Transistores

Su cerebro contiene alrededor de 100 mil millones de células llamadas neuronas, pequeños interruptores que le permiten pensar y recordar las cosas. Las computadoras también contienen miles de millones de «células cerebrales» en miniatura. Se llaman transistores y están hechos de silicio, un elemento químico que se encuentra comúnmente en la arena.

Los transistores han revolucionado la electrónica desde que John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley los inventaron hace más de medio siglo. Pero, ¿Qué son y cómo funcionan?

Introducción a los transistores

Los transistores son el núcleo de la tecnología electrónica actual. El desarrollo del transistor bipolar o transistor de unión bipolar, BJT, ha dado lugar a muchos cambios en el mundo.

La introducción del transistor bjt ha permitido muchas tecnologías que damos por sentado hoy: desde radios de transistores portátiles, hasta teléfonos móviles y computadoras. Todos estos y muchos más artículos cotidianos han sido posibles gracias a la invención del transistor.

Hoy en día, los transistores bipolares están disponibles en muchas formas. Pero los transistores también se usan ampliamente dentro de los circuitos integrados. La mayoría de los circuitos integrados digitales usan tecnología de efecto de campo, pero muchos circuitos integrados analógicos usan tecnología bipolar para proporcionar el rendimiento requerido.

Junto con el transistor de efecto de campo, FET, el transistor bipolar forma la base de la mayoría de los equipos electrónicos actuales, ya sea como dispositivos discretos o dentro de circuitos integrados.

¿Qué es un transistor?

Definición: Un transistor es un dispositivo semiconductor que transfiere una señal débil del circuito de baja resistencia al circuito de alta resistencia. En otras palabras, es un dispositivo utilizado como amplificador o interruptor que regula las señales eléctricas como el voltaje o la corriente.

Los transistores son uno de los componentes básicos de la electrónica moderna. Se componen de material semiconductor y suelen tener al menos tres terminales para conectarse a un circuito externo.

Hoy en día, algunos transistores se empaquetan individualmente, pero muchos más se encuentran incorporados en circuitos integrados.

En comparación con el tubo de vacío, los transistores son generalmente más pequeños y requieren menos energía para funcionar. Algunos tubos de vacío tienen ventajas sobre los transistores a frecuencias de funcionamiento muy altas o a tensiones de funcionamiento elevadas.

Muchos tipos de transistores se fabrican según especificaciones estandarizadas por múltiples fabricantes.

Los transistores revolucionaron el campo de la electrónica y abrieron el camino a radios, calculadoras y ordenadores más pequeños y baratos, entre otras cosas.

Partes de un transistor

Un transistor típico se compone de tres materiales semiconductores que ayudan a establecer una conexión con un circuito externo y a transportar la corriente. El transistor se podría decir que posee tres partes, y son:

• Base: Sirve para activar el transistor.
• Colector: Es el cable positivo del transistor.
• Emisor: Es el cable negativo del transistor.

Símbolo del transistor

En un transistor de unión bipolar (BJT), existen dos tipos de transistores: el transistor NPN y el transistor PNP. El símbolo del transistor NPN y PNP se muestra en la siguiente figura.

La flecha del símbolo indica la dirección del flujo de la corriente convencional en el emisor con polarización directa aplicada a la unión emisor-base. La única diferencia entre el transistor NPN y PNP está en la dirección de la corriente.

Terminales de un transistor

El transistor tiene tres terminales: emisor, colector y base. A continuación se explican en detalle los terminales del diodo.

Emisor

La sección que suministra la mayor parte del portador de carga se llama emisor. El emisor está siempre conectado en polarización directa con respecto a la base. La unión emisor-base inyecta una gran cantidad de portador de carga mayoritario en la base porque está muy dopada y tiene un tamaño moderado.

Colector

La sección que recoge la mayor parte del portador de carga mayoritario suministrado por el emisor se denomina colector. La unión colector-base está siempre en polarización inversa. Su función principal es eliminar las cargas mayoritarias de su unión con la base. La parte del colector de un transistor está moderadamente dopada, pero es de mayor tamaño para que pueda recoger la mayor parte del portador de carga suministrado por el emisor.

Base

La parte central del transistor se denomina base. La base forma dos circuitos, el de entrada con el emisor y el de salida con el colector. El circuito emisor-base está en polarización directa y ofrece la baja resistencia al circuito. La unión colector-base está en polarización inversa y ofrece la mayor resistencia al circuito. La base del transistor está ligeramente dopada y es muy fina.

¿Para qué sirve un transistor?

Entonces, ¿Cuál es la función de un Transistor?, Los ingenieros electrónicos utilizan los transistores para controlar el flujo de electricidad en los circuitos. Pueden funcionar hasta miles de millones de ciclos por segundo, amplificando o conmutando las corrientes eléctricas.

Los transistores son los componentes activos clave en prácticamente toda la electrónica moderna. Por ello, muchos consideran que el transistor es uno de los mayores inventos del siglo XX.

Su robustez, pequeño tamaño y bajo consumo de energía produjeron una ola de miniaturización que dio lugar a ordenadores domésticos, cámaras digitales, teléfonos móviles y otros dispositivos. La investigación en transistores es continua; la capacidad de la electrónica seguirá mejorando en un futuro previsible.

• Los transistores son excelentes interruptores electrónicos. Pueden activar y desactivar corrientes miles de millones de veces por segundo. Los ordenadores digitales utilizan transistores como mecanismo básico para almacenar y transferir datos, que funcionan a miles de millones de operaciones por segundo.
• Si se configuran correctamente, los transistores pueden servir de amplificadores. Esto se utiliza para aumentar la potencia de las señales de audio, radio, televisión y otras.
• Dependiendo de la aplicación, los transistores pueden fabricarse muy pequeños. En 2009, el tamaño de los transistores fue de milmillonésimas de metro. Las masas de transistores diminutos empaquetados en chips de silicio nos permiten crear teléfonos móviles y reproductores de Mp3 del tamaño de un bolsillo.
• Los transistores pueden diseñarse para consumir muy poca energía. Millones de ellos en un reloj o una calculadora pueden funcionar durante años con una pequeña pila.
• Los equipos transistorizados se utilizan en aplicaciones militares, espaciales e industriales. Pueden soportar golpes y vibraciones extremas.
• Los fototransistores controlan las señales eléctricas detectando la luz. Los sistemas de comunicaciones los utilizan para manejar los datos enviados por un rayo láser.
• Los dispositivos orgánicos de emisión de luz (OLED) son transistores que emiten luz. Al igual que las pantallas de cristal líquido (LCD), con ellos se pueden hacer pantallas planas

¿Cómo funciona un transistor?

El funcionamiento de un transistor es simple y complejo. Comencemos con la parte simple. Un transistor es un componente electrónico diminuto que puede hacer dos trabajos diferentes. Puede funcionar como un amplificador o como un interruptor:

• Cuando funciona como un amplificador, toma una pequeña corriente eléctrica en un extremo (una corriente de entrada) y produce una corriente eléctrica mucho mayor (una corriente de salida) en el otro extremo. En otras palabras, es una especie de amplificador de corriente. Esto es realmente útil en cosas como audífonos, una de las primeras cosas para las que las personas usaron transistores. Un audífono tiene un pequeño micrófono que capta los sonidos del mundo que te rodea y los convierte en corrientes eléctricas fluctuantes.
• Los transistores también pueden funcionar como interruptores. Una pequeña corriente eléctrica que fluye a través de una parte de un transistor puede hacer que una corriente mucho más grande fluya a través de otra parte. En otras palabras, la corriente pequeña se conecta a la más grande. Esto es esencialmente cómo funcionan todos los chips de computadora. Por ejemplo, un chip de memoria contiene cientos de millones o incluso miles de millones de transistores, cada uno de los cuales se puede encender o apagar individualmente. Dado que cada transistor puede estar en dos estados distintos, puede almacenar dos números diferentes, cero y uno. Con miles de millones de transistores, un chip puede almacenar miles de millones de ceros y unos, y casi tantos números y letras ordinarios (o caracteres, como los llamamos). Más sobre esto en un momento.

Lo mejor de las máquinas antiguas era que podía desmontarlas para descubrir cómo funcionaban. Nunca fue demasiado difícil, con un poco de ganas y empuje. Pero la electrónica es completamente diferente. Se trata de usar electrones para controlar la electricidad. Un electrón es una partícula diminuta dentro de un átomo. ¡Es tan pequeño que pesa poco menos de 0.000000000000000000000000000001 kg! Los transistores más avanzados funcionan controlando los movimientos de electrones individuales, por lo que puede imaginar cuán pequeños son. En un chip de computadora moderno, del tamaño de una uña, probablemente encontrarás entre 500 millones y dos mil millones de transistores separados. No hay posibilidad de desarmar un transistor para descubrir cómo funciona, por lo que debemos entenderlo con teoría e imaginación.

Condiciones de Funcionamiento del Transistor

Cuando la unión del emisor está en polarización directa y la unión del colector en polarización inversa, se dice que está en la región activa. El transistor tiene dos uniones que pueden estar polarizadas de diferentes maneras. Las diferentes conducciones de trabajo del transistor se muestran en la siguiente tabla.

DI – En este caso, la unión emisor-base está conectada en polarización directa y la unión colector-base está conectada en polarización inversa. El transistor está en la región activa y la corriente del colector depende de la corriente del emisor. El transistor que funciona en esta región se utiliza para la amplificación.

DD – En esta condición, ambas uniones están en polarización directa. El transistor está en saturación y la corriente del colector se vuelve independiente de la corriente base. Los transistores actúan como un interruptor cerrado.

¿Cómo se hace un transistor?

La mayoría de los transistores están hechos de silicio puro, y algunos con germanio, pero a veces se utilizan otros materiales semiconductores. El silicio es un elemento químico que se encuentra en la arena, que normalmente no conduce electricidad (no permite que los electrones fluyan a través de él fácilmente). El silicio es un semiconductor, lo que significa que no es realmente un conductor (algo así como un metal que permite el flujo de electricidad) ni un aislante (algo así como el plástico que detiene el flujo de electricidad). Si tratamos el silicio con impurezas (un proceso conocido como dopaje), podemos hacer que se comporte de una manera diferente.

Si dopamos el silicio con los elementos químicos como arsénico, fósforo o antimonio, el silicio gana algunos electrones «libres» adicionales, que pueden transportar una corriente eléctrica, por lo que los electrones fluirán de forma más natural. Debido a que los electrones tienen una carga negativa, el silicio tratado de esta manera se denomina tipo n (tipo negativo). También podemos dopar el silicio con otras impurezas como el boro, el galio y el aluminio. El silicio tratado de esta manera tiene menos electrones «libres», por lo que los electrones en los materiales cercanos tenderán a fluir hacia él. Llamamos a este tipo de silicio tipo p (tipo positivo).

Es importante tener en cuenta que ni el silicio tipo n o tipo p tiene una carga en sí misma: ambos son eléctricamente neutros. Es cierto que el silicio de tipo n tiene electrones «libres» adicionales que aumentan su conductividad. Mientras que el silicio de tipo p tiene menos electrones libres, lo que ayuda a aumentar su conductividad de la manera opuesta. En cada caso, la conductividad adicional proviene de haber agregado átomos neutros (sin carga) de impurezas al silicio. Una explicación más detallada necesitaría que presentara una idea llamada teoría de bandas, que está un poco más allá del alcance de este artículo. Todo lo que debemos recordar es que «electrones adicionales» significa electrones libres adicionales, que pueden moverse libremente y ayudar a transportar una corriente eléctrica.

Capas de silicio

Ahora tenemos dos tipos diferentes de silicio. Si los juntamos en capas, haciendo sándwiches de material tipo p y tipo n, podemos hacer diferentes tipos de componentes electrónicos que funcionan en todo tipo de formas.

Supongamos que unimos una pieza de silicio de tipo n con una pieza de silicio de tipo p y ponemos contactos eléctricos a cada lado. Cosas interesantes y útiles comienzan a suceder en la unión entre los dos materiales. Si activamos la corriente, podemos hacer que los electrones fluyan a través de la unión desde el lado de tipo n al lado de tipo p y salgan a través del circuito.

Esto sucede porque la falta de electrones en el lado de tipo p de la unión atrae a los electrones del lado de tipo n y viceversa. Pero si invertimos la corriente, los electrones no fluirán en absoluto. Lo que hemos hecho aquí se llama diodo (o rectificador). Es un componente electrónico que permite que la corriente fluya a través de él en una sola dirección. Es útil si desea convertir la corriente eléctrica alterna (bidireccional) en corriente continua (unidireccional). Además los diodos emiten una luz cuando la electricidad fluye a través de ellos. Es posible que haya visto estos diodos emisores de luz (LED) en calculadoras de bolsillo y pantallas electrónicas en equipos estéreo de alta.

Cómo funciona un transistor de unión

Ahora supongamos que usamos tres capas de silicio en nuestro sándwich en lugar de dos. Podemos hacer un sándwich p-n-p (con una rebanada de silicio tipo n como relleno entre dos rebanadas de tipo p) o un sándwich n-p-n (con el tipo p entre los dos bloques de tipo n). Si unimos los contactos eléctricos a las tres capas del emparedado, podemos hacer un componente que amplifique una corriente o la encienda o apague, en otras palabras, un transistor. Veamos cómo funciona en el caso de un transistor n-p-n.

Entonces sabemos de lo que estamos hablando, pongamos nombres a los tres contactos eléctricos. Llamaremos a las dos piezas de silicio de tipo n en emisor y colector, y el contacto unido al silicio de tipo p la llamaremos base. Cuando no fluye corriente en el transistor, sabemos que el silicio de tipo p carece de electrones (en la imagen de abajo se muestran pequeños signos más (+), que representan cargas positivas) y las dos piezas de silicio de tipo n tienen electrones adicionales (que muestran pequeños signos menos (-), que representan cargas negativas).

Otra forma de ver esto es decir que si bien el tipo n tiene un exceso de electrones, el tipo-p tiene agujeros donde deberían estar los electrones. Normalmente, los agujeros en la base actúan como una barrera, evitando cualquier flujo de corriente significativo desde el emisor al colector mientras el transistor está en su estado «apagado».

Un transistor funciona cuando los electrones y los agujeros comienzan a moverse a través de las dos uniones entre el silicio tipo n y tipo p.

Conectemos el transistor a alguna potencia. Supongamos que conectamos un pequeño voltaje positivo a la base, hacemos que el emisor cargue negativamente y que el colector cargue positivamente. Los electrones son arrastrados desde el emisor hacia la base, y luego desde la base hacia el colector. Y el transistor cambia a su estado «encendido»:

La pequeña corriente que activamos en la base genera un gran flujo de corriente entre el emisor y el colector. Al convertir una pequeña corriente de entrada en una gran corriente de salida, el transistor actúa como un amplificador. Pero también actúa como un interruptor al mismo tiempo. Cuando no hay corriente en la base, fluye poca o ninguna corriente entre el colector y el emisor. Encienda la corriente base y fluirá una gran corriente. Entonces la corriente base activa y desactiva todo el transistor. Técnicamente, este tipo de transistor se llama bipolar porque dos tipos diferentes (o «polaridades») de carga eléctrica (electrones negativos y agujeros positivos) están involucrados en hacer que la corriente fluya.

También podemos entender un transistor al pensar en él como un par de diodos. Con la base positiva y el emisor negativo, la unión base-emisor es como un diodo polarizado hacia adelante, con electrones que se mueven en una dirección a través de la unión (de izquierda a derecha en el diagrama) y los agujeros van en sentido opuesto (de derecha a izquierda). La unión del colector base es como un diodo con polarización inversa. El voltaje positivo del colector atrae a la mayoría de los electrones a través del circuito exterior (aunque algunos electrones se recombinan con agujeros en la base).

Cómo funciona un transistor de efecto campo (FET)

Todos los transistores funcionan controlando el movimiento de los electrones, pero no todos lo hacen de la misma manera. Al igual que un transistor de unión, un FET (transistor de efecto campo) tiene tres terminales diferentes, pero tienen los nombres de fuente (emisor), drenaje (colector) y puerta (base). En un FET, las capas de silicio de tipo n y tipo p se disponen de una manera ligeramente diferente y se recubren con capas de metal y óxido. Eso nos da un dispositivo llamado MOSFET (Transistor de efecto de campo de metal-oxido-semiconductor).

Aunque hay electrones adicionales en la fuente y drenaje de tipo n, no pueden fluir de uno a otro debido a los agujeros en la puerta de tipo p entre ellos. Sin embargo, si conectamos un voltaje positivo a la puerta, se crea un campo eléctrico que permite que los electrones fluyan en un canal delgado desde la fuente hasta el drenaje. Este «efecto de campo» permite que fluya una corriente y enciende el transistor:

En aras de la integridad, podríamos notar que un MOSFET es un transistor unipolar porque solo un tipo («polaridad») de carga eléctrica está involucrado en hacerlo funcionar.

¿Cómo funcionan los transistores en calculadoras y computadoras?

En la práctica, ¡no necesita saber nada de esto sobre electrones y agujeros a menos que vaya a diseñar chips de computadora para ganarse la vida! Todo lo que necesita saber es que un transistor funciona como un amplificador o un interruptor, usando una corriente pequeña para encender uno más grande. Pero hay otra cosa que vale la pena saber: ¿cómo ayuda todo esto a las computadoras a almacenar información y tomar decisiones?

Podemos juntar algunos interruptores de transistores para hacer algo llamado puerta lógica, que compara varias corrientes de entrada y da como resultado una salida diferente. Las puertas lógicas permiten que las computadoras tomen decisiones muy simples usando una técnica matemática llamada Álgebra Booleana. Tu cerebro toma decisiones de la misma manera. Por ejemplo, usando «imputs» (cosas que sabes) sobre el clima y lo que tienes en tu vestíbulo, puedes tomar una decisión como esta: «Si está lloviendo AND Tengo un paraguas, iré a las tiendas».

Ese es un ejemplo de álgebra booleana usando lo que se llama un «operador» AND (la palabra operador es solo un poco de jerga matemática para hacer que las cosas parezcan más complicadas de lo que realmente son). Puede tomar decisiones similares con otros operadores. «Si hace viento OR está nevando, entonces me pondré un abrigo» es un ejemplo del uso de un operador OR. O qué tal «Si está lloviendo AND Tengo un paraguas OR tengo un abrigo, entonces está bien salir». Usando AND, OR y otros operadores llamados NOR, XOR, NOT y NAND, las computadoras pueden sumar o comparar números binarios. Esa idea es la piedra angular de los programas de computadora: la serie lógica de instrucciones que hacen que las computadoras hagan cosas.

Normalmente, un transistor de unión está «apagado» cuando no hay corriente base y cambia a «encendido» cuando fluye la corriente base. Eso significa que se necesita una corriente eléctrica para encender o apagar el transistor. Pero los transistores como este se pueden conectar con puertas lógicas para que sus conexiones de salida realimenten sus inputs.

El transistor permanece encendido incluso cuando se elimina la corriente base. Cada vez que fluye una nueva corriente base, el transistor se «enciende» o se apaga. Permanece en uno de esos estados estables (activado o desactivado) hasta que aparezca otra corriente y la invierta. Este tipo de disposición se conoce como flip-flop. Y convierte un transistor en un dispositivo de memoria simple que almacena un cero (cuando está apagado) o uno (cuando está encendido). Los Flip-flops son la tecnología básica detrás de los chips de memoria de la computadora.

Aplicaciones del transistor

En nuestra sociedad moderna, el uso extensivo de la electricidad ha permitido diversas aplicaciones de los transistores en todos los circuitos electrónicos.

• Los transistores, en su mayoría, se utilizan en aplicaciones electrónicas como amplificadores de tensión y potencia.
• Se utilizan como interruptores en muchos circuitos.
• Se utilizan en la fabricación de circuitos lógicos digitales, como AND, NOT, etc.
• Los transistores se insertan en todo, desde las estufas hasta los ordenadores.
• Se utilizan en los microprocesadores como chips en los que se integran miles de millones de transistores.
• Antes se utilizaban en radios, equipos telefónicos, audífonos, etc.
• También se utilizaban antes en los tubos de vacío de gran tamaño.
• También se utilizan en los micrófonos para convertir las señales de sonido en señales eléctricas.

¿Quién Inventó el Transistor?

Los transistores fueron inventados en los Laboratorios Bell en Nueva Jersey en 1947 por tres brillantes físicos estadounidenses: John Bardeen (1908-1991), Walter Brattain (1902-1987) y William Shockley (1910-1989).

El equipo, dirigido por Shockley, había estado tratando de desarrollar un nuevo tipo de amplificador para el sistema telefónico estadounidense. Pero lo que realmente inventaron resultó tener aplicaciones mucho más extendidas. Bardeen y Brattain hicieron el primer transistor práctico (conocido como transistor de punto de contacto), el martes 16 de diciembre de 1947. Aunque Shockley había jugado un papel importante en el proyecto, estaba furioso y agitado por haber sido excluido. Poco después, durante una estadía en un hotel en una conferencia de física, él mismo descubrió la teoría del transistor de unión. Un dispositivo mucho mejor que el transistor de punto de contacto.

Mientras Bardeen dejó los Laboratorios Bell para convertirse en académico, Brattain se quedó un tiempo antes de retirarse para convertirse en maestro. Shockley creó su propia compañía de fabricación de transistores y ayudó a inspirar el fenómeno moderno que es «Silicon Valley» (el área próspera donde se han congregado las corporaciones de electrónica). Dos de sus empleados, Robert Noyce y Gordon Moore, fundaron Intel, el mayor fabricante de microchips del mundo.

Bardeen, Brattain y Shockley se reunieron brevemente unos años más tarde cuando compartieron el premio de ciencia más importante del mundo, el Premio Nobel de Física de 1956, por su descubrimiento.

El tipo de transistor más utilizado es el transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET), inventado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en los Laboratorios Bell en 1959.