El Transistor [Viva el Ingenio]

 

Sumando más artículos a nuestra colección Viva el Ingenio, les tenemos preparado un artículo sobre un invento que marcó un antes y un después en la vida del ser humano en este planeta. Sin duda hay otros inventos y descubrimientos que también lo hicieron o lo harán, pero particularmente éste permitió que todo lo que conocemos hoy sea como es. Suena chistoso pero es verdad, sin los transistores ustedes no podrían estar leyendo este artículo.

El nacimiento de la electrónica moderna

Aunque no lo queramos y por desgracia sea así, las diferentes guerras a nivel mundial han sido claves para el desarrollo de tecnologías que de otra forma hubieran pasado al olvido como muchas de las grandes ideas de Nicola Tesla. A lo largo de la historia de la humanidad, hemos visto como el ingenio extremo y la necesidad de dar solución a diferentes problemas nos han llevado a crear y/o descubrir cosas que jamás hubiéramos pensado, como la ampolleta incandescente, el tubo de vacío, los semiconductores y por supuesto, el invento que junta todo el avance anterior en un solo producto, el Transistor, nombre que resulta de la contracción de las palabras “Transfer Resistor“.

Como bien pudieron informarse en nuestro artículos anteriores dedicados al Ingenio Humano, la solución a un problema daba por resultado otro genial invento y solo con recordar que a raíz del problema de las ampolletas incandescentes negras nacieron los tubos de vacío y buscando una mejora a estos se descubrieron las propiedades de ciertos elementos de la conocida tabla periódica, que nuestro amigo Wen Fong Kwong explicó notablemente en el artículo dedicado a los semiconductores.

El ingenio humano es como una cascada infinita, siempre alguien está creando algo para solucionar un problema de otro invento, es casi como el principio de acción y reacción. Ahora y entrando en materia, tenemos que gracias al descubrimiento de las propiedades semiconductoras (no es 100% conductor ni 100% aislante) de algunos cristales se pudo ver un uso importante para un nuevo invento y es aquí donde entran los muchachos de Bell Labs; Willian Shockley, John Bardeen y Walter Brattain, que el 23 de diciembre de 1947 armaron el primer transistor, rudimentario al máximo pero que ya lleva 64 años y contando desde que tocó tierra, aún siendo el pilar de la electrónica.

Un duro camino

El desarrollo y adopción de toda nueva tecnología generalmente es más lento de lo que todos quisieran, surgiendo la pregunta de por qué si es mejor no reemplaza de un sopetón todo lo que ya existe. Para responder a esta pregunta primero debemos situarnos años después de una de las guerras más duras y destructivas de los últimos tiempos, donde las grandes potencias mundiales chocaron, dejando en un mal pie a muchas compañías de dichos países. Por ende, hacer virajes cerrados en esas circunstancias no era algo que fuera tan simple de realizar.

La cantidad de dinero que se invirtió en el desarrollo de las válvulas termoiónicas fue tal, que las empresas detrás de las piezas electrónicas con nombre de Transformer (selectrón, trocotrón, etcétera) fueron las primeras en poner el grito en el cielo contra la nueva tecnología. Además muchos de los usos posibles del transistor son un campo conocido para los tubos y el avance de estos a ratos fue arrollador para los recién iniciados hijos de los semiconductores.

Lentamente para ellos desde el año 1947 hasta 1960, el transistor fue ganando terreno por sobre las válvulas termoiónicas, ya que estas, aparte de consumir muchísima más energía que un transistor, se quemaban con frecuencia debido a su construcción. Esto dio pie para que definitivamente llegara el reemplazo tecnológico que dispararía de forma estrepitosa el desarrollo de nuevos y mejores semiconductores para los transistores. Otro asunto importante en todo esto es que el tamaño y costo de fabricación de un transistor eran infinitamente menor al que se podría lograr en el mejor de los casos para un tubo, siendo otro de los factores que sus inventores vieron en pos del desarrollo; bajos costos de producción con altos beneficios económicos y científicos. Estos nuevos pedazos de silicio eran el directo reemplazo del tubo conocido como tríodo, aunque pronto y gracias a los avances en la electrónica se fueron construyendo circuitos más complejos al punto de poder realizar casi cualquier cosa, prescindiendo totalmente del uso de los anticuados tubos.

Hoy, con solo mirar la definición de transistor según la RAE, podemos darnos cuenta de que hasta en los diccionarios este invento supera al tubo por donde se le mire.

Cómo funciona un Transistor

Bien, dijimos anteriormente que sin el descubrimiento de las propiedades semiconductoras de algunos materiales, el transistor no existiría. Eso es así ya que el invento que siguió al semiconductor fue el diodo, el que nace al unir un material P con uno N. Con esto el nacimiento del transistor era inminente y al sumar la mente brillante de los tres hombres de arriba, se logró combinar de forma satisfactoria germanio, oro, unos contactos eléctricos y un trozo de plástico, al más puro estilo MacGyver. Los puntos débiles del tubo de vacío o a presión fueron las fortalezas del transistor, por lo que gracias a esto se pudo comenzar a manejar grandes intensidades de corriente sin requerir de artilugios costosos, frágiles y poco duraderos como lo fueron los tubos.

Este primer transistor bipolar fue el primero en ser funcional, aunque era difícil de operar debido a la precariedad con que era fabricado, pero para efectos científicos era suficiente para poner a prueba las matemáticas que Shockley había asociado a este invento dos años antes de que siquiera se pensara en crear. En palabras simples, el principio de funcionamiento del transistor es similar al de un diodo, pero esta vez tenemos control sobre el flujo de corriente que lo atraviesa, por ello tiene tres contactos, dos actúan como entrada y salida de la corriente mientras que el tercero controla el flujo entre los dos primeros.

El transistor de unión bipolar opera aprovechándose del comportamiento inherente de los electrones, controlando su avance como un interruptor de luz. Los transistores más básicos poseen tres capas, una de entrada, una de control. Las tres diferentes capas del transistor se fabrican a partir de Silicio químicamente puro, el que luego es dopado (contaminado con pequeñas trazas) con Fósforo para producir un semiconductor del tipo P o con Boro para dar como resultado un semiconductor tipo N. Estos semiconductores pueden ser ordenados en dos tipos de arreglos, el NPN (Negativo-Positivo-Negativo) o el PNP(Positivo-Negativo-Positivo). Los semiconductores del tipo N poseen un exceso de electrones, mientras que los del tipo P carecen de los suficientes, por lo tanto con esta cualidad intrínseca de estos materiales es posible controlar el flujo de electrones con los dos arreglos que anteriormente les mencionamos.

Al ingresar un flujo de electrones por el emisor en un transistor del tipo NPN, estos rápidamente se mueven a la base (semiconductor tipo P) que posee un déficit de electrones y cuando esta falta de electrones se acaba la carga negativa resultante repele a otros electrones que quieran ingresar, volviéndose no conductor el transistor. Para solucionar este problema se aplica una pequeña corriente positiva a la base, por lo que el déficit de electrones se hace presente y el transistor se vuelve conductor nuevamente, permitiendo un mayor o menor flujo entre el emisor y el colector dependiendo de cuál sea la corriente aplicada en la base, sencillo pero genial.

Uno de los usos más connotados del transistor bipolar es como un potente amplificador, ya que la corriente que fluye entre el emisor-colector es muy superior a la que fluye entre el emisor-base.

Los transistores tienen tres etapas de funcionamiento, que describimos más abajo:

1. Zona Activa: aquí el transistor opera como un amplificador, que es controlado por la corriente que se aplica a la base, donde pequeños aumentos de corriente en la base se traducen en un gran aumento en el colector. En este caso el conjunto base-emisor está polarizado de forma directa mientras que el conjunto base-colector está polarizado de forma inversa.
2. Zona de Saturación: el transistor opera como una resistencia, ya que la base-colector está polarizada de forma directa, es decir, el terminal positivo está conectado al semiconductor tipo P y el negativo al semiconductor tipo N. En este estado, un aumento de corriente en la base no produce un aumento de corriente en el colector, ya que esta depende única y exclusivamente de la tensión reinante entre el emisor y el colector, operando como un interruptor en estado cerrado.
3. Zona de Corte: acá, en la base del transistor no hay intensidad, por lo que en el emisor y colector tampoco la hay y la única tensión que se mide en estos es la de la fuente de energía, por lo tanto podemos decir que en este estado el transistor es un interruptor abierto.

Tipos de transistores

Existen cuatro conocidos grupos de transistores que pasamos a revisar a continuación, indicándoles qué tipos existen para cada familia. Cabe señalar que es prácticamente imposible nombrar y definir todos los tipos de transistores sin que la audiencia se nos quede dormida, así que para facilitarles el trabajo es que les mostramos este pequeño diagrama que intenta destacar los tipos de transistores más utilizados.

Uno de los tipos de transistores que actualmente más difusión tiene en la electrónica es el MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), responsable de los transistores n-MOS, p-MOS y CMOS. Esta familia de transistores es la que puebla en mayor proporción nuestros gadgets, computadores y todo tipo de aparatos electrónicos y es la que ha dado pasos agigantados en mejoras como la disminución de tamaño, materiales, vida útil, consumo energético, disipación térmica, etcétera.

El transistor en nuestras vidas

Como ya pudieron imaginarse, hasta ese miserable ratón de bajo costo posee unos cuantos transistores en sus interior, que comandan el correcto funcionamiento de este y si seguimos escalando en tecnología nos podremos dar cuenta que hoy en día casi cualquier cosa posee transistores o está en vías de tenerlos, siempre pensando en facilitarnos la vida o hacerla de alguna forma más abordable. ¿Qué sería de nuestras vidas son los transistores?, bueno, aún seguiríamos esperando que se calentara el televisor para ver nuestros programas favoritos, el computador portátil seguramente necesitaría de un camión con acoplado para ser transportado, el reproductor de música portátil no cabría en una palma de mano y por supuesto, todo lo que hoy tomamos como normal y propio de nuestra época sería por lo bajo 10 veces más grande.

Tomando en cuenta lo anterior, les dejamos una imagen del primer computador totalmente transistorizado, es decir, prescindió totalmente de los tubos de vacío y fue construido por Bell Labs para la Fuerza Aérea de los Estados Unidos de América bajo el nombre de TRADIC (Transistorized AirborneDigital Computer). Este primer computador a transistores hacía uso de 800 de ellos y consumía aproximadamente 100 vatios, además de ser al menos 20 veces más rápidos que su análogo a tubos de vacío.