recorrerá un período comprendido entre finales del siglo XIX y mediados del XX.

1. La era pre-electrónica

Podemos definir la electrónica como la rama de la física que estudia el comportamiento de los electrones y de los dispositivos que se construyen utilizando las propiedades de conducción de estos; desde esta perspectiva, la electrónica como tal nació con el descubrimiento del electrón (partícula de la que toma su nombre) debido a Joseph J. Thompson (1856-1940) en 1897.

No obstante, con anterioridad a esa fecha hubo descubrimientos científicos e invenciones que pueden catalogarse como específicamente electrónicos, el más directamente relacionado con el objeto de este artículo es el conocido como “Efecto Edison”, descubierto por Thomas A. Edison en 1883. Lo que descubrió fue que la corriente eléctrica no necesita cables para poder circular, ya que los portadores de carga pueden moverse a través de un gas o del vacío. Ese fenómeno no tuvo explicación hasta comienzos del siglo XX, cuando el físico británico Owen W. Richardson (1879-1959) lo analizó y describió en profundidad; desde entonces se denomina emisión termoiónica. Como dato complementario, hay que decir que el efecto Edison es la única contribución del inventor a la ciencia propiamente dicha, ya que Edison no fue un científico en sentido estricto.

2. Los primeros dispositivos electrónicos: las válvulas de vacío

Se puede decir que la electrónica comienza con la válvula de vacío, un dispositivo que es lo que su nombre indica: un tubo de vidrio dentro del que se ha hecho el vacío; al poner en sus extremos contactos eléctricos y bajo ciertas condiciones de trabajo, se puede obtener una corriente eléctrica.

La invención de la válvula se debió a John. A. Fleming (1849-1945). Fleming fue asesor de la compañía que fundó Gugliemo Marconi dedicada a las comunicaciones de radio (Marconi’s Wireless Telegraph Co.) y en 1901 diseñó junto al científico italiano el transmisor que instalado en Poldhu (Cornualles, Gran Bretaña), posibilitó que una señal de radio atravesara el océano Atlántico por primera vez en la historia.

Con posterioridad, Fleming trabajó en el campo de los receptores de ondas de radio; fruto de esa actividad, en 1904 obtuvo una patente en Estados Unidos (US 803684) para un nuevo tipo de detector, que Fleming denominó “thermionic valve” (válvula termoiónica) también conocido como diodo o válvula de vacío. En ese dispositivo, la corriente circula exclusivamente en una dirección, lo que es crítico para el correcto funcionamiento de los detectores de ondas de radio, que debían convertir corriente alterna en continua. De este modo, el dispositivo de Fleming encontró aplicación práctica inmediata en la incipiente industria de la radio que se desarrollaba por aquellos años.

Un año clave en la historia de la electrónica fue 1907, ya que fue entonces cuando Lee De Forest (1873-1961) patentó (US 879532) el primer dispositivo que era capaz de amplificar una señal electrónica, dispositivo que él llamó audión y que hoy conocemos como triodo de vacío.

Su dispositivo no solo forzaba la corriente en una única dirección, como en el diodo de Fleming, si no que podía amplificarse su valor durante su recorrido por el tubo; para lograrlo, De Forest instalo una rejilla metálica en medio del tubo. Mediante una pequeña corriente aplicada a esta rejilla, De Forest logró controlar el flujo de la corriente entre los contactos de los extremos, mucho más intensa que la primera. Esa posibilidad de transformar corrientes débiles en corrientes elevadas fue crucial para nuevas aplicaciones hasta ese momento no imaginadas. De hecho, los Bell Labs hicieron uso de esos dispositivos para sus sistemas de comunicación de costa a costa de los EEUU, inauguradas en 1914; además el triodo encontró aplicación en dispositivos tan dispares como audífonos, radios y televisiones. A raíz de su invención, se considera a Lee de Forest como el padre de la electrónica.

Como curiosidad, cabe decir que hoy en día todavía se fabrican y utilizan válvulas de vacío, principalmente para equipos de alta fidelidad. Este interesantísmo vídeo muestra el trabajo artesanal de obtención de una de ellas:

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3. La tímida aparición de los semiconductores

En la década de los años 30 y 40, los tubos de vacío representaban el máximo desarrollo en los equipos de radio y de teléfono. En algunas ocasiones, se habían intentado sustituir por cristales de semiconductores, pero eran tan imprevisibles en su funcionamiento, que casi era un milagro que trabajaran correctamente; los tubos de vacío eran simples y funcionaban siempre y la mayoría de los científicos consideraban que el futuro de la radio y de las comunicaciones telefónicas pasaba por mejorar estos dispositivos.

Sin embargo, un científico de los Bell Labs, Russell Ohl (1898-1987), no creía en las excelencias de los tubos de vacío y se dedicó de lleno al estudio de las propiedades de los semiconductores, teniendo que pelearse de vez en cuando con sus jefes para que le dejaran continuar. Los cristales semiconductores de silicio fabricados en aquellos años mostraban un comportamiento errático e irreproducible, pero Ohl creía que se debía a la presencia de impurezas no controladas y no a un problema inherente al propio semiconductor. Pensó, de manera premonitoria, que si se purificaba bien el silicio, los semiconductores proporcionarían las propiedades que todos estaban buscando para mejorar las comunicaciones telefónicas.

Los trabajos de Ohl abrieron en los Bell Labs la idea de que los cristales de semiconductores podían llegar a sustituir a las válvulas de vacío. Pero para que esas ideas cristalizaran, quedaba más de una década, durante la que las válvulas siguieron dominando la electrónica de los instrumentos que la Segunda Guerra Mundial (en lo que sigue, II GM) impulsaría decisivamente: el radar y las primeras calculadoras electrónicas. Sobre el radar de esos años escribiré un texto en otra ocasión; en el siguiente apartado analizaré una de las grandes computadoras construida con válvulas de vacío.

4. Los inicios de la computación: los monstruos de válvulas (ENIAC)

Con la válvula de vacío en todas sus variantes (triodos, pentodos, etc.) se podían realizar todas las funciones electrónicas imaginables. Sin embargo, las limitaciones del dispositivo eran también bastante claras en cuanto a su tamaño, consumo de energía, tiempo de vida medio y fiabilidad. Uno de los puntos claves a eliminar era el filamento, que al estar necesariamente incandescente producía dos efectos negativos: un consumo de potencia excesivo y un calentamiento que disminuía la fiabilidad, volviendo al dispositivo frágil. Estas limitaciones se pusieron claramente de manifiesto con los intentos de realizar computadores numéricos, como veremos a continuación.

Inicialmente motivado por las necesidades militares impuestas por la II GM, el ejército de los Estados Unidos promovió en 1943 la construcción de una máquina capaz de calcular con precisión las trayectorias de los proyectiles de artillería. Fruto de esos trabajos nació ENIAC, acrónimo de “Electronic Numerical Integrator And Computer” (Computador e Integrador Numérico Electrónico), que fue el primer ordenador de propósito general, aunque no se terminó de construir hasta 1946. Era bastante similar a la computadora Colossus, utilizada por los británicos durante la guerra para descifrar el código de comunicaciones del ejército alemán, la máquina Enigma.

La ENIAC representa el máximo apogeo de los instrumentos construidos con válvulas y también puso en evidencia sus grandes limitaciones. Fue construida en la Universidad de Pensilvania, podía realizar cerca de 5000 sumas y 300 multiplicaciones por segundo y era un verdadero monstruo: ocupaba una superficie de 167 m², pesaba 27 Toneladas, medía 2,4 m x 1 m x 30 m. Su estructura estaba integrada por 17.500 tubos de vacío, 7.200 diodos, 1.500 relés, 70.000 resistencias, 10.000 condensadores y cinco millones de soldaduras.

Cuando funcionaba, requería la operación manual de unos 6.000 interruptores, consumía 160 kW, elevaba la temperatura del local donde estaba instalada a 50 °C y presentaba una tasa de fallos muy elevada, debido al funcionamiento inherente a las válvulas. Finalmente, ENIAC fue desactivada en 1955.

5. Lo que vino después: el transistor

El sistema teóricamente más simple de controlar la corriente en un material semiconductor, de un modo parecido a como se hace en una válvula de vacío, es el denominado efecto campo. Mediante una estructura metal-aislante-semiconductor, la corriente longitudinal que circula por el semiconductor puede ser controlada por un campo eléctrico transversal producido desde el metal. Basándose en este efecto, el científico ucraniano Julius E. Lilienfeld (1882-1963; en el año de su nacimiento, su ciudad natal, Lvov, pertenecía al Imperio Austro-Húngaro) propuso y patentó en 1930 un dispositivo basado en este efecto. Sin embargo nunca lo pudo realizar prácticamente:

Patente de Lilienfeld de 1930, con el esquema de un transistor de efecto campo. Tendrían que pasar 30 años hasta que la tecnología microelectrónica alcanzara un grado de madurez suficiente como para construir un dispositivo basado en esa idea; dicho dispositivo se denomina MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Ya antes de la II GM en los Laboratorios Bell se investigaba en esta dirección, tratando de llevar a la práctica las ideas de Lilienfeld. Sin embargo todos los intentos resultaron infructuosos debido a que, en esos años, el conocimiento de la física de los semiconductores era incompleto y la tecnología de estos materiales, inadecuada.

Tras la II GM, Bell Labs se propuso resolver el problema, creando un grupo de trabajo multidisciplinar, integrado por físicos, ingenieros, químicos, etc. Tras dos años de arduo trabajo, descubrieron el transistor de puntas de contacto, siendo sus artífices John Bardeen (1908-1991) y Walter H. Brattain (1902-1987), tal y como he contado en este artículo. Para fabricarlo, Brattain pego una tira de papel de oro en la esquina de un triángulo de plástico, un material aislante. Con una cuchilla de afeitar, corto el oro justo en el borde del triángulo, consiguiendo que los extremos estuvieran separados tan solo por el ancho de un cabello. El triángulo con los hilos de oro adosados en sus lados se colocó entonces encima de una pieza de un semiconductor (germanio), presionando ligeramente su superficie por medio de un muelle. Este montaje funcionó como el primer amplificador con semiconductores de la historia. La figura muestra a sus inventores, junto con un esquema del dispositivo, auténticamente artesanal:

Este dispositivo tenía un comportamiento muy poco reproducible y era muy ruidoso. El jefe del equipo, Wiliam B. Shockley (1910-1989), ideo otro dispositivo más fiable, que permitió fabricar transistores con comportamiento reproducible; pero esa es otra historia, que he relatado en este otro artículo.

Lo que vino después fue la consolidación del transistor como dispositivo de referencia en el campo de la electrónica, el circuito integrado, etc. Este vídeo hace un excelente y detallado repaso a esa historia:

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