El transistor

Si hay un componente que ha supuesto el verdadero motor revolucionario de las nuevas tecnologías, es sin duda el transistor. En 1947, John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley, mientras trabajaban en los laboratorios de la compañía estadounidense Bell Telephone, inventaron el primer transistor de estado sólido. Cuando el 30 de junio de 1948 el gabinete de prensa de la empresa emitió una nota de prensa haciendo público el desarrollo, el New York Times al día siguiente incluía una breve reseña a este acontecimiento en su última página y sin mostrar demasiado interés. En 1956 los tres científicos, demostradas las extraordinarias aplicaciones de su invención, recibieron el Premio Nobel de Física.

El transistor es el componente de referencia en electrónica tanto analógica como digital. En su momento supuso la desaparición del uso cotidiano de las válvulas de vacío, obligando a los profesionales electrónicos de entonces a reciclarse de forma acelerada. El transistor exhibía cualidades superiores a las válvulas por multitud de razones. Entre ellas destacaban la ausencia de filamento interno, que recorta notablemente el consumo energético; su duración casi indefinida, al tratarse de un semiconductor; su muy inferior ocupación de espacio físico y su baja disipación de calor.

La aparición del transistor permitió miniaturizar los dispositivos y sistemas electrónicos y agruparlos en diminutos circuitos integrados. Además, abarató la electrónica, impulsó el desarrollo de la informática y popularizó la electrónica de consumo. No es exagerado afirmar que las nuevas tecnologías actuales nacen con el transistor. No en vano, uno de los índices de progreso utilizados en los desarrollos tecnológicos es la escala de integración de transistores y otros componentes en circuitos integrados.

Transistor bipolar

Un transistor es el resultado de unir tres fragmentos de material semiconductor convenientemente dopado. Los tres fragmentos darán lugar a dos uniones pn con características particulares. En concreto, existen dos configuraciones posibles que dan lugar a los transistores npn o pnp, según el tipo de material empleado en las zonas externas frente a la central. Con independencia del dopado, estas tres zonas se denominan emisor, base y colector.

En un transistor bipolar tipo npn, el emisor está fuertemente dopado, ya que su misión es inyectar electrones libres a la base o fragmento intermedio. Se trata de una zona estrecha y con un dopado ligero que permite que la mayor parte de los electrones fluya hacia la tercera zona o colector. El colector tiene un dopado intermedio y su función consiste en recoger los electrones que proceden del emisor a través de la base.

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Esquema de polarización de un transistor.

La polarización directa de un transistor npn se realiza conectando una fuente con polarización directa en el diodo o unión pn formado por el emisor y la base. Dado que el emisor es de tipo n, tendrá conectado el polo negativo mientras que la base, al ser de tipo p, estará unida al polo positivo. El diodo formado por base y colector es, en realidad, un dispositivo de polarización inversa, ya que el polo positivo se conecta al colector n y el negativo se une al emisor. Se habla por ello de una configuración en «emisor común».

Cuando la tensión del diodo base-emisor supera la barrera de potencial, los electrones del emisor pueden atravesar la zona de depleción, y por tanto, cruzar hacia la base. Una vez en la base, podría pensarse que deberían combinarse con los huecos electrónicos y terminar saliendo por la conexión en dirección hacia la fuente. Sin embargo, como la base es estrecha y su dopado muy ligero, la mayor parte de los electrones tenderá a dirigirse hacia el colector conectado al polo positivo de otra fuente, atraídos con fuerza por éste.

Observando este comportamiento se puede concluir que en un transistor existe inicialmente una corriente de electrones que atraviesa el emisor, denotada como I E. Al llegar a la base, esta corriente de electrones se divide en dos: una parte muy pequeña se desvía por la base hacia la fuente I B, mientras la otra se introduce en el colector y termina siendo atraída por la fuente que polariza este I C.

I E = I B + I C

Como en realidad la corriente de base es muy débil, se establece como parámetro la relación entre la corriente de colector y la de base. Este parámetro se denomina ganancia en corriente y se denota por:

= I C/I B

Para conocer con cierto detalle las características y parámetros de funcionamiento de un transistor hay que recurrir a un circuito práctico que permita medirlos. Al tratarse de un componente de tres terminales existen varias configuraciones o disposiciones posibles.

Una de las configuraciones más utilizadas es la de emisor común. En ella se dispone de una polarización directa de la unión emisor-base con una resistencia en serie que limita la corriente de polarización para evitar su destrucción. Por otro lado, el colector se polariza inversamente uniendo el polo positivo y dejando el negativo en el emisor (de ahí el nombre de emisor común). Asimismo, se incluye otra resistencia limitadora de corriente en serie con el colector.

Inicialmente se obtiene una gráfica característica denominada curva de entrada en la que se plantea exclusivamente la malla que afecta a la unión conocida como diodo emisor-base. En dicha curva se muestra la relación entre la tensión medida entre los terminales emisor y base y la corriente de base. Observando la gráfica se encuentra inmediatamente la semejanza con las curvas de los diodos estudiadas anteriormente.

La expresión que relaciona las variables es la siguiente:

I B = (V BB – V BE)/R B

La curva característica de salida es realmente una familia de curvas, ya que se trabaja con tres variables en un trazado bidimensional que relaciona la tensión entre colector y emisor con la corriente de colector para cada una de las posibles corrientes de base. Observando un trazado cabe distinguir tres zonas: de saturación, de mantenimiento o activa y de ruptura.

La zona de saturación refleja que, a medida que aumenta la tensión colector-emisor, se incrementa la corriente de colector hasta alcanzar un valor que dependerá de la corriente de base. La zona activa muestra un mantenimiento prácticamente constante de la corriente de colector, aunque aumente la tensión colector-emisor. En la zona de ruptura, la corriente de colector se dispara; un hecho que es preciso evitar.

En la práctica existe una cuarta sección denominada zona de corte, en la que el transistor presenta una reducida corriente de colector en ausencia de corriente de base. La razón hay que buscarla en la corriente de minoritarios y en la corriente de fugas.

A la hora de estudiar un circuito con transistores hay que recurrir al método de las aproximaciones utilizado en los diodos. El equivalente de un circuito polarizado directamente en configuración de emisor común presenta un dispositivo con dos terminales de entrada (base y emisor) y un diodo. En la salida aparecen de nuevo dos terminales (colector-emisor) con una fuente de corriente dependiente cuyo valor será el producto de la ganancia en corriente por la intensidad de corriente de la base.

Así pues, un transistor se puede interpretar a grandes rasgos como un amplificador de corriente cuando su zona de trabajo sea en activa o un interruptor cuando trabaje en corte o saturación (abierto o cerrado, respectivamente). La zona de ruptura no debe utilizarse nunca.

Características de un transistor

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Curvas características de un transistor.

Los fabricantes de los diferentes modelos de transistores especifican en las hojas de características los parámetros y valores más significativos. Entre los numerosos valores destacan algunos como las tensiones inversas de ruptura colector-base (V CB), colector-emisor con la base abierta (V CEopen) y emisor-base (V EB). Otros parámetros de interés son las corrientes y potencias máximas, como la corriente de colector I C y la máxima potencia disipable en forma de calor, además de la ganancia en corriente o parámetro h FE.

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Ejemplos de transistores usados comúnmente en la técnica.

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Ejemplos de transistores usados comúnmente en la técnica.

Existen transistores para múltiples aplicaciones y son numerosos los distintos tipos disponibles en el mercado. Dependiendo de sus características técnicas y de su aplicación final se encapsulan en formatos variados, como TO-92, TO-126, TO-3 para potencia, TO-220 con terminal para el disipador, etc.

Punto de trabajo. Para determinar el punto de trabajo de un transistor en un circuito, al objeto de obtener con precisión los valores de V CE e I C, hay que comenzar trazando las curvas de salida del modelo de transistor empleado. A continuación se calculará la intensidad de la base resolviendo la malla emisor-base.

Con los valores de la corriente de base y la ganancia se obtendrá la corriente de colector. Después, resolviendo la malla colector-emisor se determinará el valor de la tensión colector-emisor. Gráficamente sólo es necesario trazar una recta que una los puntos (V CE, I C = 0) y (V CE = 0, I C). El punto de trabajo es la intersección de la recta con la curva asociada al valor IB de la polarización aplicada.

El transistor en activa. La zona activa del transistor se emplea en aplicaciones asociadas al fenómeno de la amplificación. Un transistor configurado en activa correctamente mostrará en su salida la señal de entrada multiplicada por la ganancia. Acoplando correctamente mediante condensadores que eviten el paso de la componente de continua se diseñan amplificadores de señal alterna que se utilizan como etapas amplificadoras en diferentes campos como el del sonido.

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Esquema de un circuito conmutador que ejemplifica el trabajo de un transistor como amplificador e interruptor.

Las primeras etapas, conocidas como preamplificación, preparan la señal inicialmente. A continuación, un conjunto de etapas intermedias incrementa los valores de la señal respetando su forma para finalmente aplicar la última etapa conocida como amplificación de potencia y enviar la señal resultante a través de adaptadores de impedancia a los altavoces de salida.

Los transistores en amplificación pueden funcionar en tres clases: A, B y C. El funcionamiento en clase A se produce cuando el transistor trabaja en activa durante todo el ciclo de la señal sin entrar en corte ni en saturación. Su rendimiento es muy limitado, ya que no alcanza en general el 25 %. La clase B presenta mayor rendimiento que la A y se usa cuando es necesario un bajo consumo de corriente con un alto rendimiento. Como en esta configuración el transistor conduce exclusivamente durante un semiciclo, se sitúa otro transistor en contrafase para permitir la circulación durante el otro semiciclo. Esta disposición se denomina push-pull.

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Esquema básico de un circuito amplificador.

En los circuitos de clase C, la corriente en el colector circula durante medio ciclo. Los amplificadores presentan un rendimiento que puede alcanzar el 100 %. Estos modelos se emplean como multiplicadores de frecuencia, mezcladores de frecuencia, receptores de radio frecuencia (receptor superheterodino) y moduladores y demoduladores de señal.

El transistor en corte y saturación. El transistor puede utilizarse como un rápido y eficaz interruptor controlado por corriente. Para ello no hay más que diseñar los circuitos para que trabajen en las zonas de corte y saturación en virtud de la señal de entrada. La zona de corte garantiza que el transistor impida el paso de la corriente de emisor hacia el colector, por lo que la tensión entre colector y emisor será la misma que si existiera un circuito abierto en su interior. Esta zona sería equivalente a un estado de interruptor abierto. La zona de saturación, por el contrario, asegura la máxima circulación de corriente y, por tanto, a efectos prácticos se interpreta como un cortocircuito entre emisor y colector, por lo que el interruptor se encontrará cerrado.

A la hora de plantear el diseño o la resolución de un circuito con transistores es importante, en primer lugar, discernir si la configuración pretende que trabaje en corte y saturación o si se trata de una configuración que persigue la polarización para su trabajo en zona activa. En la primera opción, el funcionamiento es muy sencillo y, como término general, si los valores de las fuentes de polarización coinciden (situación habitual en la mayoría de estos casos) se detecta una saturación fuerte cuando la resistencia de base es al menos diez veces mayor que la del colector.

En activa, el procedimiento es más complejo, ya que hay que determinar inicialmente el punto de funcionamiento según la red de polarización existente (en general, polarización por división de tensión). Después se analizará el transistor como una fuente de corriente controlada que amplifica las señales de alterna presentes en la entrada. En este tipo de circuitos es esencial tener en cuenta las frecuencias de trabajo para conocer el comportamiento y optimizar la respuesta.

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Esquema de un transistor PNP con fuente positiva.

Transistor pnp y conexión Darlington. En el transistor pnp, las zonas se encuentran dopadas, al contrario que en un npn. Su comportamiento se puede estudiar teniendo en cuenta que los portadores mayoritarios son los huecos en lugar de los electrones. El emisor introduce huecos en la base, pero la mayor parte de éstos fluye hacia el colector, por lo que ambas corrientes son aproximadamente iguales.

El mismo circuito estudiado en un transistor npn se puede usar en un npn equivalente cambiando las fuentes positivas por negativas. No obstante, como no es habitual utilizar fuentes negativas hay que invertir el dispositivo.

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Esquema de una conexión Darlington.

Para mejorar la ganancia de un transistor se recurre a la denominada conexión en cascada o Darlington, que consiste en acoplar el emisor del primero directamente a la base del segundo. Esta configuración presenta también una alta impedancia de entrada. Los fabricantes proporcionan componentes de tres terminales que albergan en su interior una configuración de este tipo.

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Símbolo y esquema de un optoacoplador.

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Símbolo y esquema de un optoacoplador.

Fototransistor y optoacoplador. Un fototransistor es un transistor en el que la base se encuentra abierta y existe una pequeña ventana que permite que la luz penetre hacia la unión colector-base. El efecto es un aumento de la corriente de portadores minoritarios. Desde un punto de vista práctico, el funcionamiento es similar al fotodiodo, con la diferencia de que el fototransistor, al presentar ganancia tiene un comportamiento más sensible. El inconveniente es la velocidad.

Si se une un diodo y un fototransistor se obtiene un optoacoplador. Entre las aplicaciones habituales de los optoacopladores destacan los sensores empleados en codificadores que permiten detectar, por ejemplo, el movimiento giratorio de la bola de un ratón mecánico o contabilizar el número de vueltas de una rueda sobre su eje.

Transistores de efecto de campo (fet)

Se llama transistor de efecto de campo (fet, por sus siglas en inglés) a un dispositivo unipolar cuyo funcionamiento se debe exclusivamente a uno de los tipos de cargas (electrones o huecos), pero no a ambos como sucede en los transistores bipolares. La modalidad conocida como fet de unión, abreviado como jfet, tiene tres terminales denominados fuente, puerta y drenador.

Internamente, el jfet está formado por un fragmento de material tipo n en el que existen dos áreas de material tipo p que pueden estar separadas (doble puerta) o unidas (simple puerta). Su funcionamiento se basa en la capacidad para controlar la conductancia del canal a través de la tensión de puerta con una polarización inversa entre puerta-canal que aporta una alta impedancia de entrada.

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Transistor de efecto de campo.

La polarización normal de un jfet polariza inversamente la unión puerta-fuente y directamente la unión drenador-fuente. La polarización inversa asegura una corriente inversa muy pequeña y, con ello, la resistencia de entrada será muy grande (en cuyo caso se habla de resistencia de entrada infinita). Este hecho se puede interpretar de forma sencilla entendiendo que la tensión inversa de la entrada (puerta-fuente) controla la anchura del canal por el que circula la corriente fuente-drenador. El inconveniente del transistor jfet es que presenta menor ganancia en tensión que el bipolar.

Transistores mosfet

El transistor fet de semiconductor óxido metal se denomina abreviadamente, por sus siglas en inglés, mosfet. La principal ventaja de este dispositivo frente al jfet convencional es que permite aplicar una tensión positiva entre la puerta y la fuente aumentando así la capacidad de circulación de corriente por el canal. La razón para aplicar esta tensión positiva es el aislamiento eléctrico entre la puerta y el canal.

En el caso de polarización negativa se produce el estrechamiento y, en estas condiciones, el funcionamiento es igual al jfet. En un mosfet llamado de empobrecimiento de canal N o mosfet de depleción aparece un canal N con una zona P denominada sustrato y una puerta aislada eléctricamente. El mosfet de enriquecimiento o acumulación es un dispositivo en el que el sustrato ocupa todo el espacio a lo ancho dividiendo el canal de los fet anteriores en dos fragmentos.

Cuando la tensión de la puerta es nula, los electrones no pueden atravesar la zona del sustrato, por lo que el dispositivo se encuentra en corte. Si la puerta es suficientemente positiva atrae electrones libres dentro de la zona P, que se recombinan con los huecos hasta que terminan con ellos. Entonces los electrones pueden pasar desde la fuente hasta el drenador.

Los mosfet de enriquecimiento han constituido desde hace varias décadas la base tecnológica para el desarrollo de la electrónica digital, la aparición de la microelectrónica y, en definitiva, el avance de las nuevas tecnologías.

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Esquema de un transistor de tipo MOSFET.

Transistor isfet

Los transistores isfet ( Ion Sensitive Field Effect Transistor o transistor de efecto campo sensible a los iones) son un tipo de transistores sensibles a la presencia de iones, átomos en los que se manifiesta un estado eléctrico positivo. Esta sensibilidad les hace especialmente útiles para actuar como sensores capaces de detectar cambios de pH.

Se trata de componentes basados en la tecnología mosfet. Están constituidos por una capa de material semiconductor N o canal a la que se hallan adosadas dos capas de semiconductor P conectadas entre sí. En el canal existen dos terminales, fuente y drenador respectivamente, y aislado de él un elemento graduador o puerta.

El funcionamiento de los isfet se basa en que, ligados a una solución electrolítica por medio de un sensor, miden la diferencia de potencial que se establece entre dicha di­solución y la puerta del transistor por la mayor o menor cantidad de iones de hidrógeno. De esta manera, cuando cambia la concentración de los iones de hidrógeno, varía la corriente que atraviesa dicho transistor, lo cual se traduce en una medida de la variación de pH.

Los isfet están también siendo investigados como componentes útiles para cuantificar impurezas en corrientes gaseosas.

Transistor tft

Los transistores tft ( Thin Film Transistor o transistores de capa fina), agrupados en los de efecto campo, están compuestos de una fina capa de un semiconductor N o canal, que lleva adosadas dos capas de semiconductor P conectadas entre sí. Cada extremo del canal posee dos terminales (fuente y drenador). Además, hay un tercer elemento, denominado puerta, cuya conductividad se puede controlar haciendo que se comporten como resistencias.

Su principal aplicación es ser empleados en pantallas de monitores informáticos o en pantallas de televisión, donde logran unos resultados espectaculares gracias al gobierno que estos componentes hacen de cada píxel. Las imágenes están compuestas por píxeles y resultan de tanta mayor nitidez y calidad cuanto mayor sea el número de píxeles por unidad de superficie que las definen.

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Los transistores TFT han permitido obtener una alta calidad de imagen en las pantallas de cristal líquido o LCD, lo que supone una gran ventaja respecto al tamaño o nitidez de las pantallas convencionales.

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Los transistores TFT han permitido obtener una alta calidad de imagen en las pantallas de cristal líquido o LCD, lo que supone una gran ventaja respecto al tamaño o nitidez de las pantallas convencionales.

La aplicación de los transistores tft a las pantallas lcd ( Liquid Cristal Display) mejora de forma sustancial sus propiedades. En este sistema, cada píxel está gobernado por seis transistores tft para el sistema rgb (rojo o red, verde o green y azul o blue) fabricando todos los demás por adición selectiva de éstos. La luz es emitida por los transistores y los filtros rgb, colocados linealmente, proporcionan el color adecuado para cada punto, lo que brinda una imagen de muy alta calidad.

Con esta tecnología se opera sobre cada píxel por la acción de una delgada capa de transistores tft y no es preciso el barrido de la pantalla, cosa que sí se necesitaba en los dispositivos basados en tubos de rayos catódicos.

Transistor hemt

Un transistor hemt ( High Electron Mobility Transistor o transistor de electrones de alta movilidad) es una clase de transistor de efecto campo que presentan una juntura constituida por dos semiconductores de constitución tal que originan una delgada capa, en la que los portadores de carga tienen una alta movilidad, comportándose como una especie de gas de electrones.

Su uso se basa en la configuración eléctrica de los átomos. En el caso de los sólidos cristalinos, los electrones se distribuyen en unas regiones llamadas bandas, con un contenido energético determinado, que están separadas por otras de energía prohibida. De todas esas bandas, la de mayor energía se denomina banda de conducción, y la siguiente a ella, en orden de menor energía, banda de valencia. Los electrones que se hallan en la banda de conducción y que no están ligados a átomo alguno constituyen el llamado gas de Fermi.

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Transistores HEMT desarrollados por el Instituto Ferdinand Braun en una solución salina. Este tipo de transistores se basan en la configuración electrónica de los átomos.

Los transistores hemt presentan unas fisuras en sus semiconductores entre las bandas de conducción y de valencia, que permiten una comunicación entre ambas, de manera que los electrones de la capa de Fermi quedan confinados en una lámina tan fina que es como si el gas electrónico que se halla en dicha capa sólo pudiera desplazarse en un espacio bidimensional. Los tres terminales que presentan admiten diferentes combinaciones de componentes, con distintos saltos de banda prohibida.

Los transistores hemt son muy usados en las antenas de captación de señales enviadas por satélites para eliminar el ruido asociado a dichas señales, el cual se debe, por una parte, a la multitud de emisiones que existen en el espacio y, por otra, a los propios equipos electrónicos.

Transistor igbt

Los transistores igbt ( Insulate Gate Bipolar Transistor o transistor bipolar de puerta aislada) se basan en realidad en el funcionamiento conjunto de dos transistores, uno bipolar (bjt) y uno de efecto campo (mosfet).

En los transistores igbt, la señal de entrada se controla mediante el efecto campo, mientras que un dispositivo bipolar realiza las funciones de conmutación. De esta manera, se unen las ventajas de los controles de entrada de los transistores mosfet y la capacidad de carga de los transistores bipolares. No obstante, al igual que todos éstos, los igbt tienen el defecto de que el paso de bloqueo a conducción y su recíproco no es instantáneo, sino que tarda cierto tiempo en producirse.

Estos dispositivos tienen una extensa aplicación en electrónica de potencia, donde se usan para la conmutación en sistemas de alta tensión. Su arquitectura les permite controlar importantes circuitos con una tensión en la puerta muy baja (unos 15 voltios) y con intensidades de corriente de entrada muy débiles. Estas características les hacen muy adecuados para su empleo en fuentes de alimentación y control de motores.

Conmutación transistorizada

Entre las innumerables aplicaciones de los transistores hay una configuración especial conocida como puente en H que permite controlar el sentido de giro de pequeños motores de corriente continua y baja potencia. El puente en H está formado por cuatro transistores conectados de manera que, junto con la bobina del motor, el esquema eléctrico se asemeja a la letra H. De ahí su nombre.

Los transistores funcionan como conmutadores electrónicos y su conexión permite que el sentido de giro del motor dependa de dos señales inversas entre sí. El puente en H se fabrica reuniendo todos los componentes en un único circuito integrado. En su interior dispone de los conmutadores electrónicos junto con un inversor de la familia cmos que permite que el control del sentido se realice recurriendo a un solo bit digital y añadiendo una patilla de activación para gobernar el encendido y apagado.

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Esquema de un circuito L293D.

En concreto, el circuito L293D incluye los componentes necesarios para controlar el sentido de dos motores de forma independiente con un único circuito integrado. La velocidad de cada motor puede regularse utilizando métodos como, por ejemplo, la modulación por anchura de impulsos.