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Transistores

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Su cerebro contiene alrededor de 100 mil millones de células llamadas neuronas, los pequeños interruptores que le permiten pensar y recordar las cosas. Las computadoras también contienen miles de millones de “células cerebrales” en miniatura. Se llaman transistores y están hechos de silicio, un elemento químico que se encuentra comúnmente en la arena. Los transistores han revolucionado la electrónica desde que John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley los inventaron hace más de medio siglo. Pero, ¿qué son y cómo funcionan?

Introducción a los Transistores

Los transistores son el núcleo de la tecnología electrónica actual. El desarrollo del transistor bipolar o transistor de unión bipolar, BJT, ha dado lugar a muchos cambios en el mundo.

La introducción del transistor bipolar ha permitido muchas tecnologías que damos por sentado hoy: desde radios de transistores portátiles, hasta teléfonos móviles y computadoras. Todos estos y muchos más artículos cotidianos han sido posibles gracias a la invención del transistor.

Hoy en día, los transistores bipolares están disponibles en muchas formas. Pero los transistores también se usan ampliamente dentro de los circuitos integrados. La mayoría de los circuitos integrados digitales usan tecnología de efecto de campo, pero muchos circuitos integrados analógicos usan tecnología bipolar para proporcionar el rendimiento requerido.

Junto con el transistor de efecto de campo, FET, el transistor bipolar forma la base de la mayoría de los equipos electrónicos actuales, ya sea como dispositivos discretos o dentro de circuitos integrados.

¿Qué es un Transistor?

Definición: Un transistor, también conocido como BJT (Transistor de unión bipolar), es un dispositivo semiconductor que transfiere una señal débil del circuito de baja resistencia al circuito de alta resistencia. En otras palabras, es un dispositivo de conmutación que regula y amplifica la señal eléctrica como voltaje o corriente.

¿Qué hace un transistor?

Un transistor es realmente simple y complejo. Comencemos con la parte simple. Un transistor es un componente electrónico en miniatura que puede hacer dos trabajos diferentes. Puede funcionar como un amplificador o un interruptor:

  • Cuando funciona como un amplificador, toma una pequeña corriente eléctrica en un extremo (una corriente de entrada) y produce una corriente eléctrica mucho mayor (una corriente de salida) en el otro. En otras palabras, es una especie de amplificador de corriente. Esto es realmente útil en cosas como audífonos, una de las primeras cosas para las que las personas usaron transistores. Un audífono tiene un pequeño micrófono que capta los sonidos del mundo que te rodea y los convierte en corrientes eléctricas fluctuantes.
  • Los transistores también pueden funcionar como interruptores. Una pequeña corriente eléctrica que fluye a través de una parte de un transistor puede hacer que una corriente mucho más grande fluya a través de otra parte. En otras palabras, la corriente pequeña se conecta a la más grande. Esto es esencialmente cómo funcionan todos los chips de computadora. Por ejemplo, un chip de memoria contiene cientos de millones o incluso miles de millones de transistores, cada uno de los cuales se puede encender o apagar individualmente. Dado que cada transistor puede estar en dos estados distintos, puede almacenar dos números diferentes, cero y uno. Con miles de millones de transistores, un chip puede almacenar miles de millones de ceros y unos, y casi tantos números y letras ordinarios (o caracteres, como los llamamos). Más sobre esto en un momento.

Lo mejor de las máquinas antiguas era que podía desmontarlas para descubrir cómo funcionaban. Nunca fue demasiado difícil, con un poco de ganas y empuje. Pero la electrónica es completamente diferente. Se trata de usar electrones para controlar la electricidad. Un electrón es una partícula diminuta dentro de un átomo. ¡Es tan pequeño que pesa poco menos de 0.000000000000000000000000000001 kg! Los transistores más avanzados funcionan controlando los movimientos de electrones individuales, por lo que puede imaginar cuán pequeños son. En un chip de computadora moderno, del tamaño de una uña, probablemente encontrarás entre 500 millones y dos mil millones de transistores separados. No hay posibilidad de desarmar un transistor para descubrir cómo funciona, por lo que debemos entenderlo con teoría e imaginación.

¿Cómo se hace un transistor?

Los transistores están hechos de silicio, un elemento químico que se encuentra en la arena, que normalmente no conduce electricidad (no permite que los electrones fluyan a través de él fácilmente). El silicio es un semiconductor, lo que significa que no es realmente un conductor (algo así como un metal que permite el flujo de electricidad) ni un aislante (algo así como el plástico que detiene el flujo de electricidad). Si tratamos el silicio con impurezas (un proceso conocido como dopaje), podemos hacer que se comporte de una manera diferente.

Si dopamos el silicio con los elementos químicos como arsénico, fósforo o antimonio, el silicio gana algunos electrones “libres” adicionales, que pueden transportar una corriente eléctrica, por lo que los electrones fluirán de forma más natural. Debido a que los electrones tienen una carga negativa, el silicio tratado de esta manera se denomina tipo n (tipo negativo). También podemos dopar el silicio con otras impurezas como el boro, el galio y el aluminio. El silicio tratado de esta manera tiene menos electrones “libres”, por lo que los electrones en los materiales cercanos tenderán a fluir hacia él. Llamamos a este tipo de silicio tipo p (tipo positivo).

Es importante tener en cuenta que ni el silicio tipo n o tipo p tiene una carga en sí misma: ambos son eléctricamente neutros. Es cierto que el silicio de tipo n tiene electrones “libres” adicionales que aumentan su conductividad. Mientras que el silicio de tipo p tiene menos electrones libres, lo que ayuda a aumentar su conductividad de la manera opuesta. En cada caso, la conductividad adicional proviene de haber agregado átomos neutros (sin carga) de impurezas al silicio. Una explicación más detallada necesitaría que presentara una idea llamada teoría de bandas, que está un poco más allá del alcance de este artículo. Todo lo que debemos recordar es que “electrones adicionales” significa electrones libres adicionales, que pueden moverse libremente y ayudar a transportar una corriente eléctrica.

Capas de Silicio

Ahora tenemos dos tipos diferentes de silicio. Si los juntamos en capas, haciendo sándwiches de material tipo p y tipo n, podemos hacer diferentes tipos de componentes electrónicos que funcionan en todo tipo de formas.

Supongamos que unimos una pieza de silicio de tipo n con una pieza de silicio de tipo p y ponemos contactos eléctricos a cada lado. Cosas interesantes y útiles comienzan a suceder en la unión entre los dos materiales. Si activamos la corriente, podemos hacer que los electrones fluyan a través de la unión desde el lado de tipo n al lado de tipo p y salgan a través del circuito.

Esto sucede porque la falta de electrones en el lado de tipo p de la unión atrae a los electrones del lado de tipo n y viceversa. Pero si invertimos la corriente, los electrones no fluirán en absoluto. Lo que hemos hecho aquí se llama diodo (o rectificador). Es un componente electrónico que permite que la corriente fluya a través de él en una sola dirección. Es útil si desea convertir la corriente eléctrica alterna (bidireccional) en corriente continua (unidireccional). Además los diodos emiten una luz cuando la electricidad fluye a través de ellos. Es posible que haya visto estos diodos emisores de luz (LED) en calculadoras de bolsillo y pantallas electrónicas en equipos estéreo de alta fidelidad.

Cómo funciona un transistor de unión

Ahora supongamos que usamos tres capas de silicio en nuestro sándwich en lugar de dos. Podemos hacer un sándwich p-n-p (con una rebanada de silicio tipo n como relleno entre dos rebanadas de tipo p) o un sándwich n-p-n (con el tipo p entre los dos bloques de tipo n). Si unimos los contactos eléctricos a las tres capas del emparedado, podemos hacer un componente que amplifique una corriente o la encienda o apague, en otras palabras, un transistor. Veamos cómo funciona en el caso de un transistor n-p-n.

Entonces sabemos de lo que estamos hablando, pongamos nombres a los tres contactos eléctricos. Llamaremos a las dos piezas de silicio de tipo n en emisor y colector, y el contacto unido al silicio de tipo p la llamaremos base. Cuando no fluye corriente en el transistor, sabemos que el silicio de tipo p carece de electrones (en la imagen de abajo se muestran pequeños signos más (+), que representan cargas positivas) y las dos piezas de silicio de tipo n tienen electrones adicionales (que muestran pequeños signos menos (-), que representan cargas negativas).

partes de un transistor

Otra forma de ver esto es decir que si bien el tipo n tiene un exceso de electrones, el tipo-p tiene agujeros donde deberían estar los electrones. Normalmente, los agujeros en la base actúan como una barrera, evitando cualquier flujo de corriente significativo desde el emisor al colector mientras el transistor está en su estado “apagado”.

Un transistor funciona cuando los electrones y los agujeros comienzan a moverse a través de las dos uniones entre el silicio tipo n y tipo p.

Conectemos el transistor a alguna potencia. Supongamos que conectamos un pequeño voltaje positivo a la base, hacemos que el emisor cargue negativamente y que el colector cargue positivamente. Los electrones son arrastrados desde el emisor hacia la base, y luego desde la base hacia el colector. Y el transistor cambia a su estado “encendido”:

transistor como funciona

La pequeña corriente que activamos en la base genera un gran flujo de corriente entre el emisor y el colector. Al convertir una pequeña corriente de entrada en una gran corriente de salida, el transistor actúa como un amplificador. Pero también actúa como un interruptor al mismo tiempo. Cuando no hay corriente en la base, fluye poca o ninguna corriente entre el colector y el emisor. Encienda la corriente base y fluirá una gran corriente. Entonces la corriente base activa y desactiva todo el transistor. Técnicamente, este tipo de transistor se llama bipolar porque dos tipos diferentes (o “polaridades”) de carga eléctrica (electrones negativos y agujeros positivos) están involucrados en hacer que la corriente fluya.

También podemos entender un transistor al pensar en él como un par de diodos. Con la base positiva y el emisor negativo, la unión base-emisor es como un diodo polarizado hacia adelante, con electrones que se mueven en una dirección a través de la unión (de izquierda a derecha en el diagrama) y los agujeros van en sentido opuesto (de derecha a izquierda). La unión del colector base es como un diodo con polarización inversa. El voltaje positivo del colector atrae a la mayoría de los electrones a través del circuito exterior (aunque algunos electrones se recombinan con agujeros en la base).

Cómo funciona un Transistor de Efecto Campo (FET)

Todos los transistores funcionan controlando el movimiento de los electrones, pero no todos lo hacen de la misma manera. Al igual que un transistor de unión, un FET (transistor de efecto campo) tiene tres terminales diferentes, pero tienen los nombres de fuente (emisor), drenaje (colector) y puerta (base). En un FET, las capas de silicio de tipo n y tipo p se disponen de una manera ligeramente diferente y se recubren con capas de metal y óxido. Eso nos da un dispositivo llamado MOSFET (Transistor de efecto de campo de metal-oxido-semiconductor).

Aunque hay electrones adicionales en la fuente y drenaje de tipo n, no pueden fluir de uno a otro debido a los agujeros en la puerta de tipo p entre ellos. Sin embargo, si conectamos un voltaje positivo a la puerta, se crea un campo eléctrico que permite que los electrones fluyan en un canal delgado desde la fuente hasta el drenaje. Este “efecto de campo” permite que fluya una corriente y enciende el transistor:

En aras de la integridad, podríamos notar que un MOSFET es un transistor unipolar porque solo un tipo (“polaridad”) de carga eléctrica está involucrado en hacerlo funcionar.

¿Cómo funcionan los transistores en calculadoras y computadoras?

En la práctica, ¡no necesita saber nada de esto sobre electrones y agujeros a menos que vaya a diseñar chips de computadora para ganarse la vida! Todo lo que necesita saber es que un transistor funciona como un amplificador o un interruptor, usando una corriente pequeña para encender uno más grande. Pero hay otra cosa que vale la pena saber: ¿cómo ayuda todo esto a las computadoras a almacenar información y tomar decisiones?

Podemos juntar algunos interruptores de transistores para hacer algo llamado puerta lógica, que compara varias corrientes de entrada y da como resultado una salida diferente. Las puertas lógicas permiten que las computadoras tomen decisiones muy simples usando una técnica matemática llamada Álgebra Booleana. Tu cerebro toma decisiones de la misma manera. Por ejemplo, usando “imputs” (cosas que sabes) sobre el clima y lo que tienes en tu vestíbulo, puedes tomar una decisión como esta: “Si está lloviendo AND Tengo un paraguas, iré a las tiendas”.

Ese es un ejemplo de álgebra booleana usando lo que se llama un “operador” AND (la palabra operador es solo un poco de jerga matemática para hacer que las cosas parezcan más complicadas de lo que realmente son). Puede tomar decisiones similares con otros operadores. “Si hace viento OR está nevando, entonces me pondré un abrigo” es un ejemplo del uso de un operador OR. O qué tal “Si está lloviendo AND Tengo un paraguas OR tengo un abrigo, entonces está bien salir”. Usando AND, OR y otros operadores llamados NOR, XOR, NOT y NAND, las computadoras pueden sumar o comparar números binarios. Esa idea es la piedra angular de los programas de computadora: la serie lógica de instrucciones que hacen que las computadoras hagan cosas.

Normalmente, un transistor de unión está “apagado” cuando no hay corriente base y cambia a “encendido” cuando fluye la corriente base. Eso significa que se necesita una corriente eléctrica para encender o apagar el transistor. Pero los transistores como este se pueden conectar con puertas lógicas para que sus conexiones de salida realimenten sus inputs.

El transistor permanece encendido incluso cuando se elimina la corriente base. Cada vez que fluye una nueva corriente base, el transistor se “enciende” o se apaga. Permanece en uno de esos estados estables (activado o desactivado) hasta que aparezca otra corriente y la invierta. Este tipo de disposición se conoce como flip-flop. Y convierte un transistor en un dispositivo de memoria simple que almacena un cero (cuando está apagado) o uno (cuando está encendido). Los Flip-flops son la tecnología básica detrás de los chips de memoria de la computadora.

¿Quién inventó el transistor?

quien invento el transistor

Los transistores fueron inventados en los Laboratorios Bell en Nueva Jersey en 1947 por tres brillantes físicos estadounidenses: John Bardeen (1908-1991), Walter Brattain (1902-1987) y William Shockley (1910-1989).

El equipo, dirigido por Shockley, había estado tratando de desarrollar un nuevo tipo de amplificador para el sistema telefónico estadounidense. Pero lo que realmente inventaron resultó tener aplicaciones mucho más extendidas. Bardeen y Brattain hicieron el primer transistor práctico (conocido como transistor de punto de contacto) el martes 16 de diciembre de 1947. Aunque Shockley había jugado un papel importante en el proyecto, estaba furioso y agitado por haber sido excluido. Poco después, durante una estadía en un hotel en una conferencia de física, él mismo descubrió la teoría del transistor de unión. Un dispositivo mucho mejor que el transistor de punto de contacto.

Mientras Bardeen dejó los Laboratorios Bell para convertirse en académico, Brattain se quedó un tiempo antes de retirarse para convertirse en maestro. Shockley creó su propia compañía de fabricación de transistores y ayudó a inspirar el fenómeno moderno que es “Silicon Valley” (el área próspera donde se han congregado las corporaciones de electrónica). Dos de sus empleados, Robert Noyce y Gordon Moore, fundaron Intel, el mayor fabricante de microchips del mundo.

Bardeen, Brattain y Shockley se reunieron brevemente unos años más tarde cuando compartieron el premio de ciencia más importante del mundo, el Premio Nobel de Física de 1956, por su descubrimiento.