TransistorDe Wikipedia, la enciclopedia libreSaltar a navegacin, bsqueda

Distintos encapsulados de transistores.

Entramado de transistores.

Entramado de transistores representando 0xA o 10 en decimal. El transistor es un dispositivo electrnico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El trmino "transistor" es la contraccin en ingls de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se los encuentra prcticamente en todos los aparatos domsticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras, automviles, equipos de refrigeracin, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lmparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomgrafos, ecgrafos, reproductores mp3, telfonos mviles, etc.

Contenido[ocultar]

1 Historia

2 Tipos de transistor o 2.1 Transistor de punta de contacto o 2.2 Transistor de unin bipolar o 2.3 Transistor de unin unipolar o 2.4 Transistor de efecto de campo o 2.5 Fototransistor 3 Transistores y electrnica de potencia 4 El transistor como amplificador o 4.1 Emisor comn o 4.2 Base comn o 4.3 Colector comn 5 El transistor frente a la vlvula termoinica 6 Vase tambin 7 Enlaces externos

Historia [editar]Artculo principal: Historia del transistor

Fue el sustituto de la vlvula termoinica de tres electrodos o triodo, el transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE. UU. en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Fsica en 1956. Al principio se usaron transistores bipolares y luego se inventaron los denominados transistores de efecto de campo (FET). En los ltimos, la corriente entre la fuente y la prdida (colector) se controla usando un campo elctrico (salida y prdida (colector) menores). Por ltimo, apareci el semiconductor metal-xido FET (MOSFET). Los MOSFET permitieron un diseo extremadamente compacto, necesario para los circuitos altamente integrados (IC). Hoy la mayora de los circuitos se construyen con la denominada tecnologa CMOS (semiconductor metal-xido complementario). La tecnologa CMOS es un diseo con dos diferentes MOSFET (MOSFET de canal n y p), que se complementan mutuamente y consumen muy poca corriente en un funcionamiento sin carga. El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales especficos en cantidades especficas) que forman dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que est intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las vlvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseo de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a diferencia de los resistores, capacitores e inductores que son elementos pasivos. Su funcionamiento slo puede explicarse mediante mecnica cuntica. De manera simplificada, la corriente que circula por el "colector" es funcin amplificada de la que se inyecta en el "emisor", pero el transistor slo grada la corriente que circula a travs de s mismo, si desde una fuente de corriente continua se

alimenta la "base" para que circule la carga por el "colector", segn el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificacin o ganancia logrado entre corriente de base y corriente de colector, se denomina Beta del transistor. Otros parmetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Mxima, disipacin de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parmetros tales como corriente de base, tensin Colector Emisor, tensin Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas bsicos para utilizacin analgica de los transistores son emisor comn, colector comn y base comn. Modelos posteriores al transistor descrito, el transistor bipolar (transistores FET, MOSFET, JFET, CMOS, VMOS, etc.) no utilizan la corriente que se inyecta en el terminal de "base" para modular la corriente de emisor o colector, sino la tensin presente en el terminal de puerta o reja de control y grada la conductancia del canal entre los terminales de Fuente y Drenador. De este modo, la corriente de salida en la carga conectada al Drenador (D) ser funcin amplificada de la Tensin presente entre la Puerta (Gate) y Fuente (Source). Su funcionamiento es anlogo al del triodo, con la salvedad que en el triodo los equivalentes a Puerta, Drenador y Fuente son Reja, Placa y Ctodo. Los transistores de efecto de campo, son los que han permitido la integracin a gran escala que disfrutamos hoy en da, para tener una idea aproximada pueden fabricarse varios miles de transistores interconectados por centmetro cuadrado y en varias capas superpuestas.

Tipos de transistor [editar]Transistor de punta de contacto [editar]Fue el primer transistor que obtuvo ganancia, inventado en 1947 por J. Bardeen y W. Brattain. Consta de una base de germanio sobre la que se apoyan, muy juntas, dos puntas metlicas que constituyen el emisor y el colector. La corriente de base es capaz de modular la resistencia que se "ve" en el colector, de ah el nombre de "transfer resistor". Se basa en efectos de superficie, poco conocidos en su da. Es difcil de fabricar (las puntas se ajustaban a mano), frgil (un golpe poda desplazar las puntas) y ruidoso. Sin embargo convivi con el transistor de unin (W. Shockley, 1948) debido a su mayor ancho de banda. En la actualidad ha desaparecido.

Transistor de unin bipolar [editar]El transistor de unin bipolar, o BJT por sus siglas en ingls, se fabrica bsicamente sobre un monocristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de Galio, que tienen cualidades de semiconductores, estado intermedio entre conductores como los metales y los aislantes como el diamante. Sobre el sustrato de cristal, se contaminan en forma muy controlada tres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedando formadas dos uniones NP. La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P de aceptadores o "huecos" (cargas positivas). Normalmente se utilizan como elementos

aceptadores P al Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga) y donantes N al Arsnico (As) o Fsforo (P). La configuracin de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la caracterstica de la base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen diferente contaminacin entre ellas (por lo general, el emisor esta mucho ms contaminado que el colector). El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor depender de dichas contaminaciones, de la geometra asociada y del tipo de tecnologa de contaminacin (difusin gaseosa, epitaxial, etc.) y del comportamiento cuntico de la unin.

Transistor de unin unipolar [editar]Tambin llamado de efecto de campo de unin (JFET), fue el primer transistor de efecto de campo en la prctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto hmico, tenemos as un transistor de efecto de campo tipo N de la forma ms bsica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre s, se producir una puerta. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otro drenador. Aplicando tensin positiva entre el drenador y el surtidor y conectando a puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenador con polarizacin cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensin de estrangulamiento, cesa la conduccin en el canal.

Transistor de efecto de campo [editar]El transistor de efecto de campo, o FET por sus siglas en ingls, que controla la corriente en funcin de una tensin; tienen alta impedancia de entrada.

Transistor de efecto de campo de unin, JFET, construido mediante una unin PN. Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la compuerta se asla del canal mediante un dielctrico. Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa Metalxido-Semiconductor, en este caso la compuerta es metlica y est separada del canal semiconductor por una capa de xido.

Fototransistor [editar]Los fototransistores son sensibles a la radiacin electromagntica en frecuencias cercanas a la de la luz visible; debido a esto su flujo de corriente puede ser regulado por medio de la luz incidente.

Transistores y electrnica de potencia [editar]Con el desarrollo tecnolgico y evolucin de la electrnica, la capacidad de los dispositivos semiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensin y

corriente ha permitido su uso en aplicaciones de potencia. Es as como actualmente los transistores son empleados en conversores estticos de potencia, controles para motores y llaves de alta potencia (principalmente inversores), aunque su principal uso est basado en la amplificacin de corriente dentro de un circuito cerrado.

El transistor como amplificador [editar]El comportamiento del transistor se puede ver como dos diodos (Modelo de EbersMoll), uno entre base y emisor, polarizado en directo y otro diodo entre base y colector, polarizado en inverso. Esto quiere decir que entre base y emisor tendremos una tensin igual a la tensin directa de un diodo, es decir 0,6 a 0,8 V para un transistor de silicio y unos 0,4 para el germanio. Pero la gracia del dispositivo es que en el colector tendremos una corriente proporcional a la corriente de base: IC = IB, es decir, ganancia de corriente cuando >1. Para transistores normales de seal, vara entre 100 y 300. Entonces, existen tres configuraciones para el amplificador:

Emisor comn [editar]

Emisor comn. La seal se aplica a la base del transistor y se extrae por el colector. El emisor se conecta a las masas tanto de la seal de entrada como a la de salida. En esta configuracin se tiene ganancia tanto de tensin como de corriente y alta impedancia de entrada. En caso de tener resistencia de emisor, RE > 50 , y para frecuencias bajas, la ganacia en tensin se aproxima bastante bien por la siguiente expresin: ; y la impedancia de salida, por RC Como la base est conectada al emisor por un diodo en directo, entre ellos podemos suponer una tensin constante, Vg. Tambin supondremos que es constante. Entonces tenemos que la tensin de emisor es: VE = VB Vg

Y la corriente de emisor:

.

La corriente de emisor es igual a la de colector ms la de base: . Despejando La tensin de salida, que es la de colector se calcula como:

Como >> 1, se puede aproximar:

y, entonces,

Que podemos escribir como

Vemos que la parte

es constante (no depende de la seal de entrada),

y la parte nos da la seal de salida. El signo negativo indica que la seal de salida est desfasada 180 respecto a la de entrada.

Finalmente, la ganancia queda:

La corriente de entrada, .

, que aproximamos por

Suponiendo que VB>>Vg, podemos escribir:

y la impedancia de entrada: Para tener en cuenta la influencia de frecuencia se deben utilizar modelos de transistor ms elaborados. Es muy frecuente usar el modelo en pi.

Base comn [editar]

Base comn. La seal se aplica al emisor del transistor y se extrae por el colector. la base se conecta a las masas tanto de la seal de entrada como a la de salida. En esta configuracin se tiene ganacia slo de tensin. La impedancia de entrada es baja y la ganancia de corriente algo menor que uno, debido a que parte de la corriente de emisor sale por la base. Si aadimos una resistencia de emisor, que puede ser la propia impedancia de salida de la fuente de seal, un anlisis similar al realizado en el caso de emisor comn, nos da la ganancia aproximada siguiente: .

La base comn se suele utilizar para adaptar fuentes de seal de baja impedancia de salida como, por ejemplo, micrfonos dinmicos.

Colector comn [editar]

Colector comn. La seal se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. El colector se conecta a las masas tanto de la seal de entrada como a la de salida. En esta configuracin se tiene ganancia de corriente, pero no de tensin que es ligeramente inferior a la unidad. Esta configuracin multiplica la impedancia de salida por 1/.

El transistor frente a la vlvula termoinica [editar]Vase tambin: Vlvula termoinica

Antes de la aparicin del transistor los ingenieros utilizaban elementos activos llamados vlvulas termoinicas. Las vlvulas tienen caractersticas elctricas similares a la de los transistores de efecto de campo (FET): la corriente que los atraviesa depende de la tensin en el borne de comando, llamado rejilla. Las razones por las que el transistor reemplaz a la vlvula termoinica son varias:

Las vlvulas necesitan tensiones muy altas, del orden de las centenas de voltios, que son letales para el ser humano. Las vlvulas consumen mucha energa, lo que las vuelve particularmente poco tiles para el uso con bateras. Probablemente, uno de los problemas ms importantes haya sido el peso. El chasis necesario para alojar las vlvulas y los transformadores requeridos para su funcionamiento sumaban un peso importante, que iba desde algunos kilos a decenas de kilos. El tiempo medio entre fallas de las vlvulas termoinicas es muy corto comparado con el de los transistores, sobre todo a causa del calor generado. Las vlvulas presentan una cierta demora en comenzar a funcionar, ya que necesitan estar calientes para establecer la conduccin. El transistor es intrnsecamente insensible al efecto microfnico, muy frecuente en las vlvulas. Los transistores son ms pequeos que las vlvulas, incluso que los nuvistores. Aunque existe unanimidad sobre este punto, conviene hacer una salvedad: en el caso de dispositivos de potencia, estos deben llevar un disipador, de modo que el tamao que se ha de considerar es el del dispositivo (vlvula o transistor) ms el del disipador. Como las vlvulas pueden funcionar a temperaturas ms elevadas, la eficiencia del disipador es mayor en ellas que en los transistores, con lo que basta un disipador mucho ms pequeo. Los transistores trabajan con impedancias bajas, o sea con tensiones reducidas y corrientes altas; mientras que las vlvulas presentan impedancias elevadas y por lo tanto trabajan con altas tensiones pequeas corrientes. Finalmente, el costo de los transistores no solamente era muy inferior, sino que contaba con la promesa de que continuara bajando (como de hecho ocurri) con suficiente investigacin y desarrollo.

Como ejemplo de todos estos inconvenientes se puede citar a la primera computadora digital, llamada ENIAC. Era un equipo que pesaba ms de treinta toneladas y consuma 200 kilovatios, suficientes para alimentar una pequea ciudad. Tena alrededor de 18.000 vlvulas, de las cuales algunas se quemaban cada da, necesitando una logstica y una organizacin importantes. Cuando el transistor bipolar fue inventado en 1947, fue considerado una revolucin. Pequeo, rpido, fiable, poco costoso, sobrio en sus necesidades de energa, reemplaz progresivamente a la vlvula termoinica durante la dcada de 1950, pero no del todo. En efecto, durante los aos 1960, algunos fabricantes siguieron utilizando vlvulas termoinicas en equipos de radio de gama alta, como Collins y Drake; luego el transistor desplaz a la vlvula de los transmisores pero no del todo de los amplificadores de radiofrecuencia. Otros fabricantes, de equipo de audio esta vez, como Fender, siguieron utilizando vlvulas en amplificadores de audio para guitarras. Las razones de la supervivencia de las vlvulas termoinicas son varias:

El transistor no tiene las caractersticas de linealidad a alta potencia de la vlvula termoinica, por lo que no pudo reemplazarla en los amplificadores de transmisin de radio profesionales y de radioaficionados.[cita requerida] Los armnicos introducidos por la no-linealidad de las vlvulas resultan agradables al odo humano (vase psicoacstica), por lo que son preferidos por los audifilos El transistor es muy sensible a los efectos electromagnticos de las explosiones nucleares, por lo que se siguieron utilizando vlvulas termoinicas en algunos sistemas de control-comando de cazas de fabricacin sovitica.

Vase tambin [editar]

Transistor de punta de contacto Transistor de base permeable Transistor bipolar Transistor balstico Transistor cuntico Transistor de silicio amorfo Fototransistor Transistor Uniunin (UJT) IGBT (Transistor bipolar de puerta aislada) Transistor de aleacin Transistor mesa Transistor planar (Transistor plano) Transistor lateral Transistor vertical Historia del transistor

Enlaces externos [editar]

Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Transistor. Entendiendo el Transistor Como funcionan realmente los transistores Versin original en Ingls Smbolos de transistores

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