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Qué son los transistores

Quick Facts:
Category: Electronics | Engineering
Subcategory: Transistores

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Así como las celulas son los ladrillos estructurales de la vida, los transistores son los ladrillos estructurales de la tecnología digital. Sin transistores, los dispositivos electrónicos que hoy utilizamos diariamente como las computadoras, LCDs, consolas de videojuegos, celulares, etc. serían muy distintos o incluso no existirían.

Antes de saber qué son los transistores veamos un poco de la historia detrás de la invensión de estos dispositivos electrónicos tan importantes.

Cuando todavía no existían los transistores, los circuitos eléctricos de los aparatos utilizaban tubos de vacío o bulbos así como interruptores electromecánicos. Sin embargo los tubos distaban mucho de ser ideales; debían calentarse antes de comenzar a funcionar, a veces llegando a sobrecalentarse, no eran muy confiables, ocupaban mucho espacio y gastaban mucha energía. Todo los dispositivos electrónicos desde televisores, pasando por sistemas telefónicos hasta las primeras computadoras utilizaban estos componentes. SIn embargo desde la segunda mitad de la décadade 1940 los científicos buscaban alternativas a los tubos de vacío.

La compañía de telecomunicaciones Bell Telephone System requería algo más eficiente que los tubos de vacío para sus sistemas de comunicación. Así 1947, la empresa armó un equipo de científicos para encontrar un sustituto del tubo de vacío, el mismo estaba constituido por John Bardeen, ingeniero eléctrico y físico; Walter Brattain, físico experto en estructuras atómicas de sólidos; y William Shockley, director.

En un año John Bardeen y Walter Brattain utilizaron el elemento químico germanio para crear un circuito amplificador llamado transistor de punto de contacto. Poco tiempo después William Shockley perfeccionó el trabajo de los otros dos científicos, desarrollando un transistor de juntura.

El año siguiente, la Bell Labs anunció que había inventado los transistores. El nombre original del primer transistor utilizado al patentarse utilizaba la siguiente descripción: Amplificador semiconductor, elemento de circuito de tres electrodos utilizando materiales semiconductores. Era una frase larga que no decía mucho, pero igual así gracias a este invento en 1956 el equipo de la Bell Labs obtuvo el premio Nobel de Física; y desde entonces los ingenieros electrónicos podrían tener mayor control de las corrientes eléctricas de los circuitos de los dispositivos que desarrollarían.

Los transistores han permitido grandes avances en varios campos de la tecnología desde que fueron inventados, dando paso al invento de la mayor parte de los dispositivos electrónicos que utilizamos hoy día que van desde simples radios a transistores hasta las computadoras. 

Cómo funcionan los transistores

Los transistores son dispositivos que controlan el movimiento de los electrones y por lo tanto de la electricidad. Funcionan más o menos como una llave o canilla de agua, ya que no solamente abren y cierran el paso de corriente eléctrica sino que también controlan la cantidad de la misma. Los transistores pueden cambiar o amplificar la corriente eléctrica de circuitos controlada con alta precisión.

Inicialmente los transistores hechos en la Bell Labs estaban hechos del elemento químico germanio. Los cientíicos del equipo sabían que el germanio puro era un muy buen aislante; pero si se le agregaban ciertas impurezas el germanio se convertía en un conductor débil o semiconductor, este proceso de agregado de impurezas se llama dopado de semiconductores. Los semiconductores tienen propiedades que se encuentran entre los aislantes y los conductores, permitiendo una conductividad eléctrica en niveles variados.

Al inventarse los transistores primero se utilizaba germanio. Dependiendo del elemento utilizado para el dopado, la capa resultante de germanio se convertía en tipo negativo (tipo N) o en tipo positivo (tipo P). En una capa de tipo N, los elementos de dopado agregaban electrones al germanio facilitando así el escape o repulsión de los electrones de la corriente eléctrica. Por el contrario, en una capa tipo P, los elementos de dopado causaban que el germanio perdiera electrones, logrando así que los electrones de materiales adyacentes fluyeran hacia la capa de tipo P.

Si se ponen una capa de tipo N y de tipo P una al lado de la otra, se crea un diodo P-N. Este diodo permite que la corriente eléctrica solamente fluya en una sola dirección, algo que es muy necesario en la construcción de circuitos electrónicos para distintos tipos de dispositivos.

Los transistores fueron el paso siguiente a los diodos. Para crear los transistores los ingenieros ponían las capas de germanio dopado una al lado de la otra en configuración P-N-P o N-P-N. El punto de contacto o empalme se llamaba la juntura, por eso el transistor se llamó transistor de juntura.

Cuando pasa corriente en la capa del centro, los electrones se mueven del lado de tipo N hacia el lado de tipo P. De esta manera se puede controlar hacia que lado se dirige la corriente eléctrica. Otra particularidad de los transistores es que la pequeña cantidad inicial de electricidad que pasa por el transistor actúa como interruptor que permite que una mayor cantidad de corriente eléctrica fluya; esto significa que los transistores cumplen tanto funciones de interruptores o llaves de corriente así como de amplificadores de corriente eléctrica; esto los convierte en esenciales en electrónica.

Hoy día en lugar de germanio, en electrónica comercial se utilizan semiconductores basados en silicio, los cuales son más accesibles y confiables. Sin embargo, al principio, cuando la tecnología de los transistores de germanio comenzó a comercializarse se mantuvo en vigencia por 20 años.

Radios a transistor y la revolución electrónica

Los transistores funcionan principalmente como interruptores y amplificadores. Gracias a estas funcionalidades, los primeros dispositivos en aprovechar comercialmente el uso de transistores fueron aparatos relacionados a la acústica. En 1952, comenzaron a comercializarse audífonos con transistores. Sin embargo el verdadero éxito de los transistores comenzó a verse en 1954 con la llegada de las radios a transistor.

La función de los transistores en radios es muy simple. Todo el proceso es así: Las voces de los locutores de la estación de radio se convierte en el micrófono en señal eléctrica, la cual al llegar a la antena de transmisión se convierte en ondas de radio, que viajan hasta las antenas de captación de los aparatos de radio hogareños, donde se convierten en señal eléctrica que viaja a través de los circuitos del aparato, siendo amplificada con transistores para que pueda ser escuchada más fuerte al llegar al parlante.

Sin embargo al principio los fabricantes desconfiaban un poco del uso de transistores comercialmente, ya que eran todavía una novedad y hasta entonces habían vendido exitosamente aparatos electrónicos con tubos de vacío, por lo tanto no estaban seguros si los transistores serían un éxito.

Pero Pat Haggerty, vicepresidente de la compañia Texas Instruments, estaba convencido que los transistores cambiarían a la industria electrónica. Texas Instruments aplicó los descubrimientos de la Bell Labs con transistores de germanio para desarrollar, un pequeño radio de bolsillo, con la ayuda de una pequeña compañia llamada IDEA. Juntas crearon una radio llamada Regency TR-1, la cual fue anunciada en octubre 18 de 1954.

Desde el principio hasta el fin, la carrera para crear la TR-1 requirió la aplicación de innovaciones para nuevos componentes que pudieran caber en un dispositivo de bolsillo, el cual capturaría la atención del público. Los parlantes, capacitores y otros componentes fueron creados especialmente para este proyecto, pero fueron realmente los transistores los que permitieron que fuera posible el logro de crear una radio de pequeño tamaño.

Texas Instruments desarrolló procesos para la producción en masa de transistores para sus radios; y demostraron qué éstos eran más accesibles,  portátiles y efectivos que los tubos de vacío. Gracias a los transistores y su pequeño tamaño podían hacerse dispositivos de menores dimensiones y que no produjeran tanto calor como los tubos de vacío. En un año otras compañías como Emerson, General Electric y Raytheon, comenzaron a producir y en masa productos electrónicos con transistores; de esta manera daba comienzo la era de la electrónica moderna.

Los transistores y el desarrollo de la computación

Una vez que los audífonos y radios a transistores se convirtieron en una realidad, los ingenieros se dieron cuenta que éstos podrían también reemplazar a los tubos de vacío de las computadoras. Por ejemplo, una de la sprimeras computadoras de la historia la ENIAC (las siglas en inglés de Electronic Numerical Integrator and Computer que significa Integrador Numérico Electrónico y Computadora); pesaba 30.000 kilogramos, en parte gracias a sus más de 17.000 tubos de vacío. Estaba claro que los transistores cambiarían la ingeniería de las computadoras logrando la fabricación de aparatos mucho más pequeños, eficientes, portátiles y que no generaran tanto calor como el producido por los bulbos.

Los transistores de germanio fueron los que comenzaron la era de la computación, pero los transistores de silicio revolucionaron la industria.

 

En 1954, George Teal, un científico de la Texas Instruments, creó el primer transistor de silicio. Pronto los fabricantes desarrollaron métodos para la producción en masa de transistores de silicio, los cuales eran más baratos y confiables que los transistores de germanio.

Los transistores de silicio funcionaban de manera excelente en las computadoras. Gracias a estos transistores las computadoras podían realizar grandes cantidades de cálculos en menor tiempo. La capacidad de comportarse como interruptores de los transistores es lo que permite a las computadoras realizar operaciones lógicas muy complejas. Esto se da gracias a la naturaleza binaria de la tecnología digital, en la que la electricidad de los circuitos electrónicos funciona en dos estados que simulan 1 y 0 como en el sistema numérico binario. Este es el lenguaje de las computadoras, la corriente eléctrica que fluye por los circuitos actúa en dos estados y esto se logra gracias a los transistores que actúan como interruptores. Un chip puede contener millones de transistores microscópicos que realizan cambios entre un estado y el otro continuamente actuando a modo de operaciones lógicas, las cuales permiten la realización de millones de complejos cálculos por segundo.

En un chip de computadora los transistores no son componentes individuales, forman parte de lo que se llama un circuito integrado, también conocido como microchip, en el que muchos transistores trabajan en combinación para completar los cálculos. Un circuito integrado es una pieza de material semiconductor lleno de transistores y otros componentes electrónicos.

Las computadoras utilizan esas corrientes eléctricas a modo de matemáticas Booleanas para tomar decisiones. Para decirlo de manera sintética las matemáticas Booleanas sirven para realizar operaciones lógicas y de decisión, gracias a éstas las computadoras generan complejos cálculos.

 

Las computadoras necesitan millones o incluso miles de millones de transistores para hacer todas las tareas que se requieren por el usuario. Gracias a la accesibilidad y pequeño tamaño de los transistores, los cuales son mucho más pequeños que el diámetro de un cabello humano, los ingenieros electrónicos pueden incluir cantidades inconmesurables de éstos en las computadoras y otros dispositivos relacionados.

Los transistores antes y ahora

En las décadas de 1960 y 1970 los productos que utilizaban esta tecnología contenían esencialmente los transistore de juntura desarrollados por la Bell Labs. Ya en los años '70 los avances en el uso de silicio condujeron a la producción del Transistor de Efecto de Campo Metal Óxido Semiconductor MOSFET del inglés Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Estos funcionan igual que otros transistores, con la diferencia de que el material de silicio utilizado es más barato, está ordenado de manera distinta y están dopados con otros tipos de metales y óxidos dependiendo del uso deseado, y dando en consecuencia resultados distintos acorde a las necesidades de los dispositivos que los usan.

Hay muchos otros tipos de transistores; los ingenieros los catalogan por su material semiconductor, aplicación, estructura, índices de energía, frecuencias de operación, etc. Con el tiempo y el avance de la tecnología los ingenieros se fueron dando cuenta que podían construir muchos transistores simultáneamente en la misma pieza de material semiconductor, junto a otros componentes como capacitores y resistencias.

El resultado fue la creación de los circuitos integrados. Estos circuitos, también conocidos como chips, pueden llegar a contener miles de millones de transistores infinitesimales. Desde los años '60 el número de transistores por unidad de área se ha duplicado cada año y medio, permitiendo así a los ingenieros agregar más y más de ellos en dispositivos cada vez más pequeños y eficientes.

Los transistores modernos de silicio pueden tener tamaños menores a los 45 nanómetros (1 nanómetro equivale a una mil millonésima de metro o a una diez millonésima de centímetro). Son tan pequeños que ya existen chips con miles de millones de transistores.

Sin embargo la tecnología sigue desarrollándose; los científicos ya han creado el primer transistor molecular, hecho de una simple molécula de benceno. A pesar que el menor tamaño es importante, los científicos insisten que lo más importante no son las dimensiones sino que la eficiencia. Los chips actuales emiten una gran cantidad de calor dado que sus transistores no difunden la energía tan eficientemente como los productores de dispositivos quisieran; quizá los transistores moleculares lleguen a ser la solución a este inconveniente de baja eficiencia en el uso de energía.

Los materiales de los que están hechos los transistores también están cambiando, gracias a los avances en un material llamado grafeno. El grafeno transporta electrones mucho más rápido que el silicio, permitiendo la creación de procesadores 1000 veces más rápidos que los de silicio.

Con el desarrollo de transistores más rápidos, eficientes y pequeños, la tecnología seguirá avanzando permitiendo aparatos como computadoras cada vez más rápidos, económicos, confiables y pequeños.


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