Avui que és el dia de la ràdio parlarem de transistors perquè ha fet 75 anys de la seva creació.
La invenció del dispositiu va marcar el començament de l’electrònica i l’era de les telecomunicacions.
I, tot i que se li presenten reptes, manté els mateixos principis de funcionament original.
La necessitat del transistor
Als Estats Units dels anys 40, la telefonia de llarga distància tenia un problema: no podien parlar de costa a costa, perquè per a que el senyal elèctric recorregués llargues distàncies calia amplificar-lo i aquest procés passava per les vàlvules de buit o triodes, uns components que s’escalfaven i eren poc fiables.
La Bell Telephone Company, companyia fundada per Alexander Graham Bell i posterior AT&T, comptava amb una divisió de recerca a la qual se li va encomanar resoldre aquest problema, els Bell Labs.
La química per al desenvolupament tecnològic del transistor
El desenvolupament tecnològic del transistor va ser possible gràcies als avenços en la teoria dels semiconductors de 1930 i en la purificació del germani i el silici, a la dècada de 1940.
La major part dels elements químics poden dividir-se en tres grans grups segons les seves propietats més generals com ara la seva conductivitat:
• Els metalls, com l’alumini (Al), el coure (Cu), l’or (Au) o el ferro (Fe), són bons conductors.
• Els metal·loides, com el fòsfor (P), el sofre (S), el seleni (Se) o el brom (Br), no ho són.
• Els gasos nobles, com l’heli (He), el neó (Ne) o l’argó (Ar), són químicament inerts.
Alguns elements tenen propietats conductores intermèdies entre els metalls i els metal·loides clàssics: són els elements denominats semiconductors, com el silici (Si), el gal·li (Ga), el germani (Ge) o l’àstat (As). Quan a aquests elements, se’ls dopa; és a dir, se’ls hi afegeixen petites impureses, com ara àtoms de fòsfor (P) o de bor (B) en definides regions de la seva estructura cristallina esdevenen petits díodes o transistors.
La invenció del dispositiu
Al desembre de 1947, John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley, de Bell Labs van desenvolupar el transistor: el primer semiconductor d’estat sòlid. Va prendre el nom de la funció semiconductora del dispositiu: TRANsfer i reSISTOR. Aquell primer transistor del 1947 estava fet de làmines d’or, plàstic i germani. Posteriorment, per a la seva comercialització es va fer servir el silici, més fiable i fàcil de fabricar. La fita va començar l’era de les tecnologies de la informació.
El 1956, els tres investigadors van rebre el Premi Nobel de Física “per les investigacions en semiconductors i el descobriment de l’efecte transistor”. Els diodes, amb condensadors de tàntal (Ta) i bateries de ions de liti (Li), han esdevingut la base de la microelectrònica, que ha permès la revolució digital de les TIC (Tecnologies de la Informació i de la Comunicació) i dels moderns automatismes.
Era de les tecnologies de la informació
El transistor no només va contribuir a la millora de la telefonia. Va permetre la computació digital i el seu impacte a la societat és difícil de sobreestimar, destaquen els experts. Sense transistors no hi hauria telèfons mòbils, ordinadors portàtils o videojocs.
Hauríem de tornar a fer servir els mapes, perquè la tecnologia GPS utilitza satèl·lits que transmeten senyals mitjançant l’ús de transistors. Gairebé tota la tecnologia mèdica es basa en aquests dispositius, des de la presa d’imatges i la cirurgia robòtica fins als instruments que obtenen els resultats de les anàlisis de sang.
La seva comercialització va permetre el desenvolupament de la ràdio de butxaca, la creació de Silicon Valley i va ser clau en el desenvolupament del programa Apollo.
Evolució del transistor
Fa 75 anys es va inventar un dispositiu, el transistor, que tenia una mida propera a una taronja.
Durant dècades, l’evolució tecnològica del transistor ha permès reduir-ne la mida i el consum d’energia per poder introduir milions de transistors en xips i circuits integrats.
La Llei de Moore, postulada gairebé 20 anys després de la creació del transistor, vaticinava que el nombre de transistors en un circuit integrat es doblegaria cada 1 o 2 anys.
El nostre telèfon mòbil funciona gràcies a milions d’aquests semiconductors. El xip microprocessador petit d’un ordinador pot contenir uns 700 milions de transistors i la xifra continua augmentant cada any. Ara bé, la premissa de Moore, que ha estat certa en les darreres dècades, està perdent validesa. Actualment, l’escalat resulta molt més complex, entre altres motius, per la possible aparició de petites fuites elèctriques quan el transistor està apagat.
Les noves necessitats del transistor
Així que, de la mateixa manera que la necessitat de fer trucades de costa a costa dels Estats Units va motivar el desenvolupament del transistor, les necessitats d’avui dia propicien la creació de la nova generació de transistors, de materials que van des dels nanotubs de carboni a l’òxid de gal·li.
La necessitat més gran és usar menys energia. Tots hem sentit com s’escalfen les nostres faldes quan fem servir un ordinador portàtil: aquesta calor és energia que es fa servir per fer funcionar el dispositiu.
Els nous dissenys de transistors haurien de fer servir menys energia i els nanotubs de carboni poden reemplaçar el silici, com una manera de fer servir menys energia en aquest tipus d’aplicacions.
D’una altra banda, per controlar els sistemes d’alta potència a la indústria també s’estan explorant altres semiconductors més enllà del silici, com el carbur de silici i l’òxid de gal·li, que disminuiran l’energia desaprofitada als sistemes de control.
En el cas dels transistors de nanotubs de carboni (CNT), aquesta tecnologia propiciarà multitud de noves aplicacions. Per exemple, la creació de biosensors que podrien ser útils per detectar el càncer.
Tot i que els CNT, que es podrien constituir com una evolució tecnològica als transistors actuals, plantegen problemes de producció; perquè el seu desenvolupament es basa en processos que no són fàcils d’escalar. I la realització d’una tecnologia de transistors CNT que cobreixi les necessitats de l’alt volum de fabricació té obstacles. Cal un esforç conjunt de l’acadèmia i la indústria per superar-los.
Les aplicacions del futur
Els experts auguren que els propers circuits integrats realitzaran tasques més ràpides, gràcies al fet que el seu disseny estarà orientat a la realització de tasques específiques. Hi ha xips especialitzats que executen els gràfics dels videojocs; sense els quals, els jocs serien més lents i menys realistes visualment.
Els fabricants d’automòbils dissenyaran específicament els xips que faran funcionar els automòbils autònoms per executar totes les tasques de navegació i conducció de manera ràpida i eficient.
La tecnologia de transistors utilitzada en tasques de detecció i control, com guiar els robots a un edifici ensorrat per buscar supervivents, tindrà els sensors integrats als xips, en lloc de sensors separats, i accelerarà el processament. Els dispositius flexibles, com a sensors portàtils i monitors en forma de pegats per a la pell, impulsaran la medicina personalitzada.
Amb independència de la seva construcció i aplicacions, els principis darrere del funcionament del transistor continuen sent clau per al desenvolupament tecnològic, 75 anys després de la creació del primer transistor. I ens permet escoltar la ràdio!
Més informació
75 years of transistors. Science Número especial 17 novembre 2022.
Programa complet sobre el dia de la ràdio.
