Un elemento radioelectrónico fabricado con material semiconductor crea, amplifica y modifica los impulsos en los circuitos integrados y los sistemas de almacenamiento, procesamiento y transmisión de información mediante una señal de entrada. Un transistor es una resistencia cuya función está regulada por la tensión entre el emisor y la base o la fuente y la puerta, según el tipo de módulo.
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Tipos de transistores
Los transistores se utilizan ampliamente en la fabricación de circuitos digitales y analógicos para poner a cero la corriente estática de consumo y obtener una mejor linealidad. Los tipos de transistores se diferencian en que algunos son controlados por un cambio de tensión, mientras que otros son controlados por una variación de la corriente.
Los transistores de efecto campo funcionan con una resistencia de corriente continua más alta, la transformación a alta frecuencia no aumenta el coste energético. En términos simples, lo que es un transistor, es un módulo con un borde de alta ganancia. Esta característica es mayor en los tipos de campo que en los bipolares. Los primeros no tienen disipación de portadores de carga, lo que acelera el funcionamiento.
Los semiconductores de campo se utilizan más a menudo debido a las ventajas que presentan sobre los tipos bipolares:
- Fuerte impedancia de entrada en corriente continua y alta frecuencia, esto reduce la pérdida de potencia para el control;
- No hay acumulación de electrones no esenciales, lo que acelera el funcionamiento del transistor;
- transporte de partículas móviles;
- estabilidad durante las fluctuaciones de temperatura;
- Bajo nivel de ruido debido a la falta de inyección;
- Bajo consumo de energía durante el funcionamiento.
Los tipos de transistores y sus propiedades definen la finalidad. El calentamiento de un transistor de tipo bipolar aumenta la corriente en el trayecto del colector al emisor. Tienen un coeficiente de resistencia negativo y los portadores móviles fluyen hacia el colector desde el emisor. La base delgada está separada por uniones p-n y la corriente sólo surge cuando las partículas en movimiento se acumulan y las inyectan en la base. Algunos de los portadores de carga son capturados por la unión p-n vecina y acelerados, que es como se diseñan los transistores.
Los transistores de efecto de campo tienen otro tipo de ventaja que hay que mencionar para los tontos. Se conectan en paralelo sin compensación de resistencias. Las resistencias no se utilizan para este fin, ya que el valor aumenta automáticamente al cambiar la carga. Para obtener un alto valor de corriente de conmutación, se recluta un complejo de módulos que se utiliza en inversores u otros dispositivos.
Un transistor bipolar no debe ser conectado en paralelo, la determinación de los parámetros funcionales conduce a la detección de una ruptura térmica de carácter irreversible. Estas propiedades están relacionadas con las cualidades técnicas de los canales p-n simples. Los módulos se conectan en paralelo utilizando resistencias para igualar la corriente en los circuitos emisores. Dependiendo de las características funcionales y de las particularidades individuales, la clasificación de los transistores se compone de tipos bipolares y de efecto de campo.
Transistores bipolares
Los diseños bipolares se fabrican como dispositivos semiconductores con tres conductores. En cada uno de los electrodos hay capas con conductividad p de agujeros o n de impurezas. La elección de la disposición de las capas determina la liberación de los dispositivos de tipo p-n-p o n-p-n. Cuando el dispositivo se enciende, los agujeros y los electrones transportan diferentes tipos de cargas al mismo tiempo, se trata de dos tipos de partículas.
Los portadores son transportados por un mecanismo de difusión. Los átomos y moléculas de una sustancia penetran en la red intermolecular del material adyacente y su concentración se nivela en todo el volumen. La transferencia se produce desde las zonas de alta densidad a las de baja densidad.
Los electrones también se propagan bajo la acción del campo de fuerza alrededor de las partículas cuando los aditivos de aleación se incorporan de forma desigual a la masa base. Para acelerar la acción del dispositivo, el electrodo conectado a la capa intermedia se hace fino. Los conductores del borde se llaman emisor y colector. La característica de tensión inversa de la unión no es importante.
Transistores de efecto campo
Un transistor de efecto de campo controla una resistencia mediante un campo eléctrico transversal derivado de una tensión aplicada. El lugar desde el que los electrones se mueven hacia el canal se llama fuente y el drenaje parece el punto de entrada final de las cargas. La tensión de control fluye a través de un conductor llamado puerta. Los dispositivos se dividen en 2 tipos:
- unión p-n;
- Transistores TIR con puerta aislada.
El primer tipo contiene una oblea semiconductora que está conectada al circuito controlado por electrodos en lados opuestos (drenaje y fuente). Un tipo diferente de conductividad se produce después de que la placa se conecta a la puerta. Una fuente de polarización de CC insertada en el circuito de entrada produce una tensión de bloqueo en la unión.
La fuente del impulso amplificado también está en el circuito de entrada. Después de que la tensión de entrada cambie, la figura correspondiente en la unión p-n se transforma. Se modifica el grosor de la capa y el área de la sección transversal de la unión de canales en el cristal que permite el flujo de electrones cargados. La anchura del canal depende del espacio entre la región de agotamiento (bajo la puerta) y el sustrato. La corriente de control en los puntos inicial y final se controla cambiando la anchura de la región de agotamiento.
El transistor TIR se caracteriza porque su puerta está separada de la capa del canal por un aislante. En el cristal semiconductor, llamado sustrato, se crean sitios dopados de signo contrario. Los conductores -el drenaje y la fuente- están montados sobre ellos, con un dieléctrico entre ellos a una distancia inferior a una micra. Un electrodo metálico -la puerta- se coloca sobre el aislante. Debido a la estructura resultante que contiene metal, capa dieléctrica y semiconductor, los transistores reciben la abreviatura TIR.
Diseño y funcionamiento para principiantes
La tecnología no sólo funciona con una carga de electricidad, sino también con un campo magnético, cuantos de luz y fotones. El principio de funcionamiento de un transistor reside en los estados entre los que conmuta el dispositivo. Señal pequeña y grande opuesta, estado abierto y cerrado: este es el funcionamiento dual de los dispositivos.
Junto con el material semiconductor en su composición, utilizado en forma de un solo cristal dopado en algunos lugares, el transistor tiene en su construcción
- cables metálicos;
- aislantes dieléctricos;
- Carcasa del transistor de vidrio, metal, plástico, cerámica metálica.
Antes de la invención de los dispositivos bipolares o polares, se utilizaban tubos electrónicos de vacío como elementos activos. Los circuitos desarrollados para ellos se utilizan, tras su modificación, en la fabricación de dispositivos semiconductores. Podrían conectarse como un transistor y aplicarse, porque muchas características funcionales de los tubos de vacío son adecuadas a la hora de describir el funcionamiento de los dispositivos de campo.
Ventajas y desventajas de sustituir las válvulas por transistores
La invención de los transistores es el motor de la introducción de tecnologías innovadoras en la electrónica. En la red se utilizan modernos elementos semiconductores que, en comparación con los antiguos circuitos de tubos, presentan ventajas:
- Pequeño tamaño y bajo peso, lo que es importante para la electrónica en miniatura;
- la posibilidad de aplicar procesos automatizados a la producción de dispositivos y agrupar los pasos, lo que reduce el coste de producción;
- Uso de fuentes de corriente pequeñas debido a la baja tensión requerida;
- activación instantánea, sin necesidad de calentar el cátodo;
- Mayor eficiencia energética gracias a la menor disipación de energía;
- robustez y fiabilidad;
- una interacción fluida con otros elementos de la red;
- resistencia a las vibraciones y a los golpes.
Los inconvenientes se manifiestan en las siguientes disposiciones:
- Los transistores de silicio no funcionan a tensiones superiores a 1 kW; las lámparas son eficaces a tensiones superiores a 1 o 2 kW;
- Cuando se utilizan transistores en emisoras de alta potencia o transmisores de UHF, los amplificadores de baja potencia conectados en paralelo deben estar adaptados;
- Vulnerabilidad de los elementos semiconductores a la señal electromagnética;
- respuesta sensible a los rayos cósmicos y a la radiación, lo que exige el desarrollo de microcircuitos resistentes a la radiación en este sentido.
Diagramas de conmutación
Para funcionar en un circuito único, un transistor necesita 2 conexiones de entrada y salida. Casi todos los dispositivos semiconductores tienen sólo 3 puntos de conexión. Para salir del apuro, uno de los extremos se designa como común. De ahí que existan 3 diagramas de conexión comunes:
- para un transistor bipolar;
- dispositivo polar;
- con drenaje abierto (colector).
Una unidad bipolar se conecta con un emisor común para la amplificación de la tensión y la corriente (OE). En otros casos coincide con los pines de un chip digital cuando hay una alta tensión entre el circuito externo y el plano de conexión interno. Así funciona la conexión del colector común, y sólo hay un aumento de la corriente (OK). Si se requiere un aumento de tensión, el elemento se introduce con una base común (CB). Esta opción funciona bien en circuitos compuestos en cascada, pero rara vez se utiliza en diseños de un solo transistor.
En el circuito se incluyen dispositivos semiconductores de campo de las variedades TIR y de unión p-n:
- emisor común (JE) - una conexión similar a la JE de un módulo bipolar
- con salida común (OC) - una conexión similar al tipo OC
- con puerta compartida (SW) - similar a OE.
En los planes de drenaje abierto, el transistor se incluye con un emisor común como parte del chip. El pin colector no está conectado a ninguna otra parte del módulo y la carga va al conector exterior. La elección de las tensiones y las corrientes de colector se hace después de montar el proyecto. Los dispositivos de drenaje abierto funcionan en circuitos con potentes etapas de salida, controladores de bus y circuitos lógicos TTL.
¿Para qué sirven los transistores?
La aplicación se diferencia en función de si el dispositivo es un módulo bipolar o un transistor de efecto de campo. ¿Por qué son necesarios los transistores? Si se requieren corrientes bajas, por ejemplo, en los planos digitales, se utilizan los tipos de campo. Los circuitos analógicos logran una alta linealidad de ganancia en una amplia gama de tensiones de alimentación y parámetros de salida.
Las aplicaciones de los transistores bipolares son los amplificadores, las combinaciones, los detectores, los moduladores, los circuitos lógicos de transistores y los inversores lógicos.
Los ámbitos de aplicación de los transistores dependen de sus características. Funcionan en 2 modos:
- En la regulación de los amplificadores, cambiar el impulso de salida con pequeñas desviaciones en la señal de control;
- En el orden de la clave, controlando la potencia a las cargas cuando la corriente de entrada es baja, el transistor está completamente cerrado o completamente abierto.
El tipo de módulo semiconductor no cambia sus condiciones de funcionamiento. La fuente está conectada a una carga, por ejemplo, un interruptor, un amplificador de sonido, una luminaria, puede ser un sensor electrónico o un transistor vecino de gran potencia. La corriente inicia el funcionamiento de la unidad de carga y el transistor se conecta en el circuito entre la unidad y la fuente. El módulo semiconductor limita la entrada de energía a la unidad.
La resistencia a la salida del transistor se transforma en función de las tensiones en el conductor de control. La corriente y la tensión al principio y al final del circuito cambian y aumentan o disminuyen y dependen del tipo de transistor y de cómo esté conectado. El control de la fuente de alimentación controlada provoca un aumento de la corriente, un impulso de potencia o un aumento de la tensión.
Ambos tipos de transistores se utilizan en las siguientes aplicaciones:
- En la regulación digital. Se han desarrollado diseños experimentales de circuitos amplificadores digitales basados en convertidores digital-analógicos (DAC).
- En los generadores de impulsos. Dependiendo del tipo de unidad, el transistor funciona en clave o lineal para reproducir señales rectangulares o arbitrarias, respectivamente.
- En los dispositivos de hardware electrónico. Proteger la información y los programas contra el robo, la manipulación ilegal y el uso. El funcionamiento es en modo llave, la corriente es controlada en forma analógica y regulada por el ancho de pulso. Los transistores se colocan en accionamientos de motores eléctricos, reguladores de tensión por impulsos.
Los semiconductores monocristalinos y los módulos para abrir y cerrar circuitos aumentan la potencia, pero sólo funcionan como interruptores. Los transistores de efecto campo se utilizan en dispositivos digitales como módulos económicos. Las técnicas de fabricación en el concepto de experimentos integrados implican la producción de transistores en un solo chip de silicio.
La miniaturización de los cristales hace que los ordenadores sean más rápidos, consuman menos energía y generen menos calor.
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