Transistor

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Transistor
Transistorer (cropped).jpg
El tamaño de un transistor guarda relación con la potencia que es capaz de manejar.
Tipo Semiconductor
Invención John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley (1947)
Símbolo electrónico
BJT symbol NPN.svg
Configuración Emisor, base y colector
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El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término «transistor» es la contracción en inglés de transfer resistorresistor de transferencia»). Actualmente se encuentra prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario tales como radios, televisores, reproductores de audio y video, relojes de cuarzo, computadoras, lámparas fluorescentes, tomógrafos, teléfonos celulares, aunque casi siempre dentro de los llamados circuitos integrados.

Historia[editar]

Réplica del primer transistor en actividad, que hoy pertenece a la empresa Lucent Technologies.

El físico austro-húngaro Julius Edgar Lilienfeld solicitó en Canadá en el año 1925[1] una patente para lo que él denominó "un método y un aparato para controlar corrientes eléctricas" y que se considera el antecesor de los actuales transistores de efecto campo, ya que estaba destinado a ser un reemplazo de estado sólido del triodo. Lilienfeld también solicitó patentes en los Estados Unidos en los años 1926[2] y 1928. [3] [4] Sin embargo, Lilienfeld no publicó ningún artículo de investigación sobre sus dispositivos ni sus patentes citan algún ejemplo específico de un prototipo de trabajo. Debido a que la producción de materiales semiconductores de alta calidad aún no estaba disponible por entonces, las ideas de Lilienfeld sobre amplificadores de estado sólido no encontraron un uso práctico en los años 1920 y 1930, aunque un dispositivo de este tipo ya se había construido.[5]

En 1934, el inventor alemán Oskar Heil patentó en Alemania y Gran Bretaña[6] un dispositivo similar. Cuatro años después, los también alemanes Robert Pohl y Rudolf Hilsch efectuaron experimentos en la Universidad de Göttingen, con cristales de bromuro de potasio, usando tres electrodos, con los cuales lograron la amplificación de señales de 1 Hz, pero sus investigaciones no condujeron a usos prácticos. [7] Mientras tanto, la experimentación en los Laboratorios Bell con rectificadores a base de óxido de cobre y las explicaciones sobre rectificadores a base de semiconductores por parte del alemán Walter Schottky y del inglés Nevill Mott, llevaron a pensar en 1938 a William Shockley que era posible lograr la construcción de amplificadores a base de semiconductores, en lugar de tubos de vacío. [7]

Desde el 17 de noviembre de 1947 hasta el 23 de diciembre de 1947, los físicos estadounidenses John Bardeen y Walter Houser Brattain de los Laboratorios Bell [8] llevaron a cabo diversos experimentos y observaron que cuando dos contactos puntuales de oro eran aplicados a un cristal de germanio, se produjo una señal con una potencia de salida mayor que la de entrada.[9] El líder del Grupo de Física del Estado Sólido William Shockley vio el potencial de este hecho y, en los siguientes meses, trabajó para ampliar en gran medida el conocimiento de los semiconductores. El término "transistor" fue sugerido por el ingeniero estadounidense John R. Pierce, basándose en dispositivos semiconductores ya conocidos entonces, como el termistor y el varistor y basándose en la propiedad de transrresistencia que mostraba el dispositivo. [10] Según una biografía de John Bardeen, Shockley había propuesto que la primera patente para un transistor de los Laboratorios Bell debía estar basado en el efecto de campo y que él fuera nombrado como el inventor. Habiendo redescubierto las patentes de Lilienfeld que quedaron en el olvido años atrás, los abogados de los Laboratorios Bell desaconsejaron la propuesta de Shockley porque la idea de un transistor de efecto de campo no era nueva. En su lugar, lo que Bardeen, Brattain y Shockley inventaron en 1947 fue el primer transistor de contacto de punto, cuya primera patente solicitaron los dos primeros nombrados, el día 17 de junio de 1948, [11] a la cual siguieron otras patentes acerca de aplicaciones de este dispositivo. [12] [13] [14] En reconocimiento a este logro, Shockley, Bardeen y Brattain fueron galardonados conjuntamente con el Premio Nobel de Física de 1956 "por sus investigaciones sobre semiconductores y su descubrimiento del efecto transistor". [15]

En 1948, el transistor de contacto fue inventado independientemente por los físicos alemanes Herbert Mataré y Heinrich Welker, mientras trabajaban en la Compagnie des Freins et Signaux, una subsidiaria francesa de la estadounidense Westinghouse. Mataré tenía experiencia previa en el desarrollo de rectificadores de cristal de silicio y de germanio mientras trabajaba con Welker en el desarrollo de un radar alemán durante la Segunda Guerra Mundial. Usando este conocimiento, él comenzó a investigar el fenómeno de la "interferencia" que había observado en los rectificadores de germanio durante la guerra. En junio de 1948, Mataré produjo resultados consistentes y reproducibles utilizando muestras de germanio producidas por Welker, similares a lo que Bardeen y Brattain habían logrado anteriormente en diciembre de 1947. Al darse cuenta de que los científicos de Laboratorios Bell ya habían inventado el transistor antes que ellos, la empresa se apresuró a poner en producción su dispositivo llamado "transistron" para su uso en la red telefónica de Francia. [16] El día 26 de junio de 1948, Wiliam Shockley solicitó la patente del transistor bipolar de unión [17] y el 24 de agosto de 1951 solicitó la primera patente de un transistor de efecto de campo[18] , tal como se declaró en ese documento, en el que se mencionó la estructura que ahora posee. Al año siguiente, George Clement Dacey e Ian Ross, de los Laboratorios Bell, tuvieron éxito al fabricar este dispositivo, [19] cuya nueva patente fue solicitada el día 31 de octubre de 1952 [20] . Meses antes, el 9 de mayo de ese año, el ingeniero Sidney Darlington solicitó la patente del arreglo de dos transistores conocido actualmente como transistor Darlington. [21]

El primer transistor de alta frecuencia fue el transistor de barrera de superficie de germanio desarrollado por los estadounidenses John Tiley y Richard Williams de Philco Corporation en 1953, [22] capaz de operar con señales de hasta 60 MHz. [23] Para fabricarlo, se usó un procedimiento creado por los ya mencionados inventores mediante el cual eran grabadas depresiones en una base de germanio tipo N de ambos lados con chorros de sulfato de indio hasta que tuviera unas diez milésimas de pulgada de espesor. El Indio electroplateado en las depresiones formó el colector y el emisor. [24] El primer receptor de radio para automóviles que fue producido en 1955 por Chrysler y Philco, usó estos transistores en sus circuitos y también fueron los primeros adecuados para las computadoras de alta velocidad de esa época. [25] [26]

El primer transistor de silicio operativo fue desarrollado en los Laboratorios Bell en enero 1954 por el químico Morris Tanenbaum. [27] El día 20 de junio de 1955, Tanenbaum y Calvin Fuller, solicitaron una patente para un procedimiento inventado por ambos para producir dispositivos semiconductores. [28] El primer transistor de silicio comercial fue producido por Texas Instruments en 1954 gracias al trabajo del experto Gordon Teal quien había trabajado previamente en los Laboratorios Bell en el crecimiento de cristales de alta pureza. [29] El primer transistor MOSFET fue construido por el coreano-estadounidense Dawon Kahng y el egipcio Martin Atalla, ambos ingenieros de los Laboratorios Bell, en 1960. [30] [31]

Funcionamiento[editar]

El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades específicas) que forman dos uniones bipolares: el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, [32] a diferencia de los resistores, condensadores e inductores que son elementos pasivos.[33]

De manera simplificada, la corriente que circula por el colector es función amplificada de la que se inyecta en el emisor, pero el transistor sólo gradúa la corriente que circula a través de sí mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la base para que circule la carga por el colector, según el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificación o ganancia logrado entre corriente de colector y corriente de base, se denomina Beta del transistor. Otros parámetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima, disipación de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas(configuraciones) básicos para utilización analógica de los transistores son emisor común, colector común y base común.

Modelos posteriores al transistor descrito, el transistor bipolar (transistores FET, MOSFET, JFET, CMOS, VMOS, etc.) no utiliza la corriente que se inyecta en el terminal de base para modular la corriente de emisor o colector, sino la tensión presente en el terminal de puerta y gradúa la conductancia del canal entre los terminales de Fuente y Drenaje. Cuando la conductancia es nula y el canal se encuentra estrangulado, por efecto de la tensión aplicada entre Compuerta y Fuente, es el campo eléctrico presente en el canal el responsable de impulsar los electrones desde la fuente al drenaje. De este modo, la corriente de salida en la carga conectada al Drenaje (D) será función amplificada de la tensión presente entre la compuerta y la fuente, de manera análoga al funcionamiento del triodo.

Los transistores de efecto de campo son los que han permitido la integración a gran escala disponible hoy en día; para tener una idea aproximada pueden fabricarse varios cientos de miles de transistores interconectados, por centímetro cuadrado y en varias capas superpuestas.

Tipos de transistor[editar]

Distintos encapsulados de transistores.

Transistor de contacto puntual[editar]

Llamado también «transistor de punta de contacto», fue el primer transistor capaz de obtener ganancia, inventado en 1947 por John Bardeen y Walter Brattain. Consta de una base de germanio, semiconductor para entonces mejor conocido que la combinación cobre-óxido de cobre, sobre la que se apoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector. La corriente de base es capaz de modular la resistencia que se «ve» en el colector, de ahí el nombre de transfer resistor. Se basa en efectos de superficie, poco conocidos en su día. Es difícil de fabricar (las puntas se ajustaban a mano), frágil (un golpe podía desplazar las puntas) y ruidoso. Sin embargo convivió con el transistor de unión debido a su mayor ancho de banda. En la actualidad ha desaparecido.

Transistor de unión bipolar[editar]

Diagrama de Transistor NPN

El transistor de unión bipolar (o BJT, por sus siglas del inglés bipolar junction transistor) se fabrica sobre un monocristal de material semiconductor como el germanio, el silicio o el arseniuro de galio, cuyas cualidades son intermedias entre las de un conductor eléctrico y las de un aislante. Sobre el sustrato de cristal se contaminan en forma muy controlada tres zonas sucesivas, N-P-N o P-N-P, dando lugar a dos uniones PN.

Las zonas N (en las que abundan portadores de carga Negativa) se obtienen contaminando el sustrato con átomos de elementos donantes de electrones, como el arsénico o el fósforo; mientras que las zonas P (donde se generan portadores de carga Positiva o «huecos») se logran contaminando con átomos aceptadores de electrones, como el indio, el aluminio o el galio.

La tres zonas contaminadas, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la región de la base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen diferente contaminación entre ellas (por lo general, el emisor está mucho más contaminado que el colector).

El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá de dichas contaminaciones, de la geometría asociada y del tipo de tecnología de contaminación (difusión gaseosa, epitaxial, etc.) y del comportamiento cuántico de la unión.

Transistor de efecto de campo[editar]

El transistor de efecto de campo de unión (JFET), fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otro drenador. Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando la puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.

El transistor de efecto de campo, o FET por sus siglas en inglés, que controla la corriente en función de una tensión; tienen alta impedancia de entrada.

  • Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante una unión PN.
  • Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la compuerta se aísla del canal mediante un dieléctrico.
  • Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa Metal-Óxido-Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica y está separada del canal semiconductor por una capa de óxido.

Fototransistor[editar]

Los fototransistores son sensibles a la radiación electromagnética en frecuencias cercanas a la de la luz visible; debido a esto su flujo de corriente puede ser regulado por medio de la luz incidente. Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, sólo que puede trabajar de 2 maneras diferentes:

  • Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común);
  • Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación).

Transistores y electrónica de potencia[editar]

Con el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de los dispositivos semiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión y corriente ha permitido su uso en aplicaciones de potencia. Es así como actualmente los transistores son empleados en conversores estáticos de potencia, controles para motores y llaves de alta potencia (principalmente inversores), aunque su principal uso está basado en la amplificación de corriente dentro de un circuito cerrado.

Construcción[editar]

Material semiconductor[editar]

Características del material semiconductor
Material
semiconductor
Tensión directa
de la unión
V @ 25 °C
Movilidad electrónica
m2/(V·s) @ 25 °C
Movilidad de agujeros
m2/(V·s) @ 25 °C
Max.
unión temp.
°C
Ge 0.27 0.39 0.19 70 to 100
Si 0.71 0.14 0.05 150 to 200
GaAs 1.03 0.85 0.05 150 to 200
Al-Si unión 0.3 150 to 200

Los primeros BJT se hicieron a partir de germanio (Ge). Silicio (Si) los tipos actualmente predominan pero ciertas versiones de microondas avanzado y de alto rendimiento ahora emplean el semiconductor compuesto de arseniuro de galio de material (GaAs) y el silicio-germanio aleación de semiconductores (SiGe). Individual material del elemento semiconductor (Ge y Si) se describe como elemental.

El transistor bipolar como amplificador

El comportamiento del transistor se puede ver como dos diodos (Modelo de Ebers-Moll), uno entre base y emisor, polarizado en directo y otro diodo entre base y colector, polarizado en inverso. Esto quiere decir que entre base y emisor tendremos una tensión igual a la tensión directa de un diodo, es decir 0,6 a 0,8 V para un transistor de silicio y unos 0,4 para el germanio.

Lo interesante del dispositivo es que en el colector tendremos una corriente proporcional a la corriente de base: IC = β IB, es decir, ganancia de corriente cuando β>1. Para transistores normales de señal, β varía entre 100 y 300. Existen tres configuraciones para el amplificador transistorizado: emisor común, base común y colector común.

Emisor común[editar]

Emisor común.

La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el colector. El emisor se conecta al punto de tierra (masa) tanto de la señal de entrada como de salida. En esta configuración, existe tanto ganancia tanto de tensión como de corriente. En caso de tener resistencia de emisor, (RE) debe ser mayor de 50 ohmios, y para frecuencias bajas, la se aproxima bastante bien la impedancia de salida, por RC y la ganancia en tensión por la expresión:

G_V = -\frac {R_C}{R_E}

Como la base está conectada al emisor por un diodo polarizado en directo, entre ellos se puede suponer que existe una tensión constante, denominada V_{BE} y que el valor de β es constante. Del gráfico adjunto, se deduce que la tensión de emisor es:

V_E = V_B - V_{BE}

Y la corriente de emisor:

I_E = \frac {V_E}{R_E} = \frac {V_B - V_{BE}}{R_E}.

La corriente de emisor es igual a la de colector más la de base:

\begin{align} I_E & = I_C + I_B \\ &= I_C + \frac {I_C}{\beta}\\ &= I_C (1 + \frac {1}{\beta}) \\ \end{align}

Despejando la corriente de colector:

I_C = \frac {I_E}{1 + \frac {1}{\beta}}

La tensión de salida, que es la de colector se calcula así:

\begin{align}V_C &= V_{CC} - I_C R_C \\&= V_{CC} - R_C *\frac {I_E}{1 + \displaystyle \frac {1}{\beta}}\end{align}

Como β >> 1, se puede aproximar:

1 + \frac {1}{\beta} = 1

y, entonces es posible calcular la tensión de colector como:

\begin{align} V_C &= V_{CC} - R_C I_E \\ &=  V_{CC} - R_C *\bigg(\frac {V_B - V_{BE}}{R_E}\bigg)\\&= \bigg(V_{CC} + R_C \frac {V_{BE}}{R_E}\bigg)- R_C \frac {V_B}{R_E}\end{align}

La parte entre paréntesis es constante (no depende de la señal de entrada), y la restante expresa la señal de salida. El signo negativo indica que la señal de salida está desfasada 180º respecto a la de entrada.

Finalmente, la ganancia es expresada como:

\begin{align}G_V &=\frac {V_C}{V_B}\\ &=- \frac {R_C}{R_E}\end{align}

La corriente de entrada, I_B = \frac {I_E}{1+\beta}, si \beta >>1 puede expresarse como sigue:

\begin{align} I_B & = \frac {I_E}{\beta}\\&=\frac {V_E}{R_E \beta}\\&=\frac {V_B - V_{BE}}{R_E \beta}\end{align}

Suponiendo que V_B>>V_{BE}, podemos escribir:

I_B = \frac {V_B}{R_E \beta}

Al dividir la tensión y corriente en la base, la impedancia o resistencia de entrada queda como:

\begin{align} Z_{in} &= \frac {V_B}{I_B}\\&=\frac {V_B}{\displaystyle\frac {V_B}{R_E \beta}}\\ &=R_E \beta\end{align}

Para tener en cuenta la influencia de frecuencia se deben utilizar modelos de transistor más elaborados. Es muy frecuente usar el modelo en pi.

Base común[editar]

Base común.

La señal se aplica al emisor del transistor y se extrae por el colector. La base se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia sólo de tensión. La impedancia de entrada es baja y la ganancia de corriente algo menor que uno, debido a que parte de la corriente de emisor sale por la base. Si añadimos una resistencia de emisor, que puede ser la propia impedancia de salida de la fuente de señal, un análisis similar al realizado en el caso de emisor común, da como resultado que la ganancia aproximada es: G_V=\frac {R_C}{R_E}

La base común se suele utilizar para adaptar fuentes de señal de baja impedancia de salida como, por ejemplo, micrófonos dinámicos.

Colector común[editar]

Colector común.

La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. El colector se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia de corriente, pero no de tensión que es ligeramente inferior a la unidad. La impedancia de entrada es alta, aproximadamente β+1 veces la impedancia de carga. Además, la impedancia de salida es baja, aproximadamente β veces menor que la de la fuente de señal.

El transistor bipolar frente a la válvula termoiónica[editar]

Antes de la aparición del transistor, eran usadas las válvulas termoiónicas. Las válvulas tienen características eléctricas similares a la de los transistores de efecto campo (FET): la corriente que los atraviesa depende de la tensión en el terminal llamado rejilla. Las razones por las que el transistor reemplazó a la válvula termoiónica son varias:

  • Las válvulas necesitan tensiones muy altas, del orden de las centenas de voltios, que son peligrosas para el ser humano.
  • Las válvulas consumen mucha energía, lo que las vuelve particularmente poco útiles para el uso con baterías.
  • El peso: El chasis necesario para alojar las válvulas y los transformadores requeridos para su funcionamiento sumaban un peso importante, que iba desde algunos kilos a decenas de kilos.
  • El tiempo medio entre fallas de las válvulas termoiónicas, el cual es muy corto comparado con el de los transistores, sobre todo a causa del calor generado.
  • Retardo en el arranque: Las válvulas presentan una cierta demora en comenzar a funcionar, ya que necesitan estar calientes para establecer la conducción.
  • El efecto microfónico: Muy frecuente en las válvulas a diferencia de los transistores, que son intrínsecamente insensibles a él.
  • Tamaño: Los transistores son más pequeños que las válvulas. Aunque existe unanimidad sobre este punto, conviene hacer una salvedad: en el caso de dispositivos de potencia, estos deben llevar un disipador, de modo que el tamaño que se ha de considerar es el del dispositivo (válvula o transistor) más el del disipador. Como las válvulas pueden funcionar a temperaturas más elevadas, la eficiencia del disipador es mayor en ellas que en los transistores, con lo que basta un disipador mucho más pequeño.
  • Los transistores trabajan con impedancias bajas, o sea con tensiones reducidas y corrientes altas; mientras que las válvulas presentan impedancias elevadas y por lo tanto trabajan con altas tensiones y pequeñas corrientes.
  • Costo: Los transistores costaban menos que las válvulas, desde su lanzamiento inicial y se contó con la promesa de las empresas fabricantes de que su costo continuaría bajando (como de hecho ocurrió) con suficiente investigación y desarrollo.

Como ejemplo de todos estos inconvenientes se puede citar a la primera computadora digital, llamada ENIAC, la cual pesaba más de treinta toneladas y consumía 200 kilovatios, suficientes para alimentar una pequeña ciudad, a causa de sus aproximadamente 18 000 válvulas, de las cuales algunas se quemaban cada día, necesitando una logística y una organización importantes para mantener este equipo en funcionamiento.

El transistor bipolar reemplazó progresivamente a la válvula termoiónica durante la década de 1950, pero no del todo. En efecto, durante los años 1960, algunos fabricantes siguieron utilizando válvulas termoiónicas en equipos de radio de gama alta, como Collins y Drake; luego el transistor desplazó a la válvula de los transmisores pero no del todo en los amplificadores de radiofrecuencia. Otros fabricantes de instrumentos eléctricos musicales como Fender, siguieron utilizando válvulas en sus amplificadores de audio para guitarras eléctricas. Las razones de la supervivencia de las válvulas termoiónicas son varias:

  • Falta de linealidad: El transistor no tiene las características de linealidad a alta potencia de la válvula termoiónica, por lo que no pudo reemplazarla en los amplificadores de transmisión de radio profesionales y de radioaficionados sino hasta varios años después.[cita requerida]
  • Generación de señales armónicas: Las señales armónicas introducidas por la falta de linealidad de las válvulas resultan agradables al oído humano, como demuestra la psicoacústica, por lo que son preferidos por los audiófilos.
  • Sensibilidad a explosiones nucleares: El transistor es muy sensible a los efectos electromagnéticos de las explosiones nucleares, por lo que se siguieron utilizando válvulas termoiónicas en algunos sistemas de control y comando de aviones caza de fabricación soviética.[cita requerida]
  • Manejo de altas potencias: Las válvulas son capaces de manejar potencias muy grandes, a diferencia de la que manejaban los primeros transistores; sin embargod a través de los años se desarrollaron etapas de potencia con múltiples transistores en paralelo capaces de conseguir manejo de potencias mayores.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. «Patent 272437 Summary» (en inglés). Canadian Intellectual Property Office. Consultado el 19 de febrero de 2016. 
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Enlaces externos[editar]