El transistor, la revolución de la electrónica

Como están. los avances de la electrónica han sido enormes pero esto no hubiera sido posible sin un componente llamado transistor y del cual hablaré en esta publicación, así que empecemos.

Antes del transistor

Durante mucho tiempo, mas exactamente en un periodo que abarca aproximadamente 50 años, los tubos de vacío, inventados por John Ambrose Fleming en 1904 fueron la base de la electrónica. Televisores, radios y las primeras computadoras están hechas con estos componentes como son los diodos, triodos, tetrodos y pentodos donde cada uno de estos era la mejora del anterior, como el caso del triodo que fue una modificación del diodo, el tetrodo fue una mejora del triodo y el pentodo a su vez fue la mejora de este, pero todos ellos tenían el detalle que consumían mucha potencia, ya que necesitaban tensiones elevadas para su funcionamiento, los equipos hechos con estos componentes eran de gran tamaño, ademas que eran muy frágiles debido a que principalmente estaban hechos de vidrio, lo que se rompían si llegaban a caerse, por lo hubo personas que pensaron en buscarles un sustituto que no tuviera esas particularidades.

Las válvulas o tubos de vacío fueron el componente principal de la electrónica durante mucho tiempo

Los equipos antiguos usaban tubos de vació, consumían mucha potencia y eran de gran tamaño. La computadora ENIAC tenia 17468 tubos de vacío y pesaba 27 toneladas

Creación del diodo de unión PN

Desde el siglo 19 ya se venia haciendo investigaciones sobre los materiales semiconductores, los cuales so aquellos que son aislantes (no permiten el paso de una corriente eléctrica) pero bajo ciertas condiciones se convierten en conductores (que permiten el paso de las corrientes eléctricas). En 1940 el ingeniero estadounidense Russell Ohl, quien trabajaba para la empresa Laboratorios Bell descubrió que al añadirle ciertas sustancias o impurezas a un cristal de silicio modificaban sus propiedades eléctricas, pasando a ser de aislante a conductor. Luego Ohl unió un trozo de cristal de silicio al que le fueron añadidos impurezas que hicieron que este tenga exceso de cargas negativas (tipo N) con cargas negativas y otro con impurezas pero que hicieron que este tenga exceso de cargas positivas (tipo P),estas cargas positivas son llamadas huecos.

Al unir trozos de semiconductores de distintos tipos se crea el diodo de unión PN

El trozo resultante de la unión de los cristales de silicio con impurezas antes descritos lo conectó a una fuente de tensión. El trozo de tipo N se conectó al polo negativo de la fuente mientras que el trozo de tipo P lo estaría al polo positivo, observando que a partir de cierto nivel de tensión había una circulación de corriente, cosa que no pasaba cuando se cambiaba la polarización, es decir, el trozo de tipo N se conectaba al polo positivo y el trozo tipo P al polo negativo. La circulación de corriente cuando se esta en polarización directa (trozo N conectado al polo negativo y trozo P al polo positivo), ocurre a que las cargas positivas en el trozo de tipo P se unen con las cargas negativas del trozo N.

Polarizacion de un diodo de unión PN

Con este experimento Russell Ohl había creado al diodo de unión PN, el cual tiene uso principalmente como rectificador, es decir, convierte corriente alterna en directa. Al trozo de tipo N se le denomina cátodo y el trozo de tipo P sera denominado ánodo.

Símbolo y apariencia física del diodo de unión PN

Aparición del transistor

Hasta la década de 1940, los circuitos de amplificación tanto de radiofrecuencia como de sonido estaban hechos con tubos de vacío como el triodo, que fue inventado en 1906 por Lee DeForest en el año 1906 y que era una válvula de vacío que constaba un ánodo, un cátodo y una rejilla o grilla y en algunos casos de un filamento que calentaba al cátodo, y de sus sucesivas mejoras que fueron el tetrodo y el pentodo. El triodo funcionaba controlando una señal ubicada entre ánodo y cátodo mediante otra de un nivel mucho mas bajo en la rejilla, obteniéndose una señal de nivel mucho mayor que esta, es decir, la amplificaba. El tetrodo y el pentodo trabajaban con el mismo principio y su diferencia con el triodo era que tenían rejillas adicionales para mejorar la distorsión y mejorar la amplificación a altas frecuencias.

El triodo como amplificador

El problema que se presentaba con estas válvulas o tubos de vació era, como ya se ha dicho, su alto consumo de energía, su fragilidad y las altas temperaturas que llegaban a tener una vez que estaban funcionando. Un dispositivo que cumpliría las mismas funciones que los tubos de vacío, pero sin las particularidades del consumo y fragilidad de estos era algo que se estaba buscando desde algún tiempo. Algunas personas como el físico ucraniano Julius Edgar Lilienfeld en el año 1925 había descubierto que se podía amplificar señales mediante el uso de semiconductores y solicitó una patente de un amplificador, pero nunca le encontró un uso practico. Algo similar hicieron los ingenieros alemanes Oskar Heil en 1934 y Robert Pohl en asociación con el físico también alemán Rudolf Hilsch en 1938, pero tampoco lograron conseguirle una utilidad práctica.

Precursores en el uso de los semiconductores como sustituto de los tubos de vacío

Finalmente, luego de varios años de investigación aparecería en los Laboratorios Bell, en los Estados Unidos en diciembre de 1947 de la mano de los físicos estadounidenses John Bardeen y Walter Brattain un dispositivo consistente en un trozo de cristal de germanio al cual le colocaron dos alambres de oro, uno de ellos doblados cuidadosamente al cual uno de sus extremos fue llamado emisor y el otro colector, y el otro colocado a un lado del cristal que fue llamado base. Al colocar una pequeña corriente en la base se obtenía otra de mayor nivel en el colector. A este dispositivo lo llamaron “transfer resistor”, que en en español significa resistencia de transferencia, ya que la corriente de base hacia que variara la resistencia en el colector, aumentando la corriente en el mismo, la combinación de estas palabras da como resultado transistor que es como se conocería posteriormente. Este primer transistor fue conocido como transistor de punta de contacto por su fabricación en la que había que colocar alambres de oro que debían hacer contacto con el cristal de silicio.

John Bardeen y Walter Brattain, inventores del primer transistor

Transistor de punta de contacto, el primero en ser creado

El transistor de unión bipolar o BJT

El transistor de punta de contacto era difícil de fabricar porque los alambres debían ajustarse a mano ademas de ser muy frágil, por lo que parecía que al igual que experimentos anteriores no tendría utilidad practica y seguiría el reino de los tubos de vacío. En 1948, el físico estadounidense William Shockley quien ya venia realizando investigaciones en el campo de los semiconductores se une al dúo de Bardeen y Brattain para realizar mejoras al transistor inventado poco tiempo antes. Schockley propuso eliminar los alambres de oro y el cristal de germanio sustituirlo por uno conformado por la unión de tres capas de materiales de tipo N y P, algo parecido a unir dos diodos PN. Una de las capas seria el emisor, otra el colector y otra capa sería la base, una corriente circularía desde el emisor hasta el colector y cuyo valor dependería de otra corriente que pasaría por la base.  

  

William Shockley, quien tuvo la idea del transistor BJT

El transistor de unión bipolar o BJT se crea de la unión de trozos de distintos tipos de materiales semiconductores, puede verse como la unión de dos diodos

William Shockley,  John Bardeen y Walter Brattain trabajando en la creacion del transistor

Este transistor fue llamado de unión bipolar o transistor BJT por las siglas en ingles de bipolar junction transistor y apareció en el año 1948 y era mas fácil de fabricar que el de punta de contacto por lo que podía ser producido en masa, por lo que por fin se podrían sustituir a los tubos de vacío, cosa que efectivamente sucedió, ya que las mismas funciones que estos realizaban el transistor BJT también las haría sin consumir mucha potencia, ademas de no ser frágiles ya que si se caían no les pasaba nada y ue ademas los equipos hechos con transistores serian de tamaño mucho menor. Los transistores BJT todavía se siguen utilizando actualmente.

Si un transistor BJT tiene dos capas de material tipo N y una de tipo P se dice que es de tipo NPN y si tiene dos capas de materia P y una de material N entonces será de tipo PNP.

Tipos de transistores BJT

El transistor con los años fue desterrando a los tubos de vacío y por dicha creación William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain recibieron el premio Nobel de física en el año 1956, el mismo año en que fue fabricada la primera computadora hecha con transistores la TX-0, aunque ya para esa fecha ya no trabajaban juntos puesto que Shockley abandonó Laboratorios Bell un año antes para fundar su propia empresa, la Shockley Semiconductors Laboratory la cual estaba ubicada en el área de lo que seria conocida tiempo después como Silicon Valley, en el estado de California, Estados Unidos. En 1951, William Shockley crea otro tipo de transistor llamado de efecto de campo (FET por sus siglas en ingles). Si bien los primeros transistores eran hechos de germanio, posteriormente empezó a usarse el silicio como elemento principal para su elaboración.

Símbolos del transistor

Apariencia física de algunos transistores

El transistor significó una gran revolución en la electrónica, no solo por sus ventajas frente a los tubos de vacío, sino que podían ser fabricados de tamaño mas pequeño, dando origen a la creación de los circuitos integrados en donde podían estar transistores junto con otros componentes encapsulados en piezas de pocos centímetros de longitud, y posteriormente a los microprocesadores, en los cuales pueden haber hasta millones de transistores de tamaño microscópico dentro del mismo. Los computadores actuales, las tablets y smartphones no serian posibles sin el transistor porque los circuitos integrados que los conforman tienen gran cantidad de estos en su interior y porque si se llegasen a fabricar con tubos de vacío seria de un enorme tamaño ademas del gran consumo de energía.

Primeras computadoras hechas con transistores

Los microprocesadores contiene gran cantidad de transistores en su interior. El Intel 44004, el primer microprocesador tenia 230 transistores, mientras que el AMD Ryzen que es de reciente creación tiene 4800 millones

Un detalle interesante es que para 1948, dos físicos alemanes, Herbert Mataré y Heinrich Welker, mientras trabajaban para la empresa francesa Compagnie des Freins et Signaux, haciendo investigaciones sobre los semiconductores, crearon un transistor de punta de contacto, pero al ya haber sido patentado el creado por Bardeen y Brattain, decidieron ponerle el nombre de transitron, también conocido como el transistor europeo, el cual fue usado en Francia para circuitos de telefonía.

Herbert Mataré y Heinrich Welker, creadores del transistor

El transitron fue creado de forma paralela e independiente al transistor

Esta ha sido una breve reseña del transistor. Vamos a dejarlo hasta aquí, cualquier comentario, duda o sugerencia pueden hacerla, y tampoco está demás que te suscribas a este blog ¡Hasta la próxima!