Transistor

Un transistor é un dispositivo semicondutor usado para amplificar, conmutar, oscilar, rectificar ou modular os sinais electrónicos. O transistor é o compoñente principal de toda a electrónica moderna e permitiu o desenvolvemento da informática.
Nos circuítos analóxicos os transistores úsanse como amplificadores, exemplos son os amplificadores de son, as fontes de alimentación estabilizadas e os amplificadores de frecuencia.
Nos circuítos dixitais o transistor utilízase como un interruptor eléctrico moi rápido, e a organización sistemática dos transistores permite que funcionen como portas lóxicas, memorias tipo RAM e microprocesadores.
O transistor bipolar inventárono nos Laboratorios Bell dos Estados Unidos John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley en decembro de 1947 e substituíu a válvula termoiónica de tres eléctrodos ou tríodo. A primeira utilización práctica e popular deste dispositivo foi na fabricación de aparellos de radio AM/FM polo que impropiamente pasaron a recibir o nome de transistores. Historia
O físico austro-húngaro Julius Edgar Lilienfeld solicitou no Canadá no ano 1925 unha patente para o que el denominou "un método e un aparello para controlar correntes eléctricas" e que se considera o antecesor dos actuais transistores de efecto campo, xa que estaba destinado a ser unha substitución de estado sólido do tríodo. Lilienfeld tamén solicitou patentes nos Estados Unidos nos anos 1926 e 1928. Con todo, Lilienfeld non publicou ningún artigo de investigación sobre os seus dispositivos nin as súas patentes citan algún exemplo específico dun prototipo de traballo. Debido a que a produción de materiais semicondutores de alta calidade non estaba dispoñible por entón, as ideas de Lilienfeld sobre amplificadores de estado sólido non atoparon un uso práctico nos anos 1920 e 1930, aínda que un dispositivo deste tipo xa se construíra.
En 1934, o inventor alemán Oskar Heil patentou en Alemaña e Gran Bretaña un dispositivo similar. Catro anos despois, os tamén alemáns Robert Pohl e Rudolf Hilsch efectuaron experimentos na Universidade de Göttingen, con cristais de bromuro de potasio, usando tres eléctrodos, cos cales lograron a amplificación de sinais de 1 Hz, pero as súas investigacións non conduciron a usos prácticos. Mentres tanto, a experimentación nos Laboratorios Bell con rectificadores a base de óxido de cobre e as explicacións sobre rectificadores a base de semicondutores por parte do alemán Walter Schottky e do inglés Nevill Mott, levaron a pensar en 1938 a William Shockley que era posible lograr a construción de amplificadores a base de semicondutores, no canto de tubos de baleiro.
Desde o 17 de novembro de 1947 ata o 23 de decembro de 1947, os físicos estadounidenses John Bardeen e Walter Houser Brattain dos Laboratorios Bell levaron a cabo diversos experimentos e observaron que cando dous contactos puntuais de ouro eran aplicados a un cristal de xermanio, producíase un sinal cunha potencia de saída maior que a de entrada. O líder do Grupo de Física do Estado Sólido William Shockley viu o potencial deste feito e, nos seguintes meses, traballou para ampliar en gran medida o coñecemento dos semicondutores. O termo "transistor" foi suxerido polo enxeñeiro estadounidense John R. Pierce, baseándose en dispositivos semicondutores xa coñecidos entón, como o termistor e o varistor e baseándose na propiedade de transrresistencia que mostraba o dispositivo. Segundo unha biografía de John Bardeen, Shockley propuxera que a primeira patente para un transistor dos Laboratorios Bell debía estar baseada no efecto de campo e que el fose nomeado como o inventor. Tendo redescuberto as patentes de Lilienfeld que quedaron no esquecemento anos atrás, os avogados dos Laboratorios Bell desaconsellaron a proposta de Shockley porque a idea dun transistor de efecto de campo non era nova. No seu lugar, o que Bardeen, Brattain e Shockley inventaron en 1947 foi o primeiro transistor de contacto de punto, cuxa primeira patente solicitaron os dous primeiros nomeados, o 17 de xuño de 1948, á cal seguiron outras patentes acerca de aplicacións deste dispositivo. En recoñecemento a este logro, Shockley, Bardeen e Brattain foron galardoados conxuntamente co Premio Nobel de Física de 1956 "polas súas investigacións sobre semicondutores e o seu descubrimento do efecto transistor".
En 1948, o transistor de contacto foi inventado independentemente polos físicos alemáns Herbert Mataré e Heinrich Welker, mentres traballaban na Compagnie des Freins et Signaux, unha subsidiaria francesa da estadounidense Westinghouse. Mataré tiña experiencia previa no desenvolvemento de rectificadores de cristal de silicio e de xermanio mentres traballaba con Welker no desenvolvemento dun radar alemán durante a segunda guerra mundial. Usando este coñecemento, comezou a investigar o fenómeno da "interferencia" que observara nos rectificadores de xermanio durante a guerra. En xuño de 1948, Mataré produciu resultados consistentes e reproducibles utilizando mostras de xermanio producidas por Welker, similares ao que Bardeen e Brattain lograran anteriormente en decembro de 1947. Ao darse conta de que os científicos dos Laboratorios Bell xa inventaran o transistor antes que eles, a empresa apresurouse a pór en produción o seu dispositivo chamado "transistron" para o seu uso na rede telefónica de Francia. O 26 de xuño de 1948, Wiliam Shockley solicitou a patente do transistor bipolar de unión e o 24 de agosto de 1951 solicitou a primeira patente dun transistor de efecto de campo, tal e como se declarou nese documento, no que se mencionou a estrutura que agora posúe. Ao ano seguinte, George Clement Dacey e Ian Ross, dos Laboratorios Bell, tiveron éxito ao fabricar este dispositivo, cuxa nova patente foi solicitada o 31 de outubro de 1952. Meses antes, o 9 de maio dese ano, o enxeñeiro Sidney Darlington solicitou a patente do arranxo de dous transistores coñecido actualmente como transistor Darlington.
O primeiro transistor de alta frecuencia foi o transistor de barreira de superficie de xermanio desenvolvido polos estadounidenses John Tiley e Richard Williams de Philco Corporation en 1953, capaz de operar con sinais de ata 60 MHz. Para fabricalo, usouse un procedemento creado polos xa mencionados inventores mediante o cal eran gravadas depresións nunha base de xermanio tipo N de ambos os lados con chorros de sulfato de indio ata que tivese unhas dez milésimas de polgada de espesor. O Indio electroprateado nas depresións formou o colector e o emisor. O primeiro receptor de radio para automóbiles que foi producido en 1955 por Chrysler e Philco; usou estes transistores nos seus circuítos e tamén foron os primeiros axeitados para as computadoras de alta velocidade desa época.
O primeiro transistor de silicio operativo foi desenvolvido nos Laboratorios Bell en xaneiro de 1954 polo químico Morris Tanenbaum. O 20 de xuño de 1955, Tanenbaum e Calvin Fuller, solicitaron unha patente para un procedemento inventado por ambos para producir dispositivos semicondutores. O primeiro transistor de silicio comercial foi producido por Texas Instruments en 1954 grazas ao traballo do experto Gordon Teal quen traballara previamente nos Laboratorios Bell no crecemento de cristais de alta pureza. O primeiro transistor MOSFET foi construído polo coreano-estadounidense Dawon Kahng e o exipcio Martin Atalla, ambos enxeñeiros dos Laboratorios Bell, en 1960. Importancia
O transistor é considerado por moitos como o máis grande invento do século XX. É o compoñente activo clave en practicamente toda a moderna electrónica. A súa importancia na sociedade actual baséase na súa capacidade de ser producido en masa mediante un proceso altamente automatizado (de fabricación de semicondutores), que consegue baixos custos por transistor.
Aínda que varias empresas producen cada unha máis de mil millóns de elementos individuais (coñecidos como transistores discretos) cada ano a gran maioría dos transistores prodúcese para circuítos integrados, microchips ou simplemente chips, xunto con díodos, resistencias, condensadores e outros compoñentes electrónicos para producir circuítos electrónicos completos. Unha porta lóxica componse de ata unha vintena de transistores mentres que un microprocesador avanzado, o 2006, podía utilizar ata 1, 7 millóns de transistores (MOSFETs). "Ao redor de 60 millóns de transistores construíronse no ano. .. por cada home, muller e neno que hai na Terra".
O baixo custo dun transistor, a súa flexibilidade e fiabilidade fixeron del un dispositivo único. Os circuítos transistorizados substituíron os dispositivos electromecánicos no control dos aparellos e maquinaria. A miúdo é máis fácil e máis barato utilizar un microcontrolador, e escribir un programa de ordenador para levar a cabo unha función de control que o deseño dunha función de control mecánica equivalente.
Uso
O transistor bipolar de unión, ou BJT, foi o primeiro transistor inventado, e ata a década de 1970, foi o máis comunmente utilizado. Mesmo despois de que o MOSFET estivese dispoñible, o BJT mantívose como o transistor que se usaba para moitos circuítos analóxicos como sinxelo amplificador debido á súa maior linealidade e facilidade de fabricación. As propiedades dos MOSFETs, como a súa utilidade en dispositivos de baixa potencia, xeralmente en configuración CMOS, permitiunos capturar case toda a cota de mercado para todos os circuítos dixitais. Os MOSFETs, máis recentemente, alcanzaron a maioría das aplicacións analóxicas, por exemplo circuítos analóxicos de reloxos, reguladores de voltaxe, amplificadores, transmisores de enerxía, controladores de motor etc.
A utilidade fundamental dun transistor vén da súa capacidade para utilizar un pequeno sinal aplicado entre un par de terminais para controlar un sinal moito máis grande noutro par de terminais. Esta propiedade denomínase ganancia. Un transistor pode controlar a súa saída en proporción ao sinal de entrada, é dicir, pode actuar como un amplificador electrónico. Ou ben, o transistor pódese utilizar para activar ou desactivar a corrente nun circuíto de control eléctrico como un conmutador, onde a cantidade de corrente está determinada por outros elementos do circuíto. Base química do funcionamento dun transistor
Estrutura atómica dos semicondutores
As propiedades eléctricas dun material semicondutor están determinadas pola súa estrutura atómica. Nun cristal puro de xermanio ou de silicio, os átomos están unidos entre si en disposición periódica, formando unha reixa cúbica tipo diamante perfectamente regular. Cada átomo do cristal ten catro electróns de valencia, cada un dos cales interacciona co electrón do átomo veciño formando unha ligazón covalente. Ó non ter os electróns liberdade de movemento, a baixas temperaturas e en estado cristalino puro, o material actúa como un illante.
Papel das impurezas
Pero os cristais de xermanio ou de silicio conteñen pequenas cantidades de impurezas que permiten conducir a electricidade, mesmo a baixas temperaturas. Segundo o tipo de impureza, hai dous efectos no cristal: As impurezas de fósforo, antimonio ou arsénico denomínanse impurezas doantes porque achegan un exceso de electróns. Este grupo de elementos teñen cinco electróns de valencia, dos cales só catro establecen ligazóns cos átomos de xermanio ou silicio. Por tanto, cando se aplica un campo eléctrico, os electróns restantes das impurezas doantes quedan libres para desprazarse a través do material cristalino.
Pola contra, as impurezas de galio e de indio dispoñen de só tres electróns de valencia, é dicir, falta un para completar a estrutura de ligazóns interatómicas do cristal. Estas impurezas coñécense como impurezas receptoras, porque aceptan electróns de átomos veciños. Pola súa banda, as deficiencias resultantes, ou baleiros, na estrutura dos átomos veciños énchese con outros electróns e así sucesivamente. Estes buracos compórtanse como cargas positivas, coma se se movesen en dirección oposta á dos electróns cando se aplica unha voltaxe desde o exterior, a unión PN actúa como un rectificador, permitindo que a corrente circule nun só sentido (rectificación). Se a rexión tipo P se atopa conectada no terminal positivo dunha batería e a rexión tipo N ao terminal negativo, circula unha corrente intensa a través do material ao longo da unión. Se a batería se conecta ao revés, non fluirá a corrente.
Funcionamento do transistor
Hai dous tipos básicos de transistores, os bipolares (BJT) e os de efecto campo (FET), e cada un funciona de forma diferente.
Transistor bipolar
O transistor bipolar (coñecido tamén por BJT, das siglas inglesas de Bipolar Junction Transistor) foi o primeiro tipo de transistor en ser producido masivamente e é un dispositivo de tres terminais, chamados emisor, base e colector. A propiedade máis destacada deste dispositivo é que, dentro dunhas marxes determinadas, a corrente no emisor e o colector é controlada por unha corrente relativamente pequena da base.
A estrutura física dun transistor bipolar consta de dúas unións PN dispostas unha a continuación da outra. Entre os terminais emisor e base hai unha unión PN, chamada unión emisora e entre os terminais base e colector outra unión PN chamada unión colectora. Hai dous tipos de transistores bipolares: o NPN e o PNP. Estes nomes veñen da súa descrición física: No transistor NPN, o emisor é un semicondutor tipo N, a base é do tipo P e o colector é de tipo N. A estrutura física do transistor PNP é igual ao anterior se cambiamos as rexións P por rexións N, e as N por P. O transistor pode funcionar de dúas formas que permiten aplicacións diferentes:
O transistor como conmutador
Utilízanse os transistores como interruptores electrónicos, tanto para aplicacións de alta potencia como fontes de alimentación conmutada ou por aplicacións de baixa potencia, por exemplo portas lóxicas.
Unha vez a tensión da base logra un determinado nivel, a corrente non aumentará ao aumentar a tensión V BE e a saída terá unha determinada voltaxe. Entón dise que o transistor está saturado. Por tanto, os valores da tensión de entrada poden ser escollidos de tal maneira que a saída estea totalmente apagada (off), ou completamente acesa (on). O transistor actúa como un interruptor. Este tipo de operacións é común en circuítos dixitais, onde só os valores "on" e "off" son relevantes. O modo de traballo do transistor como conmutador é similar ao funcionamento dun interruptor, ten dous estados definidos: Estado aberto ou de non condución (OFF). Presenta unha resistencia infinita.
Estado pechado ou de condución (ON). Presenta unha resistencia cero.
O control do estado de saída do transistor, formado polos terminais colector-emisor, efectúase a través da terminal base.
Os sentidos das correntes no transistor varían segundo o tipo de transistor, se é NPN ou PNP. O emisor, que no símbolo está representado cunha punta de frecha para diferencialo do colector, indica o sentido que pode seguir a corrente neste terminal.
No transistor NPN: A corrente de emisor (Ee) sae do interior ao exterior.
A corrente de colector (Ec) entra no transistor.
A corrente de base (Eb) entra no transistor. As intensidades que circulan polo transistor cumpren unha relación numérica nos dous modos de funcionamento e nos dous tipos de transistor. O valor da intensidade de emisor é a suma dos valores das intensidades de base e de colector:
Ee Eb + Ec
En canto á corrente, o transistor compórtase como un nó onde entran ou saen dúas correntes (Eb e Ec) e outra corrente que vai á inversa dos outros (Ee).
A intensidade de base, que controla o estado do transistor, é moi pequena en relación ás outras dúas, Ee e Ec. Entón, por aproximación, pódese dicir que as intensidades de colector e emisor practicamente teñen o mesmo valor.
Ee Ec
En canto ás diferenzas de potencial entre os terminais, tamén seguen unha relación sempre que se usen os seus valores absolutos:
Uce Ucb + Ube
En estado de condución, a tensión entre base e emisor, Ube, é de aproximadamente 0, 65 V. Tendo presente que estes valores normalmente son moi pequenos en relación á tensión de alimentación, considerámolo de valor cero e simplificando: Ube
0 Uce
0 Sintetizando, en estado de condución, o transistor compórtase como un interruptor pechado controlado por unha pequena corrente na base, a corrente conmutada polo transistor pasa entre colector e emisor (NPN), e a tensión entre colector e emisor é cero. En estado de bloqueo, a situación do transistor cambia, non hai corrente na base, por tanto, a condución non existe entre colector e emisor (NPN): non é posible que haxa corrente, entón, o transistor compórtase como un interruptor aberto.
E podemos falar das seguintes zonas de traballo:
Zona de corte: O feito de facer nula a corrente de base, é equivalente a manter o circuíto base emisor aberto, nestas circunstancias a corrente de colector é practicamente nula e por iso pódese considerar o transistor no seu circuíto como un interruptor aberto.
Zona de saturación: O díodo colector está polarizado directamente e o transistor compórtase como unha pequena resistencia. Nesta zona un aumento da corrente de base non provoca un aumento da corrente de colector, esta depende exclusivamente da tensión entre emisor e colector. O transistor aseméllase no seu circuíto emisor-colector a un interruptor pechado.
O transistor como amplificador
Está deseñado de forma que un pequeno cambio na voltaxe (V ref) cambie a pequena corrente a través da base do transistor e a amplificación da corrente do transistor combinado coas propiedades do circuíto significa que pequenos cambios a V ref produce grandes cambios a Ve.
Son posibles diferentes configuracións dun só transistor amplificador, con algunhas que proporcionan ganancia de corrente, outra ganancia de tensión, e algunhas ambas as cousas.
Desde o teléfono móbil ata a televisión, un gran número de produtos inclúen amplificadores electrónicos para reprodución de son, transmisión de radio e procesamento de sinais. O primeiro transistor discreto de son amplificaba apenas uns poucos centenares de milivatios, pero a potencia e a alta fidelidade fixérono aumentar gradualmente e así dispúxose de mellores transistores e de arquitecturas de amplificación evolucionadas.
Os modernos transistores de son amplifican ata uns poucos centenares de vats e son comúns e relativamente baratos.
Algúns fabricantes de instrumentos musicais mesturan transistores e tubos de baleiro no mesmo circuíto, posto que algúns cren que os tubos teñen un son característico.
E podemos falar das seguintes zona de traballo:
Zona activa directa: Corresponde a unha polarización directa da unión emisor-base e a unha polarización inversa da unión colector-base. Esta é a rexión de operación normal do transistor para amplificación.
Transistor de efecto campo (MOS e JFET)
Entre os transistores de efecto de campo (FET ou, Field Efect Transistor), podemos distinguir as seguintes familias: Transistores MOSFET, que utilizan as propiedades das estruturas de metal/óxido/semicondutores;
Transistores JFET, que utilizan as propiedades das unións PN. O transistor de efecto de campo FET ou MOS, tamén denominado MOSFET (das siglas inglesas de Metal OxidE Semiconductor Field Effect Transistor) é un dispositivo de tres terminais chamados drenador D (do inglés drain), porta G (do inglés gate) e chafariz ou fonte S (do inglés source). A corrente que circula entre drenador e fonte é controlado pola tensión aplicada á porta. Este transistor ten, de feito, un cuarto terminal corpo B (do inglés bulk). A este terminal aplícaselle unha tensión fixa. Un elemento fundamental neste transistor é o condensador de porta que, nos primeiros transistores, estaba formado por un metal, unha capa de óxido de silicio como dieléctrico e un semicondutor como segunda placa do condensador. Precisamente o nome deste transistor deriva desta estrutura. Un aspecto moi importante deste dispositivo é que ocupa unha extensión menor sobre o silicio que o transistor bipolar e isto permite unha alta densidade de integración. A estrutura dun transistor MOS de acumulación (ou enriquecemento de canle N) represéntase na figura. Está formado por un semicondutor de tipo P, onde se crearon dúas rexións N que constitúen a fonte S e o drenador D. Entre estas rexións, fórmase o condensador de porta, constituído por unha placa metálica, onde o terminal de porta G fai contacto, un óxido de porta que actúa como dieléctrico, e o semicondutor que forma a segunda placa. O cuarto terminal, denominado corpo B, fai contacto co semicondutor P. O seu funcionamento de forma resumida é o seguinte: cando se aplica unha tensión positiva ao terminal de porta créase un campo entre as placas do condensador que incide perpendicularmente sobre a superficie do semicondutor. Este campo atrae cargas negativas cara á superficie e repele as positivas. Se o campo ten suficiente intensidade consegue crear, na proximidade da superficie do semicondutor, unha rexión moi rica en cargas negativas que se denomina canle N. Esta canle de lonxitude L e anchura W, conecta as dúas rexións N e permite o paso de corrente entre drenador e fonte. Se o campo transversal faise máis intenso, a canle faise máis rica en cargas negativas, a súa resistencia diminúe e permite o paso dunha corrente máis grande. O transistor MOS denomínase de efecto de campo porque a corrente que circula entre os terminais de drenador e fonte é controlada por este campo perpendicular á superficie do semicondutor entre as rexións de drenador e fonte. Na figura represéntanse os símbolos deste transistor. A frecha no terminal G vai no sentido do substrato P cara á canle N.
O transistor MOS utilízase principalmente en circuítos integrados como resistencia, posto que o uso desta non é conveniente por razóns tecnolóxicas (un valor elevado require moita superficie de silicio). Sensibilidade á luz
Os transistores bipolares poden ser activados con luz ademais de con electricidade. Os dispositivos deseñados para este propósito denomínanse fotodíodos, pero non son máis que transistores estándar cun encapsulado transparente.