Un transistor ( del inglés transistor ), un triodo semiconductor es un componente electrónico fabricado en un material semiconductor , generalmente de tres conductores [1] , capaz de controlar una corriente significativa en el circuito de salida con una pequeña señal de entrada, lo que permite su uso para amplificar, generar, conmutar y convertir señales eléctricas. En la actualidad, el transistor es la base de la circuitería de la gran mayoría de dispositivos electrónicos y circuitos integrados .
También se denominan transistores a los dispositivos electrónicos discretos , que, realizando la función de un solo transistor, incorporan varios elementos, siendo estructuralmente un circuito integrado , por ejemplo, un transistor compuesto o muchos transistores de alta potencia [2] .
Los transistores se dividen en dos clases según su estructura, principio de funcionamiento y parámetros: bipolar y de campo (unipolar). El transistor bipolar utiliza semiconductores con ambos tipos de conductividad, funciona debido a la interacción de dos uniones pn estrechamente espaciadas en el cristal y se controla cambiando la corriente a través de la unión base-emisor, mientras que la salida del emisor en el "emisor común" El circuito es común para las corrientes de control y de salida. También hay circuitos de "colector común (seguidor de emisor)" y "base común". El transistor de efecto de campo utiliza un semiconductor de un solo tipo de conductividad, ubicado en forma de un canal delgado, el cual es afectado por el campo eléctrico de una puerta aislada del canal [3] , el control se realiza cambiando el voltaje entre la puerta y la fuente. Un transistor de efecto de campo, a diferencia de uno bipolar, está controlado por voltaje, no por corriente. Actualmente, la tecnología analógica está dominada por los transistores bipolares (BT) (término internacional - BJT, transistor de unión bipolar). En la tecnología digital , como parte de los microcircuitos ( lógica , memoria , procesadores , computadoras , comunicaciones digitales , etc.), por el contrario, los transistores bipolares son reemplazados casi por completo por los de campo . En la década de 1990, se desarrolló un nuevo tipo de transistores de efecto de campo bipolares híbridos: IGBT , que ahora se utilizan ampliamente en la electrónica de potencia.
En 1956, William Shockley , John Bardeen y Walter Brattain recibieron el Premio Nobel de Física por su investigación sobre el efecto transistor [4] .
En la década de 1980, los transistores, debido a su tamaño en miniatura, eficiencia, resistencia al estrés mecánico y bajo costo, reemplazaron casi por completo a los tubos de vacío de la electrónica de pequeña señal. A través de su capacidad para operar con voltajes bajos y corrientes altas, los transistores redujeron la necesidad de relés electromagnéticos e interruptores mecánicos en los equipos y, a través de su capacidad para miniaturizar e integrar, hicieron posible la creación de circuitos integrados , sentando las bases de la microelectrónica . Desde la década de 1990, en relación con la llegada de nuevos transistores potentes, transformadores, interruptores electromecánicos y de tiristores en la ingeniería eléctrica de potencia comenzaron a ser reemplazados activamente por dispositivos electrónicos, comenzaron a desarrollarse activamente convertidores de voltaje de convertidores de frecuencia e inversores controlados .
En los diagramas de circuito, el transistor generalmente se designa como "VT" o "Q" con la adición de un índice de posición, por ejemplo, VT12. En la literatura y documentación en idioma ruso en el siglo XX hasta los años 70, también se utilizaron las designaciones "T", "PP" (dispositivo semiconductor) o "PT" (triodo semiconductor).
La invención del transistor, que es uno de los logros más importantes del siglo XX [5] , fue el resultado de un largo desarrollo de la electrónica de semiconductores, que comenzó en 1833, cuando el físico experimental inglés Michael Faraday , en su obra " Investigación experimental sobre electricidad", describió la inusual dependencia de la temperatura de la conductividad eléctrica del sulfuro de plata , que aumentó con el aumento de la temperatura, mientras que la conductividad de los metales disminuyó con el calentamiento. En 1838, Faraday descubrió 5 sustancias más con propiedades similares [6] . Posteriormente, tales sustancias se llamarán semiconductores .
En los años 1820-1900, la dinastía Becquerel de físicos franceses: Antoine Cesar Becquerel , Alexandre Edmond Becquerel y Antoine Henri Becquerel hizo una gran contribución al estudio de las diversas propiedades de los cristales . Se estudiaron las propiedades piezoeléctricas , termoeléctricas de los cristales , en 1851 Alexander Edmond Becquerel descubrió el efecto fotovoltaico en la transición electrolito -semiconductor .
En 1874, el físico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió por primera vez el fenómeno de la conducción unilateral del contacto de una antena metálica con un cristal de sulfuro de plomo y luego con otros cristales semiconductores. Un diodo detector de semiconductores puntuales , basado en este fenómeno, fue patentado en 1906 por el ingeniero de Greenleaf, Witter Pickard .
La invención del diodo de vacío en 1904 por John Fleming , seguida por la invención del triodo de vacío amplificador por Lee de Forest en 1906 , inició el desarrollo de la electrónica de vacío. De funcionamiento estable y basados en principios físicos comprensibles , los tubos de vacío retrasaron el desarrollo de la electrónica de semiconductores en el mundo durante 50 años. Durante este período, la física de los semiconductores aún no se entendía bien, todos los logros fueron el resultado de experimentos. A los científicos les resultó difícil explicar lo que sucedía dentro del cristal. A menudo se planteaban hipótesis erróneas.
En 1910, el físico inglés William Eccles descubrió la capacidad de generar oscilaciones eléctricas en algunos diodos semiconductores, y el ingeniero Oleg Losev en 1922 desarrolló de forma independiente diodos que tienen una resistencia diferencial negativa a ciertos voltajes de polarización, con la ayuda de los cuales utilizó con éxito la amplificación y propiedades generadoras de semiconductores por primera vez ( efecto Kristadinny ) en detectores y receptores de radio heterodinos de diseño propio.
Al mismo tiempo, entre las décadas de 1920 y 1930, comenzó una era de rápido desarrollo industrial de los tubos de vacío en la ingeniería de radio, y la mayor parte de los científicos de radio trabajaron en esta dirección. Los detectores de semiconductores frágiles y caprichosos de diseño abierto, en los que era necesario buscar manualmente "puntos activos" en un cristal con una aguja de metal, se convirtieron en la suerte de los artesanos y radioaficionados que construyeron simples receptores de radio en ellos. Nadie vio las perspectivas potenciales de los semiconductores.
La creación de transistores bipolares y de efecto de campo se produjo de diferentes maneras.
El primer paso para crear un transistor de efecto de campo lo dio el físico austrohúngaro Julius Edgar Lilienfeld , quien propuso un método para controlar la corriente en una muestra aplicándole un campo eléctrico transversal que, actuando sobre los portadores de carga, controlar la conductividad. Se obtuvieron patentes en Canadá ( 22 de octubre de 1925 ) y Alemania ( 1928 ) [7] [8] . En 1934 el físico alemán Oskar Heilen el Reino Unido también patentó un "relé sin contacto" basado en un principio similar. En 1938, R. Pohl y R. Hilsch recibieron por primera vez la amplificación de un prototipo de transistor de efecto de campo, pero la ganancia era muy baja y la frecuencia de operación no superaba 1 Hertz.
A pesar de que los transistores de efecto de campo se basan en un simple efecto de campo electrostático y, en términos de los procesos físicos que ocurren en ellos, son más simples que los bipolares (los experimentadores a menudo intentaron repetir el diseño de una lámpara de tres electrodos, un triodo , en un cristal), no fue posible crear una muestra viable de un transistor de efecto de campo. Los creadores no pudieron eludir los fenómenos desconocidos en ese momento en la capa superficial del semiconductor, lo que no permitió controlar el campo eléctrico dentro del cristal en transistores de este tipo (transistor MIS - metal, dieléctrico, semiconductor). Se creó un transistor de efecto de campo viable después del descubrimiento del transistor bipolar. En 1952, William Shockley describió teóricamente un modelo de transistor de efecto de campo de otro tipo, en el que la modulación de corriente, a diferencia de las estructuras MIS [9] propuestas anteriormente , se realizaba cambiando el grosor del canal conductor mediante la expansión o estrechamiento de la región de agotamiento adyacente al canal de unión p-n. Esto sucedió cuando se aplicó a la unión un voltaje de control de la polaridad de bloqueo del diodo de puerta. El transistor se denominó "transistor de efecto de campo con una unión pn de control" (se eliminaron los fenómenos de superficie de interferencia, ya que el canal conductor estaba dentro del cristal).
El primer transistor de efecto de campo MIS, patentado en la década de 1920 y que ahora forma la base de la industria informática, se creó por primera vez en 1960 después del trabajo de los estadounidenses Kang y Atalla, quienes propusieron formar la capa más delgada de un dieléctrico de puerta en la superficie de un cristal de silicio al oxidar la superficie de silicio una capa de dióxido de silicio que aísla la puerta de metal del canal conductor, tal estructura se denomina estructura MOS (Metal-Oxide-Semiconductor).
En la década de 1990, la tecnología MOS comenzó a dominar a la tecnología bipolar [10] .
A diferencia del transistor de campo, el primer transistor bipolar se creó de forma experimental y su principio físico de funcionamiento se explicó más adelante.
En 1929-1933, en el LPTI , Oleg Losev , bajo la dirección del académico Ioffe , realizó una serie de experimentos con un dispositivo semiconductor que repite estructuralmente un transistor puntual en un cristal de carborundum (SiC) , pero luego no fue posible obtenerlo. una ganancia suficiente. Al estudiar los fenómenos de la electroluminiscencia en los semiconductores, Losev estudió alrededor de 90 materiales diferentes, especialmente la separación del silicio, y en 1939 vuelve a mencionar el trabajo en sistemas de tres electrodos en sus notas, pero el estallido de la guerra y la muerte de un ingeniero en la sitiada Leningrado en el invierno de 1942 hizo que parte de su trabajo se haya perdido, y no se sabe hasta dónde avanzó en la creación del transistor. A principios de la década de 1930, los radioaficionados Larry Kaiser de Canadá y Robert Adams de Nueva Zelanda también fabricaron amplificadores de punto de tres electrodos, pero su trabajo no fue patentado ni sometido a análisis científico [5] .
El éxito fue logrado por la división de desarrollo de Bell Telephone Laboratories de American Telephone and Telegraph , desde 1936, bajo el liderazgo de Joseph Becker, un grupo de científicos ha trabajado en él, específicamente destinado a crear amplificadores de estado sólido. Hasta 1941 no fue posible fabricar un dispositivo amplificador de semiconductores (se intentó crear un prototipo de transistor de efecto de campo). Después de la guerra, en 1945, se reanudó la investigación bajo la dirección del físico teórico William Shockley . Después de otros 2 años de fracaso, el 16 de diciembre de 1947, el investigador Walter Brattain , tratando de superar el efecto de superficie en un cristal de germanio y experimentando con dos electrodos de aguja, invirtió la polaridad del voltaje aplicado e inesperadamente obtuvo una amplificación de señal estable. Un estudio posterior del descubrimiento realizado por él junto con el teórico John Bardeen demostró que no hay efecto de campo, hay procesos que aún no han sido estudiados en el cristal. No era un campo, sino un transistor bipolar previamente desconocido . El 23 de diciembre de 1947 se llevó a cabo la presentación del modelo actual del producto a la dirección de la empresa, esta fecha pasó a ser considerada como la fecha de nacimiento del transistor. Al enterarse del éxito, William Shockley, que ya se había jubilado, se reenganchó a la investigación y en poco tiempo creó la teoría del transistor bipolar, en la que ya esbozaba la sustitución de la tecnología de fabricación puntual por una más prometedora, plana.
Inicialmente, el nuevo dispositivo se denominó "triodo de germanio" o "triodo semiconductor", por analogía con un triodo de vacío , un tubo de electrones de estructura similar. En mayo de 1948, se llevó a cabo un concurso en el laboratorio para el nombre original de la invención, que fue ganado por John Pierce , quien propuso la palabra "transistor", formada por la combinación de los términos "transconductancia" (conductividad activa entre electrodos) y "variable". resistor" o "varistor" (resistencia variable, varistor) o, según otras versiones, de las palabras "transfer" - transmisión y "resist" - resistencia.
El 30 de junio de 1948 tuvo lugar la presentación oficial del nuevo dispositivo en la sede de la empresa en Nueva York, se montó un receptor de radio sobre transistores. Sin embargo, el descubrimiento no fue apreciado, ya que los transistores de primer punto, en comparación con los tubos de vacío, tenían características muy pobres e inestables.
En 1956, William Shockley , Walter Brattain y John Bardeen recibieron el Premio Nobel de Física "por su investigación sobre los semiconductores y el descubrimiento del efecto transistor" [11] . Curiosamente, John Bardeen pronto recibió el segundo Premio Nobel por la creación de la teoría de la superconductividad .
Paralelamente al trabajo de los científicos estadounidenses en Europa, el físico experimental Herbert Matare y el teórico ( Heinrich Welker ) crearon el transistor bipolar. En 1944, Herbert Matare, trabajando en Telefunken , desarrolló un "duodiodo" semiconductor (doble diodo), que era estructuralmente similar al futuro transistor bipolar de punto. El dispositivo se utilizó como mezclador en tecnología de radar, como dos diodos de punto rectificador con parámetros similares, hechos en el mismo cristal de germanio. Al mismo tiempo, Matare descubrió por primera vez el efecto de la corriente de un diodo en los parámetros de otro y comenzó a investigar en esta dirección. Después de la guerra, Herbert Matare se reunió en París con Johann Welker, donde ambos físicos, trabajando en una sucursal de la corporación estadounidense Westinghouse Electric , continuaron los experimentos sobre el duodeón por iniciativa propia. A principios de junio de 1948, sin conocer aún los resultados de la investigación del grupo Shockley en Bell Labs, crearon un transistor bipolar estable basado en el duodeno, al que llamaron "transitrón". Sin embargo, la solicitud de patente para la invención, enviada en agosto de 1948, fue considerada por la oficina de patentes francesa durante mucho tiempo, y solo en 1952 se obtuvo una patente para la invención. Los transitrones producidos en masa por Westinghouse, a pesar de que competían con éxito con los transistores en términos de calidad, tampoco lograron conquistar el mercado, y el trabajo en esta dirección pronto cesó [5] .
A pesar de su diminución y eficiencia, los primeros transistores se distinguieron por un alto nivel de ruido, baja potencia, inestabilidad de las características a lo largo del tiempo y una fuerte dependencia de los parámetros con la temperatura. El transistor de punto, al no ser una estructura monolítica, era sensible a golpes y vibraciones. El creador de Bell Telephone Laboratories no apreció las perspectivas del nuevo dispositivo, no se esperaban pedidos militares rentables, por lo que la licencia de la invención pronto comenzó a venderse a todos por 25 mil dólares. En 1951, se creó un transistor plano, que es estructuralmente un cristal semiconductor monolítico, y casi al mismo tiempo aparecieron los primeros transistores basados en silicio. Las características de los transistores mejoraron rápidamente y pronto comenzaron a competir activamente con los tubos de vacío.
A lo largo de 30 años de desarrollo, los transistores han reemplazado casi por completo a los tubos de vacío y se han convertido en la base de los circuitos integrados de semiconductores , gracias a esto, los equipos electrónicos se han vuelto mucho más económicos, funcionales y en miniatura. Los transistores y los circuitos integrados basados en ellos provocaron el rápido desarrollo de la tecnología informática . A principios del siglo XXI, el transistor se convirtió en uno de los productos más producidos en masa fabricados por la humanidad. En 2013, se produjeron alrededor de 15 mil millones de transistores por cada habitante de la Tierra (la mayoría de ellos son circuitos integrados) [12] .
Con la llegada de los circuitos integrados, comenzó la lucha por reducir el tamaño del transistor elemental. En 2012, los transistores más pequeños contenían unos pocos átomos de materia [13] . Los transistores se han convertido en una parte esencial de las computadoras y otros dispositivos digitales. En algunos diseños de procesadores, su número excedía los mil millones de piezas.
A continuación se muestra una clasificación formal de transistores, donde la corriente es generada por el flujo de portadores de carga, y los estados entre los cuales cambia el dispositivo están determinados por la magnitud de la señal: señal pequeña - señal grande, estado cerrado - estado abierto, en que se implementa la lógica binaria del transistor. La tecnología moderna puede operar no solo con carga eléctrica, sino también con momentos magnéticos, el espín de un electrón individual, fonones y cuantos de luz, estados cuánticos en el caso general.
Además del material semiconductor principal , que generalmente se usa en forma de un solo cristal dopado en algunas partes, el transistor contiene conductores metálicos, elementos aislantes y una carcasa (plástico, metal-vidrio o metal-cerámica) en su diseño. . A veces se utilizan nombres combinados que describen parcialmente variedades tecnológicas (por ejemplo, "silicio sobre zafiro" o "semiconductor de óxido de metal"). Sin embargo, la clasificación principal indica el material semiconductor utilizado: silicio , germanio , arseniuro de galio , etc.
No se han utilizado otros materiales para transistores hasta hace poco tiempo. Actualmente, existen transistores basados, por ejemplo, en semiconductores transparentes para su uso en matrices de visualización. Un material prometedor para los transistores son los polímeros semiconductores. También hay informes separados sobre transistores basados en nanotubos de carbono [14] , sobre transistores de efecto de campo de grafeno .
| transistores | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Bipolar | campo | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| pnp | npn | Con puerta de enlace pn | puerta aislada | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| con canal n | Con canal p | Con canal incorporado | Con canal inducido | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| con canal n | Con canal p | con canal n | Con canal p | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
El principio de funcionamiento y los métodos de aplicación de los transistores dependen significativamente de su tipo y estructura interna.
Según la potencia disipada en forma de calor , se distinguen:
Los transistores BISS (Breakthrough in Small Signal) son transistores bipolares con parámetros de señal pequeña mejorados . Se logró una mejora significativa en los parámetros de los transistores BISS al cambiar el diseño de la zona del emisor. Los primeros desarrollos de esta clase de dispositivos también se denominaron "dispositivos de microcorriente".
Transistores con resistencias integradas Los RET (transistores equipados con resistencias) son transistores bipolares con resistencias integradas en una carcasa con un cristal. RET es un transistor de propósito general con uno o dos resistores incorporados. Este diseño de transistor reduce la cantidad de componentes adicionales externos y minimiza el área de montaje requerida. Los transistores RET se utilizan para la conexión directa a las salidas de los microcircuitos sin el uso de resistencias limitadoras de corriente.
El uso de heterouniones le permite crear transistores de efecto de campo de alta velocidad y alta frecuencia, como, por ejemplo, HEMT .
Para ser incluido en el circuito, el transistor debe tener cuatro salidas: dos de entrada y dos de salida. Pero los transistores de casi todas las variedades tienen solo tres terminales. Para encender un dispositivo de tres pines, es necesario asignar uno de los pines como uno común, y dado que solo puede haber tres combinaciones de este tipo, hay tres circuitos principales de conmutación de transistores.
Los transistores de efecto de campo con unión pn (canal) y MOS (MIS) tienen los siguientes circuitos de conmutación:
"Colector abierto (drenador)" es la inclusión de un transistor según un circuito emisor común (fuente) como parte de un módulo electrónico o microcircuito , cuando la salida del colector (drenador) no está conectada a otros elementos del módulo (microcircuito) , pero se envía directamente (al conector del módulo o salida del chip). La elección de la carga del transistor y la corriente del colector (drenaje) se deja al desarrollador del circuito final, que incluye un módulo o microcircuito. En particular, la carga de dicho transistor se puede conectar a una fuente de alimentación con un voltaje superior o inferior al voltaje de alimentación del módulo/microcircuito. Este enfoque amplía significativamente la aplicabilidad de un módulo o microcircuito debido a una ligera complicación del circuito final. Los transistores de colector abierto (drenaje) se utilizan en elementos lógicos TTL , microcircuitos con potentes etapas de salida clave , convertidores de nivel , formadores de bus (controladores) .
La conexión inversa se usa con menos frecuencia, con un emisor abierto (fuente). También permite seleccionar la carga del transistor cambiando componentes externos, para suministrar al emisor/drenador una tensión de polaridad opuesta a la tensión de alimentación del circuito principal (por ejemplo, tensión negativa para circuitos con transistores bipolares npn o N transistores de efecto de campo de canal).
Independientemente del tipo de transistor, el principio de su aplicación es el mismo:
Esta posición no siempre es cierta: por ejemplo, en un circuito con colector común, la corriente en la salida es β veces mayor que en la entrada, mientras que el voltaje en la salida es ligeramente menor que en la entrada; en un circuito de base común, el voltaje de salida aumenta en comparación con la entrada, pero la corriente de salida es ligeramente menor que la entrada. Así, en un circuito con colector común, la amplificación ocurre solo en corriente, y en un circuito OB, solo en voltaje. Debido al control controlado de la fuente de alimentación, la amplificación de la señal se logra ya sea por corriente, por voltaje o por potencia (circuitos con un emisor común).
El transistor se utiliza en:
Existen desarrollos experimentales de amplificadores totalmente digitales, basados en DAC, que consisten en potentes transistores [22] [23] . Los transistores en tales amplificadores funcionan en un modo clave.
Los transistores se utilizan como elementos activos (amplificadores) en las etapas de amplificación y conmutación .
Los relés y tiristores tienen una mayor ganancia de potencia que los transistores, pero funcionan solo en el modo clave (conmutación).
Toda la tecnología digital moderna se basa principalmente en transistores MOS de campo (metal-óxido-semiconductor) (MOSFET) como elementos más económicos en comparación con los BT. A veces se les llama transistores MIS (metal-dielectric-semiconductor). El término internacional es MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal). Los transistores se fabrican en el marco de la tecnología integrada en un solo cristal de silicio (chip) y constituyen un "ladrillo" elemental para construir microcircuitos de lógica, memoria, procesador, etc.
En la actualidad, un cristal moderno con un área de 1 a 2 cm² puede albergar varios (hasta ahora solo unos pocos) miles de millones de MOSFET. En el transcurso de 60 años, ha habido una disminución en el tamaño (miniaturización) de los MOSFET y un aumento en su número en un solo chip (grado de integración), en los próximos años un mayor aumento en el grado de integración de transistores en un chip se espera (ver la Ley de Moore ). Reducir el tamaño del MOSFET también conduce a un aumento en la velocidad de los procesadores, una disminución en el consumo de energía y la disipación de calor.
Actualmente, los microprocesadores de Intel se ensamblan en transistores tridimensionales (transistores 3d), llamados Tri-Gate. Esta tecnología revolucionaria ha mejorado significativamente las características existentes de los procesadores. Cabe señalar que la transición a los transistores 3D con un proceso de fabricación de 22 nm nos permitió aumentar el rendimiento del procesador en un 30% (según Intel) y reducir el consumo de energía. . Es de destacar que los costos de producción aumentarán solo en un 2-3%, es decir, los nuevos procesadores no serán significativamente más caros que los antiguos. . La esencia de esta tecnología es que un dieléctrico High-K especial pasa a través de la puerta del transistor, lo que reduce las corrientes de fuga.
Antes del desarrollo de los transistores, los tubos de vacío (electrónicos) (o simplemente "tubos") eran los principales componentes activos de los equipos electrónicos. De acuerdo con el principio de control, el transistor de efecto de campo está más relacionado con la lámpara electrónica, muchas relaciones que describen el funcionamiento de las lámparas también son adecuadas para describir el funcionamiento de los transistores de efecto de campo. Muchos de los circuitos diseñados para tubos se han aplicado a transistores y han evolucionado porque los tubos de vacío tienen un solo tipo de conducción, electrón, y los transistores pueden ser de electrón o de hueco (el equivalente del imaginario "tubo de positrones"). Esto ha llevado al uso generalizado de circuitos complementarios (CMOS).
Las principales ventajas que permitieron a los transistores reemplazar a sus predecesores (tubos de vacío) en la mayoría de los dispositivos electrónicos:
| Amplificadores de transistores | ||
|---|---|---|
| transistores bipolares | ||
| FET |
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