¿Qué es un transistor? Tipos, funcionamiento e historia

 Un transistor es un dispositivo semiconductor para la amplificación de señales, generalmente con una salida eléctrica llamada señal. Está fabricado con material de tipo p (normalmente silicio) y tiene dos terminales, un electrodo de control y un electrodo emisor. El electrodo de control está conectado a una fuente de tensión y el electrodo emisor a una carga. Cuando se aplica una tensión al electrodo de control, pasa por él y por la carga una cantidad de corriente igual a la tensión aplicada. El flujo de corriente a través de la carga se llama corriente en el lado de salida, y la corriente a través del electrodo de control se llama corriente en el lado de entrada. Esta acción se denomina "transmisión" y es el funcionamiento básico de un transistor.

Historia del transistor

Aunque el transistor se inventó a finales de la década de 1940 y principios de la de 1950, pasó más de una década antes de que las empresas RCA y Fairchild Camera & Instrument Corp. lo comercializaran a finales de la década de 1950 y principios de la de 1960. No fue hasta finales de los 60 y principios de los 70 cuando se utilizó en todo tipo de productos, desde relojes y calculadoras hasta ordenadores centrales. Los primeros transistores sólo eran capaces de manejar funciones lógicas simples. Los transistores que siguieron, como el transistor de unión bipolar y el MOSFET, permitieron una potencia de cálculo mucho mayor.

El invento más importante de la historia de la informática, el microchip, tiene su origen en el trabajo de Shockley y otros científicos de los Laboratorios Bell, que desarrollaron el transistor mediante ingeniería inversa. El microchip contiene todos los componentes de un chip informático moderno, incluido el microprocesador y, a veces, circuitos lógicos adicionales. El microchip contiene miles de millones de bloques de construcción microscópicos, o transistores, que están interconectados con cableado metálico. El microchip permite un mejor rendimiento y una mayor velocidad que los ordenadores más antiguos con la misma cantidad de memoria y potencia de cálculo.

El transistor se consideraba una tecnología madura a finales de los años 50 y principios de los 60, pero para entonces estaba perdiendo terreno frente a otras tecnologías de semiconductores. Para desactivar la amenaza que suponía la floreciente industria de semiconductores de arseniuro de galio de Intel, RCA diseñó en 1957 el primer circuito integrado (CI) semiconductor, el famoso "Little Red Shift Register". A diferencia de los CI bipolares programables por máscara que dominaban el mercado industrial y la primera electrónica de defensa, el LRS era totalmente transistorizado y podía funcionar a tensiones de hasta 1,8 voltios. Por ello, el LRS se denominó registro de desplazamiento bipolar/transistorizado.

En 1959, RCA también presentó su primera RAM dinámica comercial, el "Tambor Magnético". Ese mismo año, Texas Instruments e IBM lanzaron los primeros circuitos integrados comerciales de la industria, el "MOS-1" y el "MOS-2", respectivamente.

El primer ordenador totalmente de transistores, el IBM 7090, se presentó en 1961, seguido del IBM System/360 en 1964. Para entonces, las revistas especializadas informaban regularmente del declive de la tecnología basada en transistores.

Funcionamiento del transistor

El transistor es un dispositivo semiconductor que tiene un par de electrodos (E y D) separados por un pequeño hueco (0,6 μm) que proporciona un canal para el movimiento de portadores. El canal está dividido en tres partes, la fuente, los dos colectores y el drenaje, cada una de las cuales está conectada por un lado a la otra y por el otro a tierra. La diferencia de tensión a través de esta estructura se denomina transconductancia o transconductancia. Se puede pensar que es un análogo de un diodo con la misma estructura pero con la entrada y la salida invertidas. Aunque esta imagen no es estrictamente exacta, se aproxima lo suficiente para que tenga sentido y para resaltar el punto.

A diferencia de los transistores, que sólo tienen un par de electrodos, existen diversos tipos en los que cada par de electrodos puede ser común o emisor común, colector común, etc. El principio sigue siendo el mismo que el descrito anteriormente y con algunas excepciones: algunos tipos de transistores presentan un electrodo adicional que se encuentra entre los dos electrodos del par, y otros tienen conexiones conmutadas.

Tipos de transistores

El transistor de base de germanio fue el primer transistor, inventado por John Bardeen y Walter H. Brattain en 1947. Se trataba de un diseño de resistencia ajustable, basado en efectos de superficie y poco conocido incluso en aquella época. También era frágil, ya que un golpe podía desplazar las puntas. Ahora ha desaparecido, pero durante unos años coexistió con el transistor de unión bipolar (JT) por su mayor ancho de banda.

El transistor fue sólo un prototipo hasta que William Shockley y sus colegas inventaron el primer transistor viable hecho de silicio en 1950. Desde entonces, el transistor de silicio ha sido el estándar. El transistor de silicio fue inventado simultáneamente por Shockley, Bardeen y Brattain.

El transistor es un componente que enciende y apaga una corriente eléctrica. Puede utilizarse como amplificador o conmutador de señales, o como componente para acelerar o ralentizar el flujo de electricidad cambiando su resistencia, llamada "transconductancia".

El transistor se ha utilizado en todo tipo de circuitos electrónicos, incluidos los chips de ordenador, y formó parte de lo más importante que ha ocurrido en la electrónica y la informática desde la invención del transistor de silicio a finales de los años 50, el microprocesador.

Transistor de unión bipolar

Los dos transistores forman una "puerta" lógica completa con los emisores conectados juntos, pero las bases de cada transistor conectadas a un punto diferente del circuito. Cada transistor se cargará de forma similar en el circuito; para que un transistor sirva como fuente de electrones para una determinada tensión de entrada mientras que el otro sirve como puerta de electrones a una determinada tensión de salida, deben conectarse en paralelo. Por lo tanto, hay dos puertas lógicas en un transistor bipolar. En un caso se utilizará el transistor NPN, mientras que en el otro se utilizará el transistor PNP.

El BJT suele conectarse como etapa de entrada de un circuito amplificador, en cuyo caso actúa como un solo polo del op-amp (véase más adelante). El BJT también es un transistor popular para aplicaciones en las que su gran ganancia y su baja figura de ruido son útiles. En estas aplicaciones, se utiliza como amplificador lineal o como mezclador.

El BJT presenta una alta ganancia, pero en la misma banda de frecuencias, también es sensible al ruido. Como disipa mucha potencia (y a menudo calor), suele utilizarse en amplificadores de potencia lineales. La ganancia de un amplificador de potencia está limitada por la red de realimentación y el efecto antena de los dispositivos de entrada y salida del amplificador. El efecto antena se produce porque los dispositivos de entrada y salida tienen ganancias diferentes cuando sus señales se aplican a través del mismo circuito.

Transistor de efecto de campo

Un FET es un componente electrónico de dos terminales cuyo funcionamiento se rige por la interacción de un campo eléctrico a través del canal semiconductor y las propiedades capacitivas e inductivas de la estructura circundante. Los FETs tienen sus propias propiedades eléctricas (también llamadas características o, más informalmente, parámetros) que se controlan variando las dimensiones físicas de la estructura en la que se inserta el canal. Por ejemplo, controlando la longitud del canal, podemos controlar la tensión umbral del FET.

Un FET puede ser cerrado o no cerrado, dependiendo de cómo se aplique el campo a la puerta. Un FET con puerta es un FET con una puerta conectada al canal. La puerta puede ser tan ancha como sea necesario para formar el FET, pero debe ser al menos una décima parte de la longitud del canal (esto se llama la región de agotamiento).

Los FETs sin puerta son aquellos en los que la puerta no está conectada al canal. En su lugar, el condensador entre los terminales de fuente y drenaje está conectado a la puerta. Si el voltaje de la puerta aumenta, la corriente fluirá desde la fuente hacia el drenaje y, a su vez, por la misma razón, fluirá desde el drenaje a través de la puerta hacia la fuente.

En aplicaciones de alta potencia, es una práctica común aplicar diferentes tensiones de puerta (el potencial de puerta) a los canales del mismo FET. 

Fototransistor

Los fototransistores se utilizan como sensores de luz en sensores como mandos a distancia, lectores electrónicos, teléfonos inteligentes y otros productos que requieren la lectura de información luminosa.

El primer fototransistor fue desarrollado por Shuji Nakamura en 1957. Es un sensor de imagen que convierte la intensidad de la luz en una señal eléctrica. Se trata de una mejora respecto al sensor CCD (Charge Coupled Device), que sólo responde a la intensidad de la luz. También tiene un tiempo de respuesta más rápido que las fotocélulas que se utilizaban en el pasado para detectar la luz. También puede utilizarse para detectar la intensidad de la oscuridad.

El siguiente paso en el desarrollo de los sensores fue la introducción de las células fotovoltaicas. Éstas son capaces de convertir directamente la luz solar en energía eléctrica. Este es el primer ejemplo de célula fotovoltaica que funciona con la energía del sol. Las células solares funcionan con un circuito independiente que controla la cantidad de luz solar y ajusta la cantidad de energía producida en consecuencia. Esta característica permite utilizar este dispositivo en interiores, así como prácticamente en cualquier lugar donde haya luz solar disponible.

Los fototransistores han sustituido a las fotocélulas como tipo de sensor de luz preferido. Son más sensibles a la luz y tienen tiempos de respuesta más rápidos (en milisegundos). También tienen la capacidad de cambiar su resistencia en función de la cantidad de luz que incide sobre ellos.

Además de utilizarse en sensores y otros dispositivos que utilizan la luz, los fototransistores también se utilizan en una variedad de circuitos.

Construcción del transistor

El diodo semiconductor es, con mucho, el dispositivo electrónico más importante y versátil. Los diodos pueden fabricarse a partir de casi cualquier material semiconductor y en un gran número de configuraciones diferentes. El diodo es un dispositivo electrónico pasivo, lo que significa que no necesita una tensión de alimentación para funcionar. Los diodos se utilizan como reguladores de tensión para regular la magnitud de la tensión que circula por un circuito. También se utilizan como rectificadores e inversores. Los diodos también se encuentran en aplicaciones de conmutación de alta velocidad, como circuitos integrados, láseres y fuentes de alimentación.

El único otro dispositivo semiconductor (además de los transistores) que puede utilizarse de forma aislada es el FET.

Los diodos se fabrican inyectando portadores de carga en el material semiconductor, lo que hace que los electrones y los huecos se muevan y se recombinen de diversas maneras hasta alcanzar un equilibrio estable. Los portadores de carga que alcanzan este estado de equilibrio se denominan "electrones libres" o "huecos" (véase Partícula cargada en el semiconductor). Los materiales semiconductores más comunes con los que se fabrican los diodos son el silicio (Si), el germanio (Ge) y el arseniuro de galio (GaAs). Cada uno de estos materiales tiene ciertas ventajas e inconvenientes.

Los factores más importantes que afectan al rendimiento de un diodo son el material del que está hecho, el nivel de dopaje y el campo eléctrico aplicado. Los diodos de silicio (Si) son los mejores, porque tienen la mayor corriente máxima.

Válvula termoiónica o transistor

El transistor es el dispositivo electrónico más popular para aplicaciones de alta potencia, como transmisores y amplificadores, porque tiene un par de ventajas sobre la válvula:

Menor coste: Los transistores son más baratos que las válvulas.

Mejor linealidad: El transistor tiene una mejor linealidad que la válvula, lo que da lugar a señales de salida más pequeñas en transmisores y amplificadores cuando se opera en su región lineal.

Mucho menos peso: Los transistores son mucho más ligeros que las válvulas.

Un ejemplo de estas ventajas es el famoso Walkman de Sony. Se fabricó por primera vez utilizando un transistor en lugar de una válvula en el amplificador de audio, con dos transistores en paralelo. Esto le permitió conseguir una mayor potencia de salida y una mayor linealidad, sin aumentar el tamaño del amplificador.

Aunque el transistor sustituyó por completo a la válvula en el amplificador de audio del Walkman, éste sigue conteniendo uno o más tubos de vacío porque tiene una excelente calidad de audio, una sensibilidad muy alta a las ondas electromagnéticas y porque hay algunas otras funciones que requieren un tubo específico para ciertos tipos de amplificación.