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Experimento: Teoría de Transistores

Nota: Las figuras van a ser poco a poco profesionalizadas por nuestro ilustrador, ¡así que atentos!

Teoría de Transistores - Antecedentes

La informática y la electrónica moderna se basan en el transistor, en nuestra opinión el invento más importante del siglo XX. Los transistores se utilizan como interruptores (dispositivos que le dicen a la señal hacia donde ir) o amplificadores (dispositivos que transforman señales pequeñas en otras más grandes), y son estas dos funciones las que permiten la existencia de tu celular favorito.

Amptraincombo smaller.jpg


La producción en masa de transistores tiene un costo muy bajo, y los transistores son la razón de que los computadores sigan siendo cada vez más pequeños y poderosos. Cada año se construyen más de 60 millones de transistores, para cada hombre, mujer y niño en la tierra. Los transistores son la clave de nuestro mundo moderno. Bueno, si son tan maravillosos, ¿cómo funcionan?

Uniones p-n y dopaje

Para entender cómo funcionan los transistores, primero hay que entender el concepto de la unión p-n. Las uniones p-n tienen algunas similitudes con la bicapa lipídica (membrana celular) de las neuronas, de la que aprendimos en el Experimento 3. Recuerda, la bicapa lipídica es la barrera entre el interior y el exterior de la célula, y se caracteriza por una acumulación de iones cargados a ambos lados de la barrera. Los iones cargados generan una diferencia de potencial eléctrico que finalmente permite la generación de potenciales de acción. Del mismo modo, una unión p-n es el límite entre dos materiales con diferentes cargas sobre ellos. En lugar de los iones, las cargas en una unión p-n son controladas por la presencia (e-) o ausencia (h +, o agujeros) de electrones.

PN vs cell membrane.jpg

Los electrones tienen carga negativa, y el movimiento de estas cargas a través de un material conductor es la base de la electricidad. En algunos materiales (llamados semiconductores) podemos manipular la cantidad de electrones presentes a través de un proceso llamado dopaje, que significa introducir impurezas en semiconductores extremadamente puros. Saquen sus tablas periódicas, ya que este proceso sólo es posible debido a las propiedades químicas de ciertos elementos.

Periodic Table.png


Los semiconductores vienen de lo que era conocido como el Grupo IV de la tabla periódica, que incluye carbono, silicio y germanio. A menudo, la ciencia ficción hace referencia a estos elementos, ya que por sus propiedades son un aspecto clave en sistemas biológicos y maquinaria. Cada elemento del Grupo IV tiene cuatro electrones en su nivel de energía más externo, el que puede almacenar hasta ocho electrones. Esto es clave, ya que estos elementos del grupo IV A continuación, pueden formar cuatro enlaces covalentes en una red cristalina, y así estabilizar el nivel de energía más externo de cada átomo.

Figure3 Silicon.jpg

Los elementos del Grupo III (como el boro o el galio) tienen tres electrones en su capa electrónica más externa, mientras que los elementos del grupo V (tales como el fósforo o el arsénico) tienen cinco electrones en su capa electrónica más externa (Figura 3). Los elementos de ambos grupos también pueden formar enlaces covalentes con electrones

Figure4 GroupIII IV V atoms.jpg

Si tomas un trozo de un elemento del Grupo IV puro como silicio y lo “atacas” con algunos átomos del grupo III como el boro, el boro intentará encajar en la red cristalina. Sin embargo, como el boro sólo tiene tres electrones en su capa externa, uno de sus cuatro vecinos de silicio en el entramado va a quedarse sin un electrón en el enlace covalente. Así, el enlace tendrá una carga neta positiva (ausencia de electrones), que puede atraer y aceptar un electrón de un enlace vecino. Por lo tanto, los átomos del Grupo III se conocen como aceptores.

Dopar un semiconductor con aceptores generará un exceso de estas “ausencias de electrones” (conocidas como huecos), lo que se traduce en la aparición de un excedente de cargas positivas en el material, que llevan a que este material se conozca como dopado positivamente, o material tipo p. En la siguiente ilustración se muestran varios iones dopantes en la red de silicio, pero en la realidad un semiconductor sólo tiene alrededor de un ion dopante por cada 10.000 ("iones pesados") hasta 1.000.000.000 (“iones ligeros") iones de silicio.

Como es de esperar, cuando elementos del grupo V como el fósforo -que tienen cinco electrones- se añaden al silicio, se forman enlaces con un exceso de electrones. Así, los átomos del Grupo V se conocen como donantes. Dopar un semiconductor con donantes va a generar una gran concentración de electrones cargados negativamente, logrando que el material esté dopado negativamente, también conocido como material tipo n.

Figure5 Doping2.jpg

Los semiconductores son capaces por si mismos de conducir la electricidad, estén dopados positiva o negativamente. Pero, ¿qué ocurre cuando se pone un bloque de un semiconductor tipo p junto a un bloque de un semiconductor tipo n? Los electrones en el material tipo n se sienten atraídos hacia la carga positiva del material dopado positivamente, y el exceso de electrones y huecos se topan en la unión entre los dos bloques. Cuando los electrones y los huecos se encuentran, se anulan mutuamente y forman una capa sin cargas, o capa de agotamiento. Al igual que la bicapa neuronal, las propiedades del potencial eléctrico resultante en la unión p-n le permite muchas funciones.

PN vs cell membrane.jpg


La capa de agotamiento, debido a la falta de cargas libres, no es conductora sin un voltaje externo aplicado. Y como ambos lados de la unión están llenos de cargas de signos opuestos, se crea una diferencia de potencial a través de la unión llamado potencial de contacto, Vbi. El campo eléctrico creado en esta región fluye desde el extremo cargado positivamente al extremo cargado negativamente, y actúa como una fuerza que puede representarse como una barrera física que impide el flujo de carga (figura 6). La única manera de inducir el flujo (y por lo tanto la corriente eléctrica) es aplicar un voltaje externo, que en efecto reduce el límite lo suficiente para permitir que las cargas puedan moverse.

Si el semiconductor de tipo p se conecta al polo positivo y el tipo n al polo negativo de una batería, se obtiene una disminución de la barrera de potencial eléctrico y permite a los electrones atravesar la unión pn, lo que resulta en flujo de corriente eléctrica. Este proceso se conoce como polarización directa. Si, por otro lado, el semiconductor de tipo p está conectado al polo negativo y el tipo n al polo positivo, los electrones y los huecos se alejan de la zona de agotamiento, lo que se traduce en una mayor barrera de potencial eléctrico, que se comporta como un aislante. Esto se llama polarización inversa. Así, las uniones pn son usadas usualmente como diodos, dispositivos que permiten el flujo de electricidad en una dirección pero no en la dirección opuesta.

Figure8 electron jumping.jpg

Diodos

Un diodo se define comparando la cantidad de corriente (I) medida a través del diodo y la cantidad de voltaje (V) aplicada en los terminales, lo que se conoce como característica corriente-voltaje o I-V. Estudiar una curva I-V de un diodo común nos ilustra las cuatro regiones principales del funcionamiento de un diodo: de ruptura, inversa, directa, y "encendido".

Figure9 IVplot diode.jpg

Teoría de Transistores Ahora que entendemos de uniones p-n y diodos, veamos un experimento mental que nos ayudará a ilustrar cómo funciona un transistor. ¿Qué pasaría si hicieras un "sandwich" con un bloque de material tipo p colocado entre dos bloques de material tipo p?

Figure10 NPN1.jpg

Ahora tenemos un dispositivo con una unión "n-p" y una unión "p-n" que actúan como dos diodos colocados espalda con espalda. ¿Qué pasaría si se aplica un gran voltaje a través del sándwich completo?

Figure9 NPN2.jpg

¡Pues no se genera ningún flujo de corriente! Con los diodos espalda con espalda, el voltaje aplicado, sin importar la dirección, siempre será polarizado inversamente por uno de los diodos, evitando el flujo de corriente. Pero....un segundo... ¿y si le añadimos un voltaje menor al terminal del bloque tipo p? ¿Qué pasa entonces?

Figure11 NPN3.jpg

La unión n-p superior, que se polariza inversamente por el voltaje principal, V1, evita que los "agujeros" crucen del bloque tipo p al bloque tipo n superior. Pero la polarización directa de la unión p-n inferior con el voltaje menor, V2, causa que un gran número de electrones se disparen hacia el bloque tipo p. Así, con la unión n-p superior polarizada inversamente y la unión p-n inferior polarizada directamente y “encendida”, se obtiene un aumento exponencial de los electrones que viajan a través del bloque tipo p y fluyen a través del otro terminal n. ¡Tenemos corriente!

El transistor de unión bipolar es el componente real de este sandwich. Hay dos variedades, el "PNP" y el "NPN". La configuración NPN es la más común, por lo que nos centraremos en él. En un transistor NPN, los tres terminales se denominan emisor (bloque N), base (bloque P), y colector (bloque N).

Figure12 NPN to BJT.jpg

Ahora sabemos cómo funciona un transistor, pero ¿por qué es importante su función en nuestra misión para aprender sobre los potenciales de acción nerviosos? Un potencial de acción neuronal tiene un voltaje extremadamente pequeño, que necesita ser amplificado para poder observarlo. Si configuramos nuestro transistor NPN en forma similar a la manera que describimos en nuestro experimento mental, con nuestra pequeña señal neuronal entrando por el bloque P (la base) y un gran voltaje (batería) a través de los bloques N (colector y emisor), ¡tenemos un amplificador! Si medimos el voltaje entre el colector del transistor y la tierra, debiéramos ver una señal muy parecida a nuestro potencial de acción... ¡pero mucho más grande! Y si construimos el circuito correctamente, debiéramos ser capaces de amplificar esa pequeña señal lo suficiente como para que podamos escucharla a través de un parlante común. Y ahora el mundo de las neuronas se abre para que lo estudiemos.

Figure12 amplifyingroachleg.jpg

Ahora a la parte II y a construir tu circuito...

Esta página fue modificada por última vez el 4 sep 2012, a las 03:08.