Transistor

Transistor
Instalaciones
Formau por	union PN (es)

El transistor ye un dispositivu electronicu semiconductor utilizau p'apurrir una senal de salida en respuesta a una senal d'entrada. ^[1]Cumple funciones d' amplificador , oscilador , conmutador o rectificador . El terminu ≪transistor≫ ye la contraicion n' ingles de transfer resistor (≪ resistor de tresferencia≫). Anguano atopense prauticamente en tolos aparatos electronicos d'usu diariu: radios , televisiones , reproductores d'audiu y video , reloj de cuarzu , ordenadores , llampares fluorescentes , tomografo , telefonos moviles , ente otros.

Historia [ editar | editar la fonte ]

El transistor bipolar foi inventau nos Llaboratorios Bell d' Estaos Xunios n'avientu de 1947 por John Bardeen , Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley , quien fueron gallardoniaos col Premiu Nobel de Fisica en 1956. Foi'l sustitutu de la valvula termoionica de tres electrodos, o triodu .

El transistor d'efeutu campu foi patentau primero que'l transistor BJT (en 1930), pero nun se disponia de la teunoloxia necesaria pa fabricalos masivamente.

Ye por ello que de primeres s'usaron transistores bipolares y depues los denominaos transistores d'efeutu de campu (FET). Nos postreros, la corriente ente'l surtidor o fonte (source) y el drenaxe (drain) controlar por aciu el campu lletrico estableciu na canal. A lo ultimo, apaecio'l MOSFET (transistor FET de tipu Metal-Oxidu-Semiconductor). Los MOSFET dexaron un disenu desaxeradamente compactu, necesariu pa los circuitos altamente integraos (CI).

Guei la mayoria de los circuitos construyir con teunoloxia CMOS. La teunoloxia CMOS (Complementary MOS o MOS Complementariu) ye un disenu con dos distintos MOSFET (MOSFET de canal n y p), que se complementen mutuamente y peracaben bien poca corriente nun funcionamientu ensin carga .

El transistor consta d'un sustratu (usualmente siliciu ) y tres partes dopadas artificialmente (contaminaes con materiales especificos en cantidaes especifiques) que formen dos uniones bipolares, l'emisor qu'emite Portador de carga portadores , el colector que los recibe o gueta y la tercera, que ta entrepolada ente les dos primeres, modula el pasu de dichos portadores (base). A diferencia de les valvules, el transistor ye un dispositivu controlau por corriente y del que se llogra corriente amplificada. Nel disenu de circuitos a los transistores considerase-yos un elementu activu, a diferencia de los resistores , condensadores y inductores que son elementos pasivos. El so funcionamientu namai puede esplicase por aciu mecanica cuantica .

De manera simplificada, la corriente que circula pol colector ye funcion amplificada de la que s'inyecta nel emisor , pero'l transistor namai gradua la corriente que circula al travies de sigo mesmu, si dende una fonte de corriente continua alimentase la base por que circule la carga pol colector , segun el tipu de circuitu que s'utilice. El factor d'amplificacion o ganancia llograu ente corriente de colector y corriente de base, denominar Beta del transistor. Otros parametros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipu de transistor son: Tensiones de rotura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Maxima, disipacion de calor, frecuencia de trabayu, y delles tables onde se grafican los distintos parametros tales como corriente de base, tension Colector Emisor, tension Base Emisor, corriente d'Emisor, etc. Los tres tipos d'esquemes(configuraciones) basicos pa usu analoxicu de los transistores son emisor comun, colector comun y base comun.

Modelos posteriores al transistor descritu, el transistor bipolar (transistores FET, MOSFET, JFET, CMOS, VMOS, etc.) nun utilicen la corriente que s'inyecta nel terminal de base pa modular la corriente d'emisor o colector, sinon la tension presente nel terminal de puerta o rexa de control (graduador) y gradua la conductancia de la canal ente los terminales de Fonte y Drenaxe. Cuando la conductancia ye nula y la canal alcuentrase esganau, por efeutu de la tension aplicao ente Compuerta y Fonte, ye'l campu lletrico presente na canal el responsable d'impulsar los electrones dende la fonte al drenaxe. D'esta miente, la corriente de salida na carga coneutada al Drenaxe (D) va ser funcion amplificada de la Tension presente ente la Compuerta (Gate) y Fonte (Source). El so funcionamientu ye analogu al del triodu , cola salveda que nel triodu los equivalentes a Compuerta, Drenador y Fonte son Rexa (o Alluna Control), Placa y Catodu.

Los transistores d'efeutu de campu son los que dexaron la integracion a gran escala disponible anguano; pa tener una idea averada pueden fabricase dellos cientos de miles de transistores interconectaos, por centimetru cuadrau y en delles capes superpuestes.

Tipos de transistor [ editar | editar la fonte ]

Transistor de contautu puntual [ editar | editar la fonte ]

Llamau tamien ≪transistor de punta de contautu≫, foi'l primer transistor capaz de llograr ganancia, inventau en 1947 por John Bardeen y Walter Brattain. Consta d'una base de xermaniu , semiconductor aquel dia meyor conociu que la combinacion cobre - oxidu de cobre , sobre la que se sofiten, bien xuntes, dos puntes metaliques que constituin l'emisor y el colector. La corriente de base ye capaz de modular la resistencia que se ve≫ nel colector, d'ende'l nome de transfer resistor . Basar n'efeutos de superficie, pocu conocios nel so dia. Ye malo de fabricar (les puntes afaiense a mano), fraxil (un golpe podia mover les puntes) y ruidosu. Sicasi convivio col transistor d'union (W. Shockley, 1948) por cuenta del so mayor anchu de banda. Na actualida sumio.

Transistor d'union bipolar [ editar | editar la fonte ]

El transistor d'union bipolar (o BJT, poles sos sigles del ingles bipolar junction transistor ) fabricase sobre un monocristal de material semiconductor como'l xermaniu, el siliciu o'l arseniuro de galio , que les sos cualidaes son entemedies ente les d'un conductor lletricu y les d'un aislante. Sobre'l sustratu de cristal contaminar en forma bien controlada tres zones socesives, N-P-N o P-N-P, dando llugar a dos uniones PN .

Les zones N (nes qu'abonden portadores de carga N egativa) llogrense contaminando'l sustratu con atomos d'elementos donantes d' electrones , como'l arsenicu o'l fosforu ; ente que les zones P (onde se xeneren portadores de carga P ositiva o ≪buecos≫) llogrense contaminando con atomos aceptadores d'electrones, como'l indiu , el aluminiu o'l galio .

El tres zones contaminaes, dan como resultau transistores PNP o NPN, onde la lletra entemedia siempres correspuende a la rexon de la base, y les otres dos al emisor y al colector que, magar son del mesmu tipu y de signu contrariu a la base, tienen distinta contaminacion ente elles (polo xeneral, l'emisor ta muncho mas contaminau que'l colector).

El mecanismu que representa'l comportamientu semiconductor va depender de diches contaminaciones, de la xeometria acomunada y del tipu de teunoloxia de contaminacion (espardimientu gaseosu, epitaxial, etc.) y del comportamientu cuanticu de la union.

Transistor d'efeutu de campu [ editar | editar la fonte ]

El transistor d'efeutu de campu d'union (JFET), foi'l primer transistor d'efeutu de campu na prautica. Formar una barra de material semiconductor de siliciu de tipu N o P. Nos terminales de la barra establez un contautu ohmico, tenemos asina un transistor d'efeutu de campu tipu N de la forma mas basica. Si espublicense dos rexones P nuna barra de material N y conectense externamente ente sigo, va producise una puerta. A unu d'estos contactos llamaremos-y surtidor y al otru drenador. Aplicando tension positiva ente'l drenador y el surtidor y coneutando la puerta al surtidor, vamos establecer una corriente, a la que vamos llamar corriente de drenador con polarizacion cero. Con un potencial negativu de puerta al que llamamos tension de estrangulamiento, cesa la conduccion na canal.

El transistor d'efeutu de campu , o FET poles sos sigles n'ingles, que controla la corriente en funcion d'una tension; tienen alta impedancia d'entrada.

Transistor d'efeutu de campu d'union, JFET , construyiu por aciu una union PN.
Transistor d'efeutu de campu de compuerta aisllada, IGFET, nel que la compuerta aisllar de la canal por aciu un dielectricu .
Transistor d'efeutu de campu MOS, MOSFET , onde MOS significa Metal-Oxidu-Semiconductor, nesti casu la compuerta ye metalica y ta dixebrada de la canal semiconductor por una capa d' oxidu .

Fototransistor [ editar | editar la fonte ]

Los fototransistores son sensibles a la radiacion electromagnetico en frecuencies cercanes a la de la lluz visible; por cuenta de esto'l so fluxu de corriente puede ser regulau per mediu de la lluz incidente. Un fototransistor ye, n'esencia, lo mesmo qu'un transistor normal, namai que puede trabayar de 2 maneres distintes:

Como un transistor normal cola corriente de base (IB) (manera comun);
Como fototransistor, cuando la lluz qu'incide nesti elementu fai les vegaes de corriente de base. (IP) (manera de llume).

Transistores y electronica de potencia [ editar | editar la fonte ]

Col desenvolvimientu teunoloxicu y evolucion de la electronica , la capacida de los dispositivos semiconductores pa soportar cada vegada mayores niveles de tension y corriente dexo'l so usu n'aplicaciones de potencia. Ye segun anguano los transistores son emplegaos en conversores estaticos de potencia, controles pa motores y llaves d'alta potencia (principalmente inversores), anque'l so principal usu ta basau na amplificacion de corriente dientro d'un circuitu zarrau.

Construccion [ editar | editar la fonte ]

Material semiconductor [ editar | editar la fonte ]

Carauteristiques del material semiconductor
Material semiconductor	Tension direuto de la union V @ 25 °C	Movilida d'electrones m²/(V·s) @ 25 °C	Movilida de furacos m²/(V·s) @ 25 °C	Maxima temperatura de xunion °C
Ge	0.27	0.39	0.19	70 a 100
Si	0.71	0.14	0.05	150 a 200
GaAs	1.03	0.85	0.05	150 a 200
Al-Si	0.3	?	?	150 a 200

Los primeres BJT facer a partir de xermaniu (Gue). Siliciu (Si) los tipos anguano predominen pero ciertes versiones de microondes avanzau y d'altu rendimientu agora empleguen el semiconductor compuestu de arseniuro de galio de material (GaAs) y el siliciu-germanio aleacion de semiconductores (SiGe). Individual material del elementu semiconductor (Gue y Si) describese como elemental.

El transistor bipolar como amplificador [ editar | editar la fonte ]

El comportamientu del transistor puede vese como dos diodos ( Modelu de Ebers-Moll ), unu ente base y emisor, polarizau en direutu y otru diodu ente base y colector, polarizau n'inversu. Esto quier dicir qu'ente base y emisor vamos tener una tension igual a la tension direuto d'un diodu, ye dicir 0,6 a 0,8 V pa un transistor de siliciu y unos 0,4 pal xermaniu.

Lo interesante del dispositivu ye que nel colector vamos tener una corriente proporcional a la corriente de base: I _C = β I _B, esto ye, ganancia de corriente cuando β>1. Pa transistores normales de senal, β varia ente 100 y 300.

Entos, esisten tres configuraciones pal amplificador:

Emisor comun [ editar | editar la fonte ]

La senal aplicar a la base del transistor y estrayer pol colector. L'emisor coneutar a les mases tantu de la senal d'entrada como a la de salida. Nesta configuracion tiense ganancia tantu de tension como de corriente. En casu de tener resistencia d'emisor, R _Y > 50 Ω, y pa frecuencies baxes, la ganancia en tension averase abondo bien pola siguiente espresion: $G_{V}=-{\frac {R_{C}}{R_{Y}}}$ ; y la impedancia de salida, por R _C

Como la base ta coneutada al emisor por un diodu en direutu, ente ellos podemos suponer una tension constante, V _g. Tamien vamos suponer que β ye constante. Entos tenemos que la tension d'emisor ye: $V_{Y}=V_{B}-V_{g}$

Y la corriente d'emisor: $I_{Y}={\frac {V_{Y}}{R_{Y}}}={\frac {V_{B}-V_{g}}{R_{Y}}}$ .

La corriente d'emisor ye igual a la de colector mas la de base: $I_{Y}=I_{C}+I_{B}=I_{B}(\beta +1)=I_{C}(1+{\frac {1}{\beta }})$ . Estenando $I_{C}={\frac {I_{Y}}{1+{\frac {1}{\beta }}}}$

La tension de salida, que ye la de colector calculase como: $V_{C}=Vcc-I_{C}R_{C}=Vcc-R_{C}{\frac {I_{Y}}{1+{\frac {1}{\beta }}}}$

Como β >> 1, puede averase: $1+{\frac {1}{\beta }}=1$ y, entos, $V_{C}=Vcc-R_{C}I_{Y}=Vcc-R_{C}{\frac {V_{B}-V_{g}}{R_{Y}}}$

Que podemos escribir como $V_{C}=(Vcc+R_{C}{\frac {V_{g}}{R_{Y}}})-R_{C}{\frac {V_{B}}{R_{Y}}}$

Vemos que la parte $(Vcc+R_{C}{\frac {V_{g}}{R_{Y}}})$ ye constante (nun depende de la senal d'entrada), y la parte $-V_{B}{\frac {R_{C}}{R_{Y}}}$ danos la senal de salida. El signu negativu indica que la senal de salida ta desfasada 180° al respective de la d'entrada.

Finalmente, la ganancia queda: $G_{V}={\frac {V_{C}}{V_{B}}}=-{\frac {R_{C}}{R_{Y}}}$

La corriente d'entrada, $I_{B}={\frac {I_{Y}}{1+\beta }}$ , qu'averamos por $I_{B}={\frac {I_{Y}}{\beta }}={\frac {V_{Y}}{R_{Y}\beta }}={\frac {V_{B}-V_{g}}{R_{Y}\beta }}$ .

Suponiendo que V _B>>V _g, podemos escribir: $I_{B}={\frac {V_{B}}{R_{Y}\beta }}$

y la impedancia d'entrada: $Z_{in}={\frac {V_{B}}{I_{B}}}={\frac {V_{B}}{\frac {V_{B}}{R_{Y}\beta }}}=R_{Y}\beta$

Pa tener en cuenta la influencia de frecuencia tienen d'utilizase modelos de transistor mas ellaboraos. Ye bien frecuente usar el modelu en pi.

Base comun [ editar | editar la fonte ]

La senal aplicar al emisor del transistor y estrayer pol colector. La base coneutar a les mases tantu de la senal d'entrada como a la de salida. Nesta configuracion tiense ganancia namai de tension. La impedancia d'entrada ye baxa y la ganancia de corriente daque menor qu'unu, por cuenta de que parte de la corriente d'emisor sale pola base. Si anadimos una resistencia d'emisor, que puede ser la mesma impedancia de salida de la fonte de senal, un analis similar al realizau nel casu d'emisor comun, danos la ganancia averada siguiente: $G_{V}={\frac {R_{C}}{R_{Y}}}$ .

La base comun suelse utilizar p'afaer fontes de senal de baxa impedancia de salida como, por casu, microfonos dinamicos.

Colector comun [ editar | editar la fonte ]

La senal aplicar a la base del transistor y estrayer pol emisor. El colector coneutar a les mases tantu de la senal d'entrada como a la de salida. Nesta configuracion tiense ganancia de corriente, pero non de tension que ye llixeramente inferior a la unida. La impedancia d'entrada ye alta, aproximao β+1 vegaes la impedancia de carga. Amas, la impedancia de salida ye baxa, aproximao β vegaes menor que la de la fonte de senal.

El transistor bipolar frente a la valvula termoionica [ editar | editar la fonte ]

Antes de l'apaicion del transistor los inxenieros utilizaben elementos activos llamaos valvules termoionicas. Les valvules tienen carauteristiques lletriques similares a la de los transistores d'efeutu campu (FET): la corriente que los traviesa depende de la tension nel borne de comandu, llamau rejilla. Les razones poles que'l transistor reemplazo a la valvula termoionica son delles:

Les valvules precisen tensiones bien altes, del orde de les centenes de voltios, que son peligroses pal ser humanu.
Les valvules peracaben muncha enerxia, lo que les vuelve particularmente pocu preseos pal usu con bateries.
Probablemente, unu de los problemes mas importantes fuera'l pesu. El xasis necesariu p'agospiar les valvules y el tresformadores riquios pal so funcionamientu sumaben un pesu importante, que diba dende dellos quilos a decenes de quilos.
El tiempu mediu ente falles de les valvules termoionicas ye bien curtiu comparau col de los transistores, sobremanera pola mor del calor xenerau.
Les valvules presenten una cierta demoranza n'empezar a funcionar, ya que precisen tar calientes pa establecer la conduccion.
El transistor ye intrinsecamente insensible al efeutu microfonico , bien frecuente nes valvules.
Los transistores son mas pequenos que les valvules, inclusive que los nuvistores . Anque esiste unanimida sobre esti puntu, convien faer una salveda: nel casu de dispositivos de potencia, estos tienen de llevar un disipador, de cuenta que'l tamanu que s'hai de considerar ye'l del dispositivu (valvula o transistor) mas el del disipador. Como les valvules pueden funcionar a temperatures mas elevaes, la eficiencia del disipador ye mayor nelles que nos transistores, colo que basta un disipador muncho mas pequenu.
Los transistores trabayen con impedancias baxes, esto ye con tensiones amenorgaes y corrientes altes; ente que les valvules presenten impedancias elevaes y polo tanto trabayen con altes tensiones y pequenes corrientes.
Finalmente, el costu de los transistores non solamente yera bien inferior, sinon que cuntaba cola promesa de que siguiria baxando (como de fechu asocedio) con abonda investigacion y desenvolvimientu.

Como exemplu de toos estos inconvenientes puede citase al primer ordenador dixital, llamada ENIAC . Yera un equipu que pesaba mas de trenta tonelaes y consumia 200 quilovatios, suficientes p'alimentar una pequena ciuda. Tenia alredor de 18 000 valvules, de les cualos dalgunes quemar acaldia, precisando una loxistica y una organizacion importantes.

Cuando'l transistor bipolar foi inventau en 1947, foi considerau una revolucion. Pequenu, rapido, fiable, poco costosu, sobriu nes sos necesidaes d'enerxia, reemplazo progresivamente a la valvula termoionica mientres la decada de 1950, pero non del tou. N'efeutu, mientres los anos 1960 , dellos fabricantes siguieron utilizando valvules termoionicas n'equipos de radiu de gama alta, como Collins y Drake; depues el transistor movio a la valvula de los tresmisores pero non del tou de los amplificadores de radiofrecuencia. Otros fabricantes, d'equipu d'audiu esta vegada, como Fender, siguieron utilizando valvules n'amplificadores d'audiu pa guitarres. Les razones de la sobrevivencia de les valvules termoionicas son delles:

El transistor nun tien les carauteristiques de linealidad a alta potencia de la valvula termoionica, polo que nun pudo reemplazala nos amplificadores de tresmision de radio profesionales y de radioaficionaos sinon hasta dellos anos dempues. ^{[
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]}
Los harmonicos introducios pola non linealidad de les valvules resulten prestoses al escuchu humanu (vease psicoacustica ), polo que son preferios polos audiofilos.
El transistor ye bien sensible a los efeutos electromagneticos de les esplosiones nucleares, polo que se siguieron utilizando valvules termoionicas en dellos sistemes de control-comandu d'aviones caza de fabricacion sovietica. ^{[
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]}
Les valvules son capaces de remanar potencies bien grandes, impensables pa los transistores nos sos empiezos; sicasi al travies de los anos desenvolvieronse etapes de potencia con multiples transistores en paralelu capaces de consiguilo.

Cultura popular [ editar | editar la fonte ]

Cuestionose l'orixe del transistor, por ser una parte esencial pa la creacion de cualquier artefautu teunoloxicu. Ello ye que na cultura popular, creese que s'utilizo Inxenieria inversa en teunoloxia alienigena pa llograr desenvolvelo ^[2]. El Incidente ovni de Roswell causo conmocion nos anos 40, y popularmente, creese que los llaboratorios AT&T utilizaron restos de naves estraterrestres pa desenvolver un aparatu como'l transistor ^[3].

Ver tamien [ editar | editar la fonte ]

Referencies [ editar | editar la fonte ]

↑ Transistor , p. 1166, en Google Books
↑ ≪ Teunoloxia Estraterrestre o Inxenieria Inversa ≫. Consultau'l 10 d'ochobre de 2015.
↑ ≪ ¿Consumimos teunoloxia alienigena? ≫. Consultau'l 10 d'ochobre del 2015.

Enllaces esternos [ editar | editar la fonte ]

Transistores Vs. Valvules p'aplicaciones n'audiu d'alta fidelida , Oscar Bonello, fundador de la compania Solidyne y miembru d'Audiu Engineering Society (AES), propon una interpretacion posible sobre la rivalida ente entusiastes d'una o otra teunoloxia.
Como funcionen realmente los transistores Version orixinal n'Ingles
Simbolos de transistores

[1] Transistor , p. 1166, en Google Books

[2] ≪ Teunoloxia Estraterrestre o Inxenieria Inversa ≫. Consultau'l 10 d'ochobre de 2015.

[3] ≪ ¿Consumimos teunoloxia alienigena? ≫. Consultau'l 10 d'ochobre del 2015.

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