Cómo Funciona un Transistor ⚡ Que es un Transistor

Cómo Funciona un Transistor ⚡ Que es un Transistor

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El transistor es un componente electrónico capaz de actuar como un interruptor y además como un amplificador todo mediante una pequeña señal eléctrica y sin partes móviles. Estas características han hecho que el transistor se vuelva el principal componente de prácticamente cualquier dispositivo electrónico que podamos encontrar como por ejemplo los teléfonos que utilizamos cada día o computadores como el que utilicé para renderizar este video. De hecho, el procesador de un computador contiene millones de transistores y empresas como AMD ya están produciendo transistores de con una resolución litográfica de 7nm (nanómetros) eso sería 20.000 mas pequeño que un cabello humano!! De hecho, son tan pequeños que esta comparación no nos ayuda a visualizar nada… en realidad solo quería hacer esta simulación Jaja En este vídeo veremos cómo funciona un transistor internamente, sus beneficios y un poco de historia Para entender cómo funciona un transistor primero debemos entender cómo funciona un diodo. Por suerte, ya tengo un video sobre el tema así que les recomiendo verlo antes pero de todas formas trataré de explicar lo esencial. Si tenemos un circuito con una lampará y una fuente de energía, la energía pasará libremente
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esto, debido a que los electrones pueden moverse libremente entre los átomos de metal y al ser conectados a la fuente de energía son obligado a moverse. Al agregarle un diodo al circuito, dependiendo de la posición de este la corriente puede pasar libremente o ser detenida y la razón por la cual ocurre esto es por su composición Al interior del diodo hay un material semiconductor como por ejemplo el silicio más específicamente, dos tipos de este material. Si tomáramos un trozo de silicio puro y viéramos su estructura atómica nos encontraremos con que cada átomo posee cuatro electrones de valencia los cuales son compartidos con otros cuatro átomos de silicio alrededor de él formando una estructura cristalina con enlaces covalentes es decir que comparten sus electrones y por lo tanto poseen un total de 8 electrones de valencia por átomo asemejándose a los gases nobles los elementos más estables conocidos por el hombre. Si no les gusta la química no se asusten lo importante aquí es que entiendan que ocho electrones por átomo es el número mágico que mantiene todo fuertemente conectado de hecho tan fuertemente conectado que cuando un nuevo electrón quiere atravesar el silicio
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, los electrones que lo componen no se pueden mover dificultando el paso de la corriente Pero esto puede ser cambiado mediante un proceso conocido como doping en el cual se le agregan impurezas al silicio para controlar su conductividad y convertirlo en un semiconductor del tipo N o del tipo P Si agregamos impurezas que tengan cinco electrones de valencia en vez de cuatro entonces tendremos átomos con un total de nueve electrones y ya que ocho era nuestro número mágico podríamos decir que uno de los electrones sobrará o quedara más libres de los demás lo cual permitirá que cuando lo conectemos a una fuente de energía éste pueda moverse y actuar como un conductor. A esta aleación se le conoce como semiconductor del tipo N pues posee electrones de sobra, los cuales, recordemos poseen una carga negativa Por otro lado, si realizamos el doping con impurezas que poseen tres electrones de valencia tendremos átomos con un total de siete electrones es decir que nos quedaría un hueco permitiendo que los electrones se puedan mover a través de él y generando un movimiento de los huecos en la dirección opuesta Ya que esta aleación tendría un electrón menos que la forma estable este tendría una carga positiva
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y se le llamaría semiconductor del tipo P es más, para simplificar la visualización diremos que cada hueco corresponde a una carga positiva. De esta, forma cuando conectamos estos dos tipos de semiconductores, dado que sus cargas son opuestas éstas atraerán justo en la unión. Y al aplicarle una fuente de voltaje tendremos dos posibles resultados en el primer caso, si es que se conecta el polo positivo al semiconductor tipo N y el polo negativo al semiconductor tipo P las cargas de los semiconductores intentarán desplazarse en direcciones opuestas impidiendo el paso de la corriente. A esto se le conoce como polarización inversa En el segundo caso, si invertimos la polaridad de nuestra fuente los electrones libres de semiconductor tipo N saltarán a través de los juegos del semiconductor tipo P permitiendo el paso de la corriente. Aunque hay un pequeño detalle ya que en su estado de reposo los átomos se atraen por su carga eléctrica opuesta es necesario que el voltaje aplicado sea lo suficientemente alto para romper esa unión y continuar con el movimiento. A ese voltaje se le conoce como barrera de potencial
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y para un diodo compuesto de silicio corresponde a 0,7 volts mientras que, para otros materiales como el germanio, su valor es de 0,3 volts. Ahora que entienden cómo funcionan los semiconductores y el diodo por fin podemos entender cómo funciona un transistor ya que básicamente un transistor son dos diodos fusionados aunque con algunas restricciones que veremos a continuación. Si a nuestro diodo original le agregamos una sección de semiconductor tipo N al inicio y disminuimos el espesor del semiconductor tipo P tendremos la estructura básica de un transistor. Como pueden ver, si ignoramos la parte de la derecha lo que nos queda es un diodo y si ignoramos la parte de la izquierda nos quedará otro diodo pero invertido. Lo cual básicamente significa que sin importar la polarización de la fuente de voltaje que se le conecte, la corriente no va a poder pasar es decir, actuará como un interruptor abierto. Pero ahora viene lo interesante si queremos que una corriente pase por nuestro transistor podemos agregar una diferencia de voltaje pequeña en el semiconductor tipo P lo que ocurrirá es que la sección de la derecha actuará como un diodo en polarización directa
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dejando pasar la corriente pero no sólo eso al iniciar el movimiento de los electrones en el semiconductor tipo p los electrones en el semiconductor tipo N de la izquierda aprovecharán su oportunidad y también comenzarán a desplazarse Nótese que esto sólo ocurre porque el semiconductor tipo p es extremadamente delgado así que no intenten hacer un transistor con dos diodos porque no les va a funcionar Este comportamiento es especialmente útil si es que el voltaje entre el conector de la izquierda y de la derecha es mayor que el voltaje entre el conector inferior y el de la derecha pues esto significaría que al enviar una señal con un voltaje pequeño estaríamos obteniendo como resultado una señal con un voltaje mayor y es por esto que se dice que un transistor puede actuar como un amplificador de señales. O también como un interruptor si es que éste impide completamente el paso de la corriente. El transistor que acabamos de ver es conocido como transistor de unión bipolar NPN y ahora que entienden cómo funciona hablemos un poco sobre sus conectores. El conector de la izquierda se llama colector y el de la derecha emisor y entre ellos existe una diferencia de potencial alta
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mientras que el conector del semiconductor tipo P es conocido como BASE y al recibir una señal de bajo voltaje es capaz de controlar si es que la corriente podrá transmitirse entre el colector y el emisor y también en qué cantidad. Otra forma de entender un transistor es compararlo con una llave de paso en la cual, la tubería es el colector la base es la llave que controla el flujo de agua y el emisor es la salida de agua. Por cierto nunca lo digo en medio de los vídeos pero ya que tengo su atención recuerden suscribirse y seguirme en instagram donde les comparto el avance de los nuevos vídeos :D Volviendo a lo que vinieron si pensamos que un transistor es simplemente un interruptor y un amplificador de señales puede parecer un componente bastante trivial pero si nos ponemos a pensar que para poder replicar sus funciones tendríamos que tener un circuito como éste con un potenciómetro y un interruptor mecánico nos daremos cuenta de todos sus beneficios. Funcionan sin elementos móviles lo cual les permite tener millones de siglas de uso siendo un mayor desgaste además de tener una alta resistencia a otros factores como las vibraciones o golpes.
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Debido a que solo requieren una pequeña cantidad de semiconductores para funcionar pueden ser realmente pequeños, lo cual permite posicionar muchísimos en un área reducida además de requerir menos materiales para su manufactura aunque para lograr esto se requieren máquinas con muchísima precisión. Y quizás lo más importante, su velocidad de respuesta es prácticamente instantánea lo cual permite que puedan ser utilizados para amplificar señales de alta frecuencia y bajo voltaje como las generadas por un micrófono o una guitarra. Y si eso no los convence de la importancia del transistor les recuerdo que John Bardeen, Walter Brattain, y William Shockley quienes inventaron el transistor también recibieron el premio nobel de física en 1956 siendo éste uno de los inventos que más han impactado nuestra vida hasta el día de hoy. Volviendo a nuestro transistor de unión bipolar NPN dependiendo de los voltajes que se apliquen a sus conectores éste tendrá cuatro posibles estados o "regiones operativas" y para entenderlas conceptualmente nos apoyaremos con nuestro modelo hidráulico. En el primer caso, estaremos en la región de corte
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donde el voltaje de la base será más baja que la de los otros dos conectores por lo cual no se iniciará la reacción que permitirá el paso de la corriente entre el colector y el emisor. Osea, nuestra válvula se mantendrá cerrada. En el segundo caso estaremos en la región activa y directa y aumentaremos el voltaje de la base gradualmente lo cual aumentará el paso de la corriente desde el colector al emisor en una proporción directa. En otras palabras la corriente del colector será igual a la corriente de base multiplicada por un factor conocido como ganancia el cual es informado por el fabricante de cada transistor. Esta región y el factor de ganancia son los más importantes cuando queremos utilizar un transistor como amplificador. El tercer caso ocurre cuando el voltaje de la base es demasiado alto y por lo tanto el transistor comienza a actuar como un simple cable dejando pasar toda la corriente desde el colector hacia el emisor y perdiendo la cualidad de amplificación de la región activa. Y por último, el cuarto caso es la región activa inversa que actúa de igual manera que la región activa directa pero transmitiendo la corriente en la otra dirección.
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Esto ocurre porque un transistor es simétrico, y por lo tanto puede ser utilizado en ambas direcciones. Entonces ¿Cuál es el sentido de poner las nombres como colector y emisor a los terminales? Bueno son simétricos en el sentido de que ambos semiconductores son del tipo N pero la cantidad de doping que se les aplica y el área de contacto con el semiconductor de tipo P no es necesariamente simétrico lo que produce que una de las direcciones tenga una mayor ganancia que la otra. Volviendo un poco a la aplicación de los transistores es común ver que éstos van acompañados por una resistencia en serie la función de esta resistencia es limitar el voltaje que se genera en la base ya que recuerden sólo necesitamos 0,7 volts para entrar en la región activa y al aumentar el voltaje aumentará también la corriente que pasará por el transistor y dependiendo del transistor si la corriente es muy alta ésta podría quemarlo. La resistencia debe ser lo suficientemente alta para limitar el voltaje y la corriente que llega a la base pero al mismo tiempo no tan alta para impedir su paso completamente. Si esta parte no les quedó muy clara, recuerden que tengo otro vídeo sobre resistencias.
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Con todo lo que acaban de ver ya deberían ser expertos en el funcionamiento de un diodo de unión bipolar NPN pero les tengo una noticia, hay muchos tipos de transistores. Por ejemplo, un transistor de unión bipolar PNP que como se imaginarán posee los semiconductores invertidos y por lo tanto actúa de una manera ligeramente distinta pero también hay transistores de alta ganancia, de alta frecuencia MOSFET, FINTEF, Fototransistores… hasta transistores cuánticos y transistores que funcionan reposicionando un único átomo. No sé ustedes pero mi cerebro explotaría si seguimos agregando información a este vídeo así que eso lo dejaremos para un próximo capítulo. Yo ya tengo mis favoritos pero si quieren que explique un transistor en específico déjenlo en los comentarios.

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