Física y telefonía: el transistor

Ser bipolar no siempre es malo. No nos referimos a las personas, sino al primer tipo de transistor, el bipolar, aunque luego vinieron otros tipos de transistores más efectivos. Varios historiadores han señalado que el transistor ha sido el invento más importante del siglo XX. En esta entrada nos hacemos eco de lo ya lo señalado por varios de ellos, incidiendo en el origen de las investigaciones que dieron lugar al transistor, origen que estuvo marcado por las necesidades de mejora del servicio telefónico a mediados del siglo XX.

Hace tiempo hicimos una entrada de este blog denominada Física Teórica y Telefonía, en la que hablábamos de la importancia de la física teórica en el desarrollo y mejora de las telecomunicaciones de larga distancia, pero en un periodo anterior a la aparición del transistor y la electrónica. En realidad, lo que se ha dado en llamar la Segunda Revolución Industrial relativa a la informática y las telecomunicaciones, también denominada “revolución de la microelectrónica”, tuvo su origen en 1947 con la invención del transistor bipolar, o transistor de unión, lo que se vio ampliado con el desarrollo de los circuitos integrados y posteriormente con los microprocesadores, de tal forma que la serie de invenciones transistor-circuito integrado-microprocesador es la base de esta revolución en la que todavía estamos inmersos, junto con la implementación de la fibra óptica (primero en los sistemas de transmisión y últimamente con la fibra hasta el hogar), las comunicaciones móviles y más recientemente la Inteligencia Artificial.

¿Qué es un transistor? Funciones de un transistor

Pero primero repasemos muy sintéticamente qué es en realidad un transistor y qué funciones realiza. Si lo contemplamos como una caja negra (es decir sin considerar su estructura ni cómo realiza sus funciones, lo que requiere conocimientos que se escapan del alcance de esta entrada, en definitiva qué funciones realiza) un transistor es un dispositivo de estado sólido que puede amplificar una señal eléctrica, pero también puede actuar como un conmutador, o como un rectificador o incluso como un oscilador.¹ Esta versatilidad es lo que caracteriza la potencia funcional de los transistores. Además, un conjunto de transistores con diodos² y otros componentes, según sus diferentes configuraciones de conexión, pueden combinar todo ese conjunto de funciones para ampliar esa versatilidad, por ejemplo conmutar diferentes señales de entrada en diferentes salidas o delimitar los rangos y características de amplificación (por ejemplo amplificar solo determinadas frecuencias de una señal entrante), rectificación u oscilación de señal.

[Esquema de un transistor y de un diodo (fuente Wikipedia]

En cuanto a su carácter de dispositivo de estado sólido, la misma palabra lo dice, es un dispositivo material en el que no hay vacío. Por sus características permite ser miniaturizado (hasta entonces se empleaban las válvulas de vacío, voluminosas y con alto consumo de energía, tanto para la ampliación de señal como para otras funciones; las válvulas siguieron utilizándose para muy altas potencias como en las emisoras de radiodifusión), y además, una vez miniaturizado permite, mediante la posterior invención del circuito integrado, la posibilidad de disponer de cientos o miles de transistores en un único dispositivo, incluso millones en los actuales microprocesadores. Esta posibilidad de miniaturización e integración es la que ha permitido la revolución de la electrónica de la que hablábamos antes.

Los transistores de estado sólido se pudieron desarrollar gracias a la tecnología de los semiconductores. Un semiconductor es un elemento que puede comportarse como conductor o aislante eléctrico en función de factores externos que actúen sobre él, como un campo eléctrico o magnético, presión o temperatura, e incluso la radiación incidente.

La historia del transistor

Os dejamos aquí acceso a tres artículos magníficos:

• Germán González Díaz e Ignacio Mártil, “Mi clásico favorito: William Bradford Shockley”, Revista Española de Física, 31-4, oct-dic 2017.
• Ignacio Mártil, “El 75 aniversario del transistor bipolar. La invención más importante del siglo XX”, Revista Española de Física, 36-3 julio-sept. 2022.³
• Ignacio Mártil, “El protagonista silencioso de la revolución digital”, Investigación y Ciencia, febrero 2021.⁴ catedrático en la Faculta de Física de la UCM.

El primer artículo es la biografía de Shockley, un de lo los tres inventores del transistor, y es extraordinario porque se aleja de las típicas biografías hagiográficas de científicos, al mostrarnos las grandezas y miserias de su protagonista, además de estar muy bien escrito y ser muy entretenido.

El segundo profundiza en detalles técnicos sobre la historia del transistor, su lectura es algo más difícil pero mucho merece la pena porque es muy ilustrativo de los procesos y dificultades en las investigaciones. Su autor, Ignacio Martil, es catedrático en la Facultad de Física de la UCM

El tercero está dedicado al transistor MOSFET⁵, una evolución del bipolar de unión que, por sus características, permitió que se integrara en un mismo dispositivo -el circuito integrado- miles (y millones más adelante) de transistores, lo que fue la base del desarrollo de la microelectrónica.

Un buen complemento de la información de estos dos artículos son los respectivos capítulos dedicados al transistor de los siguientes libros:

• Helge Kragh, Generaciones cuánticas, Akal, Madrid, 2007 (capítulo 24 “Elementos de la física del estado sólido” y capítulo 25 “Física de ingeniería y electrónica cuántica. Todo comenzó con el transistor”)
• José Manuel Sánchez Ron El mundo después de la revolución. La Física de la segunda mitad del Siglo XX, Ediciones Pasado y Presente, Barcelona, 2014 (capítulo 3.IV “Hijos de la física cuántica: ciencia y tecnología en el mundo cuántico. La física del estado sólido: transistores, chips y circuitos integrados”)
• Ana Martín Fernández Física cuántica de lo cotidiano, Pinolia, Madrid, 2025 (capítulo 10 “La teoría de bandas presenta: los transistores, el mayor invento del siglo XX)

Los tres libros son extraordinarios. Los dos primeros ofrecen una visión muy lúcida de la historia de la Física del Siglo XX, en el que se conjugan la propia historia puramente científica y tecnológica con una visión muy acertada de las interacciones reales entre Ciencia, Tecnología y Sociedad, lo que se ha dado en llamar los estudios CTS, que lamentablemente muchas veces se alejan de esas interacciones centrándose en vericuetos filosóficos escasos de rigor. Sobre esto último, en lo respectivo a las telecomunicaciones, ya hablamos en una entrada anterior: Aproximación CTS desde la Historia de la tecnología: El caso del Foro Histórico de las Telecomunicaciones. El tercer libro no es tanto un libro de historia sino más bien de divulgación, además muy clarificador y entretenido, siendo además otro buen ejemplo de las interacciones CTS.

No es nuestra intención aquí presentar una síntesis del contenido de los textos anteriores, pero sí destacar un aspecto que aparece en los textos de Martil, Kragh y Sánchez Ron, como es la relación entre la física y la telefonía en el proceso histórico que llevó al desarrollo de los transistores, lo que justifica el título de esta entrada “Física y Telefonía”. En realidad el transistor ha sido la base para el desarrollo de multitud de aplicaciones en el campo de la electrónica, la informática y las telecomunicaciones en general. Ahora bien, a pesar de ser un producto de la ciencia aplicada, en este caso de la física aplicada, para el desarrollo del transistor fueron necesarios profundos estudios de física teórica, tanto de física cuántica como de física del estado sólido, así como de física experimental básica (es decir desarrollo de experimentos solo para aumentar el conocimiento, sin plantearse la posibilidad de si el resultado pudiera ser aplicable o no). En definitiva, el caso del transistor es un perfecto ejemplo de lo que el filósofo de la ciencia Mario Bunge denominó como el carácter sistémico, de un sistema unificado, entre el conjunto de ciencia básica-ciencia aplicada-desarrollo tecnológico-producto tecnológico-desarrollo económico (en su libro Ciencia, Técnica y Desarrollo, editorial Laetoli), siendo la ciencia básica tanto la teórica como la experimental que no busca aplicación práctica, solo el aumento del conocimiento. Por otra parte, en su libro, Sánchez Ron afirma, muy acertadamente, que el transistor es “hijo de la física cuántica”. Bueno, también se podría decir que los semiconductores son hijos de la física cuántica, y, por tanto el transistor a su vez, como hijo de estos pues en realidad sería “nieto” de la cuántica. El motivo de esta asociación con la cuántica está en la teoría de bandas energéticas, o simplemente teoría de bandas, una consecuencia directa de la física cuántica.

La teoría de bandas es la que permite explicar, desde fundamentos propios de la teoría cuántica, el funcionamiento de los semiconductores, lo que a su vez permitió desarrollar la tecnología de semiconductores sin la cual no hubiera sido posible la invención del transistor. La teoría de bandas sería lo equivalente a la teoría de los niveles de energía de los electrones en un átomo individual pero aplicada a una red de átomos que componen un sólido. Sabemos que solo la física cuántica pudo dar una explicación satisfactoria a la estructura energética de los electrones de un átomo, y, por tanto, a la comprensión de los enlaces atómicos para formar moléculas. Fue el físico suizo Felix Bloch quien en 1928 aplicó las ecuaciones de la mecánica cuántica a una red ordenada de átomos, estableciendo lo que se conoce como Teorema de Bloch.

De la aplicación de la teoría de Bloch se concluyó que los electrones de una estructura periódica, como la de los cristales sólidos, se organizan en unas bandas de energía separadas: una banda de valencia próxima a los núcleos atómicos, una banda de conducción en la que los electrones pueden moverse libremente (y por tanto pueden participar de la conducción eléctrica), y entre estas dos bandas anteriores existe una banda prohibida o brecha de energía que puede ser mayor o menor. Si esta brecha es mínima las bandas de valencia y conducción se solapan y conforman un material conductor, si es muy grande tendríamos un material aislante, pero si es pequeña, y se puede variar según qué condiciones, tendríamos entonces un material semiconductor.⁶

Más tarde, gracias a las investigaciones previas sobre semiconductores incentivadas por la teoría de Bloch, serían los físicos estadounidenses William Sockley, John Bardeen y Walter Brattain, los tres de los laboratorios Bell, los que lograrían, en 1947, construir el primer transistor, por lo que recibirían el premio Nobel en 1956.

Se basaron en desarrollos previos de otros físicos que aplicaron lo que se denomina unión p-n (unión de dos semiconductores, uno tipo p y otro tipo n, siendo el de tipo p el obtenido por insertar impurezas de iones positivos (en realidad huecos de electrones), dopaje p, y el de tipo n por insertar impurezas de iones negativos (con electrones libes), dopaje n, con lo que se conseguía mejorar la conductividad de materiales semiconductores. No es posible explicar aquí la tecnología de semiconductores, así como la de dopaje de semiconductores para obtener los de tipo p y tipo n, por su enorme complejidad. En realidad los diodos se basan en uniones p-n y los transistores en uniones p-n-p o bien n-p-n.

Este primer transistor realmente era muy rústico, pero lograron ampliar claramente una señal y en posteriores desarrollos se consiguió hacerlo cada vez más pequeño e incluso miniaturizarlo para conseguir integrar muchos (aunque en realidad eran de otro tipo de transistor evolución del primero) en un único dispositivo, el denominado circuito integrado, aparecido por primera vez en 1959, que más adelante añadiría más capacidad de integración con su aplicación en ordenadores gracias al microprocesador, cuya primera aparición fue en 1971.

En el año 2000, el físico estadounidense Jack Kilby ganó el premio Nobel de física por su colaboración para obtener el circuito integrado en 1959, junto con Robert Noyce, que no pudo recibir el Nobel por haber fallecido.⁷

De izquierda a derecha, Jack Kilby y Robert Noyce, los inventores del circuito integrado

Ya tenemos justificada la parte de física para nuestro título, vayamos con la de telefonía. El origen de la investigación para desarrollar el transistor surgió en los laboratorios Bell de la ATT, para lograr amplificadores de señal basados en componentes de estado sólido, ya que entonces la amplificación se basaba en las válvulas de vacío. El problema es que este sistema de amplificación, sustentado sobre repetidores de válvulas, no era suficiente para la transmisión telefónica a muy larga distancia con un mínimo de calidad, sí lo era para distancias cortas o medias pero no para los cables submarinos transoceánicos. Estos eran, si no óptimos, sí de calidad suficiente para la comunicación telegráfica, pero no para la telefónica (todo esto se explica más en detalle en los artículos indicados anteriormente). Por lo tanto, fue la necesidad de mejorar el servicio telefónico lo que impulsó la investigación en amplificadores de estado sólido, que no tuvieran los problemas de las válvulas, especialmente en alta frecuencia. Es sabido que en baja frecuencia las válvulas de vacío sí responden satisfactoriamente en cuanto al retardo de señal, pero esto no ocurre en alta frecuencia. Por lo tanto, para cables que transportaban solo un canal por cada par de hilos, y por tanto usaban frecuencia vocal, las válvulas operaban satisfactoriamente. Pero claro, para la multiplexación de señal, es decir la posibilidad de transmitir varios canales de voz en un mismo par de hilos, se hace necesario que la señal portadora sea de muy alta frecuencia, para así poder modular varios canales de banda base en la portadora. De esta manera, la necesidad de la alta frecuencia para la multiplexación hacía que el uso de las válvulas no fuera eficiente. Este es el motivo por el que para equipos de audio de alta fidelidad se pueden seguir usando, y de hecho se usan en equipos de muy alta gama, las válvulas de vacío para la amplificación de la señal de audio, ya que esta es de banda base. En definitiva, fue una necesidad en cuanto al desarrollo del servicio telefónico la que impulsó la investigación en amplificación basada en dispositivos de estado sólido y de ahí surgió el transistor, aunque luego este dispositivo se aplicara en infinidad de productos y servicios, en principio ajenos a la telefonía.

Por otra parte Helgue Kragh señala que además del objetivo de mejorar las comunicaciones telefónicas de larga distancia con el que se inició el desarrollo del transistor, otro motivo fue el de mejorar las técnicas de conmutación telefónica. En la edición en español de su libro Generaciones cuánticas se dice textualmente: “construir un amplificador de estado sólido que pudiera ser utilizado, entre otras cosas, como un interruptor de cambio de sistemas telefónicos” (lo que parece una deficiente traducción, ya que la traducción correcta sería un elemento conmutador).

En un sentido similar, Ignacio Mártil afirma que “Durante el primer tercio del siglo, la compañía AT&T gozaba de una posición hegemónica en el campo de las comunicaciones telefónicas en los EE.UU. Al intentar expandir su red telefónica de costa a costa del país, comprobaron que sus sistemas, operados con válvulas de vacío y relés electromecánicos, tenían serias limitaciones. En Bell Telephone Laboratories, los laboratorios de investigación de la empresa, Mervin Kelly, director del Departamento de válvulas de vacío se dio cuenta de forma premonitoria de la relevancia potencial de la nueva teoría cuántica de sólidos e imaginó que la solución a sus problemas podría venir de la mano de dispositivos amplificadores o conmutadores construidos con semiconductores, cuyas propiedades se deducen a partir de los principios de esa teoría” (el destacado en negrita es mío).

Igualmente, Sánchez Ron da cuenta de una reflexión similar, haciéndose eco de otro historiador, Lillian Hodesson, quien afirmaba que a la altura de 1942 “era razonable esperar que en última estancia tal aproximación fundamental [se refiere al estudio tanto teórico como experimental de los semiconductores] indicara el camino hacia la producción de nuevos materiales con propiedades de importancia para su utilización telefónica”

Con todo lo anterior ya tenemos justificada la parte de telefonía del título de esta entrada “Física y telefonía”, pero incluso en las primeras aplicaciones del transistor se consolida la importancia del transistor para la telefonía.

Primera aplicación comercial del transistor

Parece ser que la primera aplicación comercial del transistor fue también en el servicio telefónico, en concreto en 1952 con la implementación de las señales multifrecuencia en centrales de conmutación telefónica electromecánicas tipo “crossbar”, según lo indicado en el artículo “Transistors Enter Telephone Service” (Bell Laboratories Record, v. 30, nº11, November 1952, p. 439 ) [Os recordamos que toda la fantástica revista Bell Laboratories Record está disponible en la web World Radio History].⁸

En las centrales Crossbar N.º 5 (centrales de barras cruzadas de ATT) se implementó la unidad generadora de señales multifrecuencia con seis transistores para poder generar seis tonos de diferentes frecuencias. Aunque el artículo citado no lo indica claramente, es obvio que se refiere a los tonos asociados a la señalización multifrecuencia entre centrales, y no a los tonos multifrecuencia de la marcación de abonado, lo que se implantaría bastante más tarde. Recordemos que aunque las centrales de barras cruzadas (las de ITT eran las Pentaconta) eran totalmente electromecánicas, incluso la parte de control, en cambio a partir de una fecha determinada ya incorporaron la señalización multifrecuencia para conexión entre centrales, por lo tanto este tipo de señalización necesitaba de dispositivos electrónicos]

Al respecto, sobre el asunto de la señalización multifrecuencia, nuestro colega Emilio Borque ya habló del uso de transistores para equipos de generación de señal, en concreto en https://colgadotel.blogspot.com/2006/06/la-sealizacin-multifrecuencia.html. La siguiente imagen la hemos tomado de esa entrada, y se aprecia el transistor (en el centro en la parte inferior) muy rudimentario todavía.

En la imagen anterior se puede apreciar que hay un único transistor, ya que este elemento generaba solo un tono a una frecuencia determinada. En otra entrada de su blog (https://colgadotel.blogspot.com/2006/07/inventos.html) Emilio nos habla de un «invento» de lo más curioso para probar enlaces y su señalización multifrecuencia, según la imagen siguiente, en la que se aprecia que había serie de cajas similares a la de la foto anterior. Éstas son de receptores, cada caja, o tarjeta, generaba una sola frecuencia; eran los inicios de los 1960 y la integración era muy baja, ni siquiera se usaban circuitos impresos.

Como hemos dicho, aunque el inicio de las investigaciones para conseguir un transistor se debió a las necesidades del desarrollo del servicio telefónico, sus aplicaciones abarcan múltiples campos. Uno de los más populares fueron los primeros receptores de radio portátiles (al no llevar válvulas de vacío), conocidos como radio de transistores o directamente “transistor” (en un ejemplo del uso de la metonimia como recurso lingüístico de utilizar la parte por el todo, bueno técnicamente la figura retórica es, en este caso, el sinécdoque, pero yo siempre le he llamado a esto metonimia, pero bueno, parece que el caso de “me voy tomar un danone” en vez de un “yoghourt” sería una metonimia y “voy a escuchar el partido por el transistor”, en vez de por el receptor de radio, sería un sinécdoque, palabro, por otra parte, que dan ganas de echarlo a comer aparte, sin considerar, por otra parte, que los más jóvenes que ahora escuchan podcats lo de escuchar la radio como tal les suena a las batallitas del abuelo, pero eso es otra cuestión). Volviendo al asunto de la primera radio de transistores comercializada, allá por mediados de los 1950, hay una estupenda web sobre su historia en https://www.regencytr1.com/

[Radio portátil RegencyTR-1, de 1954, portada Manual Técnico asociado y página interior del manual (Fuente, https://www.regencytr1.com/)

Por último, cabe señalar que tanto la invención del transistor como del circuito integrado fue motivo de la concesión de respectivos premios Nobel de Física, como ya hemos anunciado anteriormente, asunto sobre el que volveremos en una próxima entrada de este blog denominada “Los premios Nobel de Física relacionados con las telecomunicaciones”, aunque previamente os presentaremos aquí otra entrada denominada “Física y telefonía: la fibra óptica”.

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Notas:

1 Recordemos que un rectificador es un dispositivo que convierte una corriente alterna en continua; un oscilador genera una señal alterna de una determinada frecuencia según su configuración.

2 Un diodo es un dispositivo que permite solo la circulación de la corriente en un solo sentido. Antes también se disponía de diodos con válvulas de vacío, pero aquí nos referimos a diodos de estado sólido basados en la tecnología de los semiconductores.

3 Lamentablemente la extraordinaria Revista Española de Física anteriormente estaba disponible en abierto en la web de la Real Sociedad Española de Física, pero actualmente solo lo está para los socios de la RSEF. Por este motivo, como antes este acceso era público, nos hemos permitido hacer públicos aquí estos artículos.

4 También disponible en https://unpocodecienciaporfavor.com/2021/02/15/investigacion-y-ciencia/, la magnífica página web de divulgación científica de Ignacio Martil.

5 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

6 Todo lo anterior está sintetizado del libro citado de Ana Martín, pp. 102-108.

7 Ni siquiera lo recibió a título póstumo porque no existe esa categoría en los Nobel.

8 Creemos que la primera aplicación comercial civil tuvo que ser para la amplificación de equipos de transmisión en larga distancia, asociados al servicio telefónico, y esta otra sería la primera en equipos de conmutación, pero no hemos localizado documentación fiable al respecto.