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¿Qué es un Transistor? ¿Cómo Funcionan y para Qué se Usan?

Qué es un Transistor
Índice

¿Qué es y para Qué Sirve un Transistor?

Un transistor es un componente semiconductor electrónico que se utiliza para controlar principalmente corrientes y voltajes eléctricos bajos.

Es, con mucho, el componente «activo» más importante de los circuitos electrónicos, que se utiliza, por ejemplo, en ingeniería de comunicaciones, electrónica de potencia y sistemas informáticos.

Los transistores, principalmente como interruptores de encendido/apagado, son de particular importancia en los circuitos integrados, que es lo que hace posible la generalización de la microelectrónica.

El término «transistor» es un acrónimo de la resistencia de transferencia inglesa, que corresponde en función a una resistencia eléctrica que puede ser controlada por un voltaje eléctrico aplicado o una corriente eléctrica. El modo de funcionamiento es similar al de un tubo de electrones correspondiente, el triodo.

¿Cuáles son los Tipos de Transistores?

Hay dos grupos importantes de transistores, los transistores bipolares y los transistores de efecto de campo (FET), que difieren entre sí en la forma en que se activan.

Transistor Bipolar

En los transistores bipolares, tanto los portadores de carga negativa móviles, los electrones, como los portadores de carga positiva, los llamados electrones defectuosos, contribuyen a la función o transporte de carga.

Los huecos son estados vacantes en la banda de valencia que se mueven a través de la generación y recombinación de electrones en el cristal. Los transistores bipolares incluyen el IGBT y el HJBT. Sin embargo, el representante más importante es el transistor de unión bipolar (BJT).

El transistor bipolar es impulsado por una corriente eléctrica. Las conexiones están etiquetadas como base, emisor, colector (abreviado por las letras B, E, C en el diagrama del circuito). Una pequeña corriente de control en la ruta base-emisor conduce a cambios en las zonas de carga espacial dentro del transistor bipolar y, por lo tanto, puede controlar una gran corriente en la ruta colector-emisor.

Dependiendo de la secuencia de dotación en la estructura, se hace una distinción entre transistores npn (negativo-positivo-negativo) y pnp (positivo-negativo-positivo). En este contexto, la dotación significa la introducción de átomos extraños en una capa del material semiconductor de alta pureza durante el proceso de fabricación para cambiar la estructura del cristal.

Transistor Bipolar NPN
Transistor Bipolar NPN

En principio, los transistores bipolares son siempre autoblocantes: sin activación por medio de una pequeña corriente a través de la ruta base-emisor, el transistor se bloquea en la ruta colector-emisor.

En ambos casos, el emisor de conexión (E) está marcado con una pequeña flecha en el símbolo del circuito: En el caso de un transistor npn, apunta en sentido contrario al componente, en el caso de un transistor pnp, apunta hacia el componente.

La flecha describe la dirección técnica de la corriente (movimiento de portadores de carga positiva imaginarios) en el emisor. En los primeros años, se dibujaba un círculo alrededor del símbolo respectivo en los diagramas de circuito para los transistores discretos que se usaban a menudo en ese momento para identificar la carcasa del transistor.

Los símbolos circulares se han vuelto poco comunes con el uso frecuente de circuitos integrados en la actualidad.

La combinación de dos transistores bipolares con preamplificación y amplificación principal en una unidad se denomina transistor Darlington o circuito Darlington. Con esta conexión, se puede lograr una amplificación de corriente significativamente mayor que con un solo transistor.

Transistor de Efecto de Campo

Los transistores de efecto de campo, abreviados FET, también conocidos como transistores unipolares, están controlados por un voltaje. Una resistencia de entrada muy alta en funcionamiento estático y, por lo tanto, el control casi sin potencia es típico de los FET en particular.

Las tres conexiones se denominan puerta, que es la conexión de control, salida y fuente.

En el caso de los MOSFET (capa de óxido de metal), existe otra conexión, la mayor parte o el cuerpo, que generalmente se conecta a la conexión de la fuente. La resistencia y, por lo tanto, la corriente de la ruta salida-fuente está controlada por el voltaje entre la puerta y la fuente y el campo eléctrico resultante.

Transistor de Efecto de Campo
Transistor de Efecto de Campo

En el caso estático, el controlador está casi desenergizado. La corriente controlada en el canal de fuente de salida puede fluir en ambas direcciones, en contraste con la corriente de colector de los transistores bipolares.

La clase de transistores de efecto de campo se divide en FET de unión (JFET) y FET provistos de una puerta separada por un aislador (MISFET, MOSFET). Según la dotación del semiconductor, los transistores de efecto de campo también se diferencian entre n-FET y p-FET, que en el caso de los MOSFET se dividen en tipos normalmente encendidos y normalmente apagados.

En los transistores unipolares, solo un tipo de portador de carga, electrones cargados negativamente o electrones defectuosos cargados positivamente, está involucrado en el transporte del portador de carga a través del transistor.

Transistor de Efecto de Campo de Unión

En los FET de unión (JFET), la capa de aislamiento eléctrico de la puerta está formada por un diodo polarizado en inversa y su zona de carga espacial de diferentes tamaños.

En su forma básica, los FET de unión siempre están normalmente en transistores: sin voltaje en la puerta, son conductores entre la fuente y la salida. La aplicación de un voltaje de puerta de la polaridad adecuada reduce la conductividad entre la fuente y la salida.

Sin embargo, también hay variantes especiales que no tienen corriente de fuente-salida sin un voltaje de compuerta (JFET normalmente apagado).

Además, los JFET vienen en dos tipos: canal n y canal p. En el símbolo del circuito, la flecha se dibuja en el transistor para un canal n y se dibuja en la conexión de la puerta. En el tipo de canal p, la dirección de la flecha se invierte. Los FET de unión solo se utilizan en aplicaciones especiales, como amplificadores de micrófono, debido al control algo más complicado.

Transistor de Efecto de Campo de Semiconductores de Óxido de Metal

El término genérico MISFET se deriva del término inglés metal insulator semiconductor field-effect transistor. Representan el otro gran grupo, los transistores de efecto de campo de transistores de efecto de campo de puerta aislada (IGFET).

Por razones históricas, el término MOSFET generalmente se usa como sinónimo en lugar de MISFET o IGFET. MOSFET son las siglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor y se remonta a los orígenes de la tecnología de semiconductores, en ese momento se usaba aluminio como material de la puerta y dióxido de silicio como aislante.

Como sugiere el nombre, un MOSFET se define principalmente por la estructura de la pila de capas de puerta. Una compuerta “metálica” está eléctricamente aislada del canal de corriente (semiconductor) entre la fuente y la salida por un óxido (aislante).

Con el estado de la tecnología en 2008, el polisilicio fuertemente dopado se utilizó principalmente como material de puerta, lo que significa que la designación MISFET o MOSFET es incorrecta. En relación con el material de sustrato de silicio, el dióxido de silicio es un material aislante ideal, ya que puede integrarse fácilmente en el proceso de fabricación y tiene buenas propiedades eléctricas.

Una excepción es la tecnología de compuerta de metal de alta k+, que utiliza una compuerta de metal junto con materiales de óxido de metal de alta k.

Una ventaja de la tecnología MOSFET es que el uso de un aislante durante el funcionamiento significa que no es necesario formar una zona de carga espacial como capa de separación, como es el caso de los FET de unión con la polaridad de accionamiento correspondiente.

Por lo tanto, la conexión de la puerta puede estar sujeta a voltajes tanto positivos como negativos con respecto a la conexión de la fuente en ciertas áreas.

Dependiendo de la dotación del material base, se pueden producir MOSFET de canal n y canal p. Estos también se pueden configurar como tipos normalmente encendidos o normalmente apagados como parte de los procesos de fabricación.

Los símbolos de conmutación incluyen, por lo tanto, cuatro variaciones posibles. Se puede ver que los MOSFET auto conductores, también conocidos como del tipo empobrecido, tienen una línea sólida entre los terminales de salida y fuente.

Esta línea se rompe en los tipos autoblocantes, también conocidos como tipo enriquecimiento. La flecha se dibuja en la conexión principal de estos transistores y se orienta hacia el símbolo del transistor para un tipo de canal n y se aleja del transistor para un tipo de canal p. La conexión masiva a menudo está permanentemente conectada a la conexión de la fuente directamente en el semiconductor.

Debido a la mayor variedad y la facilidad de control eléctrico, los MOSFET son, con mucho, los transistores más producidos en la actualidad. Esto fue posible principalmente gracias a la tecnología CMOS, que combina los MOSFET n y p.

Solo el uso de esta tecnología permitió la realización de circuitos integrados altamente complejos con un consumo de energía significativamente reducido, lo que no sería posible con otros tipos de transistores.

Tipos de Transistores Especiales

Además de los tipos básicos de transistores, existen algunas otras variantes para áreas especiales de aplicación, como el transistor bipolar con un electrodo de puerta aislado, o IGBT para abreviar.

Desde finales de la década de 1990, estos transistores se han utilizado principalmente en electrónica de potencia y representan una combinación de MOS y tecnología bipolar en una carcasa común.

Dado que estos transistores de potencia tienen voltajes de bloqueo de hasta 6 kV y pueden conmutar corrientes de hasta 3 kA, reemplazan a los tiristores, se están utilizando cada vez más en la electrónica de potencia.

Los fototransistores son transistores bipolares ópticamente sensibles, como los que se utilizan en los optoacopladores, entre otras cosas. Estos transistores no están controlados por una pequeña corriente base-emisor -a veces se omite la conexión base- sino exclusivamente por la incidencia de la luz (utilizada en barreras de luz, por ejemplo).

En la región de carga espacial de la unión p-n del transistor bipolar, la luz tiene un efecto similar a la corriente de base que normalmente está presente en la base (B). La puerta (G) está conmutada. Por lo tanto, los transistores convencionales, en los que este efecto no es deseable, deben alojarse en un paquete opaco.

Un transistor que rara vez se usa en la actualidad es el transistor uniunión, abreviado UJT. Es más similar a los tiristores o diacs en su función, pero históricamente se cuenta entre los transistores. Su función, por ejemplo en los generadores de diente de sierra, ahora se implementa en gran medida mediante circuitos integrados.

En algunas pantallas de cristal líquido, en su mayoría pantallas TFT a color, se utilizan hasta tres transistores de película delgada (TFT) por píxel en el área de imagen activa. Estos transistores de efecto de campo son prácticamente transparentes.

Se utilizan para controlar los píxeles individuales y permiten un mayor contraste en comparación con las pantallas LC con capacidad de color sin transistores. Dependiendo del tamaño de la pantalla TFT, se pueden usar hasta unos pocos millones de transistores de película delgada por pantalla.

Los MOSFET especiales con la llamada puerta flotante se utilizan como elemento de almacenamiento principal en memorias de solo lectura programables eléctricamente, como EPROM y EEPROM. Debido a la carga eléctrica almacenada en la puerta flotante, el transistor se enciende o apaga permanentemente y puede almacenar el contenido de información de un bit.

La escritura, y en algunos tipos también el borrado, es posible gracias al efecto túnel de la mecánica cuántica.

Otras formas especiales se utilizan en circuitos integrados, como el transistor multiemisor, que lleva a cabo la operación lógica real de las señales de entrada en puertas lógicas transistor-transistor-lógico.

Diseños

A lo largo de la historia de la microelectrónica, se han desarrollado una gran cantidad de diseños de transistores con respecto a la estructura interna funcional, que difieren principalmente en la producción de las uniones pn y la disposición de las áreas provisionadas o dopadas.

El primer transistor práctico fue el transistor de punta en 1947. A esto le siguieron numerosos intentos de simplificar la producción y, por lo tanto, abaratarla. Los tipos importantes de transistores individuales bipolares son: el transistor dibujado, el transistor de aleación, el transistor de deriva, el transistor de difusión, el transistor de mesa de aleación difusa, el transistor epitaxial y el transistor superpuesto.

Probablemente el diseño más importante, sin embargo, es el transistor planar desarrollado por Jean Hoerni en 1960, que permitió tanto la protección efectiva de la unión pn sensible como la producción en masa en paralelo sobre un sustrato (oblea), lo que influyó significativamente en el desarrollo de circuitos integrados (CI).

Es importante para los amplificadores diferenciales que sus dos transistores de entrada funcionen de la manera más isotérmica posible. Entre otras cosas, se fabrican transistores dobles para este propósito, dos transistores en una carcasa.

Los transistores individuales en una pequeña placa de latón, que a su vez están en un soporte de cerámica y eléctricamente aislante. Algunos tipos modernos en paquetes SO se basan en dos transistores en un dado, también hay conjuntos de transistores integrados (por ejemplo, CA 3086) o amplificadores diferenciales totalmente integrados en forma de amplificadores operacionales y comparadores.

Los transistores de efecto de campo, que solo se realizaron en la práctica más tarde, se pueden realizar en un número similar de diseños. Las formas más importantes son el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal planar, el transistor de nanocables y el FinFET.

En las primeras etapas de la microelectrónica, todavía se trataba de producir transistores funcionales con buenas propiedades eléctricas, pero se desarrollaron cada vez más diseños posteriores para aplicaciones y requisitos especiales, como transistores de alta frecuencia, potencia y alto voltaje.

Esta división se aplica tanto a los transistores bipolares como a los de efecto de campo. También se han desarrollado tipos de transistores especiales para algunas aplicaciones, que combinan las propiedades típicas de los dos tipos principales, el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT).

Materiales

En los primeros días, los transistores bipolares se fabricaban con germanio semiconductor, mientras que en la actualidad el silicio semiconductor se utiliza predominantemente tanto en transistores de efecto de campo como en transistores bipolares.

La sustitución gradual del germanio por silicio en el transcurso de los años 60 y 70 se debió a las siguientes razones:

  • El silicio tiene un óxido estable no conductor (dióxido de silicio), mientras que el óxido de germanio es soluble en agua, lo que, entre otras cosas, complica la limpieza.
  • El dióxido de silicio es adecuado para la pasivación superficial de los semiconductores, lo que significa que el entorno (contaminación, cargas superficiales, etc.) tiene una influencia significativamente menor en las propiedades eléctricas de los componentes y, por lo tanto, es más reproducible.
  • Con la oxidación térmica del silicio, existía un proceso sencillo de fabricación de dióxido de silicio sobre silicio monocristalino. La interfaz de silicio-dióxido de silicio resultante muestra un bajo número de cargas interfaciales, lo que, entre otras cosas, permitió la implementación práctica de transistores de efecto de campo con puertas aisladas.
  • Al igual que el germanio, el silicio es un semiconductor elemental. El silicio es más fácil de extraer y manipular que el germanio.

Otros materiales se utilizan para aplicaciones especiales. Algunos semiconductores compuestos, como el arseniuro de galio tóxico, tienen mejores propiedades para aplicaciones de alta frecuencia, pero son más caros de fabricar y requieren diferentes instalaciones de fabricación.

Para evitar estas desventajas prácticas del arseniuro de galio, existen varias combinaciones de semiconductores, como el germanio de silicio, que se pueden usar para frecuencias más altas.

Para aplicaciones de alta temperatura, se utilizan materiales semiconductores especiales como el carburo de silicio (SiC) para fabricar transistores. Estos transistores pueden, por ejemplo, usarse directamente en un motor de combustión a temperaturas de hasta 600 °C.

Con semiconductores a base de silicio, la temperatura máxima de funcionamiento está en el rango de 150 °C.

Para Qué se usan los Transistores

Los transistores se utilizan en casi todos los circuitos electrónicos de hoy. El uso como componente único (discreto) juega un papel secundario. Incluso en la electrónica de potencia, cada vez se fabrican más transistores sobre un sustrato, esto se hace principalmente por razones de costo.

Una tipificación más antigua de transistores se basaba en las áreas de aplicación:

  • Transistores de pequeña señal: transistores simples sin refrigeración para tecnología AF analógica para salidas de hasta aproximadamente 1 W.
  • Transistores de potencia: transistores robustos y refrigerables para potencias superiores a 1 W.
  • Transistores de alta frecuencia: transistores para frecuencias superiores a 100 kHz, para frecuencias superiores a 100 MHz, el diseño externo también se implementa utilizando tecnología de línea de banda, por ejemplo.
  • Transistores de conmutación: transistores con una proporción favorable de corriente de estado activado a estado desactivado, donde la curva característica no tiene que ser particularmente lineal, en variantes para salidas pequeñas y grandes. Los transistores bipolares en el rango de baja potencia con resistencias de balasto integradas también se denominan transistores digitales.

Ahora hay aún más diferenciación según los usos. Los puntos de referencia también han cambiado, el límite de 100 kHz para los transistores HF se establecería alrededor de un factor de 1000 más alto en la actualidad.

Tecnología de Circuitos Digitales

En base a la cantidad de componentes fabricados, la principal área de aplicación de los transistores en tecnología digital es en circuitos integrados como memorias RAM, memorias flash, microcontroladores, microprocesadores y puertas lógicas.

En los circuitos altamente integrados, hay más de mil millones de transistores en un sustrato, que en su mayoría está hecho de silicio y tiene un área de unos pocos milímetros cuadrados. La tasa de aumento en el número de componentes por circuito integrado, que seguía creciendo exponencialmente en las últimas décadas, también se conoce como Ley de Moore.

Cada uno de estos transistores se usa como una especie de interruptor electrónico para encender o apagar una corriente parcial en el circuito. Con este número cada vez mayor de transistores por chip, su capacidad de memoria aumenta o su gama de funciones aumenta, por ejemplo, en que los microprocesadores modernos permiten procesar cada vez más actividades en paralelo en varios núcleos de procesador.

Todo esto aumenta principalmente la velocidad de trabajo, gracias a que los transistores individuales dentro de los chips también son cada vez más pequeños, su consumo de energía respectivo también está disminuyendo, por lo que los chips también son cada vez más eficientes energéticamente en general (en relación con la producción de trabajo).

El tamaño de los transistores (longitud de puerta) en los chips altamente integrados suele ser de unos pocos nanómetros hace unos años. Por ejemplo, la longitud de puerta de los procesadores fabricados con la llamada tecnología de 45 nm es de solo unos 21 nm.

Los 45 nm en la tecnología de 45 nm se refieren al tamaño de la estructura más pequeña que se puede producir litográficamente, el llamado tamaño de característica, que suele ser el contacto metálico más bajo con las regiones de fuente de salida.

Las empresas de semiconductores están impulsando esta reducción, Intel presentó los nuevos chips de prueba de 32 nm en diciembre de 2009. Además de los microprocesadores y las memorias, los procesadores gráficos y las matrices de puertas programables en campo (FPGA) también están a la vanguardia de los tamaños de estructura cada vez más pequeños.

Tecnología de Circuitos Analógicos

En la tecnología de circuitos analógicos, tanto los transistores bipolares como los transistores de efecto de campo se utilizan en circuitos como amplificadores operacionales, generadores de señales o como fuente de tensión de referencia de alta precisión.

Los convertidores de analógico a digital y los convertidores de digital a analógico actúan como interfaz para las aplicaciones digitales. Los circuitos son mucho más pequeños en alcance. El número de transistores por chip oscila entre unos 100 y unos 10.000 transistores.

En los circuitos de transistores para el procesamiento de señales, como los preamplificadores, el ruido es una perturbación importante. El ruido térmico, el ruido de disparo y el ruido 1/f juegan un papel particularmente importante.

En el caso del transistor de efecto de campo MOS, el ruido 1/f ya es particularmente alto por debajo de aproximadamente 1 MHz. El diferente comportamiento del ruido también determina las posibles áreas de aplicación de los tipos de transistores, por ejemplo, en amplificadores de baja frecuencia o en convertidores de alta frecuencia especiales de bajo ruido.

En la tecnología de circuitos analógicos, los transistores discretos de diferentes tipos todavía se usan hoy en día y se conectan a otros componentes electrónicos en placas de circuitos impresos, por lo que todavía no hay circuitos integrados listos para usar o partes de circuitos para estos requisitos.

Otra área de aplicación para el uso de circuitos de transistores discretos se encuentra en el segmento cualitativamente superior de la tecnología de audio.

Electrónica de Potencia

Los transistores se utilizan en diferentes áreas de la electrónica de potencia. En el campo de los amplificadores de potencia, se encuentran en etapas de salida. Los MOSFET de potencia o IGBT se utilizan en el campo de las fuentes de alimentación reguladas, como las fuentes de alimentación conmutadas, donde se utilizan como inversores y rectificadores síncronos.

Los IGBT y los MOSFET de potencia están penetrando cada vez más en áreas que antes estaban reservadas para tiristores más grandes, por ejemplo, en inversores o controles de motores. La ventaja de los transistores de potencia sobre los tiristores es la capacidad de encender o apagar los transistores en cualquier momento.

Aunque los tiristores convencionales se pueden encender (disparar) en cualquier momento, no se pueden volver a apagar, o solo con un circuito adicional. Una circunstancia que es particularmente desventajosa en aplicaciones de tensión continua.

Debido a las pérdidas de potencia que se producen en la electrónica de potencia, se suelen utilizar carcasas de transistores de mayor tamaño como el TO-220 o el TO-3, que además permiten una buena conexión térmica a los disipadores.

Fabricación y Forma

Los transistores normalmente tienen tres conexiones, que suelen colocarse en paralelo como cables, pines, láminas de metal solo en un lado de la carcasa. Sin embargo, las superficies de soldadura de las carcasas SMD se encuentran al menos en dos lados del contorno.

En el caso de los transistores de potencia en particular, que están firmemente atornillados a una superficie de refrigeración, puede suceder que la parte metálica que se atornilla también conduce eléctricamente a uno de los tres polos del transistor, por lo que solo se pueden utilizar dos polos.

Si, por el contrario, salen cuatro cables de la carcasa, uno puede tener la función de blindaje «S». Si una carcasa contiene varios transistores, puede salir un número correspondiente de contactos, como el transistor Darlington.

Hay pares de especímenes seleccionados individualmente con propiedades que son lo más similares posible para la instalación en circuitos correspondientemente exigentes. También existen los llamados pares complementarios (tipos) con propiedades similares pero polaridad invertida, es decir, un tipo npn y pnp.

La estructura del componente, que puede ser de filigrana en el interior, se sostiene y al mismo tiempo se encierra en una carcasa comparativamente robusta.

Tareas de la vivienda y de las líneas de abastecimiento en general:

  • Cerrando lo más herméticamente posible:
    • Hermético a los gases contra la entrada de oxígeno y otros reactivos físico-químicos para crear un entorno lo más inerte y limpio posible para las sustancias semiconductoras de alta pureza. Los semiconductores también se pueden recubrir con capas aislantes.
    • A prueba de luz
    • Protección contra la radiación ionizante (particularmente importante para vuelos a gran altitud, viajes espaciales, entornos radiactivos calientes)
    • Campos eléctricos y magnéticos (alternos)
  • Baja resistencia al flujo de calor para el calor producido en el semiconductor (y sus conductores) durante el funcionamiento hacia el disipador de calor como disipador de calor. Los estuches suelen estar llenos de pasta térmica de silicona.
  • Disipación lateral del calor que llega a través de los contactos eléctricos durante un proceso de soldadura. Los transistores de germanio pequeños a veces están equipados con cables de conexión delgados hechos de hierro, que conducen el calor, pero también la electricidad, peor que el cobre.
  • Conducción de corrientes eléctricas con baja caída de tensión y baja generación de calor (calor de Joulian).

En el caso especial del fototransistor como sensor, la luz debería poder penetrar en el propio semiconductor.

Materiales de la carcasa:

  • Vidrio, soplado, lacado negro
  • Chapa de aluminio embutida
  • Láminas de materiales de cobre (cúpula delgada sobre placa perforada gruesa), galvanizadas o soldadas
  • Termoestable

Incrustación de contactos:

  • Vidrio
  • Adhesivo
  • Termoestable
  • Cerámica
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