Todos los días usamos computadoras, teléfonos inteligentes, calculadoras y otros dispositivos digitales que pueden realizar operaciones complejísimas en fracciones de segundo. Pero, ¿te has preguntado alguna vez cómo es posible? ¿Cómo una caja de plástico con microchips en su interior puede «pensar», resolver problemas y hacer cálculos complejos?
En realidad, todo comienza con una pieza muy pequeña, pero increíblemente importante: el transistor. Son los transistores, basados en semiconductores, los que actúan como el «cerebro» de la tecnología informática.
Gracias a los transistores, las computadoras pueden resolver problemas increíblemente complejos.
¿Qué es un transistor?
Los transistores son dispositivos semiconductores que pueden amplificar una señal eléctrica o actuar como interruptores. Para simplificarlo, podemos decir que los transistores pueden estar en dos estados: encendido o apagado.
Estos dos estados (1 y 0) son la base del sistema binario con el que trabajan las computadoras. Por lo tanto, es mediante los transistores que la computadora «entiende» y procesa los datos. Pero, ¿cómo ocurre exactamente esto?
Los transistores se fabrican a base de semiconductores.
¿Cómo funcionan los semiconductores en los transistores?
Los transistores se fabrican con materiales especiales llamados semiconductores, generalmente silicio, aunque los científicos están trabajando para reemplazarlo con otros materiales. Como su nombre indica, los semiconductores se encuentran en un estado intermedio entre los conductores y los dieléctricos. En los conductores, como los metales, los electrones están débilmente unidos a los átomos y pueden moverse libremente por el material. Estos electrones libres forman una corriente eléctrica, especialmente si el conductor está sometido a un campo eléctrico externo.
Los dieléctricos, por el contrario, son materiales en los que los electrones están fuertemente unidos a los átomos y no hay portadores de carga libres, lo que los convierte en aislantes. Los semiconductores, al igual que los dieléctricos, normalmente tienen todos sus electrones en estado ligado, pero no están tan fuertemente unidos a los átomos. Por lo tanto, los electrones en los semiconductores a veces pueden separarse de sus átomos y volverse «libres», creando electrones de conducción.
Además, cuando se elimina un electrón, aparece un «hueco», un espacio vacío que puede ser ocupado por otro electrón. El proceso en el que un electrón llena un hueco se llama recombinación. En los semiconductores, ambos procesos (la formación de pares de electrones y huecos, y la recombinación) están equilibrados. Esto significa que en cada momento el número de electrones y huecos libres permanece constante.
Bajo la acción de un campo eléctrico externo, los electrones libres comienzan a moverse, lo que provoca la aparición de corriente. Sin embargo, en los semiconductores, donde hay muchos menos electrones libres que en los conductores, la conductividad será mucho menor. Al mismo tiempo, cuando un electrón libre se mueve, puede «llenar» un hueco, y en el lugar de su posición original aparece un nuevo hueco, lo que crea una segunda corriente: la corriente de huecos.
¿Qué tipos de semiconductores existen?
Hay dos tipos de semiconductores: tipo N y tipo P. Para aumentar el número de electrones libres en los semiconductores, se añaden al material átomos que tienen más electrones que los átomos del material original. Por ejemplo, al silicio, que tiene cuatro electrones en su capa externa, se añaden átomos de fósforo con cinco electrones. En este caso, uno de los electrones del fósforo permanece libre, lo que aumenta la conductividad del semiconductor debido al número adicional de electrones. De esta manera se obtienen los semiconductores tipo N.
Si al silicio se añaden átomos que tienen un menor número de electrones de valencia, como el boro o el aluminio (con tres electrones), entonces en la red de silicio se forman «huecos», lugares donde faltan electrones. Esto aumenta la conductividad del material debido a que los huecos comienzan a moverse, lo que puede interpretarse como una corriente de cargas positivas. Así se obtienen los semiconductores tipo P.
Si se unen dos semiconductores de diferentes tipos, por ejemplo, tipo P y tipo N, se crea una zona llamada zona de depleción. En esta zona se produce la migración de electrones del semiconductor tipo N al tipo P, y también la migración de huecos del tipo P al tipo N. Como resultado, se crea una zona en la que casi no hay portadores de carga.
Cuando se aplica un voltaje eléctrico a este «sándwich» semiconductor, esto permite disminuir o aumentar la zona de depleción, lo que afecta directamente a la conductividad del dispositivo. Es importante destacar que este elemento sólo permite el paso de corriente en una dirección.
Un dispositivo que sólo permite el paso de corriente en una dirección se llama diodo. Esta propiedad surge porque en una dirección, bajo la acción del voltaje, la zona de depleción disminuye, facilitando el paso de la corriente, mientras que en la otra dirección, por el contrario, se expande, bloqueando la corriente.
Si a un diodo semiconductor se le añade otra capa de semiconductor, se obtiene un transistor semiconductor. Este dispositivo puede amplificar la señal y utilizarse como interruptor, lo cual es fundamental para la creación de microprocesadores y otros dispositivos electrónicos.
De esta manera, los transistores utilizan la unión P-N para controlar la corriente. Cuando el transistor está encendido, la corriente fluye libremente a través de la unión P-N, y este estado se representa como «1» (encendido). Cuando el transistor está apagado, la corriente no fluye, y este estado se representa como «0» (apagado).
Como se ha mencionado anteriormente, estos dos estados (encendido y apagado) son la base del funcionamiento de una computadora. Cada operación, ya sea un cálculo aritmético o la ejecución de un programa, consta de una gran cantidad de estos cambios de estado, que se producen a una velocidad increíble.
Los procesadores modernos contienen una cantidad increíble de transistores. Cuantos más haya, más potente será el procesador.
Los transistores como elementos lógicos
Los transistores permiten la realización de operaciones lógicas como AND, OR, NOT. Estas operaciones son la base del funcionamiento de todos los procesos de cálculo en una computadora. Cada operación corresponde a un modo de funcionamiento específico de los transistores:
- Operación AND: Si dos transistores están encendidos, la señal pasa. Si al menos uno de ellos está apagado, la señal no pasa.
- Operación OR: Si al menos uno de los transistores está encendido, la señal pasa.
- Operación NOT: Si el transistor está encendido, bloquea la señal, y si está apagado, la señal pasa.
En pocas palabras, las combinaciones de transistores pueden crear circuitos lógicos complejos que realizan cualquier cálculo. Sobre la base de estas operaciones, los procesadores de las computadoras pueden procesar información, realizar cálculos matemáticos, tomar decisiones y resolver problemas.
Las computadoras realizan la suma en el sistema binario, donde solo hay 0 y 1.
¿Cómo funciona la suma en una computadora?
Así pues, el transistor proporciona dos estados: 0 y 1. Pero, ¿cómo se realiza, por ejemplo, la suma en un sistema binario de este tipo? Para entenderlo, imaginemos que tenemos un problema sencillo: sumar 7 y 9. En el sistema decimal es fácil: 16. Pero en la computadora todo ocurre en el sistema binario. El número 7 es 0111, y el 9 es 1001.
Para sumar estos números se utilizan sumadores. El más sencillo es el sumador completo, que trabaja con un dígito y tiene en cuenta el acarreo del dígito anterior. ¿Cómo funciona un sumador completo? Supongamos que sumamos dos bits. El resultado puede ser uno de tres: 0 + 0 = 0 (sin acarreo) 0 + 1 = 1 (sin acarreo), 1 + 1 = 0 con acarreo 1 al siguiente dígito.
En realidad, para números de cuatro dígitos se necesitan cuatro de estos sumadores, conectados en cadena. Cada uno recibe dos bits (uno de cada número) y un bit de acarreo. Al sumar 7 + 9 se obtiene 10000, es decir, 16 en binario. Pero si sólo tenemos cuatro dígitos, la quinta unidad «extra» simplemente se descarta. La computadora trabaja estrictamente dentro de la capacidad de bits establecida. Por lo tanto, es importante tener en cuenta cuántos bits están disponibles.
Las computadoras no saben restar. En su lugar, suman números negativos.
¿Cómo restar usando la suma?
Curiosamente, las computadoras no restan directamente. En lugar de eso, convierten la resta en una suma. Por ejemplo, para restar 3 de 5, la computadora convierte el 3 en -3, y luego suma 5 + (-3). Pero, ¿cómo obtener un número negativo en binario?
Para ello se utiliza el método de complemento a dos. Primero, se invierten todos los bits del número (0 → 1, 1 → 0). Luego se añade 1. Por ejemplo, el número 3 en binario es 0011. Después de la inversión se obtiene 1100, añadimos 1 – 1101. Este es el -3. Si ahora sumamos 5 (0101) y 1101, obtenemos 10010. Descartamos la quinta unidad extra – queda 0010, es decir, 2. Correcto: 5 – 3 = 2.
Los cálculos no terminan en la suma
Una vez que la computadora aprendió a sumar y restar, pudo hacer también la multiplicación – que es simplemente una suma repetida. Y luego la división – una resta repetida. De ahí es fácil llegar a la potenciación, la extracción de raíces y otras operaciones.
Los cálculos más complejos de las computadoras se basan en una lógica simple, que se basa en los transistores.
Todos estos procesos se basan en una misma lógica, en los mismos transistores y en los esquemas más sencillos, simplemente en diferentes combinaciones. Cada transistor en una computadora moderna es increíblemente pequeño, y su número en un solo chip de procesador se mide en miles de millones.
En realidad, es el número de estos transistores lo que determina el rendimiento de la computadora. Una parte de ellos realiza operaciones sencillas, como la suma o la resta, mientras que otra parte trabaja con funciones lógicas, como Y (AND), O (OR), NO (NOT).
En resumen, las computadoras no piensan como nosotros. No tienen conciencia ni emociones. Pero sí saben procesar información utilizando transistores como interruptores. La suma, la resta, el procesamiento de datos, imágenes y vídeo, todo esto es el resultado del trabajo preciso, rápido y fiable de miles de millones de transistores. Y todo empezó con un pequeño elemento semiconductor que, a mediados del siglo XX, dio inicio a la era digital. Pero la tecnología no se detiene. Los transistores son cada vez más miniaturizados, y en el futuro, quizás, serán sustituidos por completo.
