Conceptos básicos de transistores PNP y NPN con 2N3904, 2N3906, 2N2222, 2N2907

Sorprendentemente, el primer transistor comenzó su funcionamiento hace 70 años, el 23 de diciembre de 1947.¹ El transistor es, probablemente, uno de los componentes más revolucionarios jamás inventado. Abrió el camino para la creación de circuitos integrados, microprocesadores y la memoria en la computadora.

En este artículo discutiremos las siguientes áreas:

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• ¿Qué es un transistor?
• ¿Cómo funciona un transistor?
• Elegir un transistor para su aplicación
• Ejemplos de circuitos de transistores
• La historia detrás de la invención del transistor
• Enlaces de referencia para un estudio ulterior

¿Qué es un transistor?

Un transistor, también conocido como un BJT (Transistor de Unión Bipolar), es un dispositivo semiconductor impulsado por corriente, que puede ser utilizado para controlar el flujo de corriente eléctrica en la que una pequeña cantidad de corriente en el conductor base controla una mayor cantidad de corriente entre el Colector y el Emisor. Se pueden utilizar para amplificar una señal débil, como un oscilador o un interruptor.

Suelen estar fabricados de cristal de silicio donde se intercalan las capas de semiconductor de tipo N y P. Consulte la Figura 1 a continuación.

Figura 1: La figura 1a muestra un corte 2N3904 A-92 que revela los terminales de Emisor E, Base B y Colector C unidos al silicio. La figura 1b está tomada de la edición de mayo de 1958 de la Revista Radio-Electronics² y muestra los cortes de capa de tipo N y P y arreglos (cuya referencia en ese momento era como material de germanio).

Los transistores son sellados herméticamente y con carcasa de plástico o una cubierta metálica con tres terminales (Figura 2).

Figura 2: Una comparación en tamaño y una gran variedad de tipos de paquetes populares.

¿Cómo funciona un transistor?

Por ejemplo, vamos a mostrar cómo funciona un transistor NPN. Una forma sencilla de ver su función como un interruptor es pensar en el agua que fluye a través de un tubo, controlada por una válvula. La presión del agua representa la 'Tensión' y el agua que fluye a través de un tubo representa la 'Corriente' (Figura 3). Los tubos grandes representan la unión del Colector/Emisor con una válvula entre ellos, expresado en la figura como un óvalo gris, como una tapa móvil, que es accionada por la corriente desde un pequeño tubo que representa la base. La válvula mantiene la presión del agua que fluye desde el Colector al Emisor. Cuando el agua fluye a través del tubo más pequeño (la Base), abre la válvula entre la unión del Colector/Emisor, permitiendo que el agua fluya a través del Emisor, y luego a Tierra (Tierra representa el regreso para la Tensión/Corriente del agua).

Figura 3: Esta representación gráfica ilustra cómo funciona un transistor. Cuando el agua fluye a través del tubo más pequeño (Base), abre la válvula entre la unión del Colector/Emisor, permitiendo que el agua fluya a través del Emisor a Tierra.

Elegir un transistor para su aplicación

Si desea simplemente encender un circuito o interruptor en una carga, hay ciertas cosas que usted debe considerar. Determine si desea polarizar o energizar su transistor con corriente positiva o negativa (p. ej. Tipo NPN o PNP, respectivamente). Un transistor NPN es impulsado (o activado) por corriente positiva polarizada en la base para controlar el flujo de corriente del Colector al Emisor. Los transistores de tipo PNP están impulsados por una corriente negativa polarizada en la base para controlar el flujo del Emisor al Colector. (Note que la polaridad para PNP se invierte desde NPN). Consulte la Figura 4 a continuación para más detalles.

Figura 4: Símbolos esquemáticos para cada tipo de transistor.

Después de determinar la tensión de polarización, la siguiente variable que se necesita es la cantidad de voltaje y corriente que requiere la carga para funcionar. Estos serán la tensión mínima y las corrientes nominales del transistor. Las tablas 1 y 2 muestran algunos transistores populares y las especificaciones clave incluyendo sus límites de tensión y corriente.

  Transistores, PNP y NPN, con conductores y de montaje en superficie

Tabla 1. Populares transistores NPN y PNP con conductores y montaje en superficie

Transistores, PNP y NPN, paquetes de metal

Tabla 2. Populares transistores PNP y NPN empaquetados en caja de metal.

Ejemplos de circuitos de transistores

La figura 5 muestra un ejemplo de circuito que activa la unión de Colector-Emisor energizando la Base, o polarizando el transistor para encenderlo, llevando 5 voltios a la base mediante un conmutador deslizante. En este ejemplo, se ilumina un LED que es la carga en este caso. El uso adecuado de resistencias para evitar la sobreintensidad es necesario cuando se polariza la base. Personalmente he usado piezas con conductores en una placa de pruebas para probar mi ejemplo del circuito. La mayoría de los ingenieros utilizan componentes de montaje en superficie (mucho menor tamaño, luego un paquete TO-92) en lo que se refiere al uso de transistores en un nuevo diseño del producto que va al mercado. Aquí hay un enlace que muestra diversos tamaños de paquete para transistores 3904.

Ya que el 2N3904 es un transistor NPN, la base necesita polarización positiva (apropiados niveles de tensión y resistencia) para activar la unión de colector-emisor para un flujo de corriente adecuado. El uso de una resistencia de carga (R1) también es importante, para que no haya demasiada corriente circulando a través del LED y el transistor. Para obtener más información sobre este transistor, vea la hoja de datos de 2N3904.

Figura 5: Ejemplo de circuito 2N3904 para la iluminación de un LED con un interruptor deslizante EG1218 que muestra los pines C (Colector), E (Emisor) y B (Base) (Imagen realizada en Scheme-it).

La figura 6 es un ejemplo de circuito de luz nocturna con un transistor PNP. Para ver los detalles de este circuito, hay un enlace al sitio wiki de ingeniería de DigiKey y búsqueda de PNP de luz nocturna.

Figura 6: Ejemplo de circuito 2N3906 de luz nocturna para la iluminación de un LED con una célula fotoeléctrica PDV-P5003 (Imagen realizada en Scheme-it)

Breve historia de la invención del transistor

¿Cómo empezó todo? Esta madriguera de conejos es muy profunda; sin embargo, voy a comenzar con la invención del teléfono. Hay muchos argumentos acerca de quién inventó en realidad el primer prototipo eléctrico capaz de funcionar, sin embargo, fue Alexander Graham Bell quien, el 7 demarzo de 1876 ³ obtuvo la primera patente, y luego fundó la empresa American Telephone and Telegraph (conocida como AT&T). Alrededor de 1894¹ la patente de Bell expiró. Aunque AT&T dominó el mercado de telefonía hasta comienzos de la década de 1900, se formaron otras empresas y las mismas comenzaron a llevarse los clientes de AT&T. A causa de esto, la empresa sentía la necesidad de seguir dominando y ampliar su mercado. En 1909, el Presidente de AT&T Theodore Vail¹ realizó el intento de transmitir llamadas telefónicas transcontinentales (de Nueva York a California). Pero para ello necesitaban un buen amplificador o repetidor para impulsar las señales que viajan largas distancias. Anteriormente, en 1906, Lee De Forest había tomado prestada una idea de John A. Fleming (quien tomó el trabajo de Thomas Edison, creando un dispositivo de tubo de vacío llamado "válvula de oscilación" que se utiliza para detectar las ondas de radio), modificado para crear el Triodo - un ineficaz tubo de vacío de 3 terminales que podría ser utilizado como un amplificador. En 1912 Forest fue invitado por Harold Arnold de la empresa Western Electric Company (fabricante de AT&T) para presumir de su invención. Aunque el Triodo de Forest logró funcionar en bajas tensiones, Arnold necesitaba trabajar a voltajes más altos para hacer efectivos los repetidores para la transmisión de voz a través de largas distancias. Arnold creía que podía fabricar un Triodo mejor y así contrató a un número de científicos para comprender cómo funcionaba el dispositivo y cómo él podría mejorarlo. En octubre de 1913, logró el éxito. Poco después se instalarían líneas telefónicas en todo el mundo. Las inversiones que AT&T realizó al contratar a los mejores científicos a lo largo de los años les hizo darse cuenta que hacer una investigación más profunda les daría una ventaja competitiva sobre sus competidores y así formaron la empresa "Bell Telephone Laboratories" en 1925.

Se necesitaban muchos miles de tubos de vacío y relés para mantener las líneas telefónicas en funcionamiento. Sin embargo, los tubos de vacío requerían gran cantidad de energía, tenían gran tamaño y se quemaban con frecuencia. Con su aprendizaje sobre la evolución de la tecnología de la Segunda Guerra Mundial en relación al rectificador de cristal utilizado para activar el radar, Mervin Kelly, Director de Investigación de la empresa Bell, tuvo un indicio de que los semiconductores (dispositivos de estado sólido) podrían ser la respuesta a la creación de un dispositivo que eventualmente reemplazaría a los caros y poco confiables tubos de vacío. Kelly acudió a uno de sus brillantes físicos, William Shockley, para explicarle su visión de cómo mejorar los componentes utilizados para transmitir voz a través de cables. Kelly expresó sus ideas acerca de que le complacería mucho saber que los ruidosos relés mecánicos y los tubos de vacío, grandes consumidores de energía, podrían algún día ser reemplazados por dispositivos electrónicos de estado sólido. Esto le sonó muy bien a Shockley y se convirtió en su principal objetivo. Kelly puso a Shockley a cargo de encontrar una manera de hacer que esto sucediera.

Era un brillante teórico pero no tan bueno en la construcción de sus ideas. Shockley había realizado varios intentos para probar una idea que tenía sobre la transferencia de electrones de efecto de campo para conectar las dos caras de un semiconductor activando una placa encima de los semiconductores. Su experimento fue infructuoso. Frustrado, se dirigió a otros dos físicos de los laboratorios Bell, John Bardeen (brillante con la teoría de los electrones en los semiconductores) y Walter Brattain (genial con el prototipo y el uso de equipo de laboratorio). Pasaron a formar parte de su equipo. Shockley permitió al equipo trabajar por su propia cuenta. A lo largo de los años, se realizaron muchos intentos para lograr que el efecto de campo funcione, pero nunca lo hizo. Revisaron sus cálculos y en teoría esto debería haber funcionado. Pensando creativamente, Bardeen y Brattain experimentaron con finas capas de silicio y germanio intentando conseguir que el efecto de campo funcionara. En el otoño de 1947 hubo un signo de progreso cuando Brattain debía enfrentar problemas con la condensación de agua sobre la superficie del semiconductor. En lugar de secar el agua, colocó una gota de agua en la parte superior del silicio, energizó la placa encima de él, y notó un efecto amplificador. La gota de agua ayudó a superar la barrera de la superficie que contribuyó a crear el flujo de electrones, pero era lento y no se podían amplificar de manera clara las señales de voz necesarias para transmitir la voz.

En diciembre de 1947 (señalado como el Mes del Milagro) pensaron eliminar la brecha de efecto de campo, mediante la extracción del agua y la creación de un contacto de oro para tocar el semiconductor. Cambiaron al germanio, que era más fácil de trabajar en ese momento, y lo aislaron con una fina película de óxido que naturalmente se forma sobre el germanio. Realizaron muchas pruebas sin éxito. Luego, a mediados de diciembre, aparentemente por accidente, Walter Brattain había retirado sin darse cuenta la capa de óxido, ¡haciendo contacto del oro directamente con el germanio! ¡Bingo! Había descubierto una buena amplificación y el transistor era funcional. En lugar de sacar los electrones a la superficie del semiconductor, como era la teoría de Shockley sobre el efecto de campo, Brattain y Bardeen habían descubierto que poniendo en contacto el semiconductor con un contacto de oro, se inyectaban los orificios en el semiconductor, permitiendo el flujo de electricidad. A mediados de diciembre de 1947, sin el conocimiento de Shockley, comenzaron a crear un prototipo operativo. Brattain armó un aparato en la forma de un triángulo de plástico con lámina de oro a lo largo de los bordes inclinados y realizó una fina hendidura en el punto del triángulo. Resultó un prototipo extremadamente rudimentario. Utilizaron un clip de papel en un resorte para presionar el triángulo en el delgado semiconductor de germanio, en la parte superior de una delgada placa de cobre, donde había dos cables, uno en cada extremo del triángulo. La capa de cobre bajo la capa de germanio sirvió como el 3^er conductor, de alguna manera (Figura 7). Acabó recibiendo el nombre de Transistor de Punto de Contacto.

Brattain y Bardeen llamaron a Shockley para comunicarle la buena noticia. En esos logros, declaró Shockley, había una mezcla de emociones, me sentía feliz de que fuese funcional pero decepcionado de que no lo había podido crear yo directamente. La demostración a los superiores de Shockley llegaría una semana más tarde, el 23 de diciembre de 1947 (se anunció públicamente el 30 de junio de 1948). Posteriormente, la imagen fue tomada en ese momento para la historia (Figura 8). Shockley sabía que el frágil transistor de punto de contacto no sería fácil de fabricar y fue consumido por intentar mejorarlo (él mismo). Shockley trabajó febrilmente para intentar resolver el problema a su manera… documentando sus ideas de intentar hacerlo más integrado mediante la superposición de los materiales semiconductores. Se requirió mucha más investigación para completar la teoría para registrar la patente para el transistor de unión (el 25 de junio de 1948). Se realizó la demostración de un transistor n-p-n funcional el 20 de abril de 1950 (que fue posible gracias al trabajo de Gordon Teal y Morgan Sparks). Los detalles alrededor de todo esto van mucho más allá de lo que uno puede imaginar⁴.

William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain recibieron el premio Nobel por la invención del efecto Transistor el 10 de diciembre de 1956.

Figura 7: El Transistor de Punto de Contacto (reutilizado con permiso de Nokia Corporation)

Figura 8: John Bardeen, a la izquierda, William Shockley, centro y Walter Brattain, derecha. (Reutilizado con permiso de Nokia Corporation)

Referencias

1. Riordan, Michael and Lillian Hoddeson. 1997. Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age. New York, NY: W.W. Norton & Company, Inc.
2. Ryder, R.M. 1958. “Ten years of Transistors”, Radio-Electronics Magazine, May, page 35.
3. Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. 1991. “ALEXANDER GRAHAM BELL”. Retrieved Dec. 19, 2017.
4. Riordan, Michael, Lillian Hoddeson, and Conyers Herring. 1999. “The Invention of the Transistor”, Modern Physics, Vol 71, No. 2: Centenary.

Puede encontrar información adicional en: http://www.pbs.org/transistor/