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Si nunca pasaste de la electrónica analógica y el funcionamiento de los circuitos integrados te parece un misterio, hoy entenderás por fin qué son y cómo funcionan los transistores de manera sencilla y sin complicaciones.
El transistor es sin duda el elemento más importante de los dispositivos semiconductores, es la piedra angular con la que se erige toda la tecnología electrónica moderna.
Como ya sabrás (…o no) Intel fue la empresa que fabricó por primera vez un microprocesador, una pastilla de circuito integrado que contiene todos los elementos necesarios para realizar los complejos cálculos numéricos y lógicos que se ejecutan en una computadora. Nos referimos, claro está al ya legendario 4004, un microprocesador con apenas 2.300 transistores, pero con la misma capacidad de procesamiento que ENIAC, la primera computadora, construida en 1947, la cual contenía unas 18 mil válvulas, ocupaba una habitación entera para albergar sus gigantescas proporciones y pesaba 30 toneladas. Ahora bien, los microprocesadores no son sino un eco o resultado de otro invento sobre el que en última instancia se fundamenta la revolución digital: el transistor y la compañía que llego primero a meta, Fairchild.
En la imagen (desde la izquierda) John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain, los inventores del transistor, 1948. Esta es una de una serie de fotos publicitarias producidas por Bell Labs en el momento del anuncio público de la invención (junio 30, 1948). AT&T / Wikimedia
Hace ya más de 70 años, el 23 de diciembre de 1947, se produjo un hito increíblemente transcendente pero que no es demasiado conocido por el público en general: científicos de los Laboratorios Bell demostraron que un dispositivo construido con base a materiales sólidos, podía comportarse de forma prácticamente idéntica a las válvulas de vacío, pero sin sus inconvenientes. Por su descubrimiento, William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain fueron acreedores al Premio Nobel de Física en 1956. El final de la era de las válvulas de vacío, el padre de los transistores El transistor desplazó a otro gran dispositivo, en el que descansó por décadas la tecnología electrónica: la válvula tríodo, inventada en 1906 por Lee De Forest, quien a su vez se apoyó en la válvula diodo, inventada en 1905 por John A. Fleming, que se basó en un fenómeno (el efecto Edison) descubierto por Tomas A. Edison durante las investigaciones que lo llevaron a inventar la bombilla incandescente. Se descubrió que una rejilla de alambre electrificada originaba un flujo de electrones cuando se la colocaba dentro de un tubo o válvula de vacío.
En la imagen amplificador moderno de gama alta donde podemos apreciar varias válvulas amplificación / rectificación
Dicho flujo podía ser controlado de distintas maneras: se podía interrumpir, reducir o incluso detener por completo; por ejemplo, una muy baja corriente de electrones en la entrada del tubo llegaba a ser amplificada por éste, a fin de producir una intensa corriente en la salida. Debido a sus propiedades fue utilizado en televisores, radios y en cualquier otro equipo electrónico en el que se requiriera aumentar el nivel de una señal de entrada. Con todo este potencial en el control de la electricidad, se pudo manejar señales electrónicas surgiendo y desarrollándose nuevas formas de comunicación como la radio y la televisión o nuevos avances tecnológicos, como el radar y las primeras computadoras. Creando el primer transistor El primer transistor fue construido en una base plástica en forma de C, en la cual se montaron dos piezas de un elemento por entonces no muy conocido, el germanio, sostenidas por un resorte elaborado en el último momento con ¡un clip de oficina! De los terminales de esta estructura salían delgados hilos de oro, que hacían las veces de conectores para la entrada y salida de señales. Con este dispositivo los investigadores pudieron amplificar señales de igual forma como lo hubieran hecho con una válvula triodo; y no había necesidad de una envoltura de cristal al vacío, de filamentos incandescentes o de elevadas tensiones de operación.
El primer transistor construido por John Bardeen, William Shockley y Walter H. Brattain de Bell Labs en 1947. Original exhibido en Bell Laboratories -. Unitronic
El transistor - llamado así debido a que transfiere la señal eléctrica a través de un resistor (resistencia)- pudo realizar las mismas funciones de un tubo de vacío, pero con notorias ventajas: -Sustituyó el complejo y delicado tubo por un sencillo montaje que consiste básicamente en un conjunto de finos alambres de bigotes de gato, acoplado en un pequeño cristal semiconductor. -Hizo innecesaria la condición de vacío. -No requería de previo calentamiento para empezar a funcionar, ni de un gran volumen para su encapsulado; su estructura fija hacía de él un dispositivo más confiable y duradero. -Su consumo de energía era insignificante. La conducción de electricidad en un sólido depende del grado de libertad de sus electrones. Los conductores son materiales que poseen uno o dos electrones en la capa externa de los átomos que lo forman. Los llamados “aislantes” son elementos que, como en el caso del azufre, por tener sus electrones contenidos en estrechos enlaces con los núcleos y con otros átomos, no conducen electricidad. Pero existe un tercer tipo de materiales que no se comporta ni como conductores ni como aislantes puros: los semiconductores; esporádicamente, éstos proporcionan un electrón libre o un espacio hueco para permitir la conducción de la corriente Componente clave: Los semiconductores Entre los semiconductores más comunes pueden mencionarse el silicio y el germanio, que tienen aproximadamente un electrón libre por cada mil átomos; esto contrasta con el cobre, que suministra un electrón por cada átomo. Fue pues, una investigación específica sobre las propiedades eléctricas de los semiconductores, lo que condujo al desarrollo del transistor. Con el propósito de apreciar el comportamiento eléctrico de una de estas sustancias, veamos el esquema 1.
Podemos observar un cristal de germanio (o silicio) que tiene en su capa externa cuatro electrones, llamados “electrones de valencia”, que en conjunto enlazan a los átomos. Precisamente, como todos los electrones se encuentran ocupados en unir a los átomos, no están disponibles para generar electricidad.
Pero supongamos que alguna impureza con cinco electrones en la órbita de valencia está presente en el material (en este caso fósforo). Esto provoca que cuatro de los electrones formen enlaces con los átomos de germanio, pero el quinto queda libre para conducir la corriente (figura B). A esto lo llamamos material tipo N. Otro caso similar muy interesante, es el del átomo de boro introducido en el cristal de germanio (figura C). El átomo de boro es una impureza con tres electrones de valencia. Aquí, uno de los puntos necesarios para la unión con los átomos de germanio está ausente; se crea entonces un estado de desequilibrio, donde alguno de los átomos de la estructura tan sólo cuenta con siete electrones, lo que deja un espacio libre que puede ser llenado con un electrón viajero. Por consecuencia, la falta de un electrón (a la que se considera una entidad física y se le denomina “hueco”) posee todas las propiedades de esta partícula; es decir, tiene masa y carga; aunque, como está ausente, su carga es positiva en vez de negativa. De acuerdo con este comportamiento, se pudo establecer que un cristal semiconductor es capaz de conducir electricidad cuando se da la presencia de impurezas. Con base en ello, fue diseñado un método de control de electrones o huecos en un cristal semiconductor, que los científicos de los laboratorios Bell es a lo que llamaron a partir de entonces “transistor”. Dependiendo del tipo de impurezas introducidas en el cristal, existen dos tipos de material: el material tipo N o negativo y el material tipo P o positivo. Principio de operación de un transistor Estos circuitos y materiales que hemos citado se combinan entre sí para construir diversos tipos de dispositivos, el más común de todos ellos es el transistor bipolar, cuya operación explicaremos a continuación. Los transistores con las características citadas se les denomina “bipolares” y su estructura interna es como se muestra en el esquema 2:
Véase que se forman con tres capas alternadas de material semiconductor: una N, otra P y finalmente otra N (es por ello que se les llama NPN). Observe también que al terminal conectado en la parte superior del dispositivo se le denomina “colector”, a la capa intermedia “base” y a la inferior “emisor”. Veamos cómo funciona el conjunto.
En primer lugar, para que un transistor funcione tiene que estar polarizado en cierta forma; en el caso que nos ocupa (transistor NPN), esta polarización implica un voltaje positivo aplicado entre colector y emisor y una alimentación positiva de pequeña magnitud entre base y emisor (figura B). Cuando esto sucede y la polarización de base es inferior a la tensión de ruptura del diodo formado entre base y emisor, la tensión entre colector y emisor forma un campo eléctrico considerable en el interior del dispositivo; pero como se enfrenta a una estructura semejante a un diodo invertido, no puede haber un flujo de corriente entre el colector y el emisor. Sin embargo, se tiene una condición tal de excitación de los electrones y huecos en el dispositivo, que bastaría con cualquier impulso externo para que el conjunto entrara en conducción. Este impulso proviene justamente de la corriente aplicada en la base, misma que se dispara al momento en que la tensión aplicada en la base supera el punto de ruptura antes mencionado; entonces, la corriente que circula entre base y emisor provoca una avalancha de electrones entre colector y emisor. Pero esta avalancha no es desordenada, sino que depende muy estrechamente de la cantidad de electrones que circulen a través de la base (figura C); de hecho, una de las características principales de un transistor es un factor de ganancia de corriente, el cual indica cuántas veces será amplificada la corriente de la base en el colector. Esto significa en la práctica que el transistor amplifica por un factor Hfe la corriente de su entrada. La estructura NPN no es la única que se ha desarrollado, sino que también existen transistores con una lógica negativa; esto es, formados por capas alternas de material P, N y P.
El comportamiento de tales dispositivos resulta prácticamente idéntico al anterior, sólo varía el sentido de las tensiones de polarización aplicadas en los terminales. Puede verse en el esquema 3 la simbología con que se identifica a los transistores bipolares tipo NPN y PNP.
Insertando transistores en obleas de silicio Ya desde fines de los 50 se advertía que la miniaturización de los transistores podía alcanzar niveles extraordinarios. Precisamente, en 1958 en los laboratorios Fairchild por primera vez se logró algo que parecía muy improbable solo una década antes, tras su descubrimiento: un circuito integrado monolítico. En la superficie de un bloque de silicio se grabaron varios dispositivos a la vez, conectados entre sí para realizar un trabajo conjunto, luego se introdujo este cristal semiconductor en un encapsulado único, de tal manera que se podía manejar como un bloque funcional.
Oblea de circuito integrado con modernos procesos de foto grabado
Fue así como nacieron los circuitos integrados, siguiente paso en la evolución de la tecnología electrónica. Más adelante, las técnicas de fabricación de cristales de silicio mejoraron, la producción de máscaras de grabado se depuró y se desarrollaron nuevos e ingeniosos métodos para el dopado de los materiales semiconductores. Fue posible, entonces, fabricar circuitos integrados mediante un proceso de fotograbado, en el que se tiene una delgada oblea de silicio sobre la cual se proyectan las sombras de unas máscaras donde vienen grabadas las delgadas pistas que posteriormente se convertirán en las terminales de los transistores. Utilizando métodos fotoquímicos se aprovechan las sombras para sembrar impurezas en el sustrato semiconductor, y al ir apilando capas alternativas de cristales tipo N y tipo P, finalmente se obtiene una amplia variedad de dispositivos, que pueden ir desde diodos hasta transistores de efecto de campo. Gracias a ello, el transistor pudo ser reducido hasta alcanzar la dimensión de unas cuantas micras, es decir, una milésima de milímetro. Cabe hacer la aclaración de que, para que estos circuitos sean capaces de realizar cálculos matemáticos complejos en fracciones de segundo, se aprovecha una característica muy especial de los transistores: su capacidad de funcionar como llaves o interruptores de corriente o tensión; esto es, un transistor puede presentar dos estados básicos: uno de conducción y otro de no conducción, es decir 1 y 0 (Lógica Binaria). A esta aplicación de los transistores se le denomina electrónica digital. Autor: Rubén Luna S Reconocimientos: Las fotografías de películas, series, videojuegos o música son propiedad de los artistas, productoras y/o distribuidoras correspondientes. Excepto allí donde se establezcan otros términos, el contenido de esta página se publica bajo Licencia Creative Commons, así cualquier obra de terceros con variantes de esta licencia u otras, como otras autorizaciones de contenido de terceros debe respetar las condiciones en cada caso particular donde se especifique en la información adicional sobre Reconocimientos y más información sobre la obra gráfica
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