Transistores inversos

 ¿Qué son, para qué sirven y por qué anhelan a reinventar la electrónica?

El planeta de la electrónica parece abocado a experimentar un cambio con una envergadura equiparable a la del que se produjo hace algo bastante más de setenta años, una vez que los transistores irrumpieron para colocar fin al reinado de las válvulas de vacío. A los productores de semiconductores cada vez les cuesta más avanzar mejorando su tecnología de construcción ya que cada paso que ofrecen les acerca más al límite físico impuesto por el silicio. Pero, afortunadamente, parece que estamos rozando con la punta de los dedos la solución a este problema.

Sungsik Lee, un maestro de ingeniería electrónica de la Universidad Nacional de Pusan, en Corea del Sur, y antiguo investigador de la Universidad de Cambridge, en Reino Unido, ha publicado una averiguación en la que explica en el plano teórico un nuevo tipo de dispositivo electrónico capaz de realizar la funcionalidad inversa de un transistor.

Sin embargo lo realmente interesante es que en su análisis defiende que dichos «transistores inversos» nos van a permitir construir circuitos incluidos más básicas, más rápidos y con un consumo inferior, por lo cual se postula como la tecnología que podría evadir el estancamiento de los semiconductores. Tanto es de esta forma que en su artículo, que fue publicado en el diario de IEEE y ha tenido eco en la revista del MIT y el repositorio de la Universidad de Cornell (Estados Unidos), Lee habla de un «nuevo paradigma» de todo el mundo de la electrónica.

¿Qué es un transistor inverso y qué nos promete esta tecnología?

Previo a que veamos qué es un transistor inverso nos viene bien repasar qué es un transistor común. En la actualidad tenemos la posibilidad de hallar dichos diminutos recursos en básicamente cualquier circuito incluido que podamos imaginar: microprocesadores, amplificadores de potencia, conmutadores, rectificadores, osciladores… Y esto en la práctica supone que residen en nuestros propios computadoras, smartphones, tabletas, conjuntos de canción, televisores, radios, automóviles, equipamiento doctor y un sinfín de dispositivos más.

Aun cuando sus precursores son todavía más viejos, los primeros transistores tal y como los conocemos en la actualidad fueron inventados en 1947 por John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain, 3 físicos de los Laboratorios Bell. Una forma simple de conceptualizar un transistor nos invita a describirlo como un dispositivo electrónico semiconductor que es capaz de contestar a una señal de entrada entregándonos una salida determinada. Un amplificador electrónico, ejemplificando, aumentará en su salida la potencia, la tensión o la corriente de la señal que coloquemos en su entrada, recurriendo, aquello sí, a una fuente de ingesta de alimentos externa.

Los primeros transistores fueron inventados en 1947 por John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain, tres físicos de los Laboratorios Bell

Hay diversos tipos de transistores (bipolares, de contacto puntual, de impacto campo, uniunión, de electrón exclusivo, fototransistores, electroquímicos orgánicos, etcétera.), sin embargo, afortunadamente, no hace falta que profundicemos en ellos para comprender qué son los transistores inversos, que es lo cual realmente nos atrae en este artículo. Nos basta conocer 2 datos más sobre los transistores. Por un lado, que son recursos activos en los circuitos incluidos. Y, además, que los que nos permitieron conseguir el grado de adhesión que usan las técnicas litográficas recientes son los de impacto campo (FET).

A diferencia de los condensadores, las bobinas o las resistencias, que son recursos pasivos, los transistores son elementos activos de un circuito ya que o bien ejercen una funcionalidad de control sobre su comportamiento, o bien introducen una cierta ganancia ya que trabajan de manera no lineal. Esto quiere decir que la interacción entre la tensión aplicada y la corriente que demanda el circuito no puede expresarse recurriendo a un costo constante, lo cual introduce una dificultad que no está presente en los sistemas lineales.

No obstante, la conducta de los condensadores, las resistencias y las bobinas, que, como hemos observado, son recursos pasivos en un circuito eléctrico, está precisamente delimitado y es lineal. Además, facilitan la conexión de los elementos activos y realizan viable la transferencia de la señal eléctrica por medio de el almacenamiento en campos magnéticos o eléctricos, o mediante la disipación de la energía eléctrica.

Los condensadores, las bobinas y las resistencias son elementos pasivos de un circuito eléctrico, mientras que los transistores son elementos activos

Por otro lado, de los transistores de impacto campo (FET) nos atrae saber, sin entrar en detalles complicados, que usan el campo eléctrico para dejar pasar o no la corriente por un canal que lleva un solo tipo de carga eléctrica. Esta clase de transistores es el que ha producido probables los circuitos incluidos que usamos en la actualidad en nuestros propios sistemas digitales.

A lo largo de las últimas décadas varios estudiosos se han esforzado para aprender las propiedades de los recursos pasivos de los circuitos eléctricos con el propósito de consultar si hay otros elementos con diferentes características que logren reemplazarlos o complementarlos. Sungsik Lee, no obstante, ha acometido una labor parecido, sin embargo con los elementos activos. Con los transistores. Y el resultado de su indagación son los ‘transistores’.

El término ‘transistor’ explica con bastante exactitud qué es lo cual hace uno de dichos recursos: toma una señal de entrada y traslada o no corriente en la salida. Tenemos la posibilidad de imaginarlo como algo parecido a una resistencia con capacidad variable. Por cierto, el término ‘transistor’ viene de los términos en inglés transfer (transferencia) y resistor (resistencia). Lo cual Lee ha descrito es un dispositivo con unas propiedades semejantes a las de los transistores, sin embargo, a diferencia de dichos, capaz de tomar una señal de entrada y transportar o no voltaje en la salida. Es algo semejante a un hipotético condensador con una capacidad de acumulación de energía variable.

El concepto que ofrece Lee para detectar el factor que ha ideado es ‘trancitor’ pues sus características, tal y como sucede con el término ‘transistor’, tienen la posibilidad de condensar desde los términos en inglés transfer (transferencia) y capacitor (condensador). Sin embargo, no debemos pensar en los ‘trancitores’ como recursos activos concebidos para sustituir a los transistores, sino como dispositivos diseñados para convivir con ellos en un mismo circuito.

¿Qué sentido tiene entonces usar en nuestros propios circuitos incluidos más recursos aún? Parece lógico pensar que introducir los ‘transistores’ sin remover los transistores aumentará la dificultad, el consumo y la medida de los circuitos incluidos. No obstante, Lee garantiza que no es de esta forma ya que la introducción de los ‘transistores’ conlleva la utilización de una porción inferior de transistores. Dicha es, según este investigador, la clave.

Para enseñar su teoría Lee recomienda un caso muestra sencillo que ilustra con bastante claridad los beneficios que acarrea la utilización de los ‘transistores’. Combinando un solo ‘transistor’ y un exclusivo transistor tenemos la posibilidad de construir un amplificador de voltaje, pero si deseamos obtenerlo usando únicamente transistores tendremos que ocupar 4 de dichos recursos. Justo el doble, lo cual tiene un efecto claro en la dificultad, la medida y el consumo del circuito.

Acabamos de exponer los beneficios que conlleva la introducción de los ‘transistores’ en los circuitos incluidos: un menor consumo, menos dificultad y menos espacio. Sin embargo todavía falta otra virtud fundamental que Lee además refleja en su indagación: los circuitos que unen ‘transistores’ son más rápidos. Y todo lo mencionado en la práctica debe tener un efecto bastante claro en los dispositivos que usamos cotidianamente y en cuyo interior residen circuitos incluidos, como, ejemplificando, nuestros propios computadoras.

Y es que la tesis de Sungsik Lee refleja que la introducción en nuestros propios dispositivos electrónicos de circuitos incluidos «transistor-trancitor» en lugar de los clásicos circuitos «solo transistor» debe minimizar sensiblemente su consumo, su dificultad y su tamaño, sin embargo aumentando, simultáneamente, su rendimiento. De allí el «cambio de paradigma» del que este investigador habla en su artículo.

¿Qué pinta la «Ley de Moore» en todo esto?

Si poseemos presente todo lo cual hemos repasado hasta este instante y se aseguran las características tan atractivas que poseen sobre el papel los ‘transistores’ no resulta difícil intuir que su introducción en la tecnología electrónica presente tendría un impacto bastante positivo. Llegados a este punto nos viene que ni pintado recobrar la definición de la Ley de Moore que nos planteó Norberto Mateos, el Gerente de Intel España, a lo largo de la entrevista que le hicimos a comienzos del pasado mes de agosto.

Según Norberto, «la Ley de Moore, que ha sido vista en 1965, y que, por consiguiente, tiene más años que nuestra Intel, se ha enunciado de diferentes maneras dependiendo del instante. A lo largo de las décadas de los 90 y la pasada conversábamos de rapidez. Luego comenzamos a dialogar de rendimiento. Finalmente, lo cual la Ley de Moore ha predeterminado es una expectativa sobre la industria electrónica generalmente en relación a la proporción de desarrollo, funciones y tecnología que somos capaces de situar en el mercado, y que es lo cual motiva a los usuarios a comprar».

Si, tal y como Sungsik Lee defiende, la mezcla de los transistores y los ‘transistores’ nos posibilita crear microprocesadores, que no son otra cosa que circuitos incluidos excepcionalmente complicados, más rápidos, primordiales y con un consumo inferior al de los recientes, es notable que a la Ley de Moore puede quedarle cuerda para rato. Aquello sí, para que esto sea viable se necesita que la reducción de la dificultad que promete esta innovación se confirme, debido a lo cual logre tener un efecto directo y positivo en las técnicas de litografía que usamos en la actualidad.

Los ‘transistores’ todavía no permanecen listos: este es el desafío que poseemos que solucionar

Por el instante todo lo cual ofrece Sungsik Lee en su averiguación queda circunscrito al entorno teórico y es complicado prever en qué momento conseguiremos construir los primeros ‘transistores’. La razón es bastante contundente. Comprendemos cómo deberían funcionar y cuáles van a ser sus características. Además entendemos qué impacto tendría su introducción en los circuitos incluidos que diseñamos y fabricamos en la actualidad. Pero todavía no entendemos cómo tenemos la posibilidad de obtenerlos.

Lee sugiere la probabilidad de formar los ‘transistores’ aprovechando el perfectamente conocido «efecto Hall», que es un fenómeno que produce la generación de un campo eléctrico en el centro de un conductor por el cual circula una corriente una vez que está sometido a un campo magnético en dirección perpendicular al desplazamiento de las cargas. Pero hay un problema que aún no fue resuelto: los científicos no saben cómo aprovechar este impacto en los circuitos CMOS a escala nanométrica.

Este es el desafío que se necesita solucionar para que la tecnología que sugiere Lee en su averiguación llegue a buen puerto. Si queréis conocer lo cual defiende este investigador con más detalle y el inglés no os intimida, os sugiero que echéis un vistazo al artículo que ha publicado, y en el cual explica con todo lujo de detalles los fundamentos físicos de su innovación. Es notable que queda mucho por hacer, pero por lo menos tener posibilidades con un motivo sólido nos posibilita entrever el futuro de la electrónica digital con cierto optimismo.

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