Un binomio de éxito: cómo el radar y los semiconductores acabaron con el III Reich

Es bien conocida la enorme influencia que la Segunda Guerra Mundial, de la que estos días se cumplen 74 años de su finalización en Europa, jugó en el desarrollo de diversos campos de la física, en particular, la física atómica, que mediante el conocido como Proyecto Manhattan, alumbró la bomba atómica, una vez que se conocieron en profundidad los procesos involucrados en la fisión de los núcleos del uranio y el plutonio.

Es bastante menos conocido que otras ramas de la física recibieron un fuerte impulso, motivado por las necesidades de los contendientes de disponer de armas superiores a las de los rivales. Entre ellas, la física y la tecnología de los semiconductores dio un salto de gigante gracias al desarrollo de dos tipos de armas: los fotodetectores de infrarrojo y el radar.

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Antonio Villarreal

Los receptores de radar necesitaban utilizar dispositivos electrónicos basados en semiconductores para detectar las señales de microondas, cuyas frecuencias de trabajo (>100 MHz) son más elevadas que aquellas que podían detectar las válvulas de vacío (<1 MHz), los componentes que utilizaban los radares del principio de la guerra.

El detector "bigote de gato"

Con el estallido de la II GM, las válvulas de vacío, dispositivos que dominaban el campo de la electrónica en la primera mitad del siglo XX, mostraron sus grandes limitaciones y fue el momento en el que unos dispositivos que habían sido ideados a finales del siglo XIX por el físico alemán Ferdinand Braun (1850-1918, Premio Nobel de Física en 1909), denominados rectificadores “bigote de gato” ('cat wisker', denominación que recibió debido a su peculiar estructura, el curioso nombre se debe al científico indio Jagadis Chandra Bose) y que habían sido abandonados una vez que aparecieron las válvulas, gozaron de un renacimiento inesperado, ya que resultaron determinantes para el correcto funcionamiento de los radares, en donde estaban en franca ventaja frente a las válvulas.

La razón de la superioridad de este detector frente a la válvula de vacío es la siguiente: las válvulas demostraron trabajar muy bien en el rango de frecuencias de 50 kHz-1 MHz, que es el utilizado por los equipos de detección de ondas de radio, pero adolecían de una seria limitación cuando se enfrentaban al desafío de trabajar a las frecuencias de microondas (típicamente 3 MHz-3 GHz), frecuencias a las que los radares militares son más efectivos en la realización de su función, que es la detección de objetos lejanos en movimiento.

El problema está relacionado con el tiempo que tardan los electrones en atravesar el espacio existente entre el cátodo y el ánodo de la válvula, que es del orden de 1 milímetro (típicamente 10-8 segundos), en comparación con la escala de tiempo en la que varía la señal de microondas, que cambia de un pico al siguiente en un tiempo de 3 × 10-10 segundos, unas 30 veces menos. Es decir, la válvula de vacío simplemente no puede responder con la rapidez suficiente a las variaciones de la señal que debe detectar.

Los detectores basados en el dispositivo de Braun, es decir, construidos con semiconductores, resolvieron este problema, al ser su tiempo de respuesta mucho más rápido que el de las válvulas de vacío, dado que en el caso del rectificador "bigote de gato", la distancia que deben recorrer los electrones es mucho más pequeña, típicamente del orden de una micra (0,001 mm) es decir, tres órdenes de magnitud menor que en la válvula de vacío, tiempo lo suficientemente pequeño como para permitir un funcionamiento viable a 3 GHz.

Hubo otro avance decisivo para mejorar el funcionamiento del radar: la construcción de un generador eficiente de las ondas electromagnéticas emitidas por el radar, ese dispositivo se conoce como magnetrón de cavidad y ahí los científicos del campo aliado también superaron a los alemanes.

El "bigote de gato" entra en producción

La fabricación de los dispositivos "bigote de gato" tuvo que resolver dos problemas: el material semiconductor y el metal del contacto rectificante. Se probaron varios semiconductores, pero solo la galena (PbS) y el silicio mostraron resultados prometedores. La galena solo funcionaba correctamente cuando se ejercía una ligera presión del hilo metálico que hacía contacto con el semiconductor, lo que lo hizo susceptible a la vibración, que destruía con demasiada facilidad el "buen contacto" realizado de manera semi artesanal. Se decidió, por lo tanto, concentrarse en la combinación de silicio con un "bigote" de tungsteno; además, el conjunto se encapsuló en un recinto hermético para facilitar su manipulación y posterior montaje en los equipos de detección, tal y como muestra la siguiente imagen:

La compañía británica Thomson Houston Company estableció la primera línea de producción y, poco después, General Electric Company, Western Electric y Sylvania hicieron lo mismo en EEUU.

Un detalle crucial a señalar de estos dispositivos guarda relación con la pureza del silicio utilizado en los detectores. Se descubrió que diferentes lotes de silicio, que al menos nominalmente eran "comercialmente puros", arrojaban resultados muy variables e irreproducibles; la pureza del material de partida es determinante en las propiedades del silicio y los criterios de pureza que se manejaban en esos años estaban muy alejados de lo que se requería para lograr dispositivos fiables y reproducibles en su comportamiento. De hecho, los detectores "bigote de gato" seguían mostrando un comportamiento errático y era una práctica común entre los operadores de los equipos de radar de los primeros años de la guerra tener varios de estos diodos a mano, para sustituirlos en cuanto dejaban de funcionar correctamente.

Por esta razón, se decidió someter al silicio a procesos de purificación adicionales, ya que la pureza del que se utilizó en los primeros años de la guerra era un decepcionante 98-99%. Un ingeniero metalúrgico de los Bell Labs, Russel S. Ohl, había iniciado estos trabajos en 1935 y llegó a desarrollar un método de purificación que permitió incrementar ese valor ampliamente.

Simultáneamente, también se desarrollaron las técnicas de purificación del otro semiconductor más conocido en esos años, el germanio. Bajo los auspicios del Laboratorio de Radiación del MIT (Instituto Tecnológico de Massachussets), los avances en la purificación de silicio se produjeron principalmente en la Universidad de Pennsylvania, dirigidos por el físico Frederick Seitz. En lo relacionado con el trabajo sobre el germanio, esos avances se produjeron en la Universidad de Purdue, a cargo de Karl Lark- Horovitz. Hacia el final de la Guerra, se obtenía silicio y germanio con una pureza del 99,999%

Gracias a estos dispositivos, los sistemas de radar funcionaron adecuadamente, lo que proporcionó una ventaja decisiva a los aliados

Los aliados (esencialmente EEUU y Gran Bretaña), fabricaron millones de diodos rectificadores del tipo “bigote de gato”, utilizando una delgada pieza de silicio o germanio y los instalaron en sus equipos de radar. Gracias a estos dispositivos, los sistemas de radar funcionaron adecuadamente, lo que proporcionó una ventaja decisiva a los aliados en este campo. Además, el trabajo llevado a cabo sobre el silicio y el germanio no fue únicamente de naturaleza tecnológica, sino que permitió aumentar enormemente el conocimiento de la física de semiconductores y esto, unido a la posibilidad de obtener muestras de estos semiconductores con pureza muy elevada, resultó determinante para la fabricación del primer transistor de la historia.

Es asombroso observar cómo las prestaciones de los radares alemanes fueron siempre inferiores a las de los equipos del Reino Unido y de EEUU, aunque la gran mayoría de los trabajos pioneros sobre semiconductores se habían llevado a cabo en Alemania. Probablemente, esto debe achacarse a las ineptitudes e ignorancia de alto mando alemán con las cuestiones científicas, en vez de adjudicárselo a deficiencias de los científicos alemanes.

Así pues, los años de la II GM fueron decisivos para la consolidación del conocimiento sobre las propiedades de los semiconductores y sobre la manera de fabricar eficientemente los dispositivos basados en ellos. De hecho, tras la finalización de la guerra, el silicio y el germanio surgieron como los semiconductores hegemónicos debido a los esfuerzos de I+D realizados en el campo aliado durante el conflicto, hegemonía que el silicio continúa manteniendo en la actualidad.

Ignacio Mártil es Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid, miembro de la Real Sociedad Española de Física y autor del libro 'Microelectrónica. La historia de la mayor revolución silenciosa del siglo XX'.