¿Qué es un Transistor?
Un transistor es un semiconductor en miniatura que regula o controla el flujo de corriente o voltaje, además de amplificar y generar estas señales eléctricas y actuar como interruptor/puerta de las mismas. Normalmente, los transistores constan de tres capas, o terminales, de un material semiconductor, cada una de las cuales puede transportar una corriente.
Cuando funciona como amplificador, un transistor transforma una pequeña corriente de entrada en una corriente de salida mayor. Como interruptor (switch), puede estar en uno de dos estados distintos — encendido o apagado — para controlar el flujo de señales electrónicas a través de un circuito eléctrico o dispositivo electrónico.
Por qué son Importantes los Transistores
Por sí solo, un transistor sólo tiene un elemento de circuito. En pequeñas cantidades, los transistores se utilizan para crear interruptores electrónicos sencillos. Son los elementos básicos de los circuitos integrados (CI), que constan de un gran número de transistores interconectados con circuitos y horneados en un único microchip de silicio.
En grandes cantidades, los transistores se utilizan para crear microprocesadores en los que se incrustan millones de transistores en un único circuito integrado. También controlan los chips de memoria de los ordenadores y los dispositivos de almacenamiento de memoria de reproductores MP3, teléfonos inteligentes, cámaras y juegos electrónicos. Los transistores están profundamente integrados en casi todos los circuitos integrados, que forman parte de todos los dispositivos electrónicos.
Los transistores también se utilizan para aplicaciones de baja frecuencia y alta potencia, como los inversores de alimentación que convierten la corriente alterna en continua. Además, los transistores se utilizan en aplicaciones de alta frecuencia, como los circuitos osciladores utilizados para generar señales de radio.
Beneficios de los Transistores
- Proporcionan amplificación de la señal para garantizar una salida adecuada para la aplicación.
- Regulan la corriente y la tensión de una señal entrante.
- Son más pequeños y ligeros que los tubos de vacío, pero también más resistentes mecánicamente.
- No requieren calentamiento externo para funcionar.
- Una alimentación de baja tensión es suficiente para hacer funcionar un transistor.
- Muy adecuados para aplicaciones de baja potencia.
- Ideales para integrarlos con resistencias y diodos para crear circuitos integrados.
- A medida que el tamaño de los transistores disminuía exponencialmente, su coste se ha reducido.
Cómo los Transistores Revolucionaron el Mundo de la Tecnología
Inventado en los Laboratorios Bell en 1947, el transistor sustituyó rápidamente al voluminoso tubo de vacío como regulador de señales electrónicas. Considerado uno de los avances más significativos en la historia del PC, la invención del transistor impulsó la tendencia hacia la miniaturización de la electrónica.
Como estos dispositivos de estado sólido eran mucho más pequeños, ligeros y consumían mucha menos energía que los tubos de vacío, los sistemas electrónicos fabricados con transistores eran también mucho más pequeños, ligeros, rápidos y eficientes.
Los transistores también eran más resistentes, consumían mucha menos energía y, a diferencia de los tubos de vacío, no necesitaban calentadores externos.
A medida que el tamaño de los transistores ha disminuido exponencialmente, su coste se ha reducido, lo que ha creado muchas más oportunidades para utilizarlos. La integración de transistores con resistores y otros diodos o componentes electrónicos ha reducido el tamaño de los circuitos integrados.
Este fenómeno de miniaturización está relacionado con la Ley de Moore, según la cual el número de transistores de un CI pequeño se duplicaría cada dos años.
Transistor Explicado
Un semiconductor, que conduce la electricidad de forma «semi-entusiasta», se sitúa entre un conductor real, como el cobre, y un aislante, como el plástico que envuelve los cables. Aunque la mayoría de los transistores están hechos de silicio (Si), pueden fabricarse con otros materiales como el germanio y el arseniuro de galio (GaAs).
El silicio, un elemento químico que suele encontrarse en la arena, no suele ser conductor de la electricidad. Un proceso químico llamado dopaje -en el que se introducen impurezas en un semiconductor para modular sus propiedades eléctricas, ópticas y estructurales- permite al silicio ganar electrones libres que transportan la corriente eléctrica. El silicio puede clasificarse como semiconductor de tipo n (los electrones salen de él) o semiconductor de tipo p (los electrones entran en él). En ambos casos, el semiconductor permite al transistor funcionar como interruptor o amplificador.
La estructura de tres capas de un transistor contiene una de las siguientes capas
- una capa semiconductora de tipo n entre dos capas de tipo p en una configuración positiva-negativa-positiva (PNP); o
- una capa de tipo p entre dos capas de tipo n en una configuración negativa-positiva-negativa (NPN).
Independientemente de su configuración, la capa semiconductora interior actúa como electrodo de control. Un pequeño cambio en la corriente o el voltaje en esta capa produce un cambio grande y rápido en la corriente que pasa a través de todo el componente, permitiendo que el transistor funcione.
¿Cómo Funciona un Transistor?
Un transistor puede actuar como interruptor o compuerta de señales electrónicas, abriendo y cerrando una compuerta electrónica muchas veces por segundo. Garantiza que el circuito esté encendido si la corriente fluye y apagado si no es así. Los transistores se utilizan en complejos circuitos de conmutación que componen todos los sistemas modernos de telecomunicaciones. Los circuitos también ofrecen velocidades de conmutación muy altas, como cientos de gigahercios o más de 100.000 millones de ciclos de encendido y apagado por segundo.
Los transistores pueden combinarse para formar una puerta lógica, que compara varias corrientes de entrada para proporcionar una salida diferente. Los ordenadores con puertas lógicas pueden tomar decisiones sencillas utilizando el álgebra de Boole. Estas técnicas son la base de la informática moderna y de los programas informáticos.
Los transistores también desempeñan un papel importante en la amplificación de señales electrónicas. Por ejemplo, en las aplicaciones de radio, como los receptores FM, donde la señal eléctrica recibida puede ser débil debido a perturbaciones, es necesaria la amplificación para proporcionar una salida audible. Los transistores proporcionan esta amplificación aumentando la intensidad de la señal.
Partes de un Transistor
Un transistor es como un conjunto de dos diodos con sus cátodos o ánodos unidos. Tiene tres terminales que conducen la corriente eléctrica y ayudan a establecer una conexión con circuitos externos:
- el emisor, también conocido como el terminal negativo del transistor,
- la base, que es el terminal que activa el transistor, y
- el colector, que es el polo positivo del transistor.
Consideremos un transistor NPN para entender estos terminales. En esta configuración, el silicio de tipo p (base) se intercala entre dos placas de silicio de tipo n (el emisor y el colector).
El emisor, indicado con la letra E, es de tamaño moderado y está muy dopado, ya que su función principal es suministrar numerosos portadores mayoritarios para soportar el flujo de electricidad. Se llama emisor porque emite electrones.
La base, indicada con la letra B, es el terminal central entre el emisor y el colector. Es delgada y está ligeramente dopada. Su función principal es pasar los portadores del emisor al colector.
El colector — indicado por la letra C — recoge los portadores enviados por el emisor a través de la base. Está moderadamente dopado y es más grande que el emisor y la base.
El emisor, la base y el colector tienen las mismas funciones en un circuito PNP. La única diferencia en este tipo de transistor es que la base de tipo n está intercalada entre el emisor y el colector de tipo p, lo que influye en la dirección de la flecha del emisor. Esta flecha siempre forma parte de la unión emisor-base. La flecha apunta hacia fuera para un circuito NPN y hacia dentro para un circuito PNP.
Tipos de Transistores
Los transistores se clasifican en dos tipos principales:
- Transistor de Unión Bipolar (BJT)
- Transistor de Efecto de Campo (FET)
Un BJT es uno de los tipos más comunes de transistores, y puede ser NPN o PNP. Esto significa que un BJT consta de tres terminales: el emisor, la base y el colector. Uniendo estas tres capas, un BJT puede amplificar una señal eléctrica o conectar o desconectar la corriente.
En la creación de un flujo de corriente intervienen dos tipos de carga eléctrica: electrones y huecos. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor del BJT está en polarización directa con una resistencia de emisor muy pequeña, mientras que la unión base-colector está en polarización inversa con una gran resistencia.
En un BJT de tipo PNP, la conducción se produce a través de huecos o en ausencia de electrones. La corriente de colector es ligeramente inferior a la de emisor. Los cambios en esta última afectan a la primera. La base controla el flujo de corriente del emisor al colector. En este caso, el emisor emite huecos, que son recogidos por el colector.
En un BJT de tipo NPN, los electrones pasan del emisor a la base y son recogidos por el colector. Cuando esto ocurre, la corriente convencional fluye del colector al emisor. La base controla el número de electrones emitidos por el emisor.
Un transistor de efecto de campo (FET) también tiene tres terminales: fuente, drenaje y puerta, que son análogos al emisor, colector y base del BJT, respectivamente. En el FET, las capas de silicio tipo n y tipo p están dispuestas de forma diferente a las del BJT. También están recubiertas de capas de metal y óxido para crear el transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET).
En el FET, el efecto de campo se refiere a un efecto que permite el flujo de corriente y enciende el transistor. Los electrones no pueden pasar de la fuente de tipo n al drenaje porque la puerta de tipo p que los separa contiene huecos. Pero si se aplica una tensión positiva a la puerta, se crea un campo eléctrico que permite que los electrones fluyan de la fuente al drenaje. Esto crea el efecto de campo, que facilita el flujo de corriente en el FET.
Los FET se utilizan habitualmente en amplificadores de bajo ruido, amplificadores buffer y conmutadores analógicos. El transistor de efecto de campo metal-semiconductor (MESFET) se suele utilizar en aplicaciones de alta frecuencia, como los circuitos de microondas.
Otros tipos de transistores son los siguientes:
- transistor de efecto de campo de unión (JFET), semiconductor de tres terminales esencial en los controles de precisión accionados por tensión de la electrónica analógica;
- transistor de película fina (TFT), un tipo de FET utilizado a menudo en las pantallas de cristal líquido (LCD);
- transistor Schottky, que combina un transistor y un diodo Schottky conocido por su conmutación extremadamente rápida para evitar la saturación del transistor desviando la corriente de entrada excesiva; y
- transistor de difusión, que es un tipo de BJT formado por la difusión de dopantes en un sustrato.