TRANSISTORES

El transistor es un dispositivo electrónicosemiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos móviles, etc.

1.-HISTORIA DEL TRANSISTOR:

Fue el sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos o tríodo, el transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE. UU. en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956.

Al principio se usaron transistores bipolares y luego se inventaron los denominados transistores de efecto de campo (FET). En los últimos, la corriente entre la fuente y la pérdida (colector) se controla usando un campo eléctrico (salida y pérdida (colector) menores). Por último, apareció el semiconductor metal-óxido FET (MOSFET). Los MOSFET permitieron un diseño extremadamente compacto, necesario para los circuitos altamente integrados (IC). Hoy la mayoría de los circuitos se construyen con la denominada tecnología CMOS (semiconductor metal-óxido complementario). La tecnología CMOS es un diseño con dos diferentes MOSFET (MOSFET de canal n y p), que se complementan mutuamente y consumen muy poca corriente en un funcionamiento sin carga.

El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades específicas) que forman dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a diferencia de los resistores, capacitores e inductores que son elementos pasivos. Su funcionamiento sólo puede explicarse mediante mecánica cuántica.

De manera simplificada, la corriente que circula por el "colector" es función amplificada de la que se inyecta en el "emisor", pero el transistor sólo gradúa la corriente que circula a través de sí mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la "base" para que circule la carga por el "colector", según el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificación o ganancia logrado entre corriente de base y corriente de colector, se denomina Beta del transistor. Otros parámetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima, disipación de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas básicos para utilización analógica de los transistores son emisor común, colector común y base común.

2.-FABRICACION DEL TRANSISTOR:

            El transistor es un dispositivo de tres terminales, a diferencia del diodo, que tiene dos terminales. Este consiste en un material de tipo p y uno de tipo n. Consta de dos materiales de tipo n separados por un material de tipo p (transistor npn) o en dos materiales de tipo p separados por un material de tipo n (transistor pnp). Las tres capas diferentes se identifican

como emisor, base y colector.

Las capas exteriores del transistor son materiales semiconductores con alto niveles de dopado, y que tienen anchos mucho mayores que los correspondientes al material emparedado de tipo p o n. El dopado de la capa emparedada es también  considerablemente menor que el da les capas exteriores, este menor nivel de dopado reduce la conductividad (incrementa la resistencia) de este material al limitar el numero de  portadores libres.

El emisor, capa de tamaño medio y delgada, diseñada para emitir o inyectar electrones. La base, con una contaminación media, es una capa diseñada para  pasar electrones. El colector, esta poco contaminada, es una capa diseñada para colectar   electrones.

El transistor se puede concebir como dos uniones pn colocadas espalda contra espalda; estas se denominan transistores bipolares de unión (BJT), bipolar junction transistor.

  3.-ESTRUCTURA DE UN TRANSISTOR:

El transistor está formado por la unión de tres capas de material semiconductor, de tipo P y tipo N, dispuestas de forma alternada (en forma de sándwich). Según la disposición de estas capas, podemos tener dos tipos de transistores:

• • Transistor PNP.
  • Transistor NPN.

Los más utilizados son los transistores NPN, por lo que vamos a centrarnos en el estudio de este tipo de dispositivos.

Cada una de las tres partes que constituyen el transistor se conecta a un terminal metálico que permitirá conectarlo a un circuito. Todo el conjunto se recubre con un encapsulado protector, que puede adoptar diversas formas y estar fabricado de materiales diversos (plástico, metal...). Por tanto, el transistor es un dispositivo de tres terminales, que reciben los nombres de emisor, base y colector.

Podemos considerar el transistor constituido por dos diodos:

• • Uno formado por la unión emisor-base.
  • Otro por la unión base-colector.

Esta peculiar estructura constituye la base del funcionamiento del transistor, pues el terminal de base controla el paso de corriente eléctrica entre el colector y el emisor.

En el dibujo "Esquema de dos transistores..." la flecha indica la dirección de la corriente que circula a través del emisor: en un transistor NPN es saliente, mientras que en un transistor PNP va en sentido contrario, es decir, hacia dentro del dispositivo y, por consiguiente, la flecha se dibuja al revés.

Tipos de Transistor de Unión Bipolar

NPN

El símbolo de un transistor NPN.

NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.

Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector.

La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

PNP

El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.

El símbolo de un transistor PNP.

Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.

La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

Transistor NPN                                  Estructura de un transistor NPN

Transistor PNP                                   Estructura de un transistor PNP

Veremos más adelante como un circuito con un transistor NPN se puede adaptar a PNP. El nombre de estos hace referencia a su construcción como semiconductor.

Por el transistor circulan un conjunto de corrientes eléctricas cuyas direcciones y sentidos, para un transistor NPN, son:

• • I_B : intensidad de corriente de base.
  • I_C: intensidad de corriente de colector.
  • I_E: intensidad de corriente de emisor.

Se observa que las corrientes de base y de colector entran en el transistor, mientras que la corriente de emisor sale del dispositivo; en consecuencia, podemos establecer la siguiente relación:

I_E = I_B + I_C

Si conocemos dos de las corrientes del transistor, la expresión anterior nos permitirá calcular la tercera.

Asimismo, entre los terminales del transistor se generan las siguientes caídas de tensión:

• • V_CE: tensión colector-emisor.
  • V_BE: tensión base-emisor.

4.-CARACTERISTICAS:

Su consumo de corriente es mucho menor con lo que también es menor su producción de calor.

Su tamaño es también mucho menor. Un transistor puede tener el tamaño de una lenteja mientras que un tubo de vacío tiene un tamaño mayor que el de un cartucho de escopeta de caza. Esto permite una drástica reducción de tamaño.

Mientras que las tensiones de alimentación de los tubos estaban alrededor de los 300 voltios las de los transistores vienen a ser de 10 voltios con lo que los demás elementos de circuito también pueden ser de menor tamaño al tener que disipar mucho menos calor y soportar tensiones muchos menores.

El transistor es un elemento constituido fundamentalmente por silicio o germanio. Su vida media es prácticamente ilimitada y en cualquier caso muy superior a la del tubo de vacío.

5.-TIPOS DE TRANSISTORES:

5.1.-TRANSISTOR DE PUNTA DE CONTACTO:

Fue el primer transistor que obtuvo ganancia, inventado en 1947 por J. Bardeen y W. Brattain. Consta de una base de germanio sobre la que se apoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector. La corriente de base es capaz de modular la resistencia que se "ve" en el colector, de ahí el nombre de "transfer resistor". Se basa en efectos de superficie, poco conocidos en su día. Es difícil de fabricar (las puntas se ajustaban a mano), frágil (un golpe podía desplazar las puntas) y ruidoso. Sin embargo convivió con el transistor de unión (W. Shockley, 1948) debido a su mayor ancho de banda. En la actualidad ha desaparecido.

5.2.-TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR:

El transistor de unión bipolar, o BJT por sus siglas en inglés, se fabrica básicamente sobre un mono cristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de Galio, que tienen cualidades de semiconductores, estado intermedio entre conductores como los metales y los aislantes como el diamante. Sobre el sustrato de cristal, se contaminan en forma muy controlada tres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedando formadas dos uniones NP.

La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P de aceptadores o "huecos" (cargas positivas). Normalmente se utilizan como elementos aceptadores P al Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga) y donantes N al Arsénico (As) o Fósforo (P).

La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la característica de la base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen diferente contaminación entre ellas (por lo general, el emisor esta mucho más contaminado que el colector).

El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá de dichas contaminaciones, de la geometría asociada y del tipo de tecnología de contaminación (difusión gaseosa, epitaxia, etc.) y del comportamiento cuántico de la unión.

5.3.-TRANSISTORES BIPOLARES NPN Y PNP:

• • Es un componente semiconductor que tiene tres terminales BASE (b), EMISOR (e), COLECTOR (c).
  • Internamente está formado por un cristal que contiene una región P entre dos N (transistor NPN)
  • O una región N entre dos regiones P, (transistor PNP )

La diferencia que hay entre un transistor NPN y otro PNP radica en la polaridad de sus electrodos

5.4.-TRANSISTOR DE UNIÓN UNIPOLAR:

También llamado de efecto de campo de unión (JFET), fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otro drenador. Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando a puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.

5.5.-TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO:

El transistor de efecto de campo, o FET por sus siglas en inglés, que controla la corriente en función de una tensión; tienen alta impedancia de entrada.

• • Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante una unión PN.
  • Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la compuerta se aísla del canal mediante un dieléctrico.
  • Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa Metal-Óxido-Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica y está separada del canal semiconductor por una capa de óxido.

5.6.-FOTOTRANSISTOR:

Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor. Cuando no haya luz incidente, existe una corriente pequeñísima de fuga de colector a emisor, generada térmicamente, llamada corriente oscura. En el mercado se encuentran fototransistores tanto con conexión de base como sin ella y tanto en cápsulas plásticas como metálicas (TO-72, TO-5) provistas de una lente.

Se han utilizado en lectores de cinta y tarjetas perforadas, lápices ópticos, etc. Para comunicaciones con fibra óptica se prefiere usar detectores con fotodiodos p-i-n. También se pueden utilizar en la detección de objetos cercanos cuando forman parte de un sensor de proximidad. Se utilizan ampliamente encapsulados conjuntamente con un LED, formando interruptores ópticos (opto-switch), que detectan la interrupción del haz de luz por un objeto. Existen en dos versiones: de transmisión y de reflexión.

Tiene más capacidad de corriente pero su velocidad de conmutación es menor comparado con el fotodiodo.

6.-TRANSISTORES Y ELECTRÓNICA DE POTENCIA:

Con el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de los dispositivos semiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión y corriente ha permitido su uso en aplicaciones de potencia. Es así como actualmente los transistores son empleados en conversores estáticos de potencia, controles para motores y llaves de alta potencia (principalmente inversores), aunque su principal uso está basado en la amplificación de corriente dentro de un circuito cerrado.

7.-EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR:

El comportamiento del transistor se puede ver como dos diodos (Modelo de Ebers Moll), uno entre base y emisor, polarizado en directo y otro diodo entre base y colector, polarizado en inverso. Esto quiere decir que entre base y emisor tendremos una tensión igual a la tensión directa de un diodo, es decir 0,6 a 0,8 V para un transistor de silicio y unos 0,4 para el germanio.

Pero la gracia del dispositivo es que en el colector tendremos una corriente proporcional a la corriente de base: I_C = β I_B, es decir, ganancia de corriente cuando β>1. Para transistores normales de señal, β varía entre 100 y 300.

Entonces, existen tres configuraciones para el amplificador:

7.1.-EMISOR COMÚN:

7.2.-BASE COMÚN:

La señal se aplica al emisor del transistor y se extrae por el colector. la base se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganacia sólo de tensión. La impedancia de entrada es baja y la ganancia de corriente algo menor que uno, debido a que parte de la corriente de emisor sale por la base. Si añadimos una resistencia de emisor, que puede ser la propia impedancia de salida de la fuente de señal, un análisis similar al realizado en el caso de emisor común, nos da la ganancia aproximada siguiente:

La base común se suele utilizar para adaptar fuentes de señal de baja impedancia de salida como, por ejemplo, micrófonos dinámicos.

7.3.-Colector común:

La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. El colector se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia de corriente, pero no de tensión que es ligeramente inferior a la unidad. Esta configuración multiplica la impedancia de salida por 1/β.

9.-ALGUNAS APLICACIONES DE LOS TRANSISTORES:

El concepto de transistor bipolar permite una amplia variedad de aplicaciones  relacionadas con la electrónica de señal y la electrónica de potencia.

La electrónica de señal, o mas bien conocida como pequeña señal, es aquel entorno  electrónico que trata señales de baja potencia, relacionado tanto con el espectro de baja  frecuencia como con el de frecuencias medias y altas. Estamos hablando de circuitos de  recepción de audio, de recepción de radio, de adaptadores de líneas de transmisión, etc., todas ellas con un denominador común: los niveles de potencia empleados.

Los transistores se utilizan especialmente en tres campos:

En amplificación, ya sea de tension o corriente. En estos casos el transistor opera en la  zona lineal de trabajo. El concepto de amplificación viene impuesto por las condiciones eléctricas de numerosos dispositivos electrónicos.

En el tratamiento de la señal. Para este tipo de aplicaciones el transistor puede operar tanto en la zona lineal como en la zona no lineal, todo depende del tipo de aplicación que se desee implementar. Estamos hablando de dispositivos como los generadores de corriente, los multiplicadores de dos señales etc.

Como elementos adaptadores y aisladores entre etapas distintas de un circuito eléctrico. Se puede emplear el transistor para aislar dos etapas de un determinado dispositivo y eliminar problemas que pudieran aparecer.

Por último, podemos generalizar que los transistores son pequeños dispositivos  empleados en todo tipo de circuitos, ya sea relacionados con la electrónica digital o analógica, ya que forman el alma mater de los actuales microprocesadores y demás  elementos digitales.