La humanidad llegó a la Luna en el verano de 1969. La pisaron dos astronautas, Neil Armstrong y Edwin Aldrin. Alunizaron a bordo de un modulo lunar llamado Eagle en una zona conocida como Mare Tranquillitatis. Mientras, otra cápsula llamada Columbia pilotada por Michael Collins, el módulo de mando, se quedó orbitando la Luna a la espera de la vuelta y del reacoplamiento del Eagle para regresar a La Tierra. Cada uno de los módulos llevaba un ordenador, de los más avanzados de la época. Ahora bien, su potencia ni se acercaría a la centésima parte de los que llevamos hoy en día en nuestros bolsillos. Estaba construido a base de transistores bipolares, entre otras cosas. Estos dispositivos jugaron un importante papel en aquella gran hazaña humana.
El transistor se inventa a finales de la década de los 40 (1947) por un equipo de investigadores de los laboratorios Bell de Nueva York pertenecientes a la compañía AT&T (la gigante de las comunicaciones en los USA): John Bardeen y Walter Brattain, ambos bajo la tutela de William Shockley. John y Walter inventan un modelo de transistor que no era el bipolar al margen de su jefe. Shockley lo analiza, y por su cuenta, pocos días después, inventa el bipolar.
Pupilos y jefe tuvieron sus más y sus menos, y ambos presentaron patentes de diseños de transistores diferentes por separado. A Shockley se le concede la del transistor de unión o bipolar (BJT) en 1951. Posteriormente, los tres recibieron el premio nobel de física en 1956. Se suele decir que lo que descubrieron supuso para la era digital, iniciada en el siglo XX, algo similar al descubrimiento de la máquina de vapor para la revolución industrial de segunda mitad del XVIII y primera del XIX. En definitiva, que podemos considerarlo el invento del siglo, y el inicio de la Era de la Información…
¿Para qué sirve un transistor?
Creo que es interesante de inicio situar el contexto de por qué es tan importante este dispositivo. Para ello vamos a describir de entrada cuál es su utilidad. A grandes rasgos podemos decir que es un dispositivo electrónico con una entrada y una salida que puede usarse para dos cometidos fundamentalmente:
Conmutación: dependiendo del valor en la entrada puede comportarse a la salida como un circuito abierto o como un circuito cerrado.
Amplificación: a partir de una señal de entrada puede obtenerse la misma señal a la salida pero mucho más grande, es decir, amplificada.
En este punto, cabría la pregunta: ¿Y esto es tan importante para la era digital? La respuesta no es evidente, pero podemos anticipar que lo es, y mucho. Nuestro objetivo en este artículo es poner de relieve sus características, y contribuir con ello a responder a esta pregunta. En otros artículos en este mismo blog podrán verse ejemplos de su uso para crear puertas lógicas y biestables. Podrá verse como estos dispositivos permiten desarrollar todo el hardware de la electrónica digital, y de ahí su enorme relevancia.
Nos vamos a centrar en el modo que más nos interesa, que es el de su uso como conmutador electrónico, ya que es el determinante para el desarrollo de la Informática. Su uso como amplificador está más relacionado con la electrónica analógica para el tratamiento de señales.
Cuando actua como conmutador manifiesta un comportamiento dual en la salida, entonces podríamos por ejemplo, asociar un 1 al estado de circuito abierto en la salida; y un 0 al estado de circuito cerrado en la salida. La asociación podría hacerse a la inversa sin problema alguno. No es importante el estado que se asigne a 0 o a 1, lo importante es que el dispositivo permite conmutar entre estos dos estados a demanda, y esto es algo que es asociable al sistema aritmético binario.
Podemos, por ejemplo, crear un circuito con transistores cuya diferencia de potencial en la salida cuando el transistor está en circuito abierto es de 5V, y a esos 5V podemos convenir asociarles un «1»; y cuando está en cerrado habrá 0V a la salida, a lo que podríamos asociar un «0». Como hemos comentado, la salida depende de la entrada. En el modo conmutación, esta dependencia podemos considerar que funciona de la siguiente manera: si en la entrada establecemos 5V, el transistor bipolar se comporta de forma que en la salida establece 0V, y viceversa.
Por tanto, estamos hablando de un artilugio electrónico que podríamos usar como un inversor de dígitos binarios. Si en la entrada proporcionamos un «1», devuelve un «0»; y si proporcionamos un «0», devuelve un «1». Simple, ¿Verdad?. Es de este tipo de cosas, con las que nos encontramos a veces en la ciencia o en la ingeniería, en las que lo que parecen unos simples postulados de partida, se tornan luego en tremendas implicaciones cuando se profundiza en ellos y se ve todo su potencial.
Lo fundamental es que combinando varios de estos dispositivos pueden construirse de forma bastante simple circuitos para resolver cualquier operación lógica entre números binarios: AND, NAND, OR, NOR, etc. Estas operaciones lógicas son uno de los fundamentos de la Informática. Con ellas se pueden construir circuitos combinacionales con los que resolver operaciones aritméticas y lógicas: sumadores, codificadores, multiplexores, etc. Además, téngase en cuenta que el hecho de poder utilizar números binarios como operandos implica que se pueden utilizar números en cualquier base, solo bastaría con transformarlos antes a binario.
Si los circuitos con transistores funcionando en conmutación los conectamos de determinada manera podemos almacenar en ellos estados (estado 1 o estado 0), y podemos hacer que el estado siguiente dependa del anterior. Se pueden construir así, lo que se llaman circuitos electrónicos secuenciales; que son el otro pilar fundamental en el que se apoya la Informática. Con ellos se crean contadores, registros de desplazamiento, relojes, memorias vólatiles, etc. En general lo que se conoce como autómatas finitos.
Con estos circuitos combinacionales y secuenciales se construyen microprocesasores que nos llevan a la tecnología que a día de hoy usamos de forma cotidiana. Ya puede intuirse que esto situa a los transistores como uno de los pilares básicos sobre los que sustenta el desarrollo del mundo en el que vivimos.
Una vez comentado para que sirven, nos vamos a adentrar en detalles más técnicos para conocer como funcionan internamente. Para seguir es aconsejable contar previamente con nociones de semiconductores, así como conocer los fundamentos de la unión PN. Por tanto, en caso de que sea necesario ponerse al día sobre estos prerrequisitos, recomiendo leer los artículos de este mismo blog relacionados con ellos antes de seguir adelante. Por este orden, primero semiconductores, y luego unión PN.
¿Cómo es un transistor bipolar?
Un transistor bipolar (BJT) está formado por dos uniones PN, y en función de como estén establecidas las uniones pueden ser de dos tipos PNP o NPN:
Las regiones entre las uniones PN se denominan Emisor, Base y Colector. Normalmente el Emisor está fuertemente dopado. Si es tipo N, tendrá muchos electrones. Si es tipo P, tendrá muchos huecos. Va a ser el que emita electrones si es de tipo N o «huecos» si es de tipo P. La región de la base suele ser muy estrecha y es la de menor tamaño. El colector suele estar menos dopado y suele ser la región de mayor tamaño.
Si echamos un vistazo a nivel energético, tenemos la siguiente distribución de electrones y huecos en las bandas de energía en el equilibrio:
Podemos ver como por difusión se han establecido equilibrios de electrones por encima de la energía de conducción y de huecos por debajo de la energía de valencia en cada una de las regiones. Lo que va a suceder si polarizamos alguna de las uniones PN, es que se van a producir ajustes entre estas bandas de energía posibilitando en mayor o menor medida la circulación de electrones y huecos. Consiguiéndose así el paso de la corriente eléctrica.
Además veremos que en función de la intensidad de corriente que hagamos pasar por la unión polarizada influiremos en la polarización de la otra región. Una vez se alcance un valor de la intensidad de corriente llamado intensidad de saturación, habremos puesto el transistor en un modo de funcionamiento en el que las dos uniones están polarizadas directamente. Entonces la corriente eléctrica puede fluir por él prácticamente como si fuera un circuito cerrado, como si de un «cable» se tratase. Conseguiremos así el «0». Cuando no existe polarización en ninguna de las uniones o esta es inversa en ambas, se comportará como un circuito abierto, consiguiendo así el «1». Estas dos formas de funcionamiento se conocen como saturación y corte respectivamente. Son los estados entre los que puede conmutar un transistor y, como puede intuirse, son los que se usan en la electrónica digital.
Funcionamiento del transistor en Corte
Cuando aplicamos voltajes sobre terminales conectados a cada una de las regiones del transistor, podemos establecer el modo de funcionamiento en el que queremos colocar al transistor. Si queremos que el transistor funcione en Corte, debemos polarizar las dos uniones de forma inversa. En este caso el transistor será un circuito abierto por el que no pasará corriente eléctrica.
Veamos primero como situar un transistor PNP en Corte, supondremos que aplicamos una fuente con 5V a Emisor y Base y dejamos a 0V el Colector. De esta manera la parte de la Base en la unión Emisor-Base está a mayor potencial que el Emisor. Además la unión Colector-Base también queda polarizada en inversa aumentando el campo de la zona de agotamiento debido a una diferencia de potencial externa aplicada:
Si echamos un vistazo al diagrama de bandas de energía podemos ver claramente que en este modo de Corte no es posible la conducción de la electricidad al no haber prácticamente electrones en las tres regiones por encima de la energía de conducción mayor, ni huecos por debajo de la energía de valencia menor:
Veamos ahora el un diagrama de como situar un transistor NPN en Corte, aplicaremos 5V al Colector, Base y Emisor los dejaremos a tierra a 0V. Vemos como en la unión Base-Emisor el Emisor está a mayor potencial que la base, y que la unión Base-Colector está inversamente polarizada por una diferencia de potencial externa, con lo que aumenta el campo en la zona de agotamiento de la unión la diferencia de potencial en ella:
A nivel energético vemos de nuevo que no es posible la conducción eléctrica al no haber electrones, ni huecos disponibles para moverse entre las tres regiones:
Funcionamiento del transistor en Saturación
Para situar el funcionamiento del transistor en modo de saturación debemos conseguir que los voltajes de ambas uniones PN estén en polarización directa. Entonces el transistor deja pasar corriente eléctrica a través de él como si fuera prácticamente un cable o circuito cerrado.
Veamos en primer lugar el estado de saturación en un transistor PNP. Al estar las dos uniones PN polarizadas directamente dejan pasar el flujo de electrones. Al ser la Base mucho más estrecha, la corriente de electrones que fluye desde la Base es muy pequeña y prácticamente todo el flujo se va hacia el Emisor.
Téngase en cuenta que en todo momento hablamos de flujo de electrones, pero también podríamos hablar de flujo de huecos, ya que los electrones van saltando entre los huecos. El flujo de huecos iría en sentido contrario al mostrado en la imagen, del Emisor al Colector. También debe tenerse en cuenta que la intensidad de corriente normalmente se muestra en sentido contrario al flujo de electrones. Si quisiéramos dibujar en sentido de la intensidad de corriente, coincidiría en este caso con el flujo de huecos, y serían flechas en sentidos contrarios a los mostrados en la imagen.
A nivel energético podemos apreciar que en el estado de Saturación pueden ya establecerse los dos tipos de flujos tanto de electrones, como huecos entre las tres regiones, y se generará corriente electrica entre los puntos mayor y menor potencial:
En relación con los voltajes mostrados, indicar que deben considerarse meramente orientativos a nivel didáctico, ya que son usados para facilitar la compresión. Se han elegido para ilustrar claramente si se trata de polarización inversa o directa. En los diseños de circuitos reales con transistores, normalmente se usan resistencias para establecer los voltajes e intensidad deseada en cada uno de los terminales de los transistores dependiendo de las especificaciones de los fabricantes. Estas se pueden ver en detalle en los datasheets que publican para cada modelo de transistor. Al final del artículo podrá verse un diseño en el que se hace uso de esta técnica.
Si analizamos ahora el caso del transistor tipo NPN, vemos que ocurre algo similar, al estar las dos uniones PN polarizadas directamente dejan pasar el flujo de electrones. Al ser la base mucho más estrecha, la corriente de electrones que fluye hacia la base es muy pequeña y prácticamente todo el flujo se va hacia el colector.
A nivel energético en el caso NPN tenemos algo parecido, lo único que cambia es el sentido de las corrientes de difusión entre las tres regiones:
Recta de Carga
Una vez vistos los estados de Corte y Saturación, creo existe un muy buen ejercicio para comprender mejor como se producen estos estados. Se trata de ver que camino se sigue para la transición de un estado al otro. Esto pone en evidencia casi todos los matices importantes del comportamiento de un transistor, y creo que es de gran importancia para comprender bien los fundamentos de estos dispositivos.
Para ello nos vamos a ayudar de una gráfica muy típica cuando hablamos de transistores bipolares, la gráfica IC-VCE, que normalmente proporcionan los fabricantes. En ella podemos ver una secuencia de curvas a intensidad de Base constante, que va incrementándose, que nos indican como evoluciona el voltaje Colector-Emisor en función de la intensidad que pasa por el Colector, o si se quiere al revés, como evoluciona la intensidad de Colector en función del voltaje Colector-Emisor. Sobre estas curvas vamos a dibujar lo que se conoce como Recta de Carga. Veremos que esa recta es el camino que sigue un transistor en el paso del estado de Corte al de Saturación, y viceversa.
Para ayudarnos en el trabajo con la Recta de Carga usaremos un circuito simple de ejemplo. En el vamos a usar un transistor bipolar de tipo NPN, y vamos a elegir la resistencia RC para que la intensidad que circule por el transistor cuando esté en Saturación sea 6mA [10V/0,006A=1,7KΩ]:
Llevándonos estos datos a la gráfica IC-VCE, que podemos suponer que es la proporcionada por el fabricante, nos daría la siguiente Recta de Carga. Ella muestra el camino que van a seguir los parámetros IC y VCE del transistor en función de la intensidad que vayamos proporcionando en la unión Base-Emisor:
En un principio vamos a dejar abierto el interruptor que tiene el circuito. En esta situación, no hay diferencia de voltaje entre la unión Base-Emisor y por lo tanto no circula corriente por ella. Tendremos el transistor en Corte. Estaremos en el punto rojo (Corte) de la gráfica anterior.
Veamos que sucede si cerramos el interruptor. La unión PN Base-Emisor se polarizará en directa, al ser mayor el potencial en la Base que en el Emisor. Supongamos que resistencia variable Rb tiene un rango de 50KΩ-500KΩ, y que la tenemos en la posición de 430KΩ. Con esta resistencia vamos a regular la intensidad que pasa por la Base, que en este caso es de 10µA aproximadamente [(5V-0,7V)/430KΩ=10µA]. Siguiendo la gráfica de la Recta de Carta, la intensidad de Colector habrá subido, y la diferencia de potencial entre Colector-Emisor habrá disminuido un poco, situándose en los 7V:
Si seguimos bajando la resistencia de Base Rb, esto incrementará la intensidad de Base y seguiremos ascendiendo por la Recta de Carga. La intensidad de Colector continuará aumentando también, y el voltaje Colector-Emisor seguirá disminuyendo. Entonces llegará un momento en el que el voltaje del Colector será menor que el de la Base y la unión PN Base-Colector entrará también en polarización directa. Esto hará que la intensidad de Colector llegué a la Intensidad del punto de Saturación que hayamos elegido, 6mA en el ejemplo. De ahí ya no pasará, aunque sigamos bajando la resistencia Rb e incrementando con ello la intensidad de la Base. El transistor habrá pasado a funcionar en modo Saturación, y ya prácticamente no habrá diferencia de potencial entre Colector y Emisor:
Por tanto, así es como llegamos desde el Corte a la Saturación, subiendo por la Recta de Carga. Puede intuirse que pasar de la Saturación al Corte sigue el camino inverso, bajando por la Recta de Carga. La zona situada entre los puntos de Corte y Saturación se llama Zona Activa. Es en esta zona en la que debemos situar al transistor, si queremos usarlo para amplificación.
Por no extenderme demasiado en el artículo y para ayudar a los que quieran reflexionar sobre lo comentado, sugiero como ejercicio deducir el comportamiento de un circuito de características similares con transistor PNP. Dejo propuesta del posible circuito que puede usarse:
Para finalizar, si os parece, veamos todo esto desde el punto de vista del diagrama de bandas de energía. Hasta ahora hemos hablado de los diagramas de energía para los estados de Corte y Saturación, pero para que la visión sea completa tenemos que analizar que sucede en los puntos intermedios de la Zona Activa. Para ello, vamos a situarnos en el siguiente punto de la recta de carga:
La diferencia de potencial entre el Colector y el Emisor son aproximadamente 3V, y la intensidad de Base que estamos proporcionando son 30µA. Representando las regiones para el tipo PNP tenemos que la unión Base-Emisor está polarizada directamente y permite el paso de electrones desde la Base al Emisor y huecos en sentido contrario.
Además, el hecho que se genere corriente de huecos desde Emisor a Base hace que algunos huecos sean arrastrados hacia la unión Base-Colector debido al campo favorable en esta unión, así como electrones del Colector son arrastrados a la Base también por el campo. Nótese que la corriente de electrones (suma de electrones y huecos que se mueven) generada entre Colector y Emisor va creciendo, pero no llega aún al tamaño de la corriente presente en Saturación. Recuérdese que la corriente de huecos iría en sentido contrario a la flecha de la siguiente imagen, y que realmente es una corriente de electrones en el sentido de la flecha:
A nivel energético vemos las bandas de la unión Base-Emisor equilibradas, permitiendo la difusión de electrones y huecos. Además, vemos como las bandas de la unión Base-Colector van bajando conforme nos vamos acercando a la Saturación. Se aprecia el arrastre de huecos y electrones por el campo presente en la unión Base-Colector.
Para el transistor NPN podemos observar que el comportamiento es análogo al descrito para el PNP. Tenemos la unión Base-Emisor está directamente polarizada permitiendo la circulación de electrones desde el emisor a la base y huecos en sentido contrario. Además, aparece la corriente de electrones desde el Emisor al Colector, en la que aparte de la difusión se produce arrastre debido al campo presente en la unión Base-Colector. Huecos del colector también son arrastrados por el campo de esta unión. Recuérdese que el movimiento de huecos no es mas que el movimiento de electrones saltando entre los huecos en sentido contrario.
También aquí vemos las bandas de la unión Base-Emisor equilibradas, permitiendo la difusión de electrones y huecos. Además, vemos como las bandas de la unión Base-Colector van subiendo conforme nos vamos acercando a la Saturación. Se aprecia el arrastre de huecos y electrones por el campo presente en la unión Base-Colector.
Con lo que ya sabemos podemos ver al transistor bipolar como un interruptor ON/OFF, que además lleva incorporada de serie una regulación de caudal de intensidad entre el ON y el OFF; una especie de Dimmer. Esta regulación como hemos visto la podemos llevar a cabo con la intensidad de Base. Cuando no tenemos intensidad de Base podemos considerar que estamos en OFF, lo que conocemos como estado de Corte.
Debemos polarizar en directo la unión PN Base-Emisor para salir del OFF. Una vez polarizada esta unión, podemos ir subiendo la intensidad de Base y la intensidad Colector-Emisor irá multiplicándose por un factor de escala. A este factor se le conoce comúnmente como β o hfe. Digamos que tendríamos un ON parcial o un ON no total. En esta zona el transistor actúa como regulador de caudal de intensidad Colector-Emisor mediante la intensidad de Base. Es la llamada Zona Activa y es usada en la electrónica analógica sobre todo en la amplificación de señales.
Si seguimos subiendo la intensidad de Base, llegará un punto en el que, por mucho que la incrementemos, la intensidad Colector-Emisor no podrá multiplicarse más, y ahí estaremos en el ON total. Habremos llegado al estado de Saturación.
En la electrónica digital en la que se basa la informática, como ya habíamos anticipado, nos van a interesar los estados OFF y ON de este tipo de dispositivos. Esta capacidad de conmutación entre dos estados es lo que permite usarlos para realizar operaciones en binario, y en base a ello se construye todo.
Para terminar indicar, como comentábamos al principio, que para llegar a la Luna se usaron transistores bipolares en los circuitos integrados de los computadores que llevaban los diferentes módulos. No obstante, en la actualidad y en general, ya no se usan los transistores bipolares para la construcción de microprocesadores. Se usan otro tipo de transistores de los que también hablaremos: los transistores de efecto de campo.
Bibliografía
- Singh J. Dispositivos Semiconductores. 1a ed. McGraw Hill; 1997.
- Pierret RF. FUNDAMENTOS DE SEMICONDUCTORES. 2a ed. Addison-Wesley Iberoamericana; 1994.
- Leñero Bardallo JA. Fundamentos de La Electrónica y Los Semiconductores. 1a ed. Editorial UCA; 2018.
