Transistor | Definición, tipos, símbolos e historia

Casi toda la electrónica moderna se basa en un componente fundamental conocido como transistor. El componente fundamental de los sistemas embebidos modernos es también un transistor, que actúa como componente fundamental para controlar el procesamiento de datos. Un transistor es un componente esencial en circuitos integrados (CI), microprocesadores y microcontroladores, y en casi todos los dispositivos electrónicos.  

El transistor es un dispositivo semiconductor de tres terminales que controla el flujo de corriente. Al aplicar voltaje o corriente a sus terminales de entrada, este controla o amplifica la señal de entrada para generar una señal de salida. Está hecho de materiales semiconductores como el germanio o el silicio. Comprender los transistores, sus tipos, símbolos y su funcionamiento es esencial para que los ingenieros eléctricos diseñen sistemas electrónicos modernos.

¿Qué es Transistor?

Un transistor es un dispositivo electrónico que controla el flujo de corriente. Un transistor tiene tres terminales: base, emisor y colector. Un transistor típico tiene dos modos de funcionamiento: puede actuar como interruptor o como amplificador. En el modo de conmutación, el transistor permite el flujo de corriente. En cambio, en el modo de amplificación, el transistor amplifica la pequeña señal de entrada para generar una señal de salida mayor.

Un transistor se compone de tres capas de material semiconductor, como silicio y germanio. Estas capas son PNP o NPN. La pila de capas de material determina el tipo de transistor: PNP o NPN. Un transistor típico tiene tres terminales: base, emisor y colector. Este tipo de transistor se conoce como transistor de unión bipolar (BJT). El símbolo y la figura típicos del transistor BJT se muestran a continuación.

Capas de transistores	Símbolo de transistores	Paquete de transistores

Fig-1: Figura y símbolo del transistor

Tipos de transistores y símbolos de transistores

Los transistores se clasifican en tres tipos: transistores de unión bipolar (BJT), transistores de efecto de campo (FET) y transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). Estos transistores se dividen a su vez en subtipos. Los detalles de cada tipo se describen más adelante en este artículo.

Transistor de unión bipolar (BJT)

El transistor BJT tiene tres terminales: base, emisor y colector. El flujo de corriente en el transistor BJT se debe a los electrones libres o huecos. La pequeña corriente entre la base y el emisor del transistor BJT puede controlar el gran flujo de corriente entre los terminales emisor y colector. Los transistores BJT se clasifican en NPN y PNP.

Figura 2: Símbolos de los transistores BJT

En el transistor PNP, el material semiconductor de tipo N se intercala entre dos materiales semiconductores de tipo P. Esta disposición da como resultado dos uniones de transistor conocidas como unión base-emisor (Je) y unión base-colector (Jc). En una aplicación típica de un transistor, la unión base-emisor está polarizada directamente y la unión base-colector está polarizada inversamente. En un transistor PNP, el flujo de corriente se debe a los huecos como portadores de carga mayoritarios.

Mientras que, en el transistor NPN, el material semiconductor tipo P se encuentra entre dos materiales semiconductores tipo N. En el transistor NPN, el flujo de corriente se debe a los electrones como portadores de carga mayoritarios.  

Cuando se aplica una entrada entre dos terminales del transistor, se amplifica la entrada en las terminales de salida. Una terminal del transistor actúa como entrada y la otra como salida. La otra terminal del transistor actúa como tierra. TPor lo tanto, se idearon tres configuraciones de transistores.

1. Configuración del emisor común: En configuración de emisor común de a transistor, la entrada se aplica en los  terminal base del transistor, la salida se toma en el colector y el emisor está conectado a tierra.

2. Configuración de base común:  En la configuración de base común del transistor, la entrada se aplica en el terminal del emisor del transistor, la salida se toma en el colector y la base está conectada a tierra.

3. Configuración de recopilador común: En la configuración de colector común del transistor, la entrada se aplica en el terminal base del transistor, la salida se toma en el emisor y el colector está conectado a tierra.

Transistor de efecto de campo (FET)

El transistor FET utiliza un campo eléctrico para controlar el flujo de corriente. Este tipo de transistor tiene tres terminales: puerta, drenador y fuente. Los transistores FET son unipolares, a diferencia de los transistores BJT, que son bipolares. Se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones debido a su alta impedancia (hasta megaohmios), bajo consumo de energía, baja disipación de calor y amplio rango de frecuencia de conmutación (hasta megahercios). Los transistores FET se clasifican en dos tipos: MOSFET y JFET.

MOSFET

MOSFET significa Transistor de Efecto de Campo de Semiconductor de Óxido Metálico. Estos transistores se utilizan ampliamente en aplicaciones de electrónica de potencia. Son dispositivos controlados por voltaje. El transistor MOSFET está compuesto por tres capas: metal, óxido y semiconductor. La capa de óxido (SiO₂) en el transistor indica que tiene una fina capa aislante entre las capas metálica y semiconductora. Por lo tanto, el MOSFET utiliza un campo eléctrico para controlar el flujo de corriente entre las capas metálica y semiconductora. A diferencia de los BJT, los transistores MOSFET solo pueden utilizar electrones (tipo N) o huecos (tipo P) como portadores de carga.

Figura 3: Símbolos de MOSFET de canal N y canal P

Estos transistores ofrecen una impedancia de entrada muy alta y una baja impedancia de salida, ya que la corriente se controla mediante un campo eléctrico. Su alta impedancia de entrada los hace adecuados para circuitos electrónicos de potencia, circuitos integrados (CI), amplificadores operacionales (OP-Amps), osciladores, filtros y dispositivos de alta frecuencia de conmutación.

Figura 4: Paquete típico de MOSFET de orificio pasante

Al igual que los BJT, los transistores MOSFET también tienen tres configuraciones de funcionamiento.

1.     Configuración de puerta común (La puerta está en tierra, la entrada en la fuente, la salida en el drenaje)

2.     Configuración de drenaje común (El drenaje es tierra, la entrada en la puerta, la salida en la fuente)

3.     Configuración de fuente común (La fuente es tierra, la entrada es la puerta, la salida es el drenaje)

Los transistores MOSFET se clasifican además en MOSFET de tipo mejora, MOSFET de tipo agotamiento, PMOS y NMOS.

·       MOSFET de tipo agotamiento: Transistor MOSFET de agotamiento, también conocido como transistor D-MOSFET. Cuando la corriente fluye entre la fuente y el drenador del transistor, se denomina canal. En los D-MOSFET, el canal ya se construye durante el proceso de fabricación. El transistor D-MOS normalmente funciona en estado encendido sin aplicar tensión de compuerta. Por lo tanto, en esta condición, se denomina dispositivo encendido. Sin embargo, al aplicar tensión de compuerta a la entrada del transistor, su canal se vuelve resistivo. Al aumentar la tensión, la corriente del canal disminuye hasta que la corriente del transistor, del drenador a la fuente, se detiene.

·       MOSFET de tipo mejora: MOSFET de mejora, también conocido como transistor E-MOS. El canal no está ya creado, a diferencia del transistor D-MOS. En condiciones normales, no fluye corriente entre el terminal de drenaje y el terminal de fuente del transistor. Sin embargo, al aplicar la tensión de compuerta al transistor, la corriente continúa aumentando, lo que reduce la resistencia del canal.

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        Transistores PMOS y NMOS: Al igual que los MOSFET, los transistores PMOS y NMOS también tienen tres terminales: puerta, drenaje y fuente. La principal diferencia entre los transistores PMOS y NMOS radica en que, en los NMOS, las capas de fuente y drenador están dopadas con material de tipo N, mientras que en los PMOS, las capas de fuente y drenador están dopadas con material de tipo P.

Tipo de MOS	Símbolo
NMOS
SGP

JFET

El JFET es un dispositivo controlado por voltaje y significa Transistor de Efecto de Campo de Unión (JFET). Es uno de los primeros transistores de FET y el más simple. El flujo de corriente en el transistor JFET se debe únicamente a los portadores de carga mayoritarios, a diferencia de los transistores de unión bipolares, que se deben tanto a los portadores de carga mayoritarios como a los minoritarios. Los transistores JFET se clasifican en N-JFET y P-JFET. Tienen tres terminales: puerta, fuente y drenador.

En el funcionamiento normal de un transistor, cuando el voltaje de compuerta es cero, los electrones se desplazan fácilmente de la fuente al drenador. Sin embargo, al aplicar el voltaje de compuerta entre los terminales de fuente y compuerta, la unión PN se polariza inversamente y aumenta el ancho de la capa de agotamiento. Esto provoca que el JFET se desactive por completo.

¿Qué hace un transistor?

Un transistor es un dispositivo electrónico que controla el flujo de corriente. Tiene dos funciones principales: como interruptor o como amplificador. Tiene tres modos de funcionamiento: corte, saturación y región activa. Funciona como interruptor o amplificador según la región. Si opera en las regiones de corte y saturación, actúa como interruptor. Sin embargo, si opera en la región activa, actúa como amplificador.

·       Transistor como interruptor: Con la combinación de la región de saturación y corte, un transistor funciona como dispositivo de conmutación. Cuando se encuentra en la región de corte, no fluye corriente y el transistor se polariza inversamente. Por lo tanto, permanece en estado apagado. Cuando se encuentra en la región de saturación, fluye corriente y el transistor se polariza directamente. Por lo tanto, pasa al estado encendido. El transistor tiene amplias aplicaciones como dispositivo de conmutación, como el parpadeo de LED, motores de CC, puertas lógicas, variadores de frecuencia, regulación precisa de potencia y relés.

·       El transistor como amplificador: Cuando un transistor se utiliza con precisión en una región activa, funciona como amplificador. El factor clave que contribuye a la amplificación es la ganancia (beta) del transistor. Esta suele indicarse en la hoja de datos del transistor. A mayor ganancia, mayor amplificación. Otro factor que también influye en el rendimiento del amplificador es la relación entre la tensión de entrada y la de salida, la resistencia de entrada y salida, la ganancia de corriente y la ganancia de potencia. El transistor como amplificador se utiliza ampliamente en señales de radio, comunicaciones inalámbricas, amplificadores operacionales, dispositivos de audio, amplificadores instrumentales, dispositivos médicos y comunicaciones por fibra óptica.

¿Cómo funcionan los transistores?

Los transistores han revolucionado el mundo moderno. Hoy en día, se utilizan en todas partes, desde teléfonos inteligentes hasta motores de cohetes, procesadores modernos, dispositivos de memoria y servidores de internet.

Un transistor típico funciona como un interruptor o amplificador. Está fabricado con tres capas de materiales semiconductores: tipo N y tipo P. Entonces, ¿cómo funciona un transistor?

Un transistor típico tiene tres terminales: base, emisor y colector. Su función es controlar el flujo de corriente mediante el principio de portadores de carga. La mayoría de estos portadores son electrones o huecos. Las tres capas se colocan juntas de forma que entre ellas hay dos transistores de tipo N y uno de tipo P. Esto crea un transistor NPN, y viceversa para un transistor PNP.

El funcionamiento fundamental de los transistores se basa en la unión base-emisor y la unión base-colector. Estas uniones se forman cuando se aplica una señal de base al terminal base-emisor de un transistor. Al aplicar una pequeña corriente a la entrada del transistor, se permite el flujo de una gran corriente desde la unión base-colector. Esto se conoce como amplificación del transistor. Un transistor en modo de amplificación se logra polarizando directamente la unión base-emisor y la unión base-colector, inversamente.

Cuando no se aplica señal de base a la entrada (terminales base-emisor) del transistor, tanto la unión base-emisor como la base-colector se polarizan inversamente. Por lo tanto, no fluye corriente del emisor al colector y el transistor se desactiva. Un transistor en esta zona de operación se denomina zona de corte.

Cuando se aplica una señal de base a la entrada de un transistor, la corriente fluye del emisor al colector. En esta operación, tanto la unión base-emisor como la base-colector están polarizadas directamente y el colector se encuentra en estado activado. Un transistor en esta región de operación se denomina región de saturación.

Historia del transistor

El origen de los transistores se remonta a los tubos de vacío termoiónicos. Estos tubos se inventaron en 1907 y se utilizaban principalmente en tecnología de radio y sistemas de radar. Si bien fueron el primer tipo de transistor, consumen mucha energía y son voluminosos. Estos tubos de vacío utilizan una señal de entrada para controlar el flujo de corriente en la salida mediante electrodos. 

¿Cuándo y quién inventó el transistor?

En octubre de 1925, un científico austriaco en Canadá publicó la primera patente de un transistor de efecto de campo. Sin embargo, su trabajo fue ignorado en aquel momento debido a la falta de artículos de investigación publicados. Sin embargo, durante la Segunda Guerra Mundial, los Laboratorios Bell se esforzaron por producir un cristal de germanio puro para su uso en señales de radar y mezcladores de frecuencia.

En 1947, John Bardeen y William Shockley, de los Laboratorios Bell de Nueva Jersey (EE. UU.), inventaron el primer transistor funcional. Posteriormente, en 1958, los Laboratorios Bell introdujeron el transistor MOSFET. La invención del MOSFET revolucionó la electrónica moderna, al ser el primer transistor planar en el que el drenador y la fuente se encuentran en la misma superficie. El descubrimiento del MOSFET sustituyó ampliamente a los transistores convencionales en casi todos los dispositivos electrónicos, incluyendo procesadores, dispositivos de memoria y microcontroladores.

Conclusión

En conclusión, el transistor es uno de los inventos más importantes del siglo XX.^th Este siglo ha transformado la electrónica moderna. La electrónica integrada moderna, como procesadores, microcontroladores y dispositivos digitales, se compone de transistores. Los transistores son componentes vitales en la electrónica moderna, como radares, comunicaciones por fibra óptica, dispositivos médicos y amplificadores instrumentales. Por lo tanto, comprender el funcionamiento de los transistores, sus principios de funcionamiento y tipos es crucial para que los ingenieros diseñen aplicaciones de vanguardia.