Ignacio Mártil

Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

En las navidades de 1947 se dio a conocer la invención del primer transistor de la historia, ocurrido en Bell Labs, que he descrito con detalle en varios artículos publicados en este blog. Esa historia es más o menos conocida en los ambientes científicos especializados. Lo que es mucho menos conocido, es que también en Europa se inventó por las mismas fechas un dispositivo extraordinariamente similar. Esa historia la voy a describir en una nueva serie de artículos que comienza con este.

2. El “transistrón”, una invención europea

En París, poco después de la Segunda Guerra Mundial, dos científicos alemanes, Herbert Mataré y Heinrich Welker, inventaron el "transistrón" (denominado así para evitar litigios de patentes con el dispositivo de Bell Labs), un amplificador de estado sólido muy parecido al transistor desarrollado por los Bell Labs en la misma época.

Imagen de rayos X de un transistrón comercial construido a principios de la década de 1950. Dos contactos puntuales metálicos muy próximos entre sí, uno por cada extremo, tocan la superficie de una pieza de germanio (Ge) situada en el centro. Un tercer electrodo entra en contacto con el Ge por su parte trasera

A finales de 1948, poco después de que los Bell Labs anunciaran la invención del transistor, empezaron a llegar informes sorprendentes desde Europa. Dos físicos que habían trabajado durante la guerra en el programa de radar alemán, Herbert Mataré y Heinrich Welker, afirmaban haber inventado un dispositivo semiconductor sorprendentemente similar, al que llamaron transistrón, mientras trabajaban en la Compagnie des Freins et Signaux, una filial de Westinghouse en París. El parecido entre los dos artilugios era asombroso. De hecho, ¡eran casi idénticos! Al igual que el dispositivo de los Bell Labs, el transistrón también tenía dos puntas metálicas estrechamente espaciadas que se situaban en la superficie de una pieza de Ge.

Los “padres” del primera transistor europeo: Herbert Mataré (izquierda) y Heinrich Welker

Las noticias de París fueron especialmente preocupantes para los Bell Labs, ya que en sus primeros intentos de comercializar un dispositivo amplificador basado en la idea de Bardeen y Brattain, estaban encontrando graves problemas de ruido, estabilidad y uniformidad. Así que, en mayo de 1949, Alan Holden, un físico-químico que también trabajaba en Bell Labs, hizo un viaje a París para ver el supuesto invento por sí mismo. "Cuando llegamos, estaban transmitiendo a un pequeño receptor de radio portátil en el exterior desde un transmisor en el interior, que decían que estaba modulado por un transistor".

Cuatro días más tarde, la Secretaría de Correos, Telégrafos y Teléfonos (Postes, Telegraphes et Telephones, PTT) de Francia, el organismo que financiaba la investigación de Mataré y Welker, anunció a la prensa francesa la invención del transistrón, alabando el logro de la pareja como una “brillante realización de la investigación francesa”. Sólo cuatro años después de que terminara la Segunda Guerra Mundial (SGM) en Europa, un ave fénix tecnológico había resurgido milagrosamente de las cenizas aún humeantes de la devastación provocada por la guerra. En un local situado en el pequeño pueblo de Aulnay-sous-Bois, en los suburbios de París, habían encontrado lo que bien podría haber sido la versión europea del invento del siglo: un dispositivo semiconductor que daría lugar a una nueva y enorme industria mundial de enorme valor e influencia: la industria microelectrónica.

2. El trabajo sobre semiconductores en Alemania en las décadas de 1930 y 1940

Al igual que en el caso del transistor de los Bell Labs, la tecnología que dio lugar al transistrón surgió de la investigación en tiempos de guerra sobre materiales semiconductores, que eran muy necesarios para la electrónica de los receptores de radar. En el caso europeo, fue el programa del radar alemán donde hay que buscar los orígenes del invento. Tanto Mataré como Welker desempeñaron un papel crucial en este programa de I+D, trabajando en diferentes extremos de un país (Alemania) devastado por la guerra (veremos esos detalles en un artículo posterior de esta serie).

Mataré se unió al esfuerzo de investigación alemán en septiembre de 1939, justo cuando la Wehrmacht invadía Polonia, comenzando así la SGM. Tras obtener un máster en física aplicada en la Universidad Técnica de Aquisgrán, comenzó a investigar sobre radares en los laboratorios de Telefunken AG en Berlín. Allí desarrolló técnicas para suprimir el ruido en los mezcladores superheterodinos, que convierten las señales de alta frecuencia que se reflejan en los objetivos iluminados por un radar, en señales de menor frecuencia que podían manipularse más fácilmente en un circuito electrónico de detección.

En aquella época, los sistemas de radar alemanes funcionaban a frecuencias bajas (inferiores a 600 MHz), es decir, con longitudes de onda de hasta medio metro, pero carecían de equipos que trabajaran a frecuencias más elevadas (de GHz, en el margen de las microondas), que habrían permitido discernir mejor los objetivos más pequeños, como los aviones enemigos. El problema que tenían era que esos equipos funcionaban con válvulas de vacío y las válvulas que rectificaban las señales entrantes en los receptores de radar no podían funcionar a las altas frecuencias que se necesitaban. Sus dimensiones –especialmente la separación entre el ánodo y el cátodo del dispositivo– eran demasiado grandes para hacer frente al desafío de seguir una señal de GHz.

Como posible sustituto, Mataré comenzó a experimentar por su cuenta con rectificadores de estado sólido similares a los detectores del tipo conocido como “cat wisker” (bigote de gato), basados en galena (sulfuro de plomo) con los que había jugado en su adolescencia. En el corazón de los receptores de radio de la década de 1920, había una diminuta pieza de material semiconductor, como la galena o el silicio, con un frágil cable situado cuidadosamente en su superficie. Por razones que nadie comprendió del todo hasta finales de la década de 1930 (con la llegada de la mecánica cuántica aplicada a los sólidos), este detector rectificaba la señal de corriente alterna procedente de la antena y la convertía en la señal de corriente continua necesaria para alimentar los auriculares del receptor.

Izquierda: dibujo esquemático de 1922 que muestra el circuito de un receptor de radio equipado con un detector “cat wisker”. Este circuito no utilizaba un condensador de sintonía, sino que usaba la capacidad de la antena para formar el circuito de sintonización junto con la bobina mostrada a la izquierda (“tuning coil”). Derecha: imagen de un detector “cat wisker” real

Dispositivos similares, especialmente los fabricados con silicio podían utilizarse como el elemento rectificador necesario en el circuito mezclador superheterodino de un receptor de radar. En efecto, este dispositivo rectificaba a frecuencias más elevadas de aquellas a las que pueden responder las válvulas.

Los trabajos teóricos de Walther Schottky, de Siemens AG, en Múnich (Alemania), y de Nevill F. Mott, de la Universidad de Bristol (Inglaterra), permitieron a Mataré y a otros investigadores sobre el radar comprender mucho mejor lo que ocurría en el contacto entre la punta metálica y el semiconductor, lo que hoy en día denominamos diodos Schottky: cuando la punta metálica toca la superficie del semiconductor, se establece una “capa barrera” a menos de 1 mm de profundidad en el interior del material, justo debajo de la superficie (lo que en terminología técnica se denomina la “zona de carga espacial” de la unión). Esta zona actúa como una barrera asimétrica para el flujo de electrones, que pueden saltar la barrera mucho más fácilmente desde el semiconductor al hilo metálico que a la inversa, restringiendo de hecho el flujo de corriente a una sola dirección y rectificando, por consiguiente, la señal de entrada. Esa es la base de operación de un detector de una señal proveniente del eco de un objetivo iluminado por un radar.

Este es el marco en el que se desarrollaría el trabajo de Mataré y Welker en los años posteriores. Como veremos en el siguiente artículo, la guerra y su evolución en la segunda mitad de esta condicionó completamente su trabajo .