¿Cómo se fabrica un transistor?

Foto: Una oblea de silicio. Foto cortesía del Centro de Investigación Glenn de la NASA (NASA-GRC).

Los transistores están hechos de silicio, un elemento químico que se encuentra en la arena, que normalmente no conduce la electricidad (no permite que los electrones fluyan fácilmente a través de ella).El silicio es un semiconductor, lo que significa que no es realmente un conductor (algo así como un metal que permite el flujo de electricidad) ni un aislador (algo así como el plástico que detiene el flujo de electricidad). Si tratamos el silicio con impurezas (un proceso conocido como dopaje),podemos hacer que se comporte de una manera diferente. Si dopamos el silicio con los elementos químicos arsénico, fósforo o antimonio, el silicio obtiene algunos electrones «libres» adicionales, que pueden transportar una corriente eléctrica, para que los electrones fluyan fuera de él de manera más natural. Debido a que los electrones tienen una carga negativa, el silicio tratado de esta manera se llama tipo n (tipo negativo). También podemos dopar silicio con otras impurezas como boro, galio y aluminio. El silicio tratado de esta manera tiene menos de esos electrones»libres», por lo que los electrones de los materiales cercanos tenderán a fluir hacia él. Llamamos a este tipo de silicio tipo p (tipo positivo).

Rápidamente, de paso, es importante tener en cuenta que ni el silicio de tipo n ni el de tipo p tienen una carga en sí mismo: ambos son eléctricamente neutros. Es cierto que el silicio de tipo n tiene electrones «libres» adicionales que aumentan su conductividad, mientras que el silicio de tipo p tiene menos de esos electrones libres, lo que ayuda a aumentar su conductividad de la manera opuesta. En cada caso, la conductividad adicional proviene de haber agregado átomos neutros (sin carga) de impurezas al silicio que era neutro para empezar—¡ y no podemos crear cargas eléctricas de la nada! Una explicación más detallada necesitaría que presentara una idea llamada teoría de banda, que está un poco más allá del alcance de este artículo. Todo lo que necesitamos recordar es que «electrones adicionales» significa electrones libres adicionales, unos que pueden moverse libremente y ayudar a transportar una corriente eléctrica.

Silicio sándwiches

ahora Tenemos dos tipos diferentes de silicio. Si los juntamos en capas, haciendo sándwiches de material tipo p y tipo n, podemos fabricar diferentes tipos de componentes electrónicos que funcionan en todo tipo de formas.

Supongamos que unimos una pieza de silicio tipo n a una pieza de silicio tipo p y colocamos contactos eléctricos a cada lado. En la unión entre los dos materiales empiezan a ocurrir cosas emocionantes y útiles. Si giramos la corriente, podemos hacer que los electrones fluyan a través de la unión desde el lado de tipo n al lado de tipo p y salgan a través del circuito. Esto sucede porque la falta de electrones en el lado de tipo p de la función tira de electrones del lado de tipo n y viceversa. Pero si invertimos la corriente, los electrones no fluirán en absoluto. Lo que hemos hecho aquí se llama diodo (o rectificador). Es un componente electrónico que permite que la corriente fluya a través de él en una sola dirección. Es útil si desea convertir corriente eléctrica alterna (bidireccional) en corriente directa (unidireccional). También se pueden fabricar diodos para que emitan luz cuando la electricidad fluye a través de ellos. Es posible que haya visto estos diodos emisores de luz (LED) en calculadoras de bolsillo y pantallas electrónicas en equipos estéreo de alta fidelidad.

Cómo funciona un transistor de unión

Foto: Un transistor PNP de silicio típico (un A1048 diseñado como amplificador de frecuencia de audio).

Ahora supongamos que usamos tres capas de silicio en nuestro sándwich en lugar de dos. Podemos hacer un p-n-p sandwich (con una rebanada de n-typesilicon como el relleno entre dos rebanadas de tipo p) o un n-p-nsandwich (con el tipo p entre las dos losas de tipo n). Si unimos contactos eléctricos a las tres capas del sándwich, podemos hacer un componente que amplifique una corriente o la encienda o la encienda, en otras palabras, un transistor. Veamos cómo funciona en el caso del transistor ann-p-n.

Para que sepamos de qué estamos hablando, pongamos nombres a los tres contactos eléctricos. Llamaremos a los dos contactos unidos a las dos piezas de silicio de tipo n el emisor y el colector, y al contacto unido al silicio de tipo p llamaremos la base. Cuando la corriente no fluye en el transistor, sabemos que el silicio de tipo p es corto de electrones(mostrado aquí por los pequeños signos más, que representan cargas positivas) y las dos piezas de silicio de tipo n tienen electrones adicionales (mostrado por los pequeños signos menos, que representan cargas negativas).

Otra forma de ver esto es decir que mientras que el tipo n tiene un plus de electrones, el tipo p tiene agujeros donde deberían estar los electrones. Normalmente, los agujeros en la base actúan como una barrera, evitando cualquier flujo de corriente significativo desde el emisor al colector mientras el transistor está en su estado «apagado».

Un transistor funciona cuando los electrones y los agujeros comienzan a moverse a través de las dos uniones entre el silicio de tipo n y el de tipo p.

Permite conectar el transistor hasta cierto punto de potencia. Supongamos que conectamos un pequeño voltaje positivo a la base, hacemos que el emisor se cargue negativamente y hacemos que el colector se cargue positivamente. Los electrones se extraen del emisor a la base y, a continuación, de la base al colector. Y El transistor cambia a su estado» on»:

La pequeña corriente que encendemos en la base hace un gran flujo de corriente entre el emisor y el colector. Al convertir una pequeña corriente de entrada en una gran corriente de salida, el transistor actúa como un amplificador. Pero también actúa como un interruptor al mismo tiempo. Cuando no hay corriente en la base, fluye poca o ninguna corriente entre el colector y el emisor. Encienda la corriente base y una corriente grande fluye. Así que la corriente base enciende y apaga todo el transistor. Técnicamente, este tipo de transistor se llama bipolar porque dos tipos diferentes (o» polaridades») de carga eléctrica (electrones negativos y agujeros positivos) están involucrados en hacer que la corriente fluya.

También podemos entender un transistor pensando en él como un par de diodos. Con la base positiva y el emisor negativo, la unión base-emisor es como un diodo biasedado hacia adelante, con electrones moviéndose en una dirección a través de la unión (de izquierda a derecha en el diagrama) y agujeros yendo en dirección opuesta (de derecha a izquierda). La función de colección de base es como un diodo con sesgo inverso. El voltaje positivo del colector tira de la mayoría de los electrones a través y hacia el circuito exterior (aunque algunos electrones se recombinan con agujeros en la base).

Cómo funciona un transistor de efecto de campo (FET)

Todos los transistores funcionan controlando el movimiento de los electrones, pero no todos lo hacen de la misma manera. Al igual que un transistor de unión, un FET(transistor de efecto de campo) tiene tres terminales diferentes, pero tienen los nombres fuente (análogo al emisor), drenaje(análogo al colector) y puerta (análogo a la base). En un FET, las capas de silicio tipo n y tipo p están dispuestas de una manera ligeramente diferente y recubiertas con capas de metal y óxido. Eso nos da un dispositivo llamado aMOSFET (Transistor de Efecto de Campo de Semiconductores de Óxido metálico).

Aunque hay electrones adicionales en la fuente de tipo n y el drenaje,no pueden fluir de uno a otro debido a los agujeros en la puerta de tipo p entre ellos. Sin embargo, si unimos una tensión positiva a la compuerta, se crea un campo eléctrico que permite que los electrones fluyan en un canal delgado desde la fuente hasta el drenaje. Este «efecto de campo» permite que fluya una corriente y enciende el transistor:

Para completar, podríamos notar que un MOSFET es un unipolartransistor porque solo un tipo («polaridad»)de carga eléctrica está involucrado en hacer que funcione.

¿Cómo funcionan los transistores en calculadoras y computadoras?

En la práctica, no necesita saber nada de esto sobre los electrónicos y agujeros a menos que vaya a diseñar chips de computadora para ganarse la vida. Todo lo que necesita saber es que el transistor funciona como un amplificador o un interruptor, usando una corriente pequeña para encender una más grande. Pero hay otra cosa que vale la pena saber: ¿cómo ayuda todo esto a las computadoras a almacenar información y tomar decisiones?

Podemos juntar algunos interruptores de transistor para hacer algo llamado una puerta lógica, que compara varias corrientes de entrada y da como resultado una salida diferente. Las puertas lógicas permiten a las computadoras tomar decisiones muy simples utilizando una técnica matemática llamada álgebra booleana. Tu cerebro toma decisiones de la misma manera. Por ejemplo,usando «entradas» (cosas que sabes) sobre el clima y lo que tienes en tu pasillo, puedes tomar una decisión como esta: «Si llueve y tengo un paraguas, iré a los talleres». Ese es un ejemplo de álgebra booleana usando lo que se llama un y»operador» (la palabra operador es solo un poco de jerga matemática para hacer que las cosas parezcan más complicadas de lo que realmente son). Puede tomar decisiones sencillas con otros operadores. «Si hace viento O nieva,me pondré un abrigo» es un ejemplo de uso de un operador de quirófano. O qué tal «Si está lloviendo Y tengo un paraguas O un abrigo, entonces está bien salir». Utilizando AND, OR y otros operadores llamados NOR, XOR, NOT y NAND, los ordenadores pueden sumar o comparar números binarios.Esa idea es la piedra angular de los programas de computadora: la serie lógica de instrucciones que hacen que las computadoras hagan cosas.

Normalmente, un transistor de unión está «apagado» cuando no hay corriente de base y cambia a «encendido» cuando fluye la corriente de base. Eso significa que toma una corriente eléctrica para encender o apagar el transistor. Los butransistores como este se pueden conectar con puertas lógicas para que sus conexiones de salida se retroalimenten en sus entradas. El transistor permanece encendido incluso cuando se elimina la corriente base. Cada vez que fluye una nueva corriente de base, el transistor «se enciende» o se apaga. Permanece en uno de esos estados estables (encendido o apagado) hasta que otra corriente llega y la voltea hacia el otro lado. Este tipo de arreglo se conoce como flip-flop y convierte un transistor en un dispositivo de memoria simple que almacena un cero (cuando está apagado) o un uno (cuando está apagado). Las chanclas son la tecnología básica detrás de los chips de memoria de computadora.