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Transistor - Wikipedia, la enciclopedia libre

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Transistor De Wikipedia, la enciclopedia libre Ir a la navegación Ir a la búsqueda Transistor El tamaño de un transistor guarda relación con la potencia que es capaz de manejar. Tipo Semiconductor Invención John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley ( 1947 ) SÃ-mbolo electrónico Terminales Emisor, base y colector [ editar datos en Wikidata ] El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Cumple funciones de amplificador , oscilador , conmutador o rectificador . El término «transistor» es la contracción en inglés de transfer resistor (« resistor de transferencia»). Actualmente se encuentra prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario tales como radios , televisores , reproductores de audio y video , relojes de cuarzo , computadoras , lámparas fluorescentes , tomógrafos , teléfonos celulares , aunque casi siempre dentro de los llamados circuitos integrados . Õndice 1 Historia 2 Funcionamiento 3 Tipos de transistor 3.1 Transistor de contacto puntual 3.2 Transistor de unión bipolar

3.3 Transistor de efecto de campo 3.4 Fototransistor 4 Transistores y electrónica de potencia 5 Construcción 5.1 Material semiconductor 6 El transistor bipolar como amplificador 6.1 Emisor común 7 Diseño de una etapa en configuración emisor común 7.1 Base común 7.2 Colector común 8 El transistor bipolar frente a la válvula termoiónica 9 Véase también 10 Referencias 11 BibliografÃ-a 12 Enlaces externos Historia [ editar ] ArtÃ-culo principal:

Historia del transistor

Réplica del primer transistor en actividad, que hoy pertenece a la empresa Lucent Technologies. El fÃ-sico austro-húngaro Julius Edgar Lilienfeld solicitó en Canadá en el año 1925 [ 1 ] ​ una patente para lo que él denominó "un método y un aparato para controlar corrientes eléctricas" y que se considera el antecesor de los actuales transistores de efecto campo , ya que estaba destinado a ser un reemplazo de estado sólido del triodo . Lilienfeld también solicitó patentes en los Estados Unidos en los años 1926 [ 2 ] ​ y 1928. [ 3 ] ​ [ 4 ] ​ Sin embargo, Lilienfeld no publicó ningún artÃ-culo de investigación sobre sus dispositivos, ni sus patentes citan algún ejemplo especÃ-fico de un prototipo de trabajo. Debido a que la producción de materiales semiconductores de alta calidad no estaba disponible por entonces, las ideas de Lilienfeld sobre amplificadores de estado sólido no encontraron un uso práctico en los años 1920 y 1930, aunque acabara de construir un dispositivo de este tipo. [ 5 ] ​

En 1934, el inventor alemán Oskar Heil patentó en Alemania y Gran Bretaña [ 6 ] ​ un dispositivo similar. Cuatro años después, los también alemanes Robert Pohl y Rudolf Hilsch efectuaron experimentos en la Universidad de Göttingen, con cristales de bromuro de potasio, usando tres electrodos, con los cuales lograron la amplificación de señales de 1 Hz, pero sus investigaciones no condujeron a usos prácticos. [ 7 ] ​Mientras tanto, la experimentación en los Laboratorios Bell

con rectificadores a base de óxido de cobre y las explicaciones sobre

rectificadores a base de semiconductores por parte del alemán Walter Schottky y del inglés Nevill Mott, llevaron a pensar en 1938 a William Shockley que era posible lograr la construcción de amplificadores a base de semiconductores, en lugar de tubos de vacÃ-o. [ 7 ] ​ Desde el 17 de noviembre de 1947 hasta el 23 de diciembre de 1947, los fÃ-sicos estadounidenses

John Bardeen

y

Walter Houser Brattain

de los

Laboratorios Bell [ 8 ]

​llevaron a cabo diversos experimentos y observaron que cuando dos contactos puntuales de oro eran aplicados a un cristal de germanio , se produjo una señal con una potencia de salida mayor que la de entrada. [ 9 ] ​ El lÃ-der del Grupo de FÃ-sica del Estado Sólido

William Shockley

vio el potencial de este hecho y, en los siguientes meses, trabajó para ampliar en gran medida el conocimiento de los semiconductores. El término "transistor" fue sugerido 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. [ 10 ] ​ Según una biografÃ-a de John Bardeen, Shockley habÃ-a propuesto que la primera patente para un transistor de los Laboratorios Bell debÃ-a estar basado en el efecto de campo y que él fuera nombrado como el inventor. Habiendo redescubierto las patentes de Lilienfeld que quedaron en el olvido años atrás, los abogados de los Laboratorios Bell desaconsejaron 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 en 1943 fue el primer transistor de contacto de punto, cuya primera patente solicitaron los dos primeros nombrados, el 17 de junio de 1946, [ 11 ] ​a la cual siguieron otras patentes acerca de aplicaciones de este

dispositivo. [ 12 ] ​ [ 13 ] ​ [ 14 ] ​ En reconocimiento a este logro, Shockley, Bardeen y Brattain fueron galardonados conjuntamente con el Premio Nobel de FÃ-sica de 1956 "por sus investigaciones sobre semiconductores y su descubrimiento del efecto transistor". [ 15 ] ​ En 1948, el transistor de contacto fue inventado independientemente por los fÃ-sicos alemanes Herbert Mataré y Heinrich Welker, mientras trabajaban en la Compagnie des Freins et Signaux, una subsidiaria francesa de la estadounidense Westinghouse . Mataré tenÃ-a experiencia previa en el desarrollo de rectificadores de cristal de silicio y de germanio mientras trabajaba con Welker en el desarrollo de un radar alemán durante la

Segunda Guerra Mundial . Usando este

conocimiento, él comenzó a investigar el fenómeno de la "interferencia" que habÃ-a observado en los rectificadores de germanio durante la guerra. En junio de 1948, Mataré produjo resultados consistentes y reproducibles utilizando muestras de germanio producidas por Welker, similares a lo que Bardeen y Brattain habÃ-an logrado anteriormente en diciembre de 1947. Al darse cuenta de que los cientÃ-ficos de Laboratorios Bell ya habÃ-an 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. [ 16 ] ​El 26 de junio de 1948, Wiliam Shockley solicitó la patente del transistor bipolar de unión [ 17 ] ​ y el 24 de agosto de 1951 solicitó la primera patente de un transistor de efecto de campo, [ 18 ] ​ tal como se declaró en ese documento, en el que se mencionó la estructura que ahora posee. Al año siguiente, George Clement Dacey e Ian Ross, de los Laboratorios Bell, tuvieron éxito al fabricar este dispositivo, [ 19 ] ​cuya nueva patente fue solicitada el 31 de octubre de 1952. [ 20 ] ​ Meses antes, el 9 de mayo de ese año, el ingeniero Sidney Darlington solicitó la patente del arreglo de dos transistores conocido actualmente como transistor Darlington . [ 21 ] ​ 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 Philco Corporation en 1953, [ 22 ] ​capaz de operar con señales de hasta 60 MHz . [ 23 ] ​ Para fabricarlo, se usó un procedimiento creado por los ya mencionados inventores mediante el cual 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. [ 24 ] ​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. [ 25 ] ​ [ 26 ] ​ El primer transistor de silicio operativo fue desarrollado en los Laboratorios Bell en enero de 1954 por el quÃ-mico Morris Tanenbaum. [ 27 ] ​El 20 de junio de 1955, Tanenbaum y Calvin Fuller, solicitaron una patente para un procedimiento inventado por ambos para producir dispositivos semiconductores. [ 28 ] ​ El primer transistor de silicio comercial fue producido por Instruments

Texas

en 1954 gracias al trabajo del experto Gordon Teal quien habÃ-a trabajado

previamente en los Laboratorios Bell en el crecimiento de cristales de alta pureza. [ 29 ] ​ El primer transistor

MOSFET

fue construido por el coreano-estadounidense Dawon Kahng y el

egipcio Martin Atalla, ambos ingenieros de los Laboratorios Bell, en 1960. [ 30 ] ​ [ 31 ] ​ Funcionamiento [ editar ] El transistor consta de tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales especÃ-ficos en cantidades especÃ-ficas) que forman dos 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 de dichos 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 de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, [ 32 ] ​ a diferencia de los resistores , condensadores e inductores que son elementos pasivos. [ 33 ] ​ De manera simplificada, la corriente que circula por el colector es función amplificada de la que se inyecta en el emisor , pero el transistor solo gradúa la corriente que circula a través de sÃmismo, 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. El factor 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 son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima, disipación de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres 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 terminal de 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 y Drenaje. 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 en el 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 función amplificada 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 dÃ-a; para tener una idea aproximada pueden fabricarse varios cientos de miles de transistores interconectados, por centÃ-metro cuadrado y en varias capas superpuestas. Tipos de transistor [ editar ] Distintos encapsulados de transistores. Transistor de contacto puntual [ editar ] Llamado también "transistor de punta de contacto", fue el primer transistor capaz de obtener ganancia, inventado en 1947 por John Bardeen y Walter Brattain. Consta de una base de germanio, semiconductor para entonces mejor conocido que la combinación cobre - óxido de cobre , 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 ahÃ- el nombre de transfer resistor . Se basa en efectos de superficie, poco conocidos en su dÃ-a. Es difÃ-cil de fabricar (las puntas se ajustaban a mano), frágil (un golpe podÃ-a 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 [ editar ] ArtÃ-culo principal:

Transistor de unión bipolar

Diagrama de transistor NPN. El transistor de unión bipolar (o BJT, por sus siglas del inglés bipolar junction transistor ) se fabrica sobre un monocristal de material semiconductor como el germanio, el silicio o el arseniuro de galio , cuyas cualidades son intermedias entre las de un conductor eléctrico y las de un aislante. Sobre el sustrato de cristal se contaminan en forma muy controlada tres zonas sucesivas, N-P-N o P-N-P, dando lugar a dos uniones PN . Las zonas N (en las que abundan portadores de carga N egativa) se obtienen contaminando el sustrato con átomos de elementos donantes de electrones , como el arsénico o el fósforo ; mientras que las zonas P (donde se generan portadores de carga P ositiva 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 región 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 contaminación 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 geometrÃ-a asociada y del tipo de tecnologÃ-a de contaminación (difusión gaseosa, epitaxial, etc.) y del comportamiento cuántico de la unión. Transistor de efecto de campo [ editar ] -SÃ-mbolo del transistor JFET, en el que se indican: drenador, surtidor y compuerta.

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 tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos asÃ- un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sÃ-, 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 con polarización 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 aÃ-sla del canal mediante un dieléctrico . Transistor

de

efecto

de

campo

MOS,

MOSFET

,

donde

MOS

significa

Metal-Óxido-Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica y está separada del canal semiconductor por una capa de óxido . Fototransistor [ editar ] ArtÃ-culo principal:

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 por medio de la luz incidente. Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, solo 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 [ editar ] 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 ha permitido su uso en aplicaciones de potencia. Es asÃ- como actualmente los transistores son empleados en conversores

estáticos de potencia, controles para motores y llaves de alta potencia

(principalmente inversores), aunque su principal uso está basado en la amplificación de corriente dentro de un circuito cerrado. Construcción [ editar ] Material semiconductor [ editar ] CaracterÃ-sticas del material semiconductor Material semiconductor Tensión directa de la unión V @ 25 °C Movilidad de electrones m²/(V·s) @ 25 °C Movilidad de huecos unión °C Ge 0.27 0.39 0.19 70 a 100 Si 0.71 0.14 0.05 150 a 200 GaAs 1.03 0.85 0.05 150 a 200 Al-Si 0.3 — —

m²/(V·s) @ 25 °C Máxima temperatura de

150 a 200 Los primeros transistores bipolares de unión se fabricaron con germanio (Ge). Los transistores de Silicio (Si) actualmente predominan, pero ciertas versiones avanzadas de microondas y de alto rendimiento ahora emplean el compuesto semiconductor de arseniuro de galio (GaAs) y la aleación semiconductora de silicio-germanio (SiGe). El material semiconductor a base de un elemento (Ge y Si) se describe como elemental. Los parámetros en bruto de los materiales semiconductores más comunes utilizados para fabricar transistores se dan en la tabla adjunta; estos parámetros variarán con el aumento de la temperatura, el campo eléctrico, nivel de impurezas, la tensión, y otros factores diversos. La tensión directa de unión es la tensión aplicada a la unión emisor-base de un transistor bipolar de unión con el fin de hacer que la base conduzca a una corriente especÃ-fica. La corriente aumenta de manera exponencial a medida que aumenta la tensión en directa de la unión. Los valores indicados en la tabla son las tÃ-picos para una corriente de 1 mA (los mismos valores se aplican a los diodos semiconductores). Cuanto más bajo es la tensión de la unión en directa, mejor, ya que esto significa que se requiere menos energÃ-a para colocar en conducción al transistor. La tensión de unión en directa para una corriente dada disminuye con el aumento de la temperatura. Para una unión de silicio tÃ-pica, el cambio es de –2.1 mV/°C. [ 34 ] ​ En algunos circuitos deben usarse elementos compensadores especiales (sensistores) para compensar tales cambios. La densidad de los portadores móviles en el canal de un MOSFET es una función del campo eléctrico que forma el canal y de varios otros fenómenos tales como el nivel de impurezas en el canal. Algunas impurezas, llamadas dopantes, se introducen deliberadamente en la fabricación de un MOSFET, para controlar su comportamiento eléctrico. Las columnas de movilidad de electrones y movilidad de huecos de la tabla muestran la velocidad media con que los electrones y los huecos se difunden a través del material semiconductor con un campo eléctrico de 1 voltio por metro, aplicado a través del material. En general, mientras más alta sea la movilidad electrónica, el transistor puede funcionar más rápido. La tabla indica

que el germanio es un material mejor que el silicio a este respecto. Sin embargo, el germanio tiene cuatro grandes deficiencias en comparación con el silicio y arseniuro de galio: Su temperatura máxima es limitada. Tiene una corriente de fuga relativamente alta. No puede soportar altas tensiones. Es menos adecuado para la fabricación de...