Transistor electrónico, Concepto y ¿Cómo funciona?
Son los componentes electrónicos que pertenecen a un conjunto de elementos que se emplean como amplificadores u osciladores en diversos sistemas, como los de comunicación, control y computación. Antes de la invención del transistor en 1948, los avances en electrónica se basaban en el uso de tubos de vacío termoiónicos, amplificadores magnéticos, maquinaria rotatoria especializada y capacitores particulares, como los amplificadores.
Indice de Contenido
Introducción
El dispositivo semiconductor conocido como transistor puede reemplazar varias funciones del tubo de vacío en los circuitos electrónicos. Se compone de una pieza pequeña de material semiconductor, típicamente germanio o silicio, con tres o más conexiones eléctricas. El transistor consta de elementos fundamentales similares a los de un tubo de vacío triodo, como el emisor que cumple la función del cátodo caliente de un triodo al servir como fuente de electrones.
Los Laboratorios Bell fueron el lugar donde los físicos estadounidenses Walter Houser Brattain, John Bardeen y William Bradford Shockley desarrollaron el transistor, lo que les valió el Premio Nobel de Física en 1956. Shockley desempeñó un papel clave como promotor y director del programa de investigación de materiales semiconductores que llevó al descubrimiento de este grupo de dispositivos. Mientras tanto, sus colaboradores Brattain y Bardeen inventaron un tipo relevante de transistor.
La disposición atómica de un material semiconductor es responsable de sus características eléctricas. En el caso del germanio o el silicio cristalinos, los átomos se unen en una estructura periódica, creando una rejilla cúbica regular de tipo diamante. Esta estructura es esencial para las propiedades eléctricas del material.
En un cristal semiconductor, cada átomo tiene cuatro electrones de valencia que se emparejan con los electrones de átomos vecinos, creando enlaces covalentes. A bajas temperaturas y en un estado de cristal puro, los electrones no tienen libertad de movimiento, lo que hace que el material tenga propiedades aislantes.
Semiconductores tip N y P
Cuando un cristal de germanio o silicio contiene átomos de impurezas donantes, se le conoce como semiconductor negativo o tipo n, debido al exceso de electrones con carga negativa. Por otro lado, si se introduce una impureza receptora, el cristal se convierte en un semiconductor positivo o tipo p, así llamado por la presencia de huecos cargados positivamente. Un cristal simple que tenga dos regiones, una tipo n y otra tipo p, se puede fabricar agregando impurezas donantes y receptoras al germanio o silicio fundido en diferentes momentos durante la formación del cristal.
Cuando se introduce impurezas donantes y receptoras en momentos diferentes durante la formación del cristal, se obtiene un cristal con dos regiones distintas de materiales tipo n y tipo p. La interfaz entre estas dos regiones se llama unión pn. También es posible crear una unión pn colocando una porción de material donante en la superficie de un cristal tipo p o una porción de material receptor en la superficie de un cristal tipo n, y luego calentar para permitir la difusión de los átomos de impurezas a través de la capa superficial.
Cuando se aplica un voltaje externo, la unión pn se comporta como un rectificador, lo que significa que permite que la corriente fluya en una sola dirección. Si la región tipo p está conectada al terminal positivo de una batería y la región tipo n al terminal negativo, habrá una corriente fuerte que fluya a través del material a lo largo de la unión. Sin embargo, si la batería se conecta al revés, no habrá corriente.
Funcionamiento del Transistor
En la construcción de un transistor para obtener amplificación se pueden unir dos uniones. Existe un tipo de transistor conocido como transistor de unión npn, que está compuesto por una delgada capa de material tipo p entre dos secciones de material tipo n, y su circuito se muestra en la figura 2. En el diagrama, el material tipo n ubicado a la izquierda representa el emisor del transistor, que actúa como fuente de electrones.
Con el fin de facilitar el movimiento de la corriente a través de la unión np, se aplica un voltaje negativo pequeño al emisor en relación con la capa tipo p, conocida como base, la cual regula el flujo de electrones. El material tipo n en el circuito de salida funciona como colector y tiene un voltaje positivo elevado en comparación con la base, con el fin de evitar la inversión de la dirección de la corriente.
Los electrones que se liberan del emisor del transistor de unión npn son atraídos por el colector que está cargado positivamente, después de pasar por la base, que es un componente tipo p y controla el flujo de electrones. La impedancia de entrada, que se refiere a la resistencia al paso de la corriente, es reducida entre el emisor y la base, mientras que la impedancia de salida es elevada entre el colector y la base. Debido a esto, pequeñas variaciones en el voltaje de la base pueden producir grandes cambios en la caída de voltaje a lo largo de la resistencia del colector, lo que hace que este tipo de transistor sea un buen amplificador. El transistor de unión pnp, que es equivalente al triodo de vacío, también consta de dos uniones y funciona de manera similar al transistor npn. Por otro lado, existen otros tipos de transistores con tres uniones, como el transistor de unión npnp, que proporcionan una amplificación mayor que los transistores de dos uniones.
Hacia el final de los años sesenta, surgió una técnica electrónica innovadora, conocida como circuito integrado, que empezó a reemplazar al transistor en los dispositivos electrónicos de mayor complejidad. Aunque, en términos de tamaño, los circuitos integrados eran comparables a los transistores, tenían la capacidad de llevar a cabo la función de quince a veinte transistores. Durante la década de los setenta, el circuito integrado evolucionó de forma natural, lo que permitió la creación de circuitos de integración media, alta y muy alta. Con esto se consiguió fabricar ordenadores compactos y más sofisticados.
En la década de 1970, se introdujo el microprocesador como un desarrollo del circuito integrado de alta integración. El microprocesador es un ejemplo más avanzado de miniaturización, ya que un solo microprocesador puede combinar las funciones de múltiples placas de circuitos impresos. Además, tiene la capacidad de realizar cálculos a una potencia similar a la unidad central de procesamiento de computadoras mucho más grandes, todo en una pequeña microcomputadora alimentada por baterías que cabe en la palma de la mano.