16/3/2016 Transistor ­ Wikipedia, la enciclopedia libre

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Transistor

El tamaño de un transistor guarda relación con la potencia que es

capaz de manejar.

Tipo Semiconductor

Invención John Bardeen, Walter Houser Brattainy William Bradford Shockley (1947)

Símbolo electrónico

Configuración Emisor, base y colector

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Réplica del primer transistor en actividad, quehoy pertenece a la empresa LucentTechnologies.

TransistorDe Wikipedia, la enciclopedia libre

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a unaseñal de entrada.1 Cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término «transistor» esla contracción en inglés de transfer resistor («resistor de transferencia»). Actualmente se encuentra prácticamente entodos los aparatos electrónicos de uso diario: radios, televisores, reproductores de audio y video, relojes de cuarzo,computadoras, lámparas fluorescentes, tomógrafos, teléfonos celulares, entre otros.

Índice

1 Historia2 Funcionamiento3 Tipos de transistor

3.1 Transistor de contacto puntual3.2 Transistor de unión bipolar3.3 Transistor de efecto de campo3.4 Fototransistor

4 Transistores y electrónica de potencia5 Construcción

5.1 Material semiconductor6 El transistor bipolar como amplificador

6.1 Emisor común6.2 Base común6.3 Colector común

7 El transistor bipolar frente a la válvula termoiónica8 Véase también9 Referencias10 Enlaces externos

Historia

El físico austro­húngaro Julius Edgar Lilienfeld solicitó en Canadá en el año 19252 una patente para lo que éldenominó "un método y un aparato para controlar corrientes eléctricas" y que se considera el antecesor de los actualestransistores de efecto campo, ya que estaba destinado a ser un reemplazo de estado sólido del triodo. Lilienfeldtambién solicitó patentes en los Estados Unidos en los años 19263 y 1928. 4 5 Sin embargo, Lilienfeld no publicóningún artículo de investigación sobre sus dispositivos ni sus patentes citan algún ejemplo específico de un prototipode trabajo. Debido a que la producción de materiales semiconductores de alta calidad aún no estaba disponible porentonces, las ideas de Lilienfeld sobre amplificadores de estado sólido no encontraron un uso práctico en los años 1920 y1930, aunque un dispositivo de este tipo ya se había construido.6

En 1934, el inventor alemán Oskar Heil patentó en Alemania y Gran Bretaña7 un dispositivo similar. Cuatro años después,los también alemanes Robert Pohl y Rudolf Hilsch efectuaron experimentos en la Universidad de Göttingen, con cristales debromuro de potasio, usando tres electrodos, con los cuales lograron la amplificación de señales de 1 Hz, pero susinvestigaciones no condujeron a usos prácticos. 8 Mientras tanto, la experimentación en los Laboratorios Bell conrectificadores a base de óxido de cobre y las explicaciones sobre rectificadores a base de semiconductores por parte delalemán Walter Schottky y del inglés Nevill Mott, llevaron a pensar en 1938 a William Shockley que era posible lograr laconstrucción de amplificadores a base de semiconductores, en lugar de tubos de vacío. 8

Desde el 17 de noviembre de 1947 hasta el 23 de diciembre de 1947, los físicos estadounidenses John Bardeen y WalterHouser Brattain de los Laboratorios Bell 9 llevaron a cabo diversos experimentos y observaron que cuando dos contactospuntuales de oro eran aplicados a un cristal de germanio, se produjo una señal con una potencia de salida mayor que la deentrada.10 El líder del Grupo de Física del Estado Sólido William Shockley vio el potencial de este hecho y, en lossiguientes meses, trabajó para ampliar en gran medida el conocimiento de los semiconductores. El término "transistor" fuesugerido por el ingeniero estadounidense John R. Pierce, basándose en dispositivos semiconductores ya conocidos entonces,como el termistor y el varistor y basándose en la propiedad de transrresistencia que mostraba el dispositivo. 11 Según unabiografía de John Bardeen, Shockley había propuesto que la primera patente para un transistor de los Laboratorios Bell debía estar basado en el efecto de campo y que élfuera nombrado como el inventor. Habiendo redescubierto las patentes de Lilienfeld que quedaron en el olvido años atrás, los abogados de los Laboratorios Belldesaconsejaron la propuesta de Shockley porque la idea de un transistor de efecto de campo no era nueva. En su lugar, lo que Bardeen, Brattain y Shockley inventaron en1947 fue el primer transistor de contacto, cuya primera patente solicitaron los dos primeros nombrados, el día 17 de junio de 1948, 12 a la cual siguieron otras patentesacerca de aplicaciones de este dispositivo. 13 14 15 En reconocimiento a este logro, Shockley, Bardeen y Brattain fueron galardonados conjuntamente con el Premio Nobelde Física de 1956 "por sus investigaciones sobre semiconductores y su descubrimiento del efecto transistor". 16

En 1948, el transistor de contacto fue inventado independientemente por los físicos alemanes Herbert Mataré y Heinrich Welker, mientras trabajaban en la Compagnie desFreins et Signaux, una subsidiaria francesa de la estadounidense Westinghouse. Mataré tenía experiencia previa en el desarrollo de rectificadores de cristal de silicio y degermanio mientras trabajaba con Welker en el desarrollo de un radar alemán durante la Segunda Guerra Mundial. Usando este conocimiento, él comenzó a investigar elfenómeno de la "interferencia" que había observado en los rectificadores de germanio durante la guerra. En junio de 1948, Mataré produjo resultados consistentes yreproducibles utilizando muestras de germanio producidas por Welker, similares a lo que Bardeen y Brattain habían logrado anteriormente en diciembre de 1947. Al darsecuenta de que los científicos de Laboratorios Bell ya habían inventado el transistor antes que ellos, la empresa se apresuró a poner en producción su dispositivo llamado"transistron" para su uso en la red telefónica de Francia. 17

El primer transistor de alta frecuencia fue el transistor de barrera de superficie de germanio desarrollado por los estadounidenses John Tiley y Richard Williams de PhilcoCorporation en 1953, 18 capaz de operar con señales de hasta 60 MHz. 19 Para fabricarlo, se usó un procedimiento creado por los ya mencionados inventores mediante elcual eran grabadas depresiones en una base de germanio tipo N de ambos lados con chorros de sulfato de indio hasta que tuviera unas diez milésimas de pulgada de espesor.El Indio electroplateado en las depresiones formó el colector y el emisor. 20 El primer receptor de radio para automóviles que fue producido en 1955 por Chrysler y Philco,usó estos transistores en sus circuitos y también fueron los primeros adecuados para las computadoras de alta velocidad de esa época. 21 22

El primer transistor de silicio operativo fue desarrollado en los Laboratorios Bell en enero 1954 por el químico Morris Tanenbaum. 23 El día 20 de junio de 1955,Tanenbaum y Calvin Fuller, solicitaron una patente para un procedimiento inventado por ambos para producir dispositivos semiconductores. 24 El primer transistor de silicio

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Distintos encapsulados de transistores.

Diagrama de Transistor NPN

Tanenbaum y Calvin Fuller, solicitaron una patente para un procedimiento inventado por ambos para producir dispositivos semiconductores. 24 El primer transistor de siliciocomercial fue producido por Texas Instruments en 1954 gracias al trabajo del experto Gordon Teal quien había trabajado previamente en los Laboratorios Bell en elcrecimiento de cristales de alta pureza. 25 El primer transistor JFET fue construido por el coreano­estadounidense Dawon Kahng y el egipcio Martin Atalla, ambosingenieros de los Laboratorios Bell, en 1960. 26 27

Funcionamiento

El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades específicas) que formandos uniones bipolares: el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso dedichos portadores (base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño decircuitos a los transistores se les considera un elemento activo, 28 a diferencia de los resistores, condensadores e inductores que son elementos pasivos.29

De manera simplificada, la corriente que circula por el colector es función amplificada de la que se inyecta en el emisor, pero el transistor sólo gradúa la corriente quecircula a través de sí mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la base para que circule la carga por el colector, según el tipo de circuito que se utilice. Elfactor de amplificación o ganancia logrado entre corriente de colector y corriente de base, se denomina Beta del transistor. Otros parámetros a tener en cuenta y que sonparticulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima, disipación de calor, frecuencia detrabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Lostres tipos de esquemas(configuraciones) básicos para utilización analógica de los transistores son emisor común, colector común y base común.

Modelos posteriores al transistor descrito, el transistor bipolar (transistores FET, MOSFET, JFET, CMOS, VMOS, etc.) no utiliza la corriente que se inyecta en el terminalde base para modular la corriente de emisor o colector, sino la tensión presente en el terminal de puerta y gradúa la conductancia del canal entre los terminales de Fuente yDrenaje. Cuando la conductancia es nula y el canal se encuentra estrangulado, por efecto de la tensión aplicada entre Compuerta y Fuente, es el campo eléctrico presente enel canal el responsable de impulsar los electrones desde la fuente al drenaje. De este modo, la corriente de salida en la carga conectada al Drenaje (D) será funciónamplificada de la tensión presente entre la compuerta y la fuente, de manera análoga al funcionamiento del triodo.

Los transistores de efecto de campo son los que han permitido la integración a gran escala disponible hoy en día; para tener una idea aproximada pueden fabricarse varioscientos de miles de transistores interconectados, por centímetro cuadrado y en varias capas superpuestas.

Tipos de transistor

Transistor de contacto puntual

Llamado también «transistor de punta de contacto», fue el primer transistor capaz de obtener ganancia, inventado en 1947 porJohn Bardeen y Walter Brattain. Consta de una base de germanio, semiconductor para entonces mejor conocido que lacombinación cobre­óxido de cobre, sobre la que se apoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y elcolector. La corriente de base es capaz de modular la resistencia que se «ve» en el colector, de ahí el nombre de transfer resistor.Se basa en efectos de superficie, poco conocidos en su día. Es difícil de fabricar (las puntas se ajustaban a mano), frágil (ungolpe podía desplazar las puntas) y ruidoso. Sin embargo convivió con el transistor de unión debido a su mayor ancho de banda.En la actualidad ha desaparecido.

Transistor de unión bipolar

El transistor de unión bipolar (o BJT, por sus siglas del inglés bipolar junction transistor) se fabrica sobre un monocristal de materialsemiconductor como el germanio, el silicio o el arseniuro de galio, cuyas cualidades son intermedias entre las de un conductoreléctrico y las de un aislante. Sobre el sustrato de cristal se contaminan en forma muy controlada tres zonas sucesivas, N­P­N o P­N­P, dando lugar a dos uniones PN.

Las zonas N (en las que abundan portadores de carga Negativa) se obtienen contaminando el sustrato con átomos de elementosdonantes de electrones, como el arsénico o el fósforo; mientras que las zonas P (donde se generan portadores de carga Positiva o«huecos») se logran contaminando con átomos aceptadores de electrones, como el indio, el aluminio o el galio.

La tres zonas contaminadas, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la regiónde 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 diferentecontaminación entre ellas (por lo general, el emisor está mucho más contaminado que el colector).

El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá de dichas contaminaciones, de la geometría asociada ydel tipo de tecnología de contaminación (difusión gaseosa, epitaxial, etc.) y del comportamiento cuántico de la unión.

Transistor de efecto de campo

El transistor de efecto de campo de unión (JFET), fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipoN o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dosregiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otro drenador.Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando la puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenador conpolarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.

El transistor de efecto de campo, o FET por sus siglas en inglés, que controla la corriente en función de una tensión; tienen alta impedancia de entrada.

Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante una unión PN.

Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la compuerta se aísla del canal mediante un dieléctrico.Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa Metal­Óxido­Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica y está separada del canalsemiconductor por una capa de óxido.

Fototransistor

Los fototransistores son sensibles a la radiación electromagnética en frecuencias cercanas a la de la luz visible; debido a esto su flujo de corriente puede ser regulado pormedio de la luz incidente. Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, sólo que puede trabajar de 2 maneras diferentes:

Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común);Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación).

Transistores y electrónica de potencia

Con el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de los dispositivos semiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión y corriente

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Características del material semiconductor

Material semiconductor

Tensión directa de la unión V @ 25 °C

Movilidad electrónica m2/(V·s) @ 25 °C

Movilidad de agujeros m2/(V·s) @ 25 °C

Max. unión temp.

°CGe 0.27 0.39 0.19 70 to 100Si 0.71 0.14 0.05 150 to 200

GaAs 1.03 0.85 0.05 150 to 200Al­Si unión 0.3 — — 150 to 200

Emisor común.

Con el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de los dispositivos semiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión y corrienteha permitido su uso en aplicaciones de potencia. Es así como actualmente los transistores son empleados en conversores estáticos de potencia, controles para motores yllaves de alta potencia (principalmente inversores), aunque su principal uso está basado en la amplificación de corriente dentro de un circuito cerrado.

Construcción

Material semiconductor

Los primeros BJT se hicieron a partir de germanio (Ge). Silicio (Si) lostipos actualmente predominan pero ciertas versiones de microondasavanzado y de alto rendimiento ahora emplean el semiconductorcompuesto de arseniuro de galio de material (GaAs) y el silicio­germanio aleación de semiconductores (SiGe). Individual material delelemento semiconductor (Ge y Si) se describe como elemental.

El transistor bipolar como amplificador

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 emisortendremos una tensión igual a la tensión directa de un diodo, es decir 0,6 a 0,8 V para un transistor de silicio y unos 0,4 para el germanio.

Lo interesante del dispositivo es que en el colector tendremos una corriente proporcional a la corriente de base: IC = β IB, es decir, ganancia de corriente cuando β>1. Paratransistores normales de señal, β varía entre 100 y 300. Existen tres configuraciones para el amplificador transistorizado: emisor común, base común y colector común.

Emisor común

La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el colector. El emisor se conecta al punto de tierra (masa) tanto de laseñal de entrada como de salida. En esta configuración, existe tanto ganancia tanto de tensión como de corriente. En caso detener resistencia de emisor, (RE) debe ser mayor de 50 ohmios, y para frecuencias bajas, la se aproxima bastante bien laimpedancia de salida, por RC y la ganancia en tensión por la expresión:

Como la base está conectada al emisor por un diodo polarizado en directo, entre ellos se puede suponer que existe una tensiónconstante, denominada y que el valor de β es constante. Del gráfico adjunto, se deduce que la tensión de emisor es:

Y la corriente de emisor:

.

La corriente de emisor es igual a la de colector más la de base:

Despejando la corriente de colector:

La tensión de salida, que es la de colector se calcula así:

Como β >> 1, se puede aproximar:

y, entonces es posible calcular la tensión de colector como:

La parte entre paréntesis es constante (no depende de la señal de entrada), y la restante expresa la señal de salida. El signo negativo indica que la señal de salida estádesfasada 180º respecto a la de entrada.

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Base común.

desfasada 180º respecto a la de entrada.

Finalmente, la ganancia es expresada como:

La corriente de entrada, , si puede expresarse como sigue:

Suponiendo que , podemos escribir:

Al dividir la tensión y corriente en la base, la impedancia o resistencia de entrada queda como:

Para tener en cuenta la influencia de frecuencia se deben utilizar modelos de transistor más elaborados. Es muy frecuente usar el modelo en pi.

Base común

La señal se aplica al emisor del transistor y se extrae por el colector. La base se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración setiene ganancia sólo de tensión. 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 añadimos una resistencia de emisor, que puede ser la propia impedancia de salida de la fuente de señal, un análisis similar al realizado en el caso de emisor común, da

como resultado que la ganancia aproximada es:

La base común se suele utilizar para adaptar fuentes de señal de baja impedancia de salida como, por ejemplo, micrófonos dinámicos.

Colector común

La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. El colector se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuraciónse tiene ganancia de corriente, pero no de tensión que es ligeramente inferior a la unidad. La impedancia de entrada es alta, aproximadamente β+1 veces la impedancia decarga. Además, la impedancia de salida es baja, aproximadamente β veces menor que la de la fuente de señal.

El transistor bipolar frente a la válvula termoiónica

Antes de la aparición del transistor, eran usadas las válvulas termoiónicas. Las válvulas tienen características eléctricas similaresa la de los transistores de efecto campo (FET): la corriente que los atraviesa depende de la tensión en el terminal llamado rejilla.Las razones por las que el transistor reemplazó a la válvula termoiónica son varias:

Las válvulas necesitan tensiones muy altas, del orden de las centenas de voltios, que son peligrosas para el ser humano.Las válvulas consumen mucha energía, lo que las vuelve particularmente poco útiles para el uso con baterías.El peso: El chasis necesario para alojar las válvulas y los transformadores requeridos para su funcionamiento sumaban unpeso importante, que iba desde algunos kilos a decenas de kilos.El tiempo medio entre fallas de las válvulas termoiónicas, el cual es muy corto comparado con el de los transistores, sobretodo a causa del calor generado.Retardo en el arranque: Las válvulas presentan una cierta demora en comenzar a funcionar, ya que necesitan estarcalientes para establecer la conducción.El efecto microfónico: Muy frecuente en las válvulas a diferencia de los transistores, que son intrínsecamente insensibles aél.Tamaño: Los transistores son más pequeños que las válvulas. Aunque existe unanimidad sobre este punto, conviene haceruna salvedad: en el caso de dispositivos de potencia, estos deben llevar un disipador, de modo que el tamaño que se ha deconsiderar es el del dispositivo (válvula o transistor) más el del disipador. Como las válvulas pueden funcionar atemperaturas más elevadas, la eficiencia del disipador es mayor en ellas que en los transistores, con lo que basta undisipador mucho más pequeño.Los transistores trabajan con impedancias bajas, o sea con tensiones reducidas y corrientes altas; mientras que las válvulaspresentan impedancias elevadas y por lo tanto trabajan con altas tensiones y pequeñas corrientes.Costo: Los transistores costaban menos que las válvulas, desde su lanzamiento inicial y se contó con la promesa de lasempresas fabricantes de que su costo continuaría bajando (como de hecho ocurrió) con suficiente investigación ydesarrollo.

Como ejemplo de todos estos inconvenientes se puede citar a la primera computadora digital, llamada ENIAC, la cual pesabamás de treinta toneladas y consumía 200 kilovatios, suficientes para alimentar una pequeña ciudad, a causa de susaproximadamente 18 000 válvulas, de las cuales algunas se quemaban cada día, necesitando una logística y una organizaciónimportantes para mantener este equipo en funcionamiento.

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Colector común.

importantes para mantener este equipo en funcionamiento.

El transistor bipolar reemplazó progresivamente a la válvula termoiónica durante la década de 1950, pero no del todo. En efecto,durante los años 1960, algunos fabricantes siguieron utilizando válvulas termoiónicas en equipos de radio de gama alta, comoCollins y Drake; luego el transistor desplazó a la válvula de los transmisores pero no del todo en los amplificadores deradiofrecuencia. Otros fabricantes de instrumentos eléctricos musicales como Fender, siguieron utilizando válvulas en susamplificadores de audio para guitarras eléctricas. Las razones de la supervivencia de las válvulas termoiónicas son varias:

Falta de linealidad: El transistor no tiene las características de linealidad a alta potencia de la válvula termoiónica, por loque no pudo reemplazarla en los amplificadores de transmisión de radio profesionales y de radioaficionados sino hastavarios años después.[cita requerida]Generación de señales armónicas: Las señales armónicas introducidas por la falta de linealidad de las válvulas resultan agradables al oído humano, como demuestra lapsicoacústica, por lo que son preferidos por los audiófilos.Sensibilidad a explosiones nucleares: El transistor es muy sensible a los efectos electromagnéticos de las explosiones nucleares, por lo que se siguieron utilizandoválvulas termoiónicas en algunos sistemas de control y comando de aviones caza de fabricación soviética.[cita requerida]Manejo de altas potencias: Las válvulas son capaces de manejar potencias muy grandes, a diferencia de la que manejaban los primeros transistores; sin embargod através de los años se desarrollaron etapas de potencia con múltiples transistores en paralelo capaces de conseguir manejo de potencias mayores.

Véanse también: Válvula termoiónica y Transistor bipolar.

Véase también

Historia del transistorQuiteronSemiconductorTransistor de aleaciónTransistor de película delgadaTransistor de unión bipolarTransistor IGBTTransistor uniuniónVálvula termoiónica

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id=BVDd8xRNQ3IC&pg=PA10&dq=transistor+elemento+activo&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwikz6r8rp3LAhVM7hoKHQVJA_wQ6AEIMzAC#v=onepage&q=transistor%20elemento%20activo&f=false)

16/3/2016 Transistor ­ Wikipedia, la enciclopedia libre

https://es.wikipedia.org/wiki/Transistor 6/6

id=BVDd8xRNQ3IC&pg=PA10&dq=transistor+elemento+activo&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwikz6r8rp3LAhVM7hoKHQVJA_wQ6AEIMzAC#v=onepage&q=transistor%20elemento%20activo&f=false)

Enlaces externos

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Transistores Vs. Válvulas para aplicaciones en audio de alta fidelidad (http://web.archive.org/web/http://hifi.suite101.net/article.cfm/amplificadores­transistorizados­vs­amplificadores­valvulares/), Oscar Bonello, fundador de la compañía Solidyne y miembro de Audio Engineering Society (AES), propone una interpretaciónposible sobre la rivalidad entre entusiastas de una u otra tecnología.Como funcionan realmente los transistores (http://otro­geek­mas.blogspot.com/2008/08/como­funcionan­realmente­los.html) Versión original en Inglés(http://www.amasci.com/amateur/transis.html)Símbolos de transistores (http://www.simbologia­electronica.com/simbolos_electronicos/simbolos_transistores.htm)

los Laboratorios BelLAbws<­alsdkfpaskdfṕsaekdfǵakefl

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