Qué es un transistor, cómo funciona y para qué sirve

La semana pasada desvelé los secretos de la física que se esconde detras del “ladrón de julios”, un circuito eléctrico que permite sacar más energía de pilas que parecen agotadas. La clave residía en la combinación inteligente de un transformador y un transistor. Pero el transistor merece un titular propio, porque quizás sea el invento más importante del siglo XX.

La vida sería completamente diferente sin transistores. Para empezar, no habría computadoras personales ni teléfonos celulares, por lo que no existirían Amazon, ni los videojuegos, ni las aplicaciones de citas, ni la mensajería, ni el streaming, ni las redes sociales, ni Apple Pay ni Google Maps, ni la inteligencia artificial. Los autos contienen miles de millones de transistores. Están por todas partes. Entonces…

La mejor manera de comprender esta tecnología fundamental es seguir su trayectoria evolutiva, remontándonos a los relés eléctricos utilizados en los telégrafos del siglo XIX.

Las líneas telegráficas eran básicamente largos circuitos eléctricos. Y probablemente nunca lo habías pensado, pero funcionaban con baterías (pilas primitivas de bajo voltaje que ocupaban un armario entero en la estación telegráfica) porque en aquel entonces no existía la red eléctrica.

El relé eléctrico, inventado en 1835, fue un componente clave en estos sistemas. Era un interruptor que activaba y desactivaba una corriente eléctrica, similar al de pared que se usa para encender la luz. Pero, al no tener dedos, el relé utilizaba una segunda corriente eléctrica para accionar el interruptor. ¿Por qué usar una corriente para activar otra? Esa es una buena pregunta.

Imagina que quieres encender una luz en otra ciudad a 80 kilómetros de distancia. Tendrías que tender cables muy largos a los postes de luz. Así podrías prender y apagar la luz, e incluso usar un código, como el morse, con puntos y rayas para enviar mensajes de texto. Pero había un problema: cuanto más largo era el cable, mayor era su resistencia, por lo que no llegaba suficiente corriente para transmitir una señal inteligible.

¿La solución? Dividir el circuito en dos tramos de 40 kilómetros (25 millas) y conectarlos con un relé. Al cerrar el interruptor del primer circuito, se activaba el relé, enviando el mismo patrón de corriente desde una segunda batería a través del segundo circuito y encendiendo la luz. Aquí hay un diagrama:

Diagrama del circuito.Diagrama: Rhett Allain

Claro que el telégrafo usaba un zumbador (un buzzer) en lugar de una luz, pero la idea era la misma. En cualquier caso, los relés siguen siendo muy utilizados hoy en día, y la idea de usar una corriente para activar otra abrió un sinfín de posibilidades. En los autos, por ejemplo, permite usar controles de baja potencia para activar circuitos de alta potencia que hacen funcionar elementos como el motor de arranque, los faros o el aire acondicionado.

¿Cómo funciona el relé? Básicamente, es un electroimán. Aquí tienes un diagrama sencillo, junto con un ejemplo real:

Diagrama y foto: Rhett Allain

En su interior hay una bobina de alambre enrollada alrededor de un núcleo de hierro. Cuando una corriente eléctrica fluye a través de este cable de control, crea un campo magnético. Esto hace que el interruptor metálico superior se desplace hacia abajo, haciendo contacto con el cable de salida. Seguro que has oído hablar de relés. Cuando el termostato de tu horno enciende y apaga la resistencia, es lo que produce ese clic audible.

Si bien los relés son geniales y útiles, son simples interruptores de encendido/apagado. Pero tenemos algo más que se asemeja a un relé variable: la válvula o tubo de vacío, inventada alrededor de 1905, que hizo posible las radios de antaño.

La válvula o tubo de vacío

Podemos imaginar un tubo de vacío como una bombilla modificada. Una bombilla incandescente es simplemente un filamento delgado que se calienta muchísimo al pasar corriente eléctrica por él, emitiendo luz. Ese filamento se coloca dentro de un recipiente de vidrio y se extrae el aire para evitar que se queme. (Esa es la función principal de la bombilla: impedir la entrada de oxígeno).

Pero hay algo más que sucede y que no se ve: cuando el filamento se calienta mucho, se expulsan electrones. Dado que un flujo de electrones es una corriente eléctrica, estos electrones térmicos se pueden usar de forma similar a un relé. Aquí hay un diagrama de un tubo de vacío rudimentario:

Diagrama y foto: Rhett Allain

Los electrones viajan a través de la bombilla hasta una placa colectora, lo que genera la corriente de salida. Puede parecer una forma extraña de hacerlo, pero si añadimos otro cable (una rejilla) entre el filamento y el colector, podemos controlar esta corriente. Un voltaje negativo en el control empujará los electrones lejos del colector para reducir la corriente de salida. Aplicar un voltaje positivo a la rejilla aumentará el flujo de corriente de salida.

Se trata, de nuevo, de un interruptor de corriente, y al igual que el relé, se controla mediante un cable diferente. Sin embargo, existen dos grandes diferencias: primero, no hay contacto mecánico, lo que significa que la corriente de salida puede variar mucho más rápido. Segundo, la corriente de salida no es simplemente de encendido o apagado; puede variar según la intensidad de la tensión de control.

Esto fue lo que hizo posible los primeros amplificadores de audio. Si se recibía una señal débil de una emisora ​​de radio lejana, no produciría suficiente corriente para alimentar un altavoz y permitir escuchar algo. Pero si se aplicaba esa señal al voltaje de control de un tubo de vacío, se podía obtener una salida mucho más potente que, a la vez, mantenía el mismo patrón (como la música) que la señal original.

Pero, espera. Hay algo más que podrías hacer con tubos de vacío: construir una computadora. Sí, las primeras computadoras eran simplemente un conjunto de tubos de vacío controlados por otros tubos de vacío, creando puertas lógicas. Usabas una señal de entrada de 1 voltio o 0 voltios. Una puerta AND tenía dos entradas y una salida. Si ambas entradas eran de 1 voltio, la salida era de 1 voltio. De lo contrario, daba 0 voltios. Una puerta OR daría como salida 1 voltio si alguna de las entradas era de 1 voltio.

En realidad, se podría haber construido una computadora con relés eléctricos. Pero los relés son mucho más lentos que las válvulas de vacío, y todo ese ruido habría sido exasperante. Las válvulas de vacío eran silenciosas, componentes puramente electrónicos, sin partes móviles, y eso supuso un cambio radical.

El transistor

Sin embargo, las válvulas de vacío presentaban tres problemas. Consumían mucha energía, por lo que las primeras computadoras se calentaban mucho, requerían sistemas de refrigeración enormes y su funcionamiento era extremadamente costoso. En segundo lugar, las válvulas eran frágiles y se quemaban con facilidad, por lo que las computadoras requerían un mantenimiento constante (literalmente, equipos de trabajo dedicados a localizar y reemplazar las válvulas averiadas). Finalmente, las válvulas eran enormes. Esas primeras computadoras, como la ENIAC de 1945, ocupaban habitaciones enteras.

El transistor, inventado en los Laboratorios Bell en 1947, solucionó todo eso mediante el uso de semiconductores. Es una palabra que se escucha a menudo, pero ¿qué es un semiconductor? Bueno, ¿sabes que algunos materiales (como el cobre) conducen la electricidad, mientras que otros (como el caucho) son aislantes? Pues bien, un semiconductor (como el silicio) puede alternar entre ser uno u otro.

Existen dos tipos de semiconductores: si se añaden electrones al silicio, se obtiene un semiconductor de tipo n; si se eliminan electrones, se obtiene uno de tipo p. Los electrones, por supuesto, tienen carga negativa, por lo que los electrones que faltan actúan como cargas positivas, y a estos los llamamos "huecos de electrones".

Un transistor se crea combinando diferentes tipos de semiconductores. Aquí tienes un ejemplo llamado transistor NPN:

Transistor NPN.Ilustración: Rhett Allain

Los dos semiconductores de tipo n están separados por un semiconductor de tipo p. Esto impide que los electrones se muevan desde la región de entrada (la "fuente") hasta la región de salida (el "drenador"). Sin embargo, si se aplica un voltaje al control, o puerta, los electrones pueden moverse hacia la salida. En resumen, se trata básicamente de un interruptor, donde una corriente activa otra, pero ahora con un control mucho más preciso.

Lo mejor de los transistores es que se podían miniaturizar, y vaya que lo hicieron. Las radios de pie fueron reemplazadas por las radios de transistores, que los adolescentes llevaban a todas partes en los años 50 y 60. Estas contenían entre seis y diez transistores. Hoy en día, el iPhone 17 Pro contiene hasta 30 mil millones de transistores. Es una locura, pero es lo que hace funcionar nuestro mundo digital.

Artículo originalmente publicado en WIRED.com. Adaptado por Mauricio Serfatty Godoy.