¿Qué es un transistor?
Un transistor, también conocido como un BJT (Transistor de Unión Bipolar), es un dispositivo semiconductor impulsado por corriente, que puede ser utilizado para controlar el flujo de corriente eléctrica en la que una pequeña cantidad de corriente en el conductor base controla una mayor cantidad de corriente entre el Colector y el Emisor. Se pueden utilizar para amplificar una señal débil, como un oscilador o un interruptor.
Suelen estar fabricados de cristal de silicio donde se intercalan las capas de semiconductor de tipo N y P. Consulte la Figura 1 a continuación.
Figura 1: La figura 1a muestra un corte 2N3904 A-92 que revela los terminales de Emisor E, Base B y Colector C unidos al silicio. La figura 1b está tomada de la edición de mayo de 1958 de la Revista Radio-Electronics2 y muestra los cortes de capa de tipo N y P y arreglos (cuya referencia en ese momento era como material de germanio).
Los transistores son sellados herméticamente y con carcasa de plástico o una cubierta metálica con tres terminales (Figura 2).
Figura 2: Una comparación en tamaño y una gran variedad de tipos de paquetes populares.
¿Cómo funciona un transistor?
Por ejemplo, vamos a mostrar cómo funciona un transistor NPN. Una forma sencilla de ver su función como un interruptor es pensar en el agua que fluye a través de un tubo, controlada por una válvula. La presión del agua representa la 'Tensión' y el agua que fluye a través de un tubo representa la 'Corriente' (Figura 3). Los tubos grandes representan la unión del Colector/Emisor con una válvula entre ellos, expresado en la figura como un óvalo gris, como una tapa móvil, que es accionada por la corriente desde un pequeño tubo que representa la base. La válvula mantiene la presión del agua que fluye desde el Colector al Emisor. Cuando el agua fluye a través del tubo más pequeño (la Base), abre la válvula entre la unión del Colector/Emisor, permitiendo que el agua fluya a través del Emisor, y luego a Tierra (Tierra representa el regreso para la Tensión/Corriente del agua).
Figura 3: Esta representación gráfica ilustra cómo funciona un transistor. Cuando el agua fluye a través del tubo más pequeño (Base), abre la válvula entre la unión del Colector/Emisor, permitiendo que el agua fluya a través del Emisor a Tierra.
Elegir un transistor para su aplicación
Si desea simplemente encender un circuito o interruptor en una carga, hay ciertas cosas que usted debe considerar. Determine si desea polarizar o energizar su transistor con corriente positiva o negativa (p. ej. Tipo NPN o PNP, respectivamente). Un transistor NPN es impulsado (o activado) por corriente positiva polarizada en la base para controlar el flujo de corriente del Colector al Emisor. Los transistores de tipo PNP están impulsados por una corriente negativa polarizada en la base para controlar el flujo del Emisor al Colector. (Note que la polaridad para PNP se invierte desde NPN). Consulte la Figura 4 a continuación para más detalles.
Ejemplos de circuitos de transistores
La figura 5 muestra un ejemplo de circuito que activa la unión de Colector-Emisor energizando la Base, o polarizando el transistor para encenderlo, llevando 5 voltios a la base mediante un conmutador deslizante. En este ejemplo, se ilumina un LED que es la carga en este caso. El uso adecuado de resistencias para evitar la sobreintensidad es necesario cuando se polariza la base. Personalmente he usado piezas con conductores en una placa de pruebas para probar mi ejemplo del circuito. La mayoría de los ingenieros utilizan componentes de montaje en superficie (mucho menor tamaño, luego un paquete TO-92) en lo que se refiere al uso de transistores en un nuevo diseño del producto que va al mercado. Aquí hay un enlace que muestra diversos tamaños de paquete para transistores 3904.
Ya que el 2N3904 es un transistor NPN, la base necesita polarización positiva (apropiados niveles de tensión y resistencia) para activar la unión de colector-emisor para un flujo de corriente adecuado. El uso de una resistencia de carga (R1) también es importante, para que no haya demasiada corriente circulando a través del LED y el transistor. Para obtener más información sobre este transistor, vea la hoja de datos de 2N3904.
Figura 5: Ejemplo de circuito 2N3904 para la iluminación de un LED con un interruptor deslizante EG1218 que muestra los pines C (Colector), E (Emisor) y B (Base) (Imagen realizada en Scheme-it).
La figura 6 es un ejemplo de circuito de luz nocturna con un transistor PNP. Para ver los detalles de este circuito, hay un enlace al sitio wiki de ingeniería de Digi-Key y búsqueda de PNP de luz nocturna.
Figura 6: Ejemplo de circuito 2N3906 de luz nocturna para la iluminación de un LED con una célula fotoeléctrica PDV-P5003 (Imagen realizada en Scheme-it)
Breve historia de la invención del transistor
¿Cómo empezó todo? Esta madriguera de conejos es muy profunda; sin embargo, voy a comenzar con la invención del teléfono. Hay muchos argumentos acerca de quién inventó en realidad el primer prototipo eléctrico capaz de funcionar, sin embargo, fue Alexander Graham Bell quien, el 7 de marzo de 1876 3 obtuvo la primera patente, y luego fundó la empresa American Telephone and Telegraph (conocida como AT&T). Alrededor de 18941 la patente de Bell expiró. Aunque AT&T dominó el mercado de telefonía hasta comienzos de la década de 1900, se formaron otras empresas y las mismas comenzaron a llevarse los clientes de AT&T. A causa de esto, la empresa sentía la necesidad de seguir dominando y ampliar su mercado. En 1909, el Presidente de AT&T Theodore Vail1 realizó el intento de transmitir llamadas telefónicas transcontinentales (de Nueva York a California). Pero para ello necesitaban un buen amplificador o repetidor para impulsar las señales que viajan largas distancias. Anteriormente, en 1906, Lee De Forest había tomado prestada una idea de John A. Fleming (quien tomó el trabajo de Thomas Edison, creando un dispositivo de tubo de vacío llamado "válvula de oscilación" que se utiliza para detectar las ondas de radio), modificado para crear el Triodo - un ineficaz tubo de vacío de 3 terminales que podría ser utilizado como un amplificador. En 1912 Forest fue invitado por Harold Arnold de la empresa Western Electric Company (fabricante de AT&T) para presumir de su invención. Aunque el Triodo de Forest logró funcionar en bajas tensiones, Arnold necesitaba trabajar a voltajes más altos para hacer efectivos los repetidores para la transmisión de voz a través de largas distancias. Arnold creía que podía fabricar un Triodo mejor y así contrató a un número de científicos para comprender cómo funcionaba el dispositivo y cómo él podría mejorarlo. En octubre de 1913, logró el éxito. Poco después se instalarían líneas telefónicas en todo el mundo. Las inversiones que AT&T realizó al contratar a los mejores científicos a lo largo de los años les hizo darse cuenta que hacer una investigación más profunda les daría una ventaja competitiva sobre sus competidores y así formaron la empresa "Bell Telephone Laboratories" en 1925.
Se necesitaban muchos miles de tubos de vacío y relés para mantener las líneas telefónicas en funcionamiento. Sin embargo, los tubos de vacío requerían gran cantidad de energía, tenían gran tamaño y se quemaban con frecuencia. Con su aprendizaje sobre la evolución de la tecnología de la Segunda Guerra Mundial en relación al rectificador de cristal utilizado para activar el radar, Mervin Kelly, Director de Investigación de la empresa Bell, tuvo un indicio de que los semiconductores (dispositivos de estado sólido) podrían ser la respuesta a la creación de un dispositivo que eventualmente reemplazaría a los caros y poco confiables tubos de vacío. Kelly acudió a uno de sus brillantes físicos, William Shockley, para explicarle su visión de cómo mejorar los componentes utilizados para transmitir voz a través de cables. Kelly expresó sus ideas acerca de que le complacería mucho saber que los ruidosos relés mecánicos y los tubos de vacío, grandes consumidores de energía, podrían algún día ser reemplazados por dispositivos electrónicos de estado sólido. Esto le sonó muy bien a Shockley y se convirtió en su principal objetivo. Kelly puso a Shockley a cargo de encontrar una manera de hacer que esto sucediera.
Era un brillante teórico pero no tan bueno en la construcción de sus ideas. Shockley había realizado varios intentos para probar una idea que tenía sobre la transferencia de electrones de efecto de campo para conectar las dos caras de un semiconductor activando una placa encima de los semiconductores. Su experimento fue infructuoso. Frustrado, se dirigió a otros dos físicos de los laboratorios Bell, John Bardeen (brillante con la teoría de los electrones en los semiconductores) y Walter Brattain (genial con el prototipo y el uso de equipo de laboratorio). Pasaron a formar parte de su equipo. Shockley permitió al equipo trabajar por su propia cuenta. A lo largo de los años, se realizaron muchos intentos para lograr que el efecto de campo funcione, pero nunca lo hizo. Revisaron sus cálculos y en teoría esto debería haber funcionado. Pensando creativamente, Bardeen y Brattain experimentaron con finas capas de silicio y germanio intentando conseguir que el efecto de campo funcionara. En el otoño de 1947 hubo un signo de progreso cuando Brattain debía enfrentar problemas con la condensación de agua sobre la superficie del semiconductor. En lugar de secar el agua, colocó una gota de agua en la parte superior del silicio, energizó la placa encima de él, y notó un efecto amplificador. La gota de agua ayudó a superar la barrera de la superficie que contribuyó a crear el flujo de electrones, pero era lento y no se podían amplificar de manera clara las señales de voz necesarias para transmitir la voz.
En diciembre de 1947 (señalado como el Mes del Milagro) pensaron eliminar la brecha de efecto de campo, mediante la extracción del agua y la creación de un contacto de oro para tocar el semiconductor. Cambiaron al germanio, que era más fácil de trabajar en ese momento, y lo aislaron con una fina película de óxido que naturalmente se forma sobre el germanio. Realizaron muchas pruebas sin éxito. Luego, a mediados de diciembre, aparentemente por accidente, Walter Brattain había retirado sin darse cuenta la capa de óxido, ¡haciendo contacto del oro directamente con el germanio! ¡Bingo! Había descubierto una buena amplificación y el transistor era funcional. En lugar de sacar los electrones a la superficie del semiconductor, como era la teoría de Shockley sobre el efecto de campo, Brattain y Bardeen habían descubierto que poniendo en contacto el semiconductor con un contacto de oro, se inyectaban los orificios en el semiconductor, permitiendo el flujo de electricidad. A mediados de diciembre de 1947, sin el conocimiento de Shockley, comenzaron a crear un prototipo operativo. Brattain armó un aparato en la forma de un triángulo de plástico con lámina de oro a lo largo de los bordes inclinados y realizó una fina hendidura en el punto del triángulo. Resultó un prototipo extremadamente rudimentario. Utilizaron un clip de papel en un resorte para presionar el triángulo en el delgado semiconductor de germanio, en la parte superior de una delgada placa de cobre, donde había dos cables, uno en cada extremo del triángulo. La capa de cobre bajo la capa de germanio sirvió como el 3er conductor, de alguna manera (Figura 7). Acabó recibiendo el nombre de Transistor de Punto de Contacto.
Brattain y Bardeen llamaron a Shockley para comunicarle la buena noticia. En esos logros, declaró Shockley, había una mezcla de emociones, me sentía feliz de que fuese funcional pero decepcionado de que no lo había podido crear yo directamente. La demostración a los superiores de Shockley llegaría una semana más tarde, el 23 de diciembre de 1947 (se anunció públicamente el 30 de junio de 1948). Posteriormente, la imagen fue tomada en ese momento para la historia (Figura 8). Shockley sabía que el frágil transistor de punto de contacto no sería fácil de fabricar y fue consumido por intentar mejorarlo (él mismo). Shockley trabajó febrilmente para intentar resolver el problema a su manera… documentando sus ideas de intentar hacerlo más integrado mediante la superposición de los materiales semiconductores. Se requirió mucha más investigación para completar la teoría para registrar la patente para el transistor de unión (el 25 de junio de 1948). Se realizó la demostración de un transistor n-p-n funcional el 20 de abril de 1950 (que fue posible gracias al trabajo de Gordon Teal y Morgan Sparks). Los detalles alrededor de todo esto van mucho más allá de lo que uno puede imaginar4.
William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain recibieron el premio Nobel por la invención del efecto Transistor el 10 de diciembre de 1956.
Figura 8: John Bardeen, a la izquierda, William Shockley, centro y Walter Brattain, derecha. (Reutilizado con permiso de Nokia Corporation)
Midiendo Diodos y Transistores
Luego de aprender a soldar y a dominar el código de colores de resistencias, debes saber medir diodos y transistores. Si deseas reparar un equipo electrónico, necesitas dominar estas tres técnicas a la perfección. Las dos primeras ya han sido ampliamente explicadas y te apuntamos los enlaces; ahora vamos por la última para completar la trilogía.
Medir diodos y transistores es una tarea muy sencilla. Pero saber hacerlo es otra cosa muy distinta que requiere de ciertos cuidados y atenciones especiales que trataremos de transmitirte en esta nota. Para realizar el trabajo debes disponer de un multímetro, que puede ser digital o analógico. Aunque el primer modelo mencionado es más sencillo de utilizar y de leer, te recomendamos que para esta tarea utilices uno analógico, de aguja común, y con posibilidades de medir resistencias X 10.000 Ohms o valores superiores. Pero como seguramente tienes uno digital, comenzaremos la explicación utilizando uno de ellos.
Repasemos la teoría del diodo
Un diodo es el resultado de la unión entre dos semiconductores que, de acuerdo a sus características constructivas, se denominan materiales N y P. Los materiales N se caracterizan por poseer, dentro del silicio que lo forman, impurezas que agregan electrones libres, mientras que los del tipo P tienen impurezas que carecen de electrones respecto al silicio, es decir, abundan los “huecos” o “lagunas” formadas por los faltantes de electrones. Unidos apropiadamente de manera física, forman una unión o juntura N-P, quedando a ambos lados de la construcción dos sectores bien definidos que, en la práctica, se los conoce como Cátodo y Ánodo, respectivamente. Durante la fabricación, y al momento de unirse los materiales entre sí, se produce un fenómeno de invasión electrónica en el material contiguo y carente de este elemento.
Este movimiento sucede hasta un punto en que la juntura adquiere un ancho que se puede considerar eléctricamente “neutro” ya que los electrones ocuparon el espacio vacío de los huecos. Esa franja se transformó en un semiconductor homogéneo y estabilizado. Entonces, para poder atravesar ese sector, un electrón debe movilizarse con fuerza hacia el otro lado para tapar un hueco, ya que un semiconductor no es conductor, es semiconductor. Esa fuerza es la tensión de juntura del diodo, que varía de un modelo a otro (dependiendo de la estructura atómica de los materiales que lo forman).
También podemos agregar que si le hacemos circular corriente en un sentido, el dispositivo lo permitirá, pero si lo intentamos a la inversa, se comportará como un interruptor abierto. Veámoslo en imágenes prácticas.
De esta forma obtendremos las mediciones de un diodo en correcto estado de funcionamiento. En un sentido, el multímetro nos indica el potencial que posee la juntura N-P del diodo y, en el sentido inverso (observa el color de las pinzas), la conducción se interrumpe indicando que la lectura está fuera de rango. La mejor recomendación que podemos darte al momento de medir cualquier componente, sea semiconductor o no, es desconectar al menos uno de sus terminales del sitio donde se encuentre montado (soldado). Si no desconectas uno de los terminales del diodo, puedes obtener mediciones confusas que tal vez te induzcan a actuar erróneamente. Por ejemplo: si tienes en un circuito un diodo conectado con una resistencia en paralelo (dependiendo del valor de la resistencia mencionada) puedes creer que el diodo esté en mal estado cuando en realidad es la resistencia la que te brinda conducción en ambos sentidos. Recuerda siempre estas dos premisas fundamentales: desconecta uno de los terminales del diodo y mídelo en ambos sentidos, es decir, invirtiendo las puntas del multímetro.
Cuando trabajas con un multímetro a aguja, la situación mejora en el aspecto de la seguridad de la medición, especialmente cuando se mide una juntura N-P en sentido inverso, es decir, en el sentido en que no presenta conducción. La posibilidad que aquí aparece es la de poder aumentar la escala de medición de resistencia. De esta forma, podremos llegar a medir pequeñas fugas imperceptibles al multímetro digital.
¿Por qué el multímetro digital no permite medir las fugas mencionadas?
Muy sencillo. Porque no aplica la suficiente tensión al circuito bajo ensayo. Las tensiones utilizadas para realizar las mediciones por parte de un multímetro digital son inferiores. Una medición efectuada en una escala de X 10K es suficiente y correcta para lograr una buena “medición inversa” en una juntura N-P o viceversa. Un ejemplo sencillo de probar esto es que con un instrumento a aguja, un simple LED alcanza a encender, mientras que con uno digital no luce con igual intensidad.
¿Y con los transistores?
Debemos primero definir y conocer la construcción y estructura física de un transistor para saber bien lo que vamos a medir. Como todos saben o han escuchado o leído, los transistores “bipolares” se concentran en dos grandes grupos: los N-P-N y los P-N-P, siendo su simbología también muy conocida y vista en cada lugar que se hable de circuitos electrónicos.
No vamos a explicar en este artículo cómo circula una corriente dentro de cada tipo de transistor ni tampoco su principio de funcionamiento. Sí vamos a darte datos claves para que aprendas a medirlos correctamente. Para comenzar, seleccionamos un tipo de transistor al azar (el NPN). Puedes ver en el dibujo siguiente que lo obtenido es muy similar a la estructura que antes conocíamos del diodo. A la unión N-P preexistente le agregamos un nuevo bloque semiconductor (tipo N), y el conjunto resultante se transforma en un dispositivo de tres terminales de conexión y dos tipos de silicio.
Si hubiésemos elegido para los extremos el material tipo P (carente de electrones, con exceso de huecos) y para el bloque central uno del tipo N (exceso de electrones), nos hubiera quedado un transistor P-N-P.
Aclaración importante: El dibujo mostrado no tiene nada que ver con la realidad física de un transistor. Lo hemos dibujado así para que puedas apreciar las partes que lo componen y que puedas conocer cómo se denominan.
Si observas el dibujo, verás dos líneas rojas que representan a las dos junturas que se han formado a ambos lados del terminal denominado BASE por la unión de los materiales N y P, respectivamente. Si asocias esta particularidad física con los diodos, con sus junturas N y P.
Entonces, puedes darte cuenta que todo se reduce a medir dos diodos. ¡Cosa que ya sabías hacer! Si aplicas el mismo razonamiento, ahora podrás descubrir que un transistor NPN equivale a dos diodos conectados en oposición con sus ánodos unidos.
Aclaración importante: Las analogías que te indicamos entre la composición física de un transistor y los diodos comunes es a modo de ejemplo para que te resulte sencillo de analizar lo que medirás. No significa que si tomas dos diodos y los conectas enfrentados trabajarán como un transistor. NO. Es para que tengas una idea de que medir un transistor bipolar común tipo PNP o NPN no es ninguna ciencia oculta; es lo mismo que medir dos diodos enfrentados entre sí.
Si observas la galería de imágenes que figura arriba, comprobarás que el terminal llamado BASE es el que se encuentra a la izquierda del encapsulado. Al centro, se encuentra el COLECTOR y, a la derecha, el EMISOR. Como resultado, tenemos al multímetro con su llave selectora colocada en su posición para medir DIODO; en dicho multímetro leemos que: BASE – EMISOR conduce, BASE – COLECTOR conduce, y COLECTOR – EMISOR lógicamente no conduce. ¿Por qué decimos lógicamente? Porque allí no estamos midiendo una juntura en directa sino que al momento de realizar la medición hay que atravesar dos junturas, según el gráfico antes visto. Una de ellas sí quedaría polarizada en “directa”, pero la otra no; esto hace que la medición sea equivalente a un circuito abierto.
Entonces, puedes extraer del análisis hecho que entre COLECTOR y EMISOR nunca habrá conducción en ninguno de los sentidos y en ninguno de los tipos de transistores bipolares NPN o PNP que intentemos medir y controlar.
Aclaración importante: No existen sólo dos tipos de transistores bipolares. Nosotros elegimos para la explicación los más elementales que son el NPN y el PNP. Con el tiempo y la práctica descubrirás una cantidad interminable de variantes de combinaciones N y P, que forman transistores de características especiales y que además agregan, dentro del encapsulado, diodos, resistencias y hasta otros transistores creados en el entorno de diseños muy específicos para aplicaciones también muy específicas.
El multímetro analógico entra en escena nuevamente.
De la misma forma que te dejamos una galería de imágenes con el multímetro digital, ahora verás particularidades del uso del instrumento analógico.
En las tres imágenes vemos las posibilidades que nos presenta una medición BASE – EMISOR. En la primera, a la izquierda, tenemos una medición en polarización directa la que, como vemos, conduce normalmente cual si fuera un diodo. En la fotografía central, hemos invertido las puntas de medición, y la juntura se ha polarizado en inversa y ha dejado de conducir. Y en la última imagen, a la derecha, te mostramos la situación verdaderamente importante de la nota, que nos permite el instrumento de aguja. Es muy obvio notar que la juntura examinada está excelente ya que tanto en R X 1 como en R X 10K la aguja no se mueve en absoluto. No existen fugas de corriente a través de las junturas.
Aclaración importante: Cuando realices mediciones en alta resistencia, no toques los terminales del instrumento ya que el mismo indicará la resistencia propia de tu cuerpo a través de tus manos, entregándote mediciones erróneas.
Debes acostumbrarte ahora a poder determinar fácilmente la identificación de los terminales de un transistor. Es decir, cuál es la BASE, cuál es el EMISOR y cuál es el COLECTOR. Para facilitarnos la vida a todos, los fabricantes entregan las famosas hojas de datos o datasheets que te brindan la información completa del encapsulado y de las características eléctricas más importantes del transistor.
