Un transistor es un dispositivo electrónico, normalmente de tres terminales, cuya función consiste en recibir una señal eléctrica de entrada y generar una respuesta distinta, ya sea amplificada o modificada de alguna forma. De este modo, los transistores pueden usarse como amplificadores, rectificadores o conmutadores de la corriente eléctrica. La importancia de estos dispositivos en la actualidad es invaluable, ya que son los elementos constituyentes de prácticamente todos los aparatos electrónicos cotidianos como televisores, ordenadores, teléfonos, etc. Pero a menudo pasan desapercibidos porque son tan pequeños que no se pueden distinguir a simple vista, estando incorporados en las láminas semiconductoras que albergan a todos los componentes de los circuitos electrónicos y que llamamos circuitos integrados o chips.
Tanto el desarrollo de los distintos tipos de transistores a lo largo de varias décadas del siglo XX como la posibilidad de incorporarlos en los circuitos integrados han estado íntimamente ligados con la investigación en física del estado sólido y ciencia de materiales. Por eso, en esta sección no nos centraremos en explicar cómo funciona con detalle un transistor, ya que es algo complejo y sería necesario recurrir a las monografías más especializadas que citamos a lo largo del texto, sino en esbozar cuáles han sido los principales avances relacionados con el procesado de materiales semiconductores que han permitido el desarrollo de esta tecnología.
Existe un predecesor del transistor construido con válvulas de vacío y que se denominaba triodo; su función era la de amplificar corrientes y fue bastante popular hasta la década de 1930. Pero los triodos primitivos eran caros y de gran tamaño, por lo que los investigadores empezaron a buscar alternativas para conseguir triodos hechos con materiales más ligeros, eficientes y económicos. Hay que recordar que la producción de los elementos semiconductores típicos como el silicio o el germanio estaba muy limitada por aquel entonces y para colmo los semiconductores fueron denostados durante bastantes años por eminentes miembros de la comunidad científica que aseguraban que carecían de utilidad práctica.
Sin embargo, esta situación cambiaría drásticamente durante la década de 1940 cuando William Shockley, un físico de origen alemán que por aquel entonces trabajaba en los Laboratorios Bell de Estados Unidos, intuyó que podía ser viable lograr la construcción de amplificadores basados en materiales semiconductores. Después de varios años de trabajo, tras una serie de experimentos llevados a cabo en 1947 junto a John Bardeen y Walter Brattain, se constató que si se generaban dos contactos puntuales de oro sobre un cristal de germanio se podía producir en uno de ellos una señal mayor que la que se recibía por el otro. De alguna forma habían conseguido el objetivo buscado; en concreto, habían construido un transistor que ahora llamamos de contacto, como el que se muestra en la figura 8.17, y que está en desuso. Durante los siguientes años Shockley trabajó intensamente en el estudio de los semiconductores obteniendo las ecuaciones que rigen el transporte de cargas en ellos, lo que le sirvió para mejorar el invento inicial del transistor, dando lugar a lo que ahora llamados transistor bipolar de unión o BJT (del inglés bipolar junction transistor), que fue presentado oficialmente en el verano de 1951[1].
El transistor bipolar de unión consiste en dos uniones pn, como las que describimos en el apartado anterior, constituidas por dos semiconductores con dopados distintos dispuestos como se muestra en la figura 8.17. En este caso se trata de dos uniones al mismo tiempo, ya que una de las regiones es común a las dos uniones, por lo que existen transistores pnp o npn con funcionamientos análogos. En cualquier caso, los transistores BJT están formados por la superposición de tres regiones semiconductoras de distintos dopados a cada una de las cuales se le añade un terminal; reciben los nombres de base, emisor y colector. En estos transistores la base se encuentra físicamente localizada entre el emisor y el colector, es la región con menor extensión espacial y está compuesta de material semiconductor ligeramente dopado y de alta resistividad. Por el contrario, el emisor es la región con el dopado más alto, mientras que el colector es la región con el menor número de impurezas dopantes. Se trata, por tanto, de una estructura asimétrica.
La idea del funcionamiento es que pueden aplicarse distintas tensiones entre pares de terminales dando lugar a varios modos de operación (corte, saturación y activo). En su funcionamiento normal (véanse los esquemas de la figura 8.17), la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector lo está en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, que tiene que ser suficientemente delgada para evitar una recombinación masiva de pares electrón-hueco y permitir que la mayoría pase al colector. Esto se consigue si la longitud efectiva de la base es menor que la longitud de difusión de portadores de carga. Bajo estas circunstancias y operando en las condiciones adecuadas se pueden establecer relaciones entre algunos parámetros del circuito para relacionar las variables de entrada con las de salida (eligiendo los terminales adecuados) y así funcionar como amplificador, entre otras opciones. Por el desarrollo del transistor bipolar de unión, que enseguida se hizo muy popular y se constituyó como la opción preferente durante décadas, Shockley, Bardeen y Brattain fueron distinguidos con el Premio Nobel de Física del año 1956, tan solo unos años después del descubrimiento del transistor.
El transistor MOSFET, de sus siglas en inglés metal-oxide-semiconductor field effect transistor, también fue desarrollado en los Laboratorios Bell. Su funcionamiento es significativamente distinto al BJT pero también se basa en la superposición de materiales de distinta naturaleza incluyendo semiconductores con distintos dopados. Su estructura es como la que se muestra en la figura 8.18 y consta de un sustrato de semiconductor sobre el que se crece una capa de aislante. Normalmente es dióxido de silicio que se obtiene directamente por oxidación térmica del sustrato, pero a veces se usan otros óxidos con una mayor permitividad eléctrica, como el dióxido de hafnio, que es especialmente habitual. Finalmente se crece una capa de metal que sirve para hacer un contacto eléctrico.
El transistor MOSFET también posee varios semiconductores en contacto con distintos dopados. El sustrato puede ser de tipo p o n y se crean dos regiones separadas entre sí y fuertemente dopadas con impurezas del tipo contrario a las que se acoplan sendos terminales llamados fuente y drenador. El tercer terminal se coloca en el contacto metálico exterior y recibe el nombre de puerta, tal como se muestra en los esquemas de la figura 8.18. La idea en el transistor MOSFET es controlar la concentración de portadores de carga mediante la aplicación de una tensión (o campo eléctrico) que se aplica en el drenador, de donde proviene la denominación de efecto de campo. Para valores bajos del campo eléctrico o en su ausencia se forma un canal que permite el paso de corriente entre fuente y drenador. Este canal puede tener naturaleza tipo n o p de acuerdo con el tipo de dopado de las regiones de fuente y drenador. La corriente que fluye a través del canal puede controlarse mediante el potencial aplicado en la puerta. Para valores de tensión en el drenador por encima de un umbral el canal se estrangula (debido al aumento de la zona de empobrecimiento de la unión pn que se forma entre drenador y sustrato) y prácticamente se interrumpe la corriente entre fuente y drenador, tal como se indica en la parte derecha de la figura 8.18. Al igual que en el transistor BJT, existen varios modos de operación posibles para el transistor MOSFET.
Los transistores, tanto los BJT como los MOSFET especialmente, pueden construirse en circuitos integrados mediante un proceso que se denomina crecimiento epitaxial,que hace referencia a una serie de métodos en los que se crece una capa de poco espesor sobre un sustrato cristalino manteniendo la misma estructura cristalina en la nueva capa. Básicamente, se calienta el semiconductor de partida o sustrato hasta casi su punto de fusión y se pone en contacto con el material que se desea crecer en estado líquido o vapor para que al enfriarse se deposite con la estructura adecuada[4].
Estas técnicas han sido especialmente relevantes en la tecnología de semiconductores, ya que permiten controlar de forma extremadamente precisa el nivel de impurezas en el semiconductor que se crece, por lo que resulta ideal para las heteroestructuras que se usan en los dispositivos microelectrónicos que estamos describiendo, como los diodos led del apartado anterior o los transistores. Estos adelantos, junto con el desarrollo de salas blancas que reducen al máximo los niveles de contaminación así como de otras técnicas importantes como la fotolitografía (una técnica para transferir un patrón a la superficie de un material mediante el uso de una plantilla y la aplicación de luz; apartado 6.1) han permitido una evolución muy notoria en la producción de transistores y, por ende, de dispositivos microelectrónicos.
En el caso particular de la tecnología MOSFET, la facilidad de integración conjunta de transistores con canales p y n hace que sean ideales para el diseño de circuitos digitales energéticamente eficientes, por lo que se han impuesto en la construcción de circuitos integrados. Cada vez es posible crecer las heteroestructuras necesarias para los transistores en superficies y espesores menores, por lo que la capacidad de integración va siendo paulatinamente mayor. El hecho de que el número de componentes por unidad de volumen cada vez sea mayor en los circuitos integrados es lo que está permitiendo que los ordenadores tengan más memoria, los teléfonos sean más pequeños o puedan diseñarse aparatos electrónicos más complejos.
A título de curiosidad, la llamada ley de Moore establece que aproximadamente cada dos años se duplica el número de transistores en un microprocesador comercial. Dicha ley empírica fue formulada en 1965 por el cofundador de Intel Gordon E. Moore y desde esa fecha esa tendencia se ha ido confirmando a lo largo del tiempo pese a que ahora mismo los microprocesadores contienen más de 10 millones de transistores.
En la industria de la tecnología MOS se solía hablar prácticamente desde su invención de distintos nodos tecnológicos, basándose en alguna escala típica de los dispositivos, por ejemplo la longitud del canal. De este modo, los primeros circuitos integrados de tecnología MOS (de principios de la década de 1970) tenían transistores con canales de longitudes de 10 μm mientras que en la actualidad los chips comerciales pueden llegar a ser de tan solo 5 nm, lo que explica la evolución que sigue esta tecnología de acuerdo a la ley de Moore.
[1] La historia detrás de este descubrimiento es fascinante. En realidad, hubo una disputa legal entre Shockley y los abogados de los Laboratorios Bell por motivo de unas patentes anteriores de otro investigador (J. Lilienfeld) sobre los fundamentos físicos del transistor. Aunque no eran sobre el dispositivo en sí mismo, pensaron que podría generar problemas de explotación si comercializaban el transistor de contacto. De ahí que Shockley se centrara en otras alternativas.
[2] Los esquemas del transistor BJT son de S. M. Sze y M. K. Lee. Semiconductor Devices: Physics and Technology. 3ª ed. John Wiley & Sons (2012).
[3] Los esquemas de MOSFET son del libro S. M. Sze y K. K. Ng. Physics of Semiconductor Devices. 3ª ed. John Wiley & Sons (2007), mientras que la micrografía es del artículo S. Dutta et al. Sci. Rep. 7 (2017) 8257. https://doi.org/10.1038/s41598-017-07418-y.
[4] Para una descripción en mayor profundidad sobre las técnicas de epitaxia remitimos al capítulo 8 en M. Ohring. Material Science of Thin Films: Deposition and Structure. 2ª ed. Academic Press (2002).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
