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Un transistor es un dispositivo semiconductor que se utiliza para amplificar o conmutar señales eléctricas y potencia . Es uno de los componentes básicos de la electrónica moderna . [1] Está compuesto de material semiconductor , normalmente con al menos tres terminales para la conexión a un circuito electrónico. Un voltaje o corriente aplicado a un par de terminales del transistor controla la corriente a través de otro par de terminales. Debido a que la potencia controlada (de salida) puede ser mayor que la potencia de control (de entrada), un transistor puede amplificar una señal. Algunos transistores se empaquetan individualmente, pero muchos más en forma miniatura se encuentran integrados en circuitos integrados . Debido a que los transistores son los componentes activos clave en prácticamente toda la electrónica moderna , muchas personas los consideran uno de los inventos más importantes del siglo XX. [2]
El físico Julius Edgar Lilienfeld propuso el concepto de transistor de efecto de campo (FET) en 1926, pero no era posible construir un dispositivo funcional en ese momento. [3] El primer dispositivo funcional fue un transistor de contacto puntual inventado en 1947 por los físicos John Bardeen , Walter Brattain y William Shockley en Bell Labs, quienes compartieron el Premio Nobel de Física de 1956 por su logro. [4] El tipo de transistor más utilizado es el transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET), el MOSFET se inventó en Bell Labs entre 1955 y 1960. [5] [6] [7] [8] [9] [10] Los transistores revolucionaron el campo de la electrónica y allanaron el camino para radios , calculadoras , computadoras y otros dispositivos electrónicos más pequeños y económicos .
La mayoría de los transistores están hechos de silicio muy puro y algunos de germanio , pero a veces se utilizan otros materiales semiconductores. Un transistor puede tener solo un tipo de portador de carga en un transistor de efecto de campo , o puede tener dos tipos de portadores de carga en dispositivos de transistores de unión bipolar . En comparación con el tubo de vacío , los transistores son generalmente más pequeños y requieren menos energía para funcionar. Ciertos tubos de vacío tienen ventajas sobre los transistores a frecuencias de operación muy altas o voltajes de operación altos, como los tubos de onda progresiva y los girotrones . Muchos tipos de transistores están hechos según especificaciones estandarizadas por múltiples fabricantes.
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El triodo termoiónico , un tubo de vacío inventado en 1907, permitió la tecnología de radio amplificada y la telefonía de larga distancia . El triodo, sin embargo, era un dispositivo frágil que consumía una cantidad sustancial de energía. En 1909, el físico William Eccles descubrió el oscilador de diodo de cristal . [11] El físico Julius Edgar Lilienfeld presentó una patente para un transistor de efecto de campo (FET) en Canadá en 1925, [12] pensado como un reemplazo de estado sólido para el triodo. [13] [14] Presentó patentes idénticas en los Estados Unidos en 1926 [15] y 1928. [16] [17] Sin embargo, no publicó ningún artículo de investigación sobre sus dispositivos ni sus patentes citaron ningún ejemplo específico de un prototipo funcional. Como la producción de materiales semiconductores de alta calidad todavía estaba a décadas de distancia, las ideas de amplificadores de estado sólido de Lilienfeld no habrían encontrado un uso práctico en las décadas de 1920 y 1930, incluso si se hubiera construido un dispositivo de ese tipo. [18] En 1934, el inventor Oskar Heil patentó un dispositivo similar en Europa. [19]
Del 17 de noviembre al 23 de diciembre de 1947, John Bardeen y Walter Brattain en los Laboratorios Bell de AT&T en Murray Hill, Nueva Jersey , realizaron experimentos y observaron que cuando se aplicaban dos contactos de punto de oro a un cristal de germanio , se producía una señal con una potencia de salida mayor que la de entrada. [20] El líder del Grupo de Física del Estado Sólido, William Shockley, vio el potencial en esto y durante los siguientes meses trabajó para expandir en gran medida el conocimiento de los semiconductores . El término transistor fue acuñado por John R. Pierce como una contracción del término transresistencia . [21] [22] [23] Según Lillian Hoddeson y Vicki Daitch, Shockley propuso que la primera patente de Bell Labs para un transistor debería basarse en el efecto de campo y que se lo nombrara como el inventor. Tras desenterrar las patentes de Lilienfeld que habían caído en el olvido años antes, los abogados de Bell Labs desaconsejaron la propuesta de Shockley porque la idea de un transistor de efecto de campo que utilizase un campo eléctrico como "rejilla" no era nueva. En cambio, lo que Bardeen, Brattain y Shockley inventaron en 1947 fue el primer transistor de contacto puntual . [18] En reconocimiento a este logro, Shockley, Bardeen y Brattain recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Física de 1956 "por sus investigaciones sobre semiconductores y su descubrimiento del efecto transistor". [24] [25]
El equipo de Shockley intentó inicialmente construir un transistor de efecto de campo (FET) intentando modular la conductividad de un semiconductor, pero no tuvo éxito, principalmente debido a problemas con los estados de superficie , el enlace colgante y los materiales compuestos de germanio y cobre . Tratar de comprender las misteriosas razones detrás de este fracaso los llevó en cambio a inventar los transistores de unión y contacto puntual bipolares . [26] [27]
En 1948, los físicos Herbert Mataré y Heinrich Welker inventaron de forma independiente el transistor de contacto puntual mientras trabajaban en la Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse , una subsidiaria de Westinghouse en París . Mataré tenía experiencia previa en el desarrollo de rectificadores de cristal a partir de silicio y germanio en el esfuerzo de radar alemán durante la Segunda Guerra Mundial . Con este conocimiento, comenzó a investigar el fenómeno de la "interferencia" en 1947. En junio de 1948, al presenciar corrientes que fluían a través de contactos puntuales, produjo resultados consistentes utilizando muestras de germanio producidas por Welker, similar a lo que Bardeen y Brattain habían logrado anteriormente en diciembre de 1947. Al darse cuenta de que los científicos de Bell Labs ya habían inventado el transistor, la compañía se apresuró a poner en producción su "transistrón" para uso amplificado en la red telefónica de Francia, presentando su primera solicitud de patente de transistor el 13 de agosto de 1948. [28] [29] [30]
Los primeros transistores de unión bipolar fueron inventados por William Shockley de Bell Labs, quien solicitó la patente (2.569.347) el 26 de junio de 1948. El 12 de abril de 1950, los químicos de Bell Labs Gordon Teal y Morgan Sparks produjeron con éxito un transistor de germanio amplificador de unión NPN bipolar en funcionamiento. Bell anunció el descubrimiento de este nuevo transistor "sándwich" en un comunicado de prensa el 4 de julio de 1951. [31] [32]
El primer transistor de alta frecuencia fue el transistor de germanio de barrera superficial desarrollado por Philco en 1953, capaz de operar a frecuencias de hasta 60 MHz . [33] Se fabricaron grabando depresiones en una base de germanio de tipo n desde ambos lados con chorros de sulfato de indio (III) hasta que tuvo un espesor de unas diezmilésimas de pulgada. El indio galvanizado en las depresiones formó el colector y el emisor. [34] [35]
AT&T utilizó por primera vez transistores en equipos de telecomunicaciones en el sistema de conmutación de barras cruzadas de peaje No. 4A en 1953, para seleccionar circuitos troncales a partir de información de enrutamiento codificada en tarjetas traductoras. [36] Su predecesor, el fototransistor Western Electric No. 3A , leía la codificación mecánica de tarjetas de metal perforadas.
El primer prototipo de radio de bolsillo a transistores fue mostrado por INTERMETALL, una compañía fundada por Herbert Mataré en 1952, en la Internationale Funkausstellung Düsseldorf del 29 de agosto al 6 de septiembre de 1953. [37] [38] El primer modelo de producción de radio de bolsillo a transistores fue el Regency TR-1 , lanzado en octubre de 1954. [25] Producido como una empresa conjunta entre la División Regency de Industrial Development Engineering Associates, IDEA y Texas Instruments de Dallas, Texas, el TR-1 se fabricó en Indianápolis, Indiana. Era una radio casi de bolsillo con cuatro transistores y un diodo de germanio. El diseño industrial fue subcontratado a la firma de Chicago Painter, Teague y Petertil. Inicialmente se lanzó en uno de seis colores: negro, marfil, rojo mandarín, gris nube, caoba y verde oliva. Otros colores le siguieron poco después. [39] [40] [41]
La primera radio para automóvil de producción totalmente a transistores fue desarrollada por las corporaciones Chrysler y Philco y fue anunciada en la edición del 28 de abril de 1955 de The Wall Street Journal . Chrysler puso a disposición el modelo 914HR de Mopar como opción a partir del otoño de 1955 para su nueva línea de automóviles Chrysler e Imperial de 1956, que llegó a las salas de exposición de los concesionarios el 21 de octubre de 1955. [42] [43]
El Sony TR-63, lanzado en 1957, fue la primera radio de transistores producida en masa, lo que llevó a la adopción generalizada de radios de transistores. [44] Se vendieron siete millones de TR-63 en todo el mundo a mediados de la década de 1960. [45] El éxito de Sony con las radios de transistores llevó a que los transistores reemplazaran a los tubos de vacío como la tecnología electrónica dominante a fines de la década de 1950. [46]
El primer transistor de silicio funcional fue desarrollado en Bell Labs el 26 de enero de 1954 por Morris Tanenbaum . El primer transistor de silicio comercial de producción fue anunciado por Texas Instruments en mayo de 1954. Este fue el trabajo de Gordon Teal , un experto en el crecimiento de cristales de alta pureza, que había trabajado anteriormente en Bell Labs. [47] [48] [49]
El principio básico del transistor de efecto de campo (FET) fue propuesto por primera vez por el físico Julius Edgar Lilienfeld cuando presentó una patente para un dispositivo similar al MESFET en 1926, y para un transistor de efecto de campo de puerta aislada en 1928. [14] [50] El concepto de FET fue posteriormente teorizado también por el ingeniero Oskar Heil en la década de 1930 y por William Shockley en la década de 1940.
En 1945 Heinrich Welker patentó el JFET . [51] Tras el tratamiento teórico de Shockley sobre el JFET en 1952, George C. Dacey e Ian M. Ross fabricaron un JFET práctico en 1953. [52]
En 1948, Bardeen y Brattain patentaron el progenitor del MOSFET en los Laboratorios Bell, un transistor de efecto de campo de compuerta aislada (IGFET) con una capa de inversión. La patente de Bardeen y el concepto de una capa de inversión forman la base de la tecnología CMOS y DRAM actual. [53]
En los primeros años de la industria de los semiconductores , las empresas se centraron en el transistor de unión , un dispositivo relativamente voluminoso que era difícil de producir en masa , lo que lo limitaba a varias aplicaciones especializadas. Los transistores de efecto de campo (FET) se teorizaron como alternativas potenciales, pero los investigadores no pudieron lograr que funcionaran correctamente, en gran medida debido a la barrera de estado superficial que impedía que el campo eléctrico externo penetrara el material. [54]
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En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derick accidentalmente hicieron crecer una capa de dióxido de silicio sobre la oblea de silicio, para lo cual observaron efectos de pasivación superficial. [56] [57] En 1957, Frosch y Derick, utilizando enmascaramiento y predeposición, pudieron fabricar transistores de efecto de campo de dióxido de silicio; los primeros transistores planares, en los que el drenaje y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie. [58] Demostraron que el dióxido de silicio aislaba, protegía las obleas de silicio y evitaba que los dopantes se difundieran en la oblea. [56] [59] Después de esto, JR Ligenza y WG Spitzer estudiaron el mecanismo de los óxidos cultivados térmicamente, fabricaron una pila Si/ SiO 2 de alta calidad y publicaron sus resultados en 1960. [60] [61] [62]
Después de esta investigación, Mohamed Atalla y Dawon Kahng propusieron un transistor MOS de silicio en 1959 [63] y demostraron con éxito un dispositivo MOS funcional con su equipo de Bell Labs en 1960. [64] [65] Su equipo incluía a EE LaBate y EI Povilonis, quienes fabricaron el dispositivo; MO Thurston, LA D'Asaro y JR Ligenza, quienes desarrollaron los procesos de difusión, y HK Gummel y R. Lindner, quienes caracterizaron el dispositivo. [66] [67] Con su alta escalabilidad , [68] un consumo de energía mucho menor y una mayor densidad que los transistores de unión bipolar, [69] el MOSFET hizo posible construir circuitos integrados de alta densidad , [70] permitiendo la integración de más de 10,000 transistores en un solo CI. [71]
El concepto de capa de inversión de Bardeen y Brattain de 1948 constituye la base de la tecnología CMOS actual. [72] El CMOS ( MOS complementario ) fue inventado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor en 1963. [73] El primer informe de un MOSFET de puerta flotante fue realizado por Dawon Kahng y Simon Sze en 1967. [74]
En 1967, los investigadores de Bell Labs Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace desarrollaron el transistor MOS de compuerta autoalineada (compuerta de silicio), que los investigadores de Fairchild Semiconductor Federico Faggin y Tom Klein utilizaron para desarrollar el primer circuito integrado MOS de compuerta de silicio . [75]
En 1984, los investigadores del Laboratorio Electrotécnico Toshihiro Sekigawa y Yutaka Hayashi demostraron por primera vez un MOSFET de doble puerta . [76] [77] El FinFET (transistor de efecto de campo de aletas), un tipo de MOSFET multipuerta no planar tridimensional , surgió de la investigación de Digh Hisamoto y su equipo en el Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989. [78] [79]
Debido a que los transistores son los componentes activos clave en prácticamente toda la electrónica moderna , muchas personas los consideran uno de los mayores inventos del siglo XX. [2]
La invención del primer transistor en Bell Labs fue nombrada un hito del IEEE en 2009. [80] Otros hitos incluyen las invenciones del transistor de unión en 1948 y el MOSFET en 1959. [81]
El MOSFET es, con diferencia, el transistor más utilizado, en aplicaciones que van desde ordenadores y electrónica [82] hasta tecnología de comunicaciones como los teléfonos inteligentes . [83] Se le ha considerado el transistor más importante, [84] posiblemente la invención más importante en electrónica, [85] y el dispositivo que hizo posible la electrónica moderna. [86] Ha sido la base de la electrónica digital moderna desde finales del siglo XX, allanando el camino para la era digital . [87] La Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos lo llama una "invención revolucionaria que transformó la vida y la cultura en todo el mundo". [83] Su capacidad de ser producido en masa mediante un proceso altamente automatizado ( fabricación de dispositivos semiconductores ), a partir de materiales relativamente básicos, permite unos costes por transistor sorprendentemente bajos. Los MOSFET son los objetos artificiales más numerosos producidos en la historia, con más de 13 sextillones fabricados en 2018. [88]
Aunque varias empresas producen cada año más de mil millones de transistores MOS empaquetados individualmente (conocidos como discretos ), [89] la gran mayoría se producen en circuitos integrados (también conocidos como IC , microchips o simplemente chips ), junto con diodos , resistencias , condensadores y otros componentes electrónicos , para producir circuitos electrónicos completos. Una puerta lógica consta de hasta unos 20 transistores, mientras que un microprocesador avanzado , a partir de 2022, puede contener hasta 57 mil millones de MOSFET. [90] Los transistores a menudo se organizan en puertas lógicas en microprocesadores para realizar cálculos. [91]
El bajo coste, la flexibilidad y la fiabilidad del transistor lo han convertido en un elemento omnipresente. Los circuitos mecatrónicos transistorizados han sustituido a los dispositivos electromecánicos en el control de aparatos y maquinaria. A menudo resulta más fácil y económico utilizar un microcontrolador estándar y escribir un programa informático para llevar a cabo una función de control que diseñar un sistema mecánico equivalente.
Un transistor puede utilizar una pequeña señal aplicada entre un par de sus terminales para controlar una señal mucho más grande en otro par de terminales, una propiedad llamada ganancia . Puede producir una señal de salida más fuerte, un voltaje o corriente, proporcional a una señal de entrada más débil, actuando como un amplificador . También se puede utilizar como un interruptor controlado eléctricamente , donde la cantidad de corriente está determinada por otros elementos del circuito. [92]
Hay dos tipos de transistores, con ligeras diferencias en cómo se utilizan:
La imagen superior de esta sección representa un transistor bipolar típico en un circuito. Una carga fluye entre los terminales del emisor y el colector dependiendo de la corriente en la base. Debido a que las conexiones de la base y el emisor se comportan como un diodo semiconductor, se desarrolla una caída de voltaje entre ellos. La cantidad de esta caída, determinada por el material del transistor, se conoce como V BE . [93] (Voltaje de la base al emisor)
Los transistores se utilizan comúnmente en circuitos digitales como interruptores electrónicos que pueden estar en estado "encendido" o "apagado", tanto para aplicaciones de alta potencia, como las fuentes de alimentación en modo conmutado , como para aplicaciones de baja potencia, como las puertas lógicas . Los parámetros importantes para esta aplicación incluyen la corriente conmutada, el voltaje manejado y la velocidad de conmutación, caracterizada por los tiempos de subida y bajada . [93]
En un circuito de conmutación, el objetivo es simular, lo más fielmente posible, el interruptor ideal que tiene las propiedades de un circuito abierto cuando está apagado, el cortocircuito cuando está encendido y una transición instantánea entre los dos estados. Los parámetros se eligen de manera que la salida "apagada" se limite a corrientes de fuga demasiado pequeñas para afectar a los circuitos conectados, la resistencia del transistor en el estado "encendido" sea demasiado pequeña para afectar a los circuitos y la transición entre los dos estados sea lo suficientemente rápida para no tener un efecto perjudicial. [93]
En un circuito de transistor con emisor conectado a tierra, como el circuito de interruptor de luz que se muestra, a medida que aumenta el voltaje de base, las corrientes de emisor y colector aumentan exponencialmente. El voltaje de colector cae debido a la resistencia reducida del colector al emisor. Si la diferencia de voltaje entre el colector y el emisor fuera cero (o cercana a cero), la corriente del colector estaría limitada solo por la resistencia de carga (bombilla) y el voltaje de suministro. Esto se llama saturación porque la corriente fluye libremente del colector al emisor. Cuando está saturado, se dice que el interruptor está encendido . [94]
El uso de transistores bipolares para aplicaciones de conmutación requiere polarizar el transistor de modo que funcione entre su región de corte en el estado apagado y la región de saturación ( encendido ). Esto requiere una corriente de excitación de base suficiente. Como el transistor proporciona ganancia de corriente, facilita la conmutación de una corriente relativamente grande en el colector por una corriente mucho más pequeña en el terminal de base. La relación de estas corrientes varía según el tipo de transistor, e incluso para un tipo particular, varía según la corriente del colector. En el ejemplo de un circuito de interruptor de luz, como se muestra, la resistencia se elige para proporcionar suficiente corriente de base para garantizar que el transistor esté saturado. [93] El valor de la resistencia de base se calcula a partir del voltaje de suministro, la caída de voltaje de unión CE del transistor, la corriente del colector y el factor de amplificación beta. [95]
El amplificador de emisor común está diseñado de modo que un pequeño cambio en el voltaje ( V in ) cambia la pequeña corriente a través de la base del transistor, cuya amplificación de corriente combinada con las propiedades del circuito significa que pequeñas oscilaciones en V in producen grandes cambios en V out . [93]
Son posibles varias configuraciones de amplificadores de un solo transistor, algunos proporcionan ganancia de corriente, otros ganancia de voltaje y otros ambas.
Desde teléfonos móviles hasta televisores , una gran cantidad de productos incluyen amplificadores para reproducción de sonido , transmisión de radio y procesamiento de señales . Los primeros amplificadores de audio con transistores discretos apenas suministraban unos pocos cientos de milivatios, pero la potencia y la fidelidad del audio aumentaron gradualmente a medida que se disponía de mejores transistores y la arquitectura de los amplificadores evolucionó. [93]
Los amplificadores de audio de transistores modernos de hasta unos cientos de vatios son comunes y relativamente económicos.
Antes de que se desarrollaran los transistores, los tubos de vacío (electrones) (o en el Reino Unido, "válvulas termoiónicas" o simplemente "válvulas") eran los principales componentes activos de los equipos electrónicos.
Las ventajas clave que han permitido que los transistores reemplacen a los tubos de vacío en la mayoría de las aplicaciones son
Los transistores pueden tener las siguientes limitaciones:
Los transistores se clasifican por
Por lo tanto, un transistor particular puede describirse como de silicio, de montaje superficial, BJT, NPN, de bajo consumo y alta frecuencia .
Un mnemónico conveniente para recordar el tipo de transistor (representado por un símbolo eléctrico ) implica la dirección de la flecha. Para el BJT , en un símbolo de transistor npn , la flecha " No apunta hacia adentro " . En un símbolo de transistor pnp , la flecha " apunta hacia adentro orgullosamente". Sin embargo, esto no se aplica a los símbolos de transistores basados en MOSFET, ya que la flecha generalmente está invertida (es decir, la flecha para el npn apunta hacia adentro).
El transistor de efecto de campo , a veces llamado transistor unipolar , utiliza electrones (en el FET de canal n ) o huecos (en el FET de canal p ) para la conducción. Los cuatro terminales del FET se denominan fuente , compuerta , drenaje y cuerpo ( sustrato ). En la mayoría de los FET, el cuerpo está conectado a la fuente dentro del encapsulado, y esto se asumirá para la siguiente descripción.
En un FET, la corriente de drenaje a fuente fluye a través de un canal conductor que conecta la región de fuente con la región de drenaje . La conductividad varía según el campo eléctrico que se produce cuando se aplica un voltaje entre las terminales de compuerta y fuente, por lo tanto, la corriente que fluye entre el drenaje y la fuente está controlada por el voltaje aplicado entre la compuerta y la fuente. A medida que aumenta el voltaje de compuerta-fuente ( V GS ), la corriente de drenaje-fuente ( I DS ) aumenta exponencialmente para V GS por debajo del umbral, y luego a una tasa aproximadamente cuadrática: ( I DS ∝ ( V GS − V T ) 2 , donde V T es el voltaje de umbral en el que comienza la corriente de drenaje) [99] en la región " limitada por la carga espacial " por encima del umbral. No se observa un comportamiento cuadrático en los dispositivos modernos, por ejemplo, en el nodo de tecnología de 65 nm . [100]
Para ruido bajo en ancho de banda estrecho , la resistencia de entrada más alta del FET es ventajosa.
Los FET se dividen en dos familias: FET de unión ( JFET ) y FET de compuerta aislada (IGFET). El IGFET se conoce más comúnmente como FET de metal-óxido-semiconductor ( MOSFET ), lo que refleja su construcción original a partir de capas de metal (la compuerta), óxido (el aislamiento) y semiconductor. A diferencia de los IGFET, la compuerta JFET forma un diodo p-n con el canal que se encuentra entre la fuente y los drenajes. Funcionalmente, esto hace que el JFET de canal n sea el equivalente de estado sólido del triodo de tubo de vacío que, de manera similar, forma un diodo entre su rejilla y cátodo . Además, ambos dispositivos operan en modo de agotamiento , ambos tienen una alta impedancia de entrada y ambos conducen corriente bajo el control de un voltaje de entrada.
Los transistores de efecto de campo de metal-semiconductor ( MESFET ) son transistores de efecto de campo de dos electrones (JFET) en los que la unión p-n con polarización inversa se reemplaza por una unión metal-semiconductor . Estos, y los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT, por sus siglas en inglés) en los que se utiliza un gas de electrones bidimensional con una movilidad de portadores muy alta para el transporte de carga, son especialmente adecuados para su uso a frecuencias muy altas (varios GHz).
Los FET se dividen a su vez en tipos de modo de agotamiento y modo de mejora , dependiendo de si el canal está encendido o apagado con voltaje de compuerta a fuente cero. Para el modo de mejora, el canal está apagado con polarización cero y un potencial de compuerta puede "mejorar" la conducción. Para el modo de agotamiento, el canal está encendido con polarización cero y un potencial de compuerta (de polaridad opuesta) puede "agotar" el canal, reduciendo la conducción. Para cualquiera de los dos modos, un voltaje de compuerta más positivo corresponde a una corriente más alta para dispositivos de canal n y una corriente más baja para dispositivos de canal p. Casi todos los JFET son de modo de agotamiento porque las uniones de diodos se polarizarían directamente y conducirían si fueran dispositivos de modo de mejora, mientras que la mayoría de los IGFET son de tipo de modo de mejora.
El transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor ( MOSFET , MOS-FET o MOS FET), también conocido como transistor de metal-óxido-silicio (transistor MOS o MOS), [70] es un tipo de transistor de efecto de campo que se fabrica mediante la oxidación controlada de un semiconductor, típicamente silicio . Tiene una compuerta aislada , cuyo voltaje determina la conductividad del dispositivo. Esta capacidad de cambiar la conductividad con la cantidad de voltaje aplicado se puede utilizar para amplificar o conmutar señales electrónicas . El MOSFET es, con mucho, el transistor más común y el componente básico de la mayoría de la electrónica moderna . [87] El MOSFET representa el 99,9% de todos los transistores del mundo. [101]
Los transistores bipolares se denominan así porque conducen mediante el uso de portadores mayoritarios y minoritarios . El transistor de unión bipolar, el primer tipo de transistor que se produjo en masa, es una combinación de dos diodos de unión y está formado por una capa delgada de semiconductor de tipo p intercalada entre dos semiconductores de tipo n (un transistor n-p-n), o una capa delgada de semiconductor de tipo n intercalada entre dos semiconductores de tipo p (transistor ap-n-p). Esta construcción produce dos uniones p-n : una unión base-emisor y una unión base-colector, separadas por una región delgada de semiconductor conocida como región base. (Dos diodos de unión conectados entre sí sin compartir una región semiconductora intermedia no formarán un transistor).
Los BJT tienen tres terminales, correspondientes a las tres capas del semiconductor: un emisor , una base y un colector . Son útiles en amplificadores porque las corrientes en el emisor y el colector son controlables por una corriente de base relativamente pequeña. [102] En un transistor n–p–n que opera en la región activa, la unión emisor-base está polarizada directamente ( los electrones y huecos se recombinan en la unión), y la unión base-colector está polarizada inversamente (los electrones y huecos se forman en la unión y se alejan de ella), y los electrones se inyectan en la región de la base. Debido a que la base es estrecha, la mayoría de estos electrones se difundirán en la unión base-colector polarizada inversamente y serán barridos hacia el colector; quizás una centésima parte de los electrones se recombinarán en la base, que es el mecanismo dominante en la corriente de base. Además, como la base está ligeramente dopada (en comparación con las regiones de emisor y colector), las tasas de recombinación son bajas, lo que permite que más portadores se difundan a través de la región de la base. Al controlar la cantidad de electrones que pueden salir de la base, se puede controlar la cantidad de electrones que ingresan al colector. [102] La corriente del colector es aproximadamente β (ganancia de corriente del emisor común) veces la corriente de la base. Normalmente es mayor que 100 para transistores de pequeña señal, pero puede ser menor en transistores diseñados para aplicaciones de alta potencia.
A diferencia del transistor de efecto de campo (ver más abajo), el BJT es un dispositivo de baja impedancia de entrada. Además, a medida que aumenta el voltaje base-emisor ( V BE ), la corriente base-emisor y, por lo tanto, la corriente colector-emisor ( I CE ) aumentan exponencialmente según el modelo de diodo Shockley y el modelo de Ebers-Moll . Debido a esta relación exponencial, el BJT tiene una transconductancia más alta que el FET.
Los transistores bipolares pueden funcionar como conductores mediante la exposición a la luz, ya que la absorción de fotones en la región de la base genera una fotocorriente que actúa como corriente de base; la corriente del colector es aproximadamente β veces la fotocorriente. Los dispositivos diseñados para este propósito tienen una ventana transparente en el encapsulado y se denominan fototransistores .
El MOSFET es por lejos el transistor más utilizado tanto para circuitos digitales como analógicos , [103] representando el 99,9% de todos los transistores del mundo. [101] El transistor de unión bipolar (BJT) fue anteriormente el transistor más comúnmente utilizado durante las décadas de 1950 a 1960. Incluso después de que los MOSFET se volvieran ampliamente disponibles en la década de 1970, el BJT siguió siendo el transistor de elección para muchos circuitos analógicos como amplificadores debido a su mayor linealidad, hasta que los dispositivos MOSFET (como los MOSFET de potencia , LDMOS y RF CMOS ) los reemplazaron para la mayoría de las aplicaciones electrónicas de potencia en la década de 1980. En circuitos integrados , las propiedades deseables de los MOSFET les permitieron capturar casi toda la participación de mercado de circuitos digitales en la década de 1970. Los MOSFET discretos (normalmente MOSFET de potencia) se pueden aplicar en aplicaciones de transistores, incluidos circuitos analógicos, reguladores de voltaje, amplificadores, transmisores de potencia y controladores de motores.
Para designar los dispositivos transistorizados se utilizan tres estándares de identificación principales. En cada uno de ellos, el prefijo alfanumérico proporciona pistas sobre el tipo de dispositivo.
El esquema de numeración de piezas JEDEC evolucionó en la década de 1960 en los Estados Unidos. Los números de dispositivo de transistor JEDEC EIA-370 generalmente comienzan con 2N , lo que indica un dispositivo de tres terminales. Los transistores de efecto de campo de doble puerta son dispositivos de cuatro terminales y comienzan con 3N. El prefijo va seguido de un número de dos, tres o cuatro dígitos sin importancia en cuanto a las propiedades del dispositivo, aunque los primeros dispositivos con números bajos tienden a ser dispositivos de germanio. Por ejemplo, 2N3055 es un transistor de potencia n–p–n de silicio, 2N1301 es un transistor de conmutación de germanio ap–n–p. A veces se usa un sufijo de letra, como "A", para indicar una variante más nueva, pero rara vez se usan agrupaciones de ganancia.
En Japón, la designación de semiconductores JIS (|JIS-C-7012) etiqueta los dispositivos transistorizados que comienzan con 2S , [118] por ejemplo, 2SD965, pero a veces el prefijo "2S" no está marcado en el encapsulado: un 2SD965 puede estar marcado solo como D965 y un 2SC1815 puede estar listado por un proveedor simplemente como C1815 . Esta serie a veces tiene sufijos, como R , O , BL , que representan rojo , naranja , azul , etc., para indicar variantes, como agrupaciones h FE (ganancia) más ajustadas.
La Asociación Europea de Fabricantes de Componentes Electrónicos (EECA) utiliza un esquema de numeración que fue heredado de Pro Electron cuando se fusionó con EECA en 1983. Este esquema comienza con dos letras: la primera indica el tipo de semiconductor (A para germanio, B para silicio y C para materiales como GaAs); la segunda letra indica el uso previsto (A para diodo, C para transistor de uso general, etc.). A continuación, aparece un número de secuencia de tres dígitos (o una letra y dos dígitos, para tipos industriales). En los primeros dispositivos, esto indicaba el tipo de carcasa. Se pueden utilizar sufijos, con una letra (por ejemplo, "C" suele significar alta h FE , como en: BC549C [119] ) u otros códigos pueden seguir para mostrar la ganancia (por ejemplo, BC327-25) o la tensión nominal (por ejemplo, BUK854-800A [120] ). Los prefijos más comunes son:
Los fabricantes de dispositivos pueden tener su propio sistema de numeración, por ejemplo CK722 . Dado que los dispositivos son de segunda fuente , el prefijo de un fabricante (como "MPF" en MPF102, que originalmente denotaría un FET de Motorola ) ahora es un indicador poco confiable de quién fabricó el dispositivo. Algunos esquemas de nombres propietarios adoptan partes de otros esquemas de nombres, por ejemplo, un PN2222A es un (posiblemente Fairchild Semiconductor ) 2N2222A en una caja de plástico (pero un PN108 es una versión de plástico de un BC108, no un 2N108, mientras que el PN100 no está relacionado con otros dispositivos xx100).
A los números de piezas militares a veces se les asignan sus códigos, como el Sistema de nombres de CV militar británico.
Los fabricantes que compran grandes cantidades de piezas similares pueden recibirlas con "números de casa", que identifican una especificación de compra particular y no necesariamente un dispositivo con un número de registro estandarizado. Por ejemplo, una pieza HP 1854,0053 es un transistor (JEDEC) 2N2218 [121] [122] al que también se le asigna el número CV: CV7763 [123]
Con tantos esquemas de nombres independientes y la abreviatura de los números de pieza cuando se imprimen en los dispositivos, a veces se produce ambigüedad. Por ejemplo, dos dispositivos diferentes pueden estar marcados como "J176" (uno es el JFET de baja potencia J176 y el otro es el MOSFET de mayor potencia 2SJ176).
A medida que los transistores de "agujero pasante" más antiguos se les asignan contrapartes encapsuladas para montaje en superficie , se les suele asignar muchos números de pieza diferentes porque los fabricantes tienen sus sistemas para hacer frente a la variedad de disposiciones de pines y opciones para dispositivos n-p-n + p-n-p duales o combinados en un solo paquete. Por lo tanto, incluso cuando el dispositivo original (como un 2N3904) puede haber sido asignado por una autoridad de normalización y bien conocido por los ingenieros a lo largo de los años, las nuevas versiones están lejos de estar estandarizadas en su denominación.
Los primeros BJT se fabricaron a partir de germanio (Ge). En la actualidad predominan los tipos de silicio (Si), pero ciertas versiones avanzadas de microondas y de alto rendimiento ahora emplean el material semiconductor compuesto arseniuro de galio (GaAs) y la aleación semiconductora silicio-germanio (SiGe). El material semiconductor de un solo elemento (Ge y Si) se describe como elemental .
En la tabla adjunta se indican los parámetros aproximados de los materiales semiconductores más comunes que se utilizan para fabricar transistores. Estos parámetros varían con el aumento de la temperatura, el campo eléctrico, el nivel de impurezas, la tensión y otros factores diversos.
El voltaje directo de unión es el voltaje aplicado a la unión emisor-base de un BJT para hacer que la base conduzca una corriente específica. La corriente aumenta exponencialmente a medida que aumenta el voltaje directo de unión. Los valores dados en la tabla son típicos para una corriente de 1 mA (los mismos valores se aplican a los diodos semiconductores). Cuanto menor sea el voltaje directo de unión, mejor, ya que esto significa que se requiere menos energía para "accionar" el transistor. El voltaje directo de unión para una corriente dada disminuye con un aumento de la temperatura. Para una unión de silicio típica, el cambio es de −2,1 mV/°C. [124] En algunos circuitos se deben utilizar elementos compensadores especiales ( sensibilizadores ) para compensar dichos cambios.
La densidad de portadores móviles en el canal de un MOSFET es una función del campo eléctrico que forma el canal y de varios otros fenómenos, como el nivel de impurezas en el canal. Algunas impurezas, llamadas dopantes, se introducen deliberadamente al fabricar un MOSFET para controlar su comportamiento eléctrico.
Las columnas de movilidad de electrones y movilidad de huecos muestran la velocidad media a la que se difunden los electrones y los huecos a través del material semiconductor con un campo eléctrico de 1 voltio por metro aplicado a través del material. En general, cuanto mayor sea la movilidad de los electrones, más rápido puede funcionar el transistor. La tabla indica que el Ge es un material mejor que el Si en este aspecto. Sin embargo, el Ge tiene cuatro deficiencias importantes en comparación con el silicio y el arseniuro de galio:
Debido a que la movilidad de los electrones es mayor que la movilidad de los huecos para todos los materiales semiconductores, un transistor bipolar n–p–n dado tiende a ser más rápido que un transistor p–n–p equivalente . GaAs tiene la mayor movilidad de electrones de los tres semiconductores. Es por esta razón que GaAs se utiliza en aplicaciones de alta frecuencia. Un desarrollo relativamente reciente [ ¿cuándo? ] de FET, el transistor de alta movilidad de electrones (HEMT), tiene una heteroestructura (unión entre diferentes materiales semiconductores) de arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs)-arseniuro de galio (GaAs) que tiene el doble de movilidad de electrones que una unión de barrera de metal-GaAs. Debido a su alta velocidad y bajo ruido, los HEMT se utilizan en receptores de satélite que funcionan a frecuencias de alrededor de 12 GHz. Los HEMT basados en nitruro de galio y nitruro de galio y aluminio (HEMT AlGaN/GaN) proporcionan una movilidad de electrones aún mayor y se están desarrollando para varias aplicaciones.
Los valores máximos de temperatura de unión representan una sección transversal tomada de las hojas de datos de varios fabricantes. No se debe superar esta temperatura o el transistor podría resultar dañado.
La unión Al-Si se refiere al diodo de barrera de metal-semiconductor de alta velocidad (aluminio-silicio), comúnmente conocido como diodo Schottky . Esto se incluye en la tabla porque algunos IGFET de potencia de silicio tienen un diodo Schottky inverso parásito formado entre la fuente y el drenador como parte del proceso de fabricación. Este diodo puede ser una molestia, pero a veces se usa en el circuito.
Los transistores discretos pueden ser transistores empaquetados individualmente o chips de transistores sin empaquetar.
Los transistores vienen en muchos paquetes semiconductores diferentes (ver imagen). Las dos categorías principales son los de orificio pasante (o con cables ) y los de montaje superficial , también conocidos como dispositivos de montaje superficial ( SMD ). La matriz de rejilla de bolas ( BGA ) es el último paquete de montaje superficial. Tiene "bolas" de soldadura en la parte inferior en lugar de cables. Debido a que son más pequeños y tienen interconexiones más cortas, los SMD tienen mejores características de alta frecuencia pero clasificaciones de potencia más bajas.
Los encapsulados de transistores están hechos de vidrio, metal, cerámica o plástico. El encapsulado suele determinar la potencia nominal y las características de frecuencia. Los transistores de potencia tienen encapsulados más grandes que se pueden sujetar a disipadores de calor para mejorar la refrigeración. Además, la mayoría de los transistores de potencia tienen el colector o el drenaje conectados físicamente a la carcasa metálica. En el otro extremo, algunos transistores de microondas de montaje superficial son tan pequeños como granos de arena.
A menudo, un tipo de transistor determinado se encuentra disponible en varios encapsulados. Los encapsulados de transistores están estandarizados en su mayoría, pero la asignación de las funciones de un transistor a los terminales no lo está: otros tipos de transistores pueden asignar otras funciones a los terminales del encapsulado. Incluso para el mismo tipo de transistor, la asignación de terminales puede variar (normalmente se indica mediante una letra de sufijo en el número de pieza, por ejemplo, BC212L y BC212K).
En la actualidad, la mayoría de los transistores se comercializan en una amplia gama de encapsulados SMT. En comparación, la lista de encapsulados de orificio pasante disponibles es relativamente pequeña. A continuación, se incluye una breve lista de los encapsulados de transistores de orificio pasante más comunes en orden alfabético: ATV, E-line, MRT, HRT, SC-43, SC-72, TO-3, TO-18, TO-39, TO-92, TO-126, TO220, TO247, TO251, TO262, ZTX851.
Los chips de transistores no empaquetados (matriz) se pueden ensamblar para formar dispositivos híbridos. [125] El módulo IBM SLT de la década de 1960 es un ejemplo de un módulo de circuito híbrido de este tipo que utiliza una matriz de transistor (y diodo) pasivada con vidrio. Otras técnicas de empaquetado para transistores discretos como chips incluyen la conexión directa al chip (DCA) y el chip en placa (COB). [125]
Los investigadores han fabricado varios tipos de transistores flexibles, incluidos transistores de efecto de campo orgánicos . [126] [127] [128] Los transistores flexibles son útiles en algunos tipos de pantallas flexibles y otros dispositivos electrónicos flexibles .
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )En el campo de la electrónica, el transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) planar de Si es quizás la invención más importante.
ST ya no ofrece estos componentes, esta página web está vacía y las hojas de datos están obsoletas
Un circuito híbrido se define como un conjunto que contiene ambos dispositivos semiconductores activos (envasados y no envasables).
{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
