Transistor

Un transistor es un dispositivo semiconductor que amplifica señales débiles y activa o desactiva la corriente. Los transistores desempeñan ambas funciones tanto en circuitos analógicos como digitales.

Los procesadores de los teléfonos inteligentes contienen miles de millones de transistores. Los amplificadores de audio los utilizan para potenciar las señales de los micrófonos hasta niveles que permitan alimentar los altavoces.

Estos dispositivos electrónicos son omnipresentes en la electrónica moderna, habiendo sustituido a las válvulas de vacío que dominaban las generaciones anteriores. En este artículo se explica cómo funcionan los transistores, cuáles son sus principales tipos y cuál es su papel en los circuitos.

Comprender los fundamentos y funciones de los transistores

El funcionamiento de los transistores se comprende mejor al separar el componente físico de su función en un circuito. Entender qué es un transistor a nivel de componente ayuda a comprender cómo se integra en circuitos electrónicos más complejos.

¿Qué es un Transistor?

Los transistores son los componentes básicos de los circuitos integrados y los microchips. Son, básicamente, interruptores o amplificadores electrónicos microscópicos. Como tales, controlan el flujo de señales eléctricas, lo que permite al chip procesar y almacenar información.

Un transistor suele estar hecho de silicio u otro material semiconductor. Las propiedades de estos materiales se encuentran entre las de un material conductor (como un metal) y un aislante (como el caucho).

Dependiendo de la temperatura, por ejemplo, o de la presencia de impurezas, pueden conducir o bloquear la electricidad. Esto los hace idóneos para controlar señales eléctricas.

Un transistor consta de tres terminales: Base, Colector y Emisor. A través de estos terminales, el transistor puede controlar el flujo de corriente en un circuito.

El papel de los transistores en los circuitos electrónicos

Los circuitos analógicos utilizan transistores para amplificar señales débiles provenientes de sensores. Un sensor de temperatura puede generar unos pocos milivoltios. La entrada del convertidor analógico-digital de un microcontrolador generalmente espera una señal dentro de su rango de entrada/referencia (por ejemplo, 0-3,3 V), por lo que se utilizan amplificadores de transistor (o amplificadores operacionales) para escalar las pequeñas señales de salida de los sensores. Los amplificadores de transistor gestionan esta conversión manteniendo la precisión y fidelidad de la señal. Al añadir un circuito de filtrado, se pueden extraer frecuencias específicas atenuando el ruido.

Los circuitos digitales se construyen a partir de compuertas lógicas formadas por transistores. Estas compuertas son los bloques básicos de la computación. Las operaciones AND, OR y NOT se obtienen mediante la combinación de múltiples transistores. Al superponer capas de estas compuertas, se forman sumadores, comparadores y celdas de memoria. Los circuitos integrados, como los microcontroladores y las FPGA, contienen innumerables transistores que funcionan en sincronía con una señal de reloj, ejecutando las instrucciones del programa.

Los circuitos de potencia utilizan transistores para la regulación de voltaje y corriente. Las fuentes de alimentación conmutadas emplean ciclos de encendido/apagado de alta frecuencia para convertir un voltaje en otro. Los reguladores lineales permiten que los transistores actúen como resistencias ajustables, manteniendo un voltaje de salida constante a medida que cambia la carga. Los controladores de LED y de motor utilizan transistores para regular el flujo de corriente y suministrar la potencia necesaria.

Los circuitos de interfaz utilizan transistores para conectar diferentes niveles de voltaje. ¿Necesitas conectar un microcontrolador de 3,3 V a un sensor de 5 V? Un convertidor de nivel basado en transistores se encarga de la conversión. Esto permite combinar componentes de diferentes generaciones sin problemas de compatibilidad.

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.

¿Cómo Funciona un Transistor?

Cuando se aplica una pequeña corriente eléctrica a la base del transistor, permite que fluya una corriente mayor entre el colector y el emisor. Esto funciona como una válvula: una ligera presión sobre la base controla un flujo de electricidad mucho mayor.

• Si no hay corriente en la base, el transistor actúa como un interruptor cerrado. No fluye corriente entre el colector y el emisor.
• Si hay corriente en la base, el transistor se abre y la corriente fluye a través de él.

Esta capacidad para controlar la corriente eléctrica permite que los transistores funcionen como un interruptor (encendiendo y apagando cosas) o como un amplificador (amplificando las señales).

• Como interruptor: Los transistores pueden encenderse y apagarse rápidamente, representando estados binarios (0 y 1) que constituyen la base de la computación digital. Al aplicar un pequeño voltaje a la base, se permite que fluya una corriente mayor entre el colector y el emisor, activando el transistor. Al retirar el voltaje, la corriente se detiene y el transistor se desactiva.
• Como amplificador: Los transistores también se pueden usar para amplificar señales eléctricas débiles. Una pequeña señal de entrada aplicada a la base puede controlar una señal de salida mayor entre el colector y el emisor, amplificándola. Esto es esencial en dispositivos como radios, televisores y sistemas de audio, donde la amplificación de la señal es necesaria para su correcto funcionamiento.

En la electrónica digital, los transistores se utilizan en grandes cantidades para construir puertas lógicas. Estas constituyen la base de los procesadores de computadora. Al encenderse y apagarse muy rápidamente, los transistores ayudan a procesar el código binario que las computadoras utilizan para funcionar.

Los primeros transistores

La historia de los transistores comienza en la década de 1940. Los científicos buscaban mejores maneras de controlar las señales eléctricas en dispositivos como radios y televisores. En aquel entonces, estos dispositivos utilizaban tubos de vacío, que eran grandes, consumían mucha energía y se averiaban con frecuencia.

En 1947, tres científicos de los Laboratorios Bell —John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley— crearon el primer transistor funcional. Este dispositivo compacto podía realizar la misma función que un tubo de vacío, pero era mucho más pequeño, consumía menos energía y era más fiable.

En la década de 1950, los transistores se utilizaban en radios y en las primeras computadoras, lo que permitió que estos dispositivos fueran más pequeños y fáciles de transportar. En 1956, el MIT creó la primera computadora que utilizaba transistores en lugar de tubos de vacío, demostrando su gran utilidad para construir máquinas más rápidas y eficientes. En la década de 1960, los científicos descubrieron cómo integrar muchos transistores en un solo chip. Esto condujo a la creación de chips de computadora cada vez más potentes.

Tipos y características principales de los transistores

Los transistores se clasifican en dos tipos principales:

• Transistores bipolares controlados por corriente
• Transistores de efecto de campo controlados por voltaje.

Su funcionamiento es diferente. Comprender estos tipos de transistores y seleccionar el adecuado es fundamental para lograr un diseño eficiente y un rendimiento óptimo.

Transistores de Unión Bipolar (BJT): NPN y PNP

Los transistores de unión bipolar (BJT) utilizan tanto electrones como huecos para conducir corriente. Existen dos tipos: el transistor NPN y el transistor PNP. Se diferencian en la disposición de las capas semiconductoras. El NPN se apila en la configuración N-P-N, mientras que el PNP se apila en la configuración P-N-P. La mayoría de los circuitos utilizan transistores NPN porque los electrones se mueven más rápido que los huecos, lo que los hace más adecuados para operaciones de alta velocidad.

Los transistores NPN conducen cuando se aplica un voltaje positivo a la base. Los electrones se mueven del emisor al colector. El terminal positivo de la fuente de alimentación se conecta al colector y el terminal negativo al emisor. Una pequeña corriente positiva a través de la base impulsa la corriente del colector. Los transistores típicos de pequeña señal manejan corrientes de colector desde unos pocos miliamperios hasta cientos de miliamperios, con corrientes de base en el rango de microamperios a miliamperios.

Los transistores PNP invierten la polaridad y la dirección de la corriente. Un voltaje negativo en la base provoca que los huecos fluyan del emisor al colector. La combinación de transistores NPN y PNP permite la construcción de circuitos push-pull o complementarios, que resultan beneficiosos para la amplificación de potencia eficiente y la conmutación bidireccional.

La impedancia de entrada varía desde varios kiloohmios hasta decenas de kiloohmios. Es necesario suministrar la corriente de base. La ganancia de corriente varía con la temperatura y el punto de operación; por lo tanto, los circuitos emplean retroalimentación negativa y polarización para estabilizar su funcionamiento. Su alta ganancia y bajo ruido los hacen populares para la amplificación de señales débiles en aplicaciones analógicas.

Transistores de Efecto de Campo (FET): MOSFET y JFET

Los transistores de efecto de campo controlan la corriente mediante voltaje y tienen tres terminales: compuerta, fuente y drenador. El voltaje de compuerta controla la corriente entre fuente y drenador. A diferencia de los transistores bipolares, prácticamente no circula corriente por la compuerta. Su alta impedancia de entrada reduce la carga en el circuito de control. El campo eléctrico generado por el voltaje de compuerta modula la conductividad del canal.

Los MOSFET tienen una estructura metal-óxido-semiconductor. Una capa de óxido se interpone entre el electrodo de puerta y el semiconductor. La tensión de puerta forma un canal en la superficie del semiconductor. Existen dos tipos principales: dispositivos de canal N y de canal P. El canal N se activa con una tensión de puerta positiva, mientras que el canal P se activa con una tensión de puerta negativa. Los circuitos digitales suelen utilizar CMOS, que combina transistores de tipo N y de tipo P. En CMOS, la potencia estática es muy baja (idealmente solo fugas). La mayor parte de la potencia se consume durante la conmutación debido a las capacitancias de carga/descarga y a la breve corriente de cortocircuito durante las transiciones.

Los JFET utilizan uniones PN para formar canales. Al polarizar inversamente la compuerta, se amplía la región de agotamiento, lo que restringe la corriente entre la fuente y el drenador. Tienen una estructura más simple que los MOSFET y suelen ofrecer un mejor rendimiento en cuanto a ruido. Son comunes en circuitos de RF y front-ends analógicos. Los JFET normalmente operan en modo de agotamiento. La corriente fluye con voltaje de compuerta cero.

La corriente de compuerta es despreciable, lo que permite que los circuitos de sensores y los buffers operen sin sobrecargar la fuente de señal. Los MOSFET destacan por su conmutación rápida y baja resistencia de encendido para el control de potencia y motores. Los JFET destacan en aplicaciones de bajo ruido, como audio e instrumentación.

Importancia de 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.