martes, 12 de junio de 2012

ELECTROTECNIA INDUSTRIAL / TRANSISTORES

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificadorosciladorconmutador o rectificador. El término «transistor» es la contracción en inglés de transfer resistor («resistencia de transferencia»). Actualmente se encuentran prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario: radios,televisoresreproductores de audio y videorelojes de cuarzocomputadoraslámparas fluorescentestomógrafosteléfonos celulares, etc.

Transistorer (croped).jpg
HISTORIA 

Varios historiadores de la tecnología consideran al transistor como "el mayor invento del siglo XX". Es el dispositivo electrónico básico que dio lugar a los circuitos integrados y demás elementos de la alta escala de integración.
Así como la Revolución industrial del siglo XIX se establece en base a la máquina de vapor de James Watt, puede decirse que la era de las comunicaciones ha podido establecerse en base al transistor.

OBJETIVOS INICIALES 
El transistor es un dispositivo de tres terminales que surge en los Laboratorios Bell de la AT&T. Se buscaba un conmutador de estado sólido para ser utilizado en telefonía y para reemplazar tanto a los relés como a los sistemas de barras. Luego se contempla la posibilidad de obtener el reemplazo de la válvula (o tubo) de vacío.
Quentin Kaiser escribió: "Si no hubiese sido por las microondas o el radar de UHF, probablemente nunca hubiéramos tenido la necesidad de detectores de cristal. Si no hubiéramos obtenido detectores de cristal, probablemente no habríamos tenido el transistor, salvo que hubiera sido desarrollado de algún modo completamente diferente". (Citado en “Revolución en miniatura” de E. Braun y S. Macdonald).

ANTECEDENTES FISICOS 
Se sabía que el contacto entre un alambre metálico y la galena (sulfuro de plomo II) permitía el paso de corriente en una sola dirección, tal como lo revelaron los trabajos de Ferdinand Braun. El radar, por otra parte, al emplear frecuencias elevadas, debía utilizar un detector eficaz, con muy poca capacidad eléctrica, por lo que no era conveniente el uso de los diodos de vacío. El diodo de estado sólido era esencial para esa finalidad. En la década de los cuarenta estaba completo el estudio teórico de los contactos semiconductor-metal.
Uno de los inventores del transistor, Walter Brattain, escribió: "Ninguno en la profesión estaba seguro de la analogía entre un rectificador de óxido de cobre y un tubo diodo de vacío y muchos tenían la idea de cómo conseguir poner una rejilla, un tercer electrodo, para hacer un amplificador".
Para modificar la conductividad de algunos semiconductores, se tuvo en cuenta los niveles de energía cuantificados de los átomos, que dan lugar a las bandas de energía cuando existen átomos distribuidos regularmente. El estudio del movimiento de los electrones en estas bandas, vislumbró la posibilidad de cambiar la conductividad eléctrica de algunos semiconductores agregando impurezas controladas adecuadamente, surgiendo así los materiales de tipo N y de tipo P.


ORIGEN DE LA DENOMINACION 
Un diodo surge al unir un material N con uno P, el transistor surge de una unión de tipo NPN, o bien PNP. La denominación "transistor" fue sugerida por J.R. Pierce, quién dijo: "…y entonces, en aquella época, el transistor fue imaginado para ser el dual del tubo de vacío, así si un tubo de vacío tenía transconductancia, éste debe tener transresistencia, y así llegué a sugerir «transistor»"

PATENTES DE INVERSION 
Para obtener las patentes de invención, luego de efectuarse las primeras pruebas, se lo mantuvo en secreto durante casi siete meses, hasta que se pudo detallar su funcionamiento en forma adecuada. Esta patente le fue concedida a John Bardeen y a Walter Brattainpor el transistor de punta de contacto. La patente del transistor de juntura (o unión), aparecido en 1951, le fue concedida a William Shockley. Sobre este último transistor, E. Braun y S. Macdonald escriben: "Es asombroso que Shockley hubiera formulado la teoría precisa del transistor de unión bipolar al menos dos años antes de que el dispositivo fuese producido".

COMPORTAMIENTO ELEMENTAL
Podemos hacernos una idea del comportamiento del transistor utilizando un circuito que utiliza una fuente de tensión continua, un indicador de corriente (miliamperímetro) y dos resistencias con sus respectivos interruptores. Estas resistencias se conectarán entre el colector y la base, mientras que la fuente se conectará entre colector y emisor.
Con ambos interruptores abiertos, no habrá corriente de base y el indicador de corriente, ubicado a la salida de la fuente, marcará una corriente nula. Si cerramos uno de los interruptores, habrá corriente de base y también de colector. Si cerramos ambos interruptores, habrá mayor paso de corriente. De ahí que podamos decir que el transistor se comporta como si fuese una resistencia cuyo valor es controlado por la corriente de base.

DEFINICION DE AMPLIFICACION 
Una definición elemental de amplificación fue dada por William Shockley: "Si usted toma un fardo de heno y lo ata a la cola de una mula y a continuación le prende fuego, y compara luego la energía disipada a partir de entonces por la mula con la energía disipada antes por usted en frotar el fósforo, entenderá plenamente el concepto de amplificación".

TIPOS DE TRANSISTOR 
TRANSISTOR DE CONTACTO PUNTUAL 
Llamado también transistor de punta de contacto, fue el primer transistor capaz de obtener ganancia, inventado en 1947 por John Bardeen y Walter Brattain. Consta de una base de germanio, semiconductor para entonces mejor conocido que la combinación cobre-óxido de cobre, sobre la que se apoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector. La corriente de base es capaz de modular la resistencia que se «ve» en el colector, de ahí el nombre de «transfer resistor». Se basa en efectos de superficie, poco conocidos en su día. Es difícil de fabricar (las puntas se ajustaban a mano), frágil (un golpe podía desplazar las puntas) y ruidoso. Sin embargo convivió con el transistor de unión (W. Shockley, 1948) debido a su mayor ancho de banda. En la actualidad ha desaparecido.
TRANSISTOR DE UNION BIPOLAR 
El transistor de unión bipolar, o BJT por sus siglas en inglés, se fabrica básicamente sobre un monocristal de Germanio, Silicio oArseniuro de galio, que tienen cualidades de semiconductores, estado intermedio entre conductores como los metales y los aislantescomo el diamante. Sobre el sustrato de cristal, se contaminan en forma muy controlada tres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedando formadas dos uniones NP.
La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P de aceptadores o «huecos» (cargas positivas). Normalmente se utilizan como elementos aceptadores P al Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga) y donantes N al Arsénico (As) oFósforo (P).
La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la característica de la base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen diferente contaminación entre ellas (por lo general, el emisor está mucho más contaminado que el colector).
El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá de dichas contaminaciones, de la geometría asociada y del tipo de tecnología de contaminación (difusión gaseosa, epitaxial, etc.) y del comportamiento cuántico de la unión.
TRANSISTOR DE UNION UNIPOLAR O DE EFECTO DE CAMPO 
El transistor de unión unipolar, también llamado de efecto de campo de unión (JFET), fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otro drenador. Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando a puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.
El transistor de efecto de campo, o FET por sus siglas en inglés, que controla la corriente en función de una tensión; tienen alta impedancia de entrada.
  • Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante una unión PN.
  • Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la compuerta se aísla del canal mediante un dieléctrico.
  • Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa Metal-Óxido-Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica y está separada del canal semiconductor por una capa de óxido. 

FOTOTRANSISTOR 

Los fototransistores son sensibles a la radiación electromagnética en frecuencias cercanas a la de la luz visible; debido a esto su flujo de corriente puede ser regulado por medio de la luz incidente. Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, sólo que puede trabajar de 2 maneras diferentes:
  • Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común);
  • Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación).



TRANSISTORES Y ELECTRONICA DE POTENCIA 

Con el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de los dispositivos semiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión y corriente ha permitido su uso en aplicaciones de potencia. Es así como actualmente los transistores son empleados en conversores estáticos de potencia, controles para motores y llaves de alta potencia (principalmente inversores), aunque su principal uso está basado en la amplificación de corriente dentro de un circuito cerrado.

TRANSISTOR BIPOLAR COMO AMPLIFICADOR
El comportamiento del transistor se puede ver como dos diodos (Modelo de Ebers-Moll), uno entre base y emisor, polarizado en directo y otro diodo entre base y colector, polarizado en inverso. Esto quiere decir que entre base y emisor tendremos una tensión igual a la tensión directa de un diodo, es decir 0,6 a 0,8 V para un transistor de silicio y unos 0,4 para el germanio.
Lo interesante del dispositivo es que en el colector tendremos una corriente proporcional a la corriente de base: IC = β IB, es decir, ganancia de corriente cuando β>1. Para transistores normales de señal, β varía entre 100 y 300.
Entonces, existen tres configuraciones para el amplificador:

EMISOR COMUN  


La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el colector. El emisor se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia tanto de tensión como de corriente y alta impedancia de entrada. En caso de tener resistencia de emisor, RE > 50 Ω, y para frecuencias bajas, la ganancia en tensión se aproxima bastante bien por la siguiente expresión: G_V = -\frac {R_C}{R_E} ; y la impedancia de salida, por RC

Como la base está conectada al emisor por un diodo en directo, entre ellos podemos suponer una tensión constante, Vg. También supondremos que β es constante. Entonces tenemos que la tensión de emisor es: V_E = V_B - V_g
Y la corriente de emisor: I_E = \frac {V_E}{R_E} = \frac {V_B - V_g}{R_E}.
La corriente de emisor es igual a la de colector más la de base: I_E = I_C + I_B = I_B  (\beta + 1) = I_C (1 + \frac {1}{\beta}). Despejando I_C = \frac {I_E}{1 + \frac {1}{\beta}}
La tensión de salida, que es la de colector se calcula como: V_C = Vcc - I_C R_C = Vcc - R_C \frac {I_E}{1 + \frac {1}{\beta}}
Como β >> 1, se puede aproximar: 1 + \frac {1}{\beta} = 1 y, entonces, V_C = Vcc - R_C I_E =  Vcc - R_C \frac {V_B - V_g}{R_E}
Que podemos escribir como V_C = (Vcc + R_C \frac {V_g}{R_E})- R_C \frac {V_B}{R_E}
Vemos que la parte (Vcc + R_C \frac {V_g}{R_E}) es constante (no depende de la señal de entrada), y la parte - V_B \frac {R_C}{R_E}nos da la señal de salida. El signo negativo indica que la señal de salida está desfasada 180º respecto a la de entrada.
Finalmente, la ganancia queda: G_V =\frac {V_C}{V_B} =- \frac {R_C}{R_E}
La corriente de entrada, I_B = \frac {I_E}{1+\beta}, que aproximamos por I_B = \frac {I_E}{\beta}=\frac {V_E}{R_E \beta}=\frac {V_B - V_g}{R_E \beta}.
Suponiendo que VB>>Vg, podemos escribir:I_B = \frac {V_B}{R_E \beta}
y la impedancia de entrada: Z_{in} = \frac {V_B}{I_B}=\frac {V_B}{\frac {V_B}{R_E \beta}}=R_E \beta
Para tener en cuenta la influencia de frecuencia se deben utilizar modelos de transistor más elaborados. Es muy frecuente usar el modelo en pi.

BASE COMUN 
La señal se aplica al emisor del transistor y se extrae por el colector. la base se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia sólo de tensión. La impedancia de entrada es baja y la ganancia de corriente algo menor que uno, debido a que parte de la corriente de emisor sale por la base. Si añadimos una resistencia de emisor, que puede ser la propia impedancia de salida de la fuente de señal, un análisis similar al realizado en el caso de emisor común, nos da la ganancia aproximada siguiente: G_V=\frac {R_C}{R_E}.

La base común se suele utilizar para adaptar fuentes de señal de baja impedancia de salida como, por ejemplo, micrófonos dinámicos.

COLECTOR COMUN

La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. El colector se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia de corriente, pero no de tensión que es ligeramente inferior a la unidad. La impedancia de entrada es alta, aproximadamente β+1 veces la impedancia de carga. Además, la impedancia de salida es baja, aproximadamente β veces menor que la de la fuente de señal.




EL TRANSISTOR BIPOLAR FRENTE A LA VAVULA TERMOIONICA 

Antes de la aparición del transistor los ingenieros utilizaban elementos activos llamados válvulas termoiónicas. Las válvulas tienen características eléctricas similares a la de los transistores de efecto campo (FET): la corriente que los atraviesa depende de la tensión en el borne de comando, llamado rejilla. Las razones por las que el transistor reemplazó a la válvula termoiónica son varias:

  • Las válvulas necesitan tensiones muy altas, del orden de las centenas de voltios, que son peligrosas para el ser humano.
  • Las válvulas consumen mucha energía, lo que las vuelve particularmente poco útiles para el uso con baterías.
  • Probablemente, uno de los problemas más importantes haya sido el peso. El chasis necesario para alojar las válvulas y los transformadores requeridos para su funcionamiento sumaban un peso importante, que iba desde algunos kilos a decenas de kilos.
  • El tiempo medio entre fallas de las válvulas termoiónicas es muy corto comparado con el de los transistores, sobre todo a causa del calor generado.
  • Las válvulas presentan una cierta demora en comenzar a funcionar, ya que necesitan estar calientes para establecer la conducción.
  • El transistor es intrínsecamente insensible al efecto microfónico, muy frecuente en las válvulas.
  • Los transistores son más pequeños que las válvulas, incluso que los nuvistores. Aunque existe unanimidad sobre este punto, conviene hacer una salvedad: en el caso de dispositivos de potencia, estos deben llevar un disipador, de modo que el tamaño que se ha de considerar es el del dispositivo (válvula o transistor) más el del disipador. Como las válvulas pueden funcionar a temperaturas más elevadas, la eficiencia del disipador es mayor en ellas que en los transistores, con lo que basta un disipador mucho más pequeño.
  • Los transistores trabajan con impedancias bajas, o sea con tensiones reducidas y corrientes altas; mientras que las válvulas presentan impedancias elevadas y por lo tanto trabajan con altas tensiones pequeñas corrientes.
  • Finalmente, el costo de los transistores no solamente era muy inferior, sino que contaba con la promesa de que continuaría bajando (como de hecho ocurrió) con suficiente investigación y desarrollo.
Como ejemplo de todos estos inconvenientes se puede citar a la primera computadora digital, llamada ENIAC. Era un equipo que pesaba más de treinta toneladas y consumía 200 kilovatios, suficientes para alimentar una pequeña ciudad. Tenía alrededor de 18.000 válvulas, de las cuales algunas se quemaban cada día, necesitando una logística y una organización importantes.
Cuando el transistor bipolar fue inventado en 1947, fue considerado una revolución. Pequeño, rápido, fiable, poco costoso, sobrio en sus necesidades de energía, reemplazó progresivamente a la válvula termoiónica durante la década de 1950, pero no del todo. En efecto, durante los años 1960, algunos fabricantes siguieron utilizando válvulas termoiónicas en equipos de radio de gama alta, como Collins y Drake; luego el transistor desplazó a la válvula de los transmisores pero no del todo de los amplificadores de radiofrecuencia. Otros fabricantes, de equipo de audio esta vez, como Fender, siguieron utilizando válvulas en amplificadores de audio para guitarras. Las razones de la supervivencia de las válvulas termoiónicas son varias:
  • El transistor no tiene las características de linealidad a alta potencia de la válvula termoiónica, por lo que no pudo reemplazarla en los amplificadores de transmisión de radio profesionales y de radioaficionados sino hasta varios años después.
  • Los armónicos introducidos por la no-linealidad de las válvulas resultan agradables al oído humano , por lo que son preferidos por los audiófilos.
  • El transistor es muy sensible a los efectos electromagnéticos de las explosiones nucleares, por lo que se siguieron utilizando válvulas termoiónicas en algunos sistemas de control-comando de aviones caza de fabricación soviética.
  • Las válvulas son capaces de manejar potencias muy grandes, impensables para los transistores en sus comienzos; sin embargo a través de los años se desarrollaron etapas de potencia con múltiples transistores en paralelo capaces de conseguirlo.