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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 su 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 están empaquetados individualmente, pero muchos más en forma de miniatura se encuentran integrados en circuitos integrados . Debido a que los transistores son los componentes activos clave en prácticamente toda la electrónica moderna , mucha gente los considera uno de los mayores inventos del siglo XX. [2]
El físico Julius Edgar Lilienfeld propuso el concepto de transistor de efecto de campo (FET) en 1926, pero no fue posible construir un dispositivo que funcionara en ese momento. [3] El primer dispositivo que funcionó fue un transistor de contacto puntual inventado en 1947 por los físicos John Bardeen , Walter Brattain y William Shockley en los Laboratorios Bell ; Los tres 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 semiconductor de óxido metálico (MOSFET), inventado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. [5] [6] [7] Los transistores revolucionaron el campo de la electrónica y allanó el camino para radios , calculadoras , computadoras y otros dispositivos electrónicos más pequeños y baratos.
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 sólo 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 operativas muy altas o voltajes operativos altos. Varios fabricantes fabrican muchos tipos de transistores según especificaciones estandarizadas.
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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. [8] El físico Julius Edgar Lilienfeld presentó una patente para un transistor de efecto de campo (FET) en Canadá en 1925, [9] destinado a reemplazar el triodo en estado sólido . [10] [11] Presentó patentes idénticas en los Estados Unidos en 1926 [12] y 1928. [13] [14] Sin embargo, no publicó ningún artículo de investigación sobre sus dispositivos ni sus patentes citaron ningún ejemplo específico de un prototipo funcional. Como aún faltaban décadas para la producción de materiales semiconductores de alta calidad , las ideas de Lilienfeld sobre amplificadores de estado sólido no habrían encontrado uso práctico en las décadas de 1920 y 1930, incluso si se hubiera construido un dispositivo de este tipo. [15] En 1934, el inventor Oskar Heil patentó un dispositivo similar en Europa. [dieciséis]
Del 17 de noviembre al 23 de diciembre de 1947, John Bardeen y Walter Brattain en los Bell Labs de AT&T en Murray Hill, Nueva Jersey , realizaron experimentos y observaron que cuando se aplicaban dos contactos de punta de oro a un cristal de germanio , se producía una señal con la potencia de salida es mayor que la de entrada. [17] El líder del Grupo de Física del Estado Sólido, William Shockley , vio el potencial en esto y durante los siguientes meses trabajó para ampliar enormemente el conocimiento de los semiconductores . El término transistor fue acuñado por John R. Pierce como una contracción del término transresistencia . [18] [19] [20] 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 él fuera nombrado inventor. Después de haber desenterrado las patentes de Lilienfeld que habían quedado 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 utilizara un campo eléctrico como "red" no era nueva. En cambio, lo que Bardeen, Brattain y Shockley inventaron en 1947 fue el primer transistor de contacto puntual . [15] Para reconocer 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". [21] [22]
Inicialmente, el equipo de Shockley intentó 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 la superficie , el enlace colgante y los materiales compuestos de germanio y cobre . Tratar de comprender las misteriosas razones detrás de este fracaso los llevó a inventar los transistores bipolares de unión y contacto puntual . [23] [24]
En 1948, el transistor de contacto puntual fue inventado de forma independiente por los físicos Herbert Mataré y Heinrich Welker mientras trabajaban en la Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse , una filial 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 puntos de contacto, 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 su uso amplificado en la red telefónica de Francia y presentó su primera solicitud de patente de transistor el 13 de agosto de 1948. [25] [ 26] [27]
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 una unión bipolar NPN funcional que amplificaba el germanio. transistor. Bell anunció el descubrimiento de este nuevo transistor "sándwich" en un comunicado de prensa del 4 de julio de 1951. [28] [29]
El primer transistor de alta frecuencia fue el transistor de germanio de barrera superficial desarrollado por Philco en 1953, capaz de funcionar a frecuencias de hasta 60 MHz . [30] Se hicieron grabando depresiones en una base de germanio tipo n desde ambos lados con chorros de sulfato de indio (III) hasta que tuvo unas diez milésimas de pulgada de espesor. El indio galvanizado en las depresiones formó el colector y el emisor. [31] [32]
AT&T utilizó por primera vez transistores en equipos de telecomunicaciones en el sistema de conmutación de barra transversal de peaje No. 4A en 1953, para seleccionar circuitos troncales a partir de información de enrutamiento codificada en tarjetas traductoras. [33] Su predecesor, el fototransistor Western Electric No. 3A , leía la codificación mecánica de tarjetas metálicas perforadas.
El primer prototipo de radio de transistores de bolsillo fue mostrado por INTERMETALL, una empresa fundada por Herbert Mataré en 1952, en la Internationale Funkausstellung Düsseldorf del 29 de agosto al 6 de septiembre de 1953. [34] [35] El primer modelo de radio de transistores de bolsillo de producción fue el Regency TR-1 , lanzado en octubre de 1954. [22] Producido como una empresa conjunta entre la División Regency de Industrial Development Engineering Associates, IDEA y Texas Instruments de Dallas, Texas, el TR-1 fue fabricado en Indianápolis, Indiana. Era una radio casi de bolsillo con cuatro transistores y un diodo de germanio. El diseño industrial se subcontrató a la firma de Chicago Painter, Teague and Petertil. Inicialmente se lanzó en uno de seis colores: negro, marfil, rojo mandarina, gris nube, caoba y verde oliva. Poco después siguieron otros colores. [36] [37] [38]
La primera radio para automóvil de producción totalmente de transistores fue desarrollada por las corporaciones Chrysler y Philco y se anunció en la edición del 28 de abril de 1955 de The Wall Street Journal . Chrysler puso a disposición el modelo Mopar 914HR 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. [39] [40]
El Sony TR-63, lanzado en 1957, fue el primer radio de transistores producido en masa, lo que llevó a la adopción generalizada de los radios de transistores. [41] A mediados de la década de 1960 se vendieron siete millones de TR-63 en todo el mundo. [42] El éxito de Sony con las radios de transistores llevó a que los transistores reemplazaran a los tubos de vacío como tecnología electrónica dominante a fines de la década de 1950. [43]
El primer transistor de silicio funcional fue desarrollado en los Laboratorios Bell el 26 de enero de 1954 por Morris Tanenbaum . La primera producción comercial de transistores de silicio fue anunciada por Texas Instruments en mayo de 1954. Este fue trabajo de Gordon Teal , un experto en el cultivo de cristales de alta pureza, que había trabajado anteriormente en los Laboratorios Bell. [44] [45] [46]
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. [47] [48] El concepto FET también fue teorizado más tarde 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 . [49] Siguiendo el tratamiento teórico de Shockley sobre JFET en 1952, George C. Dacey e Ian M. Ross realizaron un JFET práctico en 1953 . [50]
En 1948, Bardeen patentó el progenitor del MOSFET, un FET de puerta aislada (IGFET) con una capa de inversión. La patente de Bardeen y el concepto de capa de inversión constituyen la base de la tecnología CMOS actual. [51]
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. Se teorizó que los transistores de efecto de campo (FET) eran alternativas potenciales, pero los investigadores no pudieron lograr que funcionaran correctamente, en gran parte debido a la barrera del estado de la superficie que impedía que el campo eléctrico externo penetrara el material. [52]
En 1957, el ingeniero de los Laboratorios Bell, Mohamed Atalla , propuso un nuevo método de fabricación de dispositivos semiconductores : recubrir una oblea de silicio con una capa aislante de óxido de silicio para que la electricidad pudiera superar el estado de la superficie y penetrar de manera confiable hasta el silicio semiconductor que se encuentra debajo. El proceso, conocido como pasivación de superficies , se volvió fundamental para la industria de los semiconductores , ya que permitió la producción en masa de circuitos integrados de silicio . [53] [54] [55] Basándose en el método, desarrolló el proceso semiconductor de óxido metálico (MOS) [53] y propuso que podría usarse para construir el primer FET de silicio funcional.
Atalla y su colega coreano Dawon Kahng desarrollaron el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET), o transistor MOS , en 1959, [53] [5] [6], el primer transistor que podía miniaturizarse y producirse en masa para una amplia gama de usos. [52] En un proceso CMOS autoalineado , se forma un transistor dondequiera que la capa de puerta (polisilicio o metal) cruza una capa de difusión. [56] : p.1 (ver Fig. 1.1) Con su alta escalabilidad , [57] consumo de energía mucho menor y mayor densidad que los transistores de unión bipolar, [58] el MOSFET hizo posible construir circuitos integrados de alta densidad , [7] permitiendo la integración de más de 10.000 transistores en un solo IC. [59]
CMOS ( MOS complementario ) fue inventado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor en 1963. [60] El primer informe de un MOSFET de puerta flotante fue realizado por Dawon Kahng y Simon Sze en 1967. [61] Un doble- gate MOSFET fue demostrado por primera vez en 1984 por los investigadores del Laboratorio Electrotécnico Toshihiro Sekigawa y Yutaka Hayashi. [62] [63] FinFET (transistor de efecto de campo de aletas), un tipo de MOSFET de múltiples puertas no plano 3D , se originó a partir de la investigación de Digh Hisamoto y su equipo en el Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989. [64] [65 ]
Debido a que los transistores son los componentes activos clave en prácticamente toda la electrónica moderna , mucha gente los considera uno de los mayores inventos del siglo XX. [66]
La invención del primer transistor en Bell Labs fue nombrada Hito IEEE en 2009. [67] Otros hitos incluyen las invenciones del transistor de unión en 1948 y el MOSFET en 1959. [68]
El MOSFET es, con diferencia, el transistor más utilizado, en aplicaciones que van desde ordenadores y electrónica [54] hasta tecnología de comunicaciones como los teléfonos inteligentes . [69] Ha sido considerado el transistor más importante, [70] posiblemente el invento más importante en electrónica, [71] y el dispositivo que hizo posible la electrónica moderna. [72] Ha sido la base de la electrónica digital moderna desde finales del siglo XX, allanando el camino para la era digital . [73] La Oficina de Patentes y Marcas de EE.UU. lo llama una "invención innovadora que transformó la vida y la cultura en todo el mundo". [69] Su capacidad para ser producido en masa mediante un proceso altamente automatizado ( fabricación de dispositivos semiconductores ), a partir de materiales relativamente básicos, permite costos por transistor sorprendentemente bajos. Los MOSFET son los objetos artificiales más producidos en la historia, con más de 13 sextillones fabricados en 2018. [74]
Aunque varias empresas producen cada año más de mil millones de transistores MOS empaquetados individualmente (conocidos como discretos ), [75] la gran mayoría se producen en circuitos integrados (también conocidos como circuitos integrados , 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. [76] Los transistores a menudo se organizan en puertas lógicas en microprocesadores para realizar cálculos.
El bajo costo, la flexibilidad y la confiabilidad del transistor lo han hecho omnipresente. Los circuitos mecatrónicos transistorizados han reemplazado a los dispositivos electromecánicos en el control de aparatos y maquinaria. A menudo es más fácil y económico utilizar un microcontrolador estándar y escribir un programa de computadora 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 mayor 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 interruptor controlado eléctricamente , donde la cantidad de corriente está determinada por otros elementos del circuito. [77]
Hay dos tipos de transistores, con ligeras diferencias en su uso:
La imagen superior de esta sección representa un transistor bipolar típico en un circuito. Una carga fluye entre los terminales del emisor y del colector dependiendo de la corriente en la base. Debido a que las conexiones de base y emisor se comportan como un diodo semiconductor, se desarrolla una caída de voltaje entre ellas. La cantidad de esta caída, determinada por el material del transistor, se denomina VBE . [78]
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 fuentes de alimentación de modo conmutado , como para aplicaciones de baja potencia, como 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 . [78]
En un circuito de conmutación, el objetivo es simular, lo más cerca posible, el interruptor ideal que tiene las propiedades de un circuito abierto cuando está apagado, un 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 los circuitos conectados, la resistencia del transistor en el estado "encendido" sea demasiado pequeña para afectar los circuitos y la transición entre los dos estados sea lo suficientemente rápida. para no tener un efecto perjudicial. [78]
En un circuito de transistor emisor puesto a tierra, como el circuito de interruptor de luz que se muestra, a medida que aumenta el voltaje de base, las corrientes del emisor y del colector aumentan exponencialmente. El voltaje del colector cae debido a la reducción de la resistencia del colector al emisor. Si la diferencia de voltaje entre el colector y el emisor fuera cero (o casi cero), la corriente del colector estaría limitada únicamente por la resistencia de la 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 . [79]
El uso de transistores bipolares para aplicaciones de conmutación requiere polarizar el transistor para que funcione entre su región de corte en el estado apagado y la región de saturación ( encendido ). Esto requiere suficiente corriente de accionamiento base. 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 la 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. [78] El valor de la resistencia base se calcula a partir del voltaje de suministro, la caída de voltaje de la unión CE del transistor, la corriente del colector y el factor de amplificación beta. [80]
El amplificador de emisor común está diseñado de manera 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 afuera . [78]
Son posibles varias configuraciones de amplificadores de un solo transistor, algunas proporcionan ganancia de corriente, otras ganancia de voltaje y otras 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 de 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 evolucionaba. [78]
Los amplificadores de audio de transistores modernos de hasta unos pocos cientos de vatios son comunes y relativamente económicos.
Antes de que se desarrollaran los transistores, los tubos (de electrones) de vacío (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 a los transistores reemplazar 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 silicio, montaje en superficie, BJT, NPN, interruptor de alta frecuencia y baja potencia .
Una mnemónica útil 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 apuntará a N" . En el símbolo de un transistor pnp , la flecha " Apunta con orgullo ". Sin embargo, esto no se aplica a los símbolos de transistores basados en MOSFET, ya que la flecha normalmente está invertida (es decir, la flecha de los puntos npn en el interior).
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 paquete, y esto se asumirá en 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 la puerta y los terminales de la fuente, por lo tanto, la corriente que fluye entre el drenaje y la fuente está controlada por el voltaje aplicado entre la puerta y la fuente. A medida que aumenta el voltaje puerta-fuente ( V GS ), la corriente 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 umbral en el que comienza la corriente de drenaje) [84] en la región " limitada por carga espacial " por encima del umbral. En los dispositivos modernos, por ejemplo en el nodo tecnológico de 65 nm , no se observa un comportamiento cuadrático . [85]
Para un ruido bajo en un ancho de banda estrecho , la mayor resistencia de entrada del FET es ventajosa.
Los FET se dividen en dos familias: FET de unión ( JFET ) y FET de puerta aislada (IGFET). El IGFET se conoce más comúnmente como FET semiconductor de óxido metálico ( MOSFET ), y refleja su construcción original a partir de capas de metal (la puerta), óxido (el aislamiento) y semiconductor. A diferencia de los IGFET, la puerta JFET forma un diodo p-n con el canal que se encuentra entre la fuente y los drenajes. Funcionalmente, esto convierte al JFET de canal n en el equivalente en estado sólido del triodo de tubo de vacío que, de manera similar, forma un diodo entre su rejilla y su cátodo . Además, ambos dispositivos funcionan en modo de agotamiento , ambos tienen una alta impedancia de entrada y ambos conducen corriente bajo el control de un voltaje de entrada.
Los FET de metal-semiconductor ( MESFET ) son JFET en los que la unión p-n con polarización inversa se reemplaza por una unión de metal-semiconductor . Estos y los HEMT (transistores de alta movilidad electrónica o HFET), en los que se utiliza un gas de electrones bidimensional con una movilidad portadora 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 activado o desactivado con voltaje cero de puerta a fuente. Para el modo de mejora, el canal está desactivado con polarización cero y un potencial de puerta puede "mejorar" la conducción. Para el modo de agotamiento, el canal está activado con polarización cero y un potencial de puerta (de polaridad opuesta) puede "agotar" el canal, reduciendo la conducción. Para cualquier modo, un voltaje de puerta más positivo corresponde a una corriente más alta para los dispositivos de canal n y una corriente más baja para los dispositivos de canal p. Casi todos los JFET están en modo de agotamiento porque las uniones de diodos tendrían polarización directa y conducción si fueran dispositivos en modo de mejora, mientras que la mayoría de los IGFET son del tipo en modo de mejora.
El transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico ( MOSFET , MOS-FET o MOS FET), también conocido como transistor de óxido metálico y silicio (transistor MOS o MOS), [7] es un tipo de transistor de efecto de campo. Transistor que se fabrica mediante la oxidación controlada de un semiconductor, típicamente silicio . Dispone de 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 diferencia, el transistor más común y el componente básico de la mayoría de los dispositivos electrónicos modernos . [73] El MOSFET representa el 99,9% de todos los transistores del mundo. [86]
Los transistores bipolares se llaman así porque conducen utilizando portadores mayoritarios y minoritarios . El transistor de unión bipolar, el primer tipo de transistor que se produce en masa, es una combinación de dos diodos de unión y está formado por una capa delgada de semiconductor tipo p intercalada entre dos semiconductores tipo n (un transistor n–p–n transistor), o una capa delgada de semiconductor tipo n intercalada entre dos semiconductores 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 delgada región 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 mediante una corriente de base relativamente pequeña. [87] En un transistor n–p–n que opera en la región activa, la unión emisor-base está polarizada en directa ( los electrones y los huecos se recombinan en la unión), y la unión base-colector está polarizada en inversa (los electrones y los huecos se recombinan en la unión) 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 hacia la unión base-colector con polarización inversa y serán arrastrados hacia el colector; quizás una centésima parte de los electrones se recombinará 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 emisora y colectora), las tasas de recombinación son bajas, lo que permite que más portadores se difundan a través de la región base. Al controlar la cantidad de electrones que pueden salir de la base, se puede controlar la cantidad de electrones que ingresan al colector. [87] La corriente del colector es aproximadamente β (ganancia de corriente del emisor común) multiplicada por la corriente de base. Normalmente es mayor que 100 para transistores de señal pequeña, 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 de Shockley y el modelo de Ebers-Moll . Debido a esta relación exponencial, el BJT tiene una transconductancia mayor que el FET.
Se puede hacer que los transistores bipolares conduzcan mediante exposición a la luz porque 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 paquete y se llaman fototransistores .
El MOSFET es, con diferencia, el transistor más utilizado tanto para circuitos digitales como para circuitos analógicos , [88] y representa el 99,9% de todos los transistores del mundo. [86] El transistor de unión bipolar (BJT) fue anteriormente el transistor más utilizado durante las décadas de 1950 y 1960. Incluso después de que los MOSFET estuvieron ampliamente disponibles en la década de 1970, el BJT siguió siendo el transistor elegido 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 mayor parte de la potencia. aplicaciones electrónicas en la década de 1980. En los circuitos integrados , las propiedades deseables de los MOSFET les permitieron capturar casi toda la cuota de mercado de los 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.
Se utilizan tres estándares de identificación principales para designar dispositivos de transistores. En cada uno, 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 dispositivos de transistores 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 de silicio n–p–n, 2N1301 es un transistor de conmutación de germanio ap–n–p. A veces se utiliza un sufijo de letra, como "A", para indicar una variante más nueva, pero rara vez se agrupa.
En Japón, la designación de semiconductores JIS (|JIS-C-7012) etiqueta los dispositivos de transistores que comienzan con 2S , [96] por ejemplo, 2SD965, pero a veces el prefijo "2S" no está marcado en el paquete; es posible que un 2SD965 solo esté marcado Es posible que un proveedor incluya D965 y un 2SC1815 como simplemente 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 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 le sigue un número de secuencia de tres dígitos (o una letra y dos dígitos, para los tipos industriales). En los primeros dispositivos esto indicaba el tipo de caso. Se pueden usar sufijos, con una letra (p. ej., "C" a menudo significa h FE alta , como en: BC549C [97] ) u otros códigos pueden seguir para mostrar la ganancia (p. ej., BC327-25) o la clasificación de voltaje (p. ej., BUK854-800A) . [98] ). 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 2N2222A (posiblemente Fairchild Semiconductor ) en una caja de plástico (pero un PN108 es una versión plástica 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 en el sistema de nombres de CV militares británicos.
Los fabricantes que compran una gran cantidad de piezas similares pueden recibir "números de casa", que identifican una especificación de compra particular y no necesariamente un dispositivo con un número registrado estandarizado. Por ejemplo, una pieza HP 1854,0053 es un transistor (JEDEC) 2N2218 [99] [100] al que también se le asigna el número CV: CV7763 [101]
Con tantos esquemas de nombres independientes y la abreviatura de los números de pieza cuando están impresos en los dispositivos, a veces se produce ambigüedad. Por ejemplo, dos dispositivos diferentes pueden estar marcados como "J176" (uno, el JFET de baja potencia J176 y el otro, el MOSFET 2SJ176 de mayor potencia ).
Como a los transistores de "orificio pasante" más antiguos se les asignan contrapartes empaquetadas de montaje en superficie , se les tiende a 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 n–p–n + dual o combinado. Dispositivos p–n–p en un paquete. Entonces, incluso cuando el dispositivo original (como un 2N3904) puede haber sido asignado por una autoridad de estándares 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 con germanio (Ge). Actualmente 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 de silicio-germanio (SiGe). El material semiconductor de un solo elemento (Ge y Si) se describe como elemental .
En la tabla adyacente se proporcionan parámetros aproximados para los materiales semiconductores más comunes utilizados para fabricar transistores. Estos parámetros variarán con un aumento de la temperatura, el campo eléctrico, el nivel de impureza, la tensión y otros factores diversos.
El voltaje directo de la 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 la unión. Los valores indicados 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 la unión, mejor, ya que esto significa que se requiere menos energía para "impulsar" el transistor. El voltaje directo de la unión para una corriente dada disminuye con un aumento de la temperatura. Para una unión de silicio típica, el cambio es −2,1 mV/°C. [102] En algunos circuitos se deben utilizar elementos compensadores especiales ( sensidores ) para compensar tales cambios.
La densidad de operadores de telefonía móvil en el canal de un MOSFET es 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 el comportamiento eléctrico del MOSFET.
Las columnas de movilidad de electrones y movilidad de huecos muestran la velocidad promedio a la 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, cuanto mayor sea la movilidad de los electrones, más rápido podrá funcionar el transistor. La tabla indica que el Ge es un material mejor que el Si a este respecto. Sin embargo, el Ge tiene cuatro desventajas principales 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 electrónica de los tres semiconductores. Por este motivo, el GaAs se utiliza en aplicaciones de alta frecuencia. Un relativamente reciente [ ¿cuándo? ] El desarrollo de FET, el transistor de alta movilidad electrónica (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 electrónica que una barrera metálica de GaAs. unión. Debido a su alta velocidad y bajo nivel de ruido, los HEMT se utilizan en receptores de satélite que funcionan en 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 diversas aplicaciones.
Los valores máximos de temperatura de unión representan una sección transversal tomada de las hojas de datos de varios fabricantes. Esta temperatura no debe excederse o el transistor podría dañarse.
La unión Al-Si se refiere al diodo de barrera 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 drenaje como parte del proceso de fabricación. Este diodo puede resultar molesto, pero a veces se utiliza en el circuito.
Los transistores discretos pueden ser transistores empaquetados individualmente o chips de transistores no empaquetados.
Los transistores vienen en muchos paquetes de semiconductores diferentes (ver imagen). Las dos categorías principales son de orificio pasante (o con terminales ) y de montaje en superficie , también conocido como dispositivo de montaje en superficie ( SMD ). El Ball Grid Array ( BGA ) es el último paquete de montaje en superficie. 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 menores potencias nominales.
Los paquetes de transistores están hechos de vidrio, metal, cerámica o plástico. El paquete a menudo dicta la potencia nominal y las características de frecuencia. Los transistores de potencia tienen paquetes 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 drenaje conectado 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 determinado de transistor está disponible en varios paquetes. Los paquetes de transistores están principalmente estandarizados, 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 paquete. Incluso para el mismo tipo de transistor, la asignación de terminales puede variar (normalmente indicada por una letra como sufijo del número de pieza, qe BC212L y BC212K).
Hoy en día, la mayoría de los transistores vienen en una amplia gama de paquetes SMT. En comparación, la lista de paquetes de orificios pasantes disponibles es relativamente pequeña. Aquí hay una breve lista de los paquetes 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 (troqueles) no empaquetados se pueden ensamblar en dispositivos híbridos. [103] El módulo IBM SLT de la década de 1960 es un ejemplo de un módulo de circuito híbrido que utiliza una matriz de transistor (y diodo) pasivada con vidrio. Otras técnicas de empaquetado para transistores discretos como chips incluyen la conexión directa de chip (DCA) y el chip integrado (COB). [103]
Los investigadores han fabricado varios tipos de transistores flexibles, incluidos transistores orgánicos de efecto de campo . [104] [105] [106] 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 semiconductor de óxido metálico (MOSFET) plano de Si es quizás el invento 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 dispositivos semiconductores activos (empaquetados y no empaquetados).
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