¿Qué es y cómo funciona un transistor?

El cerebro contiene alrededor de 100 mil millones de células llamadas neuronas, los diminutos interruptores que te permiten pensar y recordar cosas. Las computadoras también contienen miles de millones de “células cerebrales” en miniatura. Se llaman transistores y están hechos de silicio, un elemento químico que se encuentra comúnmente en la arena.

Los transistores han revolucionado la electrónica desde que fueron inventados hace más de medio siglo por John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley. Pero, ¿qué son y cómo funcionan?

¿Qué hace realmente un transistor?

Un transistor es realmente simple y complejo. Empecemos con la parte simple. Un transistor es un componente electrónico en miniatura que puede hacer dos trabajos diferentes. Puede funcionar como amplificador o como interruptor:

Cuando funciona como amplificador, absorbe una pequeña corriente eléctrica en un extremo (una corriente de entrada) y produce una corriente eléctrica mucho mayor (una corriente de salida) en el otro. En otras palabras, es una especie de amplificador de corriente. Eso es muy útil en el caso de los audífonos, una de las primeras cosas para las que la gente usó transistores.

Una prótesis de oído tiene un micrófono minúsculo en él que recoge los sonidos del mundo alrededor de ti y los convierte en corrientes eléctricas fluctuantes. Éstos se alimentan a través de un transistor que los realza y alimenta un pequeño altavoz, para que puedas escuchar una versión mucho más fuerte de los sonidos que te rodean.

William Shockley, uno de los inventores del transistor, explicó una vez a un estudiante los amplificadores de transistores de una manera más humorística: “Si coges una bala de heno y la atas a la cola de una mula y luego haces un fósforo y prendes fuego a la bala de heno, y comparas la energía gastada poco después por la mula con la energía gastada por ti mismo en el golpeo de la mula, entenderás el concepto de amplificación.”

Los transistores también pueden funcionar como interruptores. Una pequeña corriente eléctrica que fluye a través de una parte de un transistor puede hacer que una corriente mucho más grande fluya a través de otra parte de él. En otras palabras, la corriente pequeña enciende la grande. Esencialmente, así es como funcionan todos los chips de ordenador.

Por ejemplo, un chip de memoria contiene cientos de millones o incluso miles de millones de transistores, cada uno de los cuales puede encenderse o apagarse individualmente. Dado que cada transistor puede estar en dos estados distintos, puede almacenar dos números diferentes, cero y uno. Con miles de millones de transistores, un chip puede almacenar miles de millones de ceros y unos, y casi tantos números y letras ordinarios (o caracteres, como los llamamos).

Lo bueno de las máquinas de estilo antiguo es que se podían desmontar para averiguar cómo funcionaban. Nunca fue demasiado difícil, con un poco de empuje y pellizco, descubrir qué parte hacía qué y cómo una cosa conducía a la otra. Pero la electrónica es completamente diferente. Se trata de usar electrones para controlar la electricidad. Un electrón es una partícula diminuta dentro de un átomo. Es tan pequeño que pesa algo menos de 0.00000000000000000000000000000001 kg!

Los transistores más avanzados funcionan controlando los movimientos de los electrones individuales, así que puedes imaginarte lo pequeños que son. En un chip de computadora moderno, del tamaño de una uña, probablemente encontrarás entre 500 millones y 2.000 millones de transistores separados. No hay posibilidad de desmontar un transistor para averiguar cómo funciona, así que tenemos que entenderlo con teoría e imaginación.

Sándwiches de silicona

Ahora tenemos dos tipos diferentes de silicio. Si los ponemos juntos en capas, haciendo sándwiches de material tipo p y tipo n, podemos hacer diferentes tipos de componentes electrónicos que funcionan de todas las maneras.

Supongamos que unimos un trozo de silicio de tipo n a un trozo de silicio de tipo p y ponemos contactos eléctricos a cada lado. Cosas emocionantes y útiles comienzan a suceder en la unión entre los dos materiales. Si encendemos la corriente, podemos hacer que los electrones fluyan a través de la unión desde el lado del tipo n al lado del tipo p y salgan a través del circuito. Esto sucede porque la falta de electrones en el lado tipo p de la unión tira de los electrones desde el lado tipo n y viceversa.

Pero si invertimos la corriente, los electrones no fluirán. Lo que hemos hecho aquí se llama diodo (o rectificador). Es un componente electrónico que permite que la corriente fluya a través de él en una sola dirección. Es útil si desea convertir la corriente eléctrica alterna (bidireccional) en corriente continua (unidireccional).

También se pueden hacer diodos para que emitan luz cuando la electricidad fluye a través de ellos. Es posible que hayas visto estos diodos emisores de luz (LED) en calculadoras de bolsillo y pantallas electrónicas en equipos estéreo de alta fidelidad.

Cómo funciona un transistor de unión

Ahora supongamos que usamos tres capas de silicona en nuestro sándwich en lugar de dos. Podemos hacer un sándwich p-n-p (con una rebanada de silicio tipo n como relleno entre dos rebanadas de tipo p) o un sándwich n-p-n (con el tipo p entre las dos rebanadas de tipo n). Si unimos contactos eléctricos a las tres capas del sándwich, podemos hacer un componente que amplifique una corriente o la encienda o apague, en otras palabras, un transistor. Veamos cómo funciona en el caso de un transistor n-p-n.

Así que sabemos de lo que estamos hablando, démosle nombres a los tres contactos eléctricos. Llamaremos a los dos contactos unidos a las dos piezas de silicio tipo n el emisor y el colector, y al contacto unido al silicio tipo p llamaremos a la base.

Cuando no fluye corriente en el transistor, sabemos que el silicio tipo p está corto de electrones (mostrado aquí por los pequeños signos más, que representan cargas positivas) y las dos piezas de silicio tipo n tienen electrones extra (mostrados por los pequeños signos menos, que representan cargas negativas).

Otra forma de ver esto es decir que mientras que el tipo n tiene un excedente de electrones, el tipo p tiene agujeros donde deberían estar los electrones. Normalmente, los orificios en la base actúan como una barrera, impidiendo cualquier flujo significativo de corriente desde el emisor hacia el colector mientras el transistor está en su estado “off”.

Un transistor funciona cuando los electrones y los agujeros comienzan a moverse a través de las dos uniones entre el silicio de tipo n y el de tipo p.

Conectemos el transistor con algo de energía. Supongamos que conectamos un pequeño voltaje positivo a la base, hacemos que el emisor se cargue negativamente, y hacemos que el colector se cargue positivamente. Los electrones son arrastrados desde el emisor hacia la base, y luego desde la base hacia el colector. Y el transistor cambia a su estado “on”.

La pequeña corriente que encendemos en la base hace fluir una gran corriente entre el emisor y el colector. Al convertir una pequeña corriente de entrada en una gran corriente de salida, el transistor actúa como un amplificador. Pero también actúa como un interruptor al mismo tiempo. Cuando no hay corriente en la base, poca o ninguna corriente fluye entre el colector y el emisor.

Enciende la corriente de base y fluye una gran corriente. Así que la corriente de base enciende y apaga todo el transistor. Técnicamente, este tipo de transistor se llama bipolar porque dos tipos diferentes (o “polaridades”) de carga eléctrica (electrones negativos y agujeros positivos) están involucrados en hacer que la corriente fluya.

También podemos entender un transistor pensando en él como un par de diodos. Con la base positiva y el emisor negativo, la unión entre la base y el emisor es como un diodo orientado hacia adelante, con electrones moviéndose en una dirección a través de la unión (de izquierda a derecha en el diagrama) y agujeros yendo en sentido contrario (de derecha a izquierda).

La unión del colector de base es como un diodo con polarización inversa. El voltaje positivo del colector atrae la mayoría de los electrones a través y dentro del circuito exterior (aunque algunos electrones se recombinan con agujeros en la base).

Cómo funciona un transistor de efecto de campo (FET)

Todos los transistores funcionan controlando el movimiento de los electrones, pero no todos lo hacen de la misma manera. Al igual que un transistor de unión, un FET (transistor de efecto de campo) tiene tres terminales diferentes, pero tienen los nombres de fuente (análogo al emisor), drenaje (análogo al colector) y puerta (análogo a la base).

En una FET, las capas de silicio tipo n y tipo p están dispuestas de una manera ligeramente diferente y recubiertas con capas de metal y óxido. Eso nos da un dispositivo llamado MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

Aunque hay electrones extra en la fuente tipo n y drenan, no pueden fluir de uno a otro debido a los agujeros en la puerta tipo p entre ellos. Sin embargo, si conectamos un voltaje positivo a la puerta, se crea un campo eléctrico que permite que los electrones fluyan en un canal delgado desde la fuente hasta el drenaje. Este “efecto de campo” permite que fluya una corriente y enciende el transistor.

En aras de la integridad, podríamos notar que un MOSFET es un transistor unipolar porque sólo un tipo (“polaridad”) de carga eléctrica está involucrado en hacerlo funcionar.

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