Transistores inversos: ¿qué son, para qué sirven y por qué aspiran a reinventar la electrónica?

El mundo de la electrónica parece destinado a sufrir un cambio de una magnitud comparable a la que ocurrió hace poco más de setenta años, cuando irrumpieron transistores para poner fin al reinado de las válvulas de vacío.

A los fabricantes de semiconductores les resulta cada vez más difícil seguir mejorando su tecnología de fabricación porque cada paso que dan los acerca al límite físico impuesto por el silicio.

Pero afortunadamente, estamos frotando con la punta de los dedos la solución a este problema.

Sungsik Lee, profesor de ingeniería electrónica de la Universidad Nacional de Pusan, Corea del Sur, y ex investigador de la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, ha publicado una investigación en la que describe lo teórico, un nuevo tipo de dispositivo electrónico capaz de realizar la función inversa de un transistor.

Pero lo interesante es que en su estudio defiende que estos "transistores inversos" nos permitirán fabricar circuitos integrados más simples, rápidos y de menor consumo, por lo que se postula como la tecnología que podría evitar el estancamiento de los semiconductores. Tanto es así que en su artículo, que ha sido publicado en la revista IEEE y ha tenido eco en la revista MIT y en el repositorio de la Universidad de Cornell (Estados Unidos), Lee habla de un "nuevo paradigma" del mundo de la electrónica.

Transistores inversos

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

Antes de ver qué es un transistor inverso, es bueno revisar qué es un transistor convencional.

Hoy en día podemos encontrar estos pequeños elementos en cualquier circuito integrado que podamos imaginar, microprocesadores, amplificadores de potencia, interruptores, rectificadores, osciladores.

Y esto en la práctica significa que residen dentro de nuestras computadoras, teléfonos inteligentes, tabletas, equipos de música, televisores, radios, automóviles, equipos médicos y un sinnúmero de otros dispositivos.

Aunque sus precursores son aún más antiguos, los primeros transistores como los conocemos hoy en día fueron inventados en 1947 por John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain, tres físicos de los Laboratorios Bell.

Una forma sencilla de definir un transistor nos invita a describirlo como un dispositivo electrónico semiconductor que es capaz de responder a una señal de entrada al entregar una determinada salida.

Un amplificador electrónico, por ejemplo, aumentará la potencia, el voltaje o la corriente de la señal que colocamos en su entrada en su salida, recurriendo, por supuesto, a una fuente de alimentación externa.

Los primeros Transistores inversos

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

Hay varios tipos de transistores (bipolar, contacto puntual, efecto de campo, unión, electrón único, fototransistores, electroquímicos orgánicos, etc.), pero, afortunadamente, no necesitamos ahondar en ellos para entender qué son los transistores inversos, que es lo que realmente nos interesa en este artículo. Es suficiente para que sepamos dos hechos más sobre los transistores.

Por un lado, son elementos activos dentro de circuitos integrados.

Y, además, los que nos han permitido alcanzar el nivel de integración utilizado por las técnicas litográficas actuales son el efecto de campo (FET).

A diferencia de los condensadores, bobinas o resistencias, que son elementos pasivos, los transistores son componentes activos de un circuito porque ejercen una función de control sobre su comportamiento o introducen una cierta ganancia porque actúan de forma no lineal.

Esto significa que la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada por el circuito no se puede expresar utilizando un valor constante, lo que introduce una complejidad que no está presente en los sistemas lineales.

Comportamiento de los condensadores de Transistores inversos

Sin embargo, el comportamiento de condensadores, resistencias y bobinas, que, como hemos visto, son elementos pasivos en un circuito eléctrico, está claramente delimitado y es lineal. Además, facilitan la conexión de los componentes activos y permiten transferir la señal eléctrica almacenándola en campos magnéticos o eléctricos, o disipando energía eléctrica.

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

Por otro lado, de los transistores de efecto de campo (FET) nos interesa saber, sin entrar en detalles complejos, que utilizan el campo eléctrico para dejar que la corriente pase o no a través de un canal que transporta un solo tipo de carga eléctrica. Este tipo de transistores es lo que ha hecho posible los circuitos integrados que actualmente utilizamos en nuestros sistemas digitales.

Durante las últimas décadas, muchos investigadores se han esforzado por estudiar las características de los elementos pasivos de los circuitos eléctricos con la intención de averiguar si existen otros componentes con propiedades diferentes que puedan reemplazarlos o complementarlos. Sungsik Lee, sin embargo, ha emprendido una tarea similar, pero con los componentes activos. Con los transistores. Y el resultado de su investigación son los ' trancitores.’

La palabra 'transistor' describe con bastante precisión lo que hace uno de estos elementos: toma una señal de entrada y lleva corriente a la salida o no. Podemos imaginarlo como algo así como una resistencia con capacidad variable. De hecho, la palabra 'transistor' proviene de los términos en inglés transfer (transferencia) y resistor (resistencia). Lo que Lee ha descrito es un dispositivo con características como las de los transistores, pero, a diferencia de estos, capaz de tomar una señal de entrada y llevar o no voltaje en la salida. Es como un condensador hipotético con una capacidad de almacenamiento de energía variable.

El término que Lee propone para identificar el elemento que ha ideado es ' trancitor 'porque sus propiedades, como con la palabra' transistor', se pueden condensar de los términos en inglés transfer (transferencia) y capacitor (condensador). Sin embargo, no debemos pensar en los 'transistores' como elementos activos diseñados para reemplazar a los transistores, sino como dispositivos diseñados para coexistir con ellos en el mismo circuito.

Entonces, ¿cuál es el punto de usar aún más elementos en nuestros circuitos integrados? Parece lógico pensar que la introducción de' trancitores ' sin eliminar transistores aumentará la complejidad, el consumo y el tamaño de los circuitos integrados. Sin embargo, Lee asegura que este no es el caso porque la introducción de 'trancitores' implica el uso de un número menor de transistores. Que, según este investigador, es la clave.

Para demostrar su teoría, Lee propone un ejemplo sencillo que ilustra muy claramente las ventajas que conlleva el uso de 'trancitores'. Combinando un solo 'trancitor' y un solo transistor podemos fabricar un amplificador de voltaje, pero si queremos obtenerlo usando solo transistores, tendremos que usar cuatro de estos elementos. Solo el doble, lo que tiene un claro impacto en la complejidad, el tamaño y el consumo del circuito.

Acabamos de explicar las ventajas de que la introducción de' trancitores ' en circuitos integrados conlleva un menor consumo, menos complejidad y menos espacio. Pero aún falta otra ventaja importante que Lee también refleja en su investigación: los circuitos que integran los 'trancitores' son más rápidos. Y todo esto en la práctica debería tener un impacto muy claro en los dispositivos que usamos todos los días, y dentro de los cuales residen los circuitos integrados, como, por ejemplo, nuestros ordenadores.

Y es que la tesis de Sungsik Lee refleja que la introducción en nuestros dispositivos electrónicos de circuitos integrados "transistor-trancitor" en lugar de los circuitos tradicionales "solo transistor" debería reducir significativamente su consumo, complejidad y tamaño, pero aumentar, al mismo tiempo, su rendimiento. De ahí el "cambio de paradigma" del que habla este investigador en su artículo.

Gracias por leer Transistores inversos