Transistores: tipos, estructura, funcionamiento y aplicaciones en electrónica

Transistores

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se encuentran prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y vídeo, hornos microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos móviles, etc.

1. Historia del transistor

El transistor fue el sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos o tríodo. El transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE. UU. en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter H. Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956.

Al principio se usaron transistores bipolares y luego se inventaron los denominados transistores de efecto de campo (FET). En los FET, la corriente entre la fuente y el drenador (colector) se controla usando un campo eléctrico. Finalmente apareció el semiconductor metal-óxido FET (MOSFET). Los MOSFET permitieron un diseño extremadamente compacto, necesario para los circuitos altamente integrados (IC). Hoy la mayoría de los circuitos se construyen con la denominada tecnología CMOS (semiconductor metal-óxido complementario). La tecnología CMOS utiliza dos tipos de MOSFET (canal n y canal p) que se complementan mutuamente y consumen muy poca corriente en funcionamiento sin carga.

El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres zonas dopadas artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades controladas) que forman dos uniones: el emisor (que emite portadores), el colector (que los recibe o recolecta) y la tercera, intercalada entre las dos anteriores, que modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de circuitos, a los transistores se les considera elementos activos, a diferencia de resistores, capacitores e inductores, que son elementos pasivos. Su funcionamiento solo puede explicarse mediante mecánica cuántica.

De manera simplificada, la corriente que circula por el colector es una función amplificada de la que se inyecta en la base (o emisor, según la configuración), pero el transistor solo regula la corriente que circula a través de sí mismo cuando la base es alimentada desde una fuente adecuada. El factor de amplificación de corriente entre la corriente de colector y la corriente de base se denomina Beta (β) del transistor. Otros parámetros importantes y particulares de cada transistor son: tensiones de ruptura colector-emisor, base-emisor y colector-base; potencia máxima; disipación de calor; frecuencia de trabajo; y tablas con curvas de corriente de base, tensión colector-emisor, tensión base-emisor, corriente de emisor, etc. Los tres esquemas básicos para uso analógico de los transistores son: emisor común, colector común y base común.

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2. Fabricación del transistor

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El transistor es un dispositivo de tres terminales, a diferencia del diodo que tiene dos terminales. Consiste en material de tipo p y de tipo n. Consta de dos materiales de tipo n separados por un material de tipo p (transistor npn) o de dos materiales de tipo p separados por un material de tipo n (transistor pnp). Las tres capas diferentes se identifican como emisor, base y colector.

Las capas exteriores del transistor son materiales semiconductores con altos niveles de dopado y tienen espesores mucho mayores que el material emparedado de tipo p o n. El dopado de la capa intermedia es considerablemente menor que el de las capas exteriores; este menor nivel de dopado reduce la conductividad (incrementa la resistencia) del material al limitar el número de portadores libres.

El emisor es una capa muy dopada y diseñada para emitir o inyectar electrones. La base, con una dopación media, es una capa diseñada para permitir el paso de electrones. El colector, poco dopado, es la capa diseñada para colectar electrones.

El transistor se puede concebir como dos uniones pn colocadas espalda con espalda; estas se denominan transistores bipolares de unión (BJT, bipolar junction transistor).

3. Estructura de un transistor

El transistor está formado por la unión de tres capas de material semiconductor, de tipo p y tipo n, dispuestas de forma alternada (en forma de sándwich). Según la disposición de estas capas, podemos tener dos tipos principales de transistores:

• Transistor PNP
• Transistor NPN

Los más utilizados son los transistores NPN, por lo que nos centraremos en el estudio de este tipo de dispositivo.

Cada una de las tres partes que constituyen el transistor se conecta a un terminal metálico que permitirá conectarlo a un circuito. Todo el conjunto se recubre con un encapsulado protector, que puede adoptar diversas formas y estar fabricado en distintos materiales (plástico, metal...). Por tanto, el transistor es un dispositivo de tres terminales denominados emisor, base y colector.

Podemos considerar el transistor constituido por dos diodos:

• Uno formado por la unión emisor-base.
• Otro por la unión base-colector.

Esta peculiar estructura constituye la base del funcionamiento del transistor, pues el terminal de base controla el paso de corriente eléctrica entre el colector y el emisor.

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En el dibujo "Esquema de dos transistores..." la flecha indica la dirección de la corriente que circula a través del emisor: en un transistor NPN es saliente, mientras que en un transistor PNP va en sentido contrario (hacia dentro del dispositivo), por lo que la flecha se dibuja invertida.

Tipos de transistor de unión bipolar

NPN

El símbolo de un transistor NPN.

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NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares; las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios en las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, porque la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los huecos en los semiconductores, lo que permite mayores corrientes y velocidades de operación.

Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la base) entre dos capas dopadas N. Una pequeña corriente que ingresa a la base en configuración emisor-común se amplifica en la salida del colector.

La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

PNP

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El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP; las letras "P" y "N" se refieren igualmente a las cargas mayoritarias dentro de las regiones del transistor. En la práctica, hoy se usan menos transistores PNP porque el NPN ofrece mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.

El símbolo de un transistor PNP.

Los transistores PNP consisten en una capa dopada N entre dos capas dopadas P. Los transistores PNP suelen operarse con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.

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La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

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Transistor NPN — Estructura de un transistor NPN

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Transistor PNP — Estructura de un transistor PNP

Veremos más adelante cómo un circuito con un transistor NPN se puede adaptar a PNP. El nombre hace referencia a su construcción como semiconductor.

Por el transistor circulan varias corrientes eléctricas cuya dirección y sentido, para un transistor NPN, son:

• I_B: intensidad de corriente de base.
• I_C: intensidad de corriente de colector.
• I_E: intensidad de corriente de emisor.

Se observa que las corrientes de base y de colector entran en el transistor, mientras que la corriente de emisor sale del dispositivo; en consecuencia, podemos establecer la siguiente relación:

I_E = I_B + I_C

Si conocemos dos de las corrientes del transistor, la expresión anterior permite calcular la tercera.

Asimismo, entre los terminales del transistor se generan las siguientes caídas de tensión:

• V_CE: tensión colector-emisor.
• V_BE: tensión base-emisor.

4. Características

Los transistores consumen mucha menos corriente que las válvulas, por lo que también generan menos calor.

Su tamaño es mucho menor. Un transistor puede tener el tamaño de una lenteja, mientras que un tubo de vacío era mucho mayor. Esto permite una drástica reducción de tamaño en los equipos electrónicos.

Mientras que las tensiones de alimentación de los tubos estaban alrededor de 300 V, las de los transistores suelen ser del orden de 10 V, permitiendo que los demás elementos del circuito sean de menor tamaño al disipar menos calor y soportar tensiones más bajas.

El transistor está constituido fundamentalmente por silicio o germanio. Su vida útil es prácticamente ilimitada y, en cualquier caso, muy superior a la de un tubo de vacío.

5. Tipos de transistores

5.1 Transistor de punta de contacto

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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 metálicas que constituyen el emisor y el colector. 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. Era difícil de fabricar (las puntas se ajustaban a mano), frágil (un golpe podía desplazar las puntas) y ruidoso. Convivió con el transistor de unión (W. Shockley, 1948) debido a su mayor ancho de banda. En la actualidad ha desaparecido.

5.2 Transistor de unión bipolar (BJT)

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El transistor de unión bipolar, o BJT por sus siglas en inglés, se fabrica básicamente sobre un monocristal de germanio, silicio o arseniuro de galio, materiales con cualidades semiconductoras. Sobre el sustrato de cristal se dopan, en forma muy controlada, tres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo (NPN o PNP), quedando formadas dos uniones PN.

La zona N incorpora elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P elementos aceptadores o "huecos" (cargas positivas). Normalmente se utilizan como aceptadores P: indio (In), aluminio (Al) o galio (Ga), y como donantes N: arsénico (As) o fósforo (P).

La configuración de uniones PN da como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia corresponde a la base y las otras dos al emisor y al colector. Aunque emisor y colector sean del mismo tipo, suelen tener distintos niveles de dopado (por lo general, el emisor está mucho más dopado que el colector).

El comportamiento semiconductor dependerá de dichas dopaciones, de la geometría y del tipo de tecnología de dopado (difusión gaseosa, epitaxia, etc.) y de los efectos cuánticos de las uniones.

5.3 Transistores bipolares NPN y PNP

• %IMAGE_12% — Componente semiconductor con tres terminales: BASE (b), EMISOR (e), COLECTOR (c).
• Internamente está formado por un cristal que contiene una región P entre dos N (transistor NPN) o una región N entre dos P (transistor PNP).

La diferencia entre un transistor NPN y uno PNP radica en la polaridad de sus electrodos.

5.4 Transistor de unión unipolar (JFET)

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También llamado transistor de efecto de campo de unión (JFET), fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Está formado por una barra de material semiconductor de tipo N o P. En los extremos de la barra se establecen contactos óhmicos (surtidor y drenador). Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se produce una puerta. Aplicando tensión entre drenador y surtidor y controlando la puerta, se regula la corriente de drenador; con un potencial de puerta (tensión de estrangulamiento) se puede cesar la conducción en el canal.

5.5 Transistor de efecto de campo

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El transistor de efecto de campo, o FET, controla la corriente en función de una tensión y presenta alta impedancia de entrada.

• JFET: transistor de efecto de campo de unión (con unión PN).
• IGFET: transistor de efecto de campo de compuerta aislada (la compuerta está aislada del canal mediante un dieléctrico).
• MOSFET: MOS significa Metal-Óxido-Semiconductor; la compuerta es metálica y está separada del canal por una capa de óxido.

5.6 Fototransistor

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Un fototransistor es un transistor sensible a la luz, normalmente al infrarrojo. La luz que incide sobre la región de base genera portadores en ella, llevando al transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor. En ausencia de luz existe una corriente muy pequeña de fuga colector-emisor, generada térmicamente, llamada corriente oscura. En el mercado se encuentran fototransistores con o sin conexión de base y en cápsulas plásticas o metálicas (TO-72, TO-5) provistas de una lente.

Se han utilizado en lectores de cinta y tarjetas perforadas, lápices ópticos, etc. Para comunicaciones por fibra óptica se prefieren detectores con fotodiodos p-i-n. También se emplean en sensores de proximidad y en interruptores ópticos combinados con un LED (opto-switch), detectando la interrupción del haz de luz. Existen versiones de transmisión y de reflexión.

El fototransistor tiene mayor capacidad de corriente, pero su velocidad de conmutación es menor en comparación con el fotodiodo.

6. Transistores y electrónica de potencia

Con el desarrollo tecnológico, la capacidad de los dispositivos semiconductores para soportar niveles cada vez mayores de tensión y corriente ha permitido su uso en aplicaciones de potencia. Actualmente los transistores se emplean en convertidores estáticos de potencia, controles para motores y llaves de alta potencia (principalmente inversores). No obstante, su principal uso sigue basado en la amplificación de corriente dentro de circuitos cerrados.

7. El transistor como amplificador

El comportamiento del transistor se puede modelar mediante el modelo de Ebers-Moll, que representa dos diodos: uno entre base y emisor (polarizado en directo) y otro entre base y colector (polarizado en inverso). Entre base y emisor tendremos una tensión similar a la tensión directa de un diodo: aproximadamente 0,6–0,8 V para silicio y alrededor de 0,2–0,4 V para germanio.

La ventaja del transistor es que en el colector aparece una corriente proporcional a la corriente de base: I_C = β I_B, es decir, ganancia de corriente cuando β > 1. Para transistores de señal típicos, β suele variar entre 100 y 300.

Existen tres configuraciones principales para el amplificador:

7.1 Emisor común

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7.2 Base común

La señal se aplica al emisor y se extrae por el colector. La base se conecta a masas tanto de la señal de entrada como de la de salida. En esta configuración se obtiene ganancia de tensión. La impedancia de entrada es baja y la ganancia de corriente es algo menor que la unidad, debido a que parte de la corriente de emisor sale por la base. Si añadimos una resistencia de emisor (por ejemplo la impedancia de salida de la fuente de señal), un análisis similar al del emisor común da una ganancia aproximada determinada por esas impedancias.

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

7.3 Colector común

La señal se aplica a la base y se extrae por el emisor. El colector se conecta a masa en las señales de entrada y salida. En esta configuración hay ganancia de corriente, pero no de tensión (esta es ligeramente inferior a la unidad). Esta disposición multiplica la impedancia de salida aproximadamente por 1/β.

9. Algunas aplicaciones de los transistores

El concepto de transistor bipolar permite una amplia variedad de aplicaciones relacionadas con la electrónica de señal y la electrónica de potencia.

La electrónica de señal —también llamada de pequeña señal— se ocupa de señales de baja potencia, abarcando desde bajas frecuencias hasta frecuencias medias y altas. Se refiere a circuitos de recepción de audio, recepción de radio, adaptadores de líneas de transmisión, etc., que comparten niveles de potencia reducidos.

Los transistores se utilizan especialmente en tres campos:

• Amplificación, ya sea de tensión o corriente. En estos casos el transistor opera en la zona lineal.
• Tratamiento de la señal. El transistor puede operar en zona lineal o no lineal según la aplicación (generadores de corriente, multiplicadores de dos señales, etc.).
• Adaptación y aislamiento entre etapas de un circuito. El transistor puede aislar dos etapas y evitar problemas de compatibilidad.

En resumen, los transistores son pequeños dispositivos empleados en todo tipo de circuitos, tanto en electrónica digital como analógica; son el alma de los microprocesadores y de los elementos digitales actuales.