El transistor

Col·laboració de Andrés Abáigar per al capítol Transistors

El 1947, John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley van inventar el transistor, rebent el Premi Nobel de Física per aquest motiu l’any 1956.

El transistor (paraula provinent de la contracció en anglès de transfer resistor, “resistència de transferència”) és un dispositiu electrònic semiconductor que realitza les funcions de la vàlvula termoiònica de tres elèctrodes o tríode en el camp de l’electrotèrmia i les comunicacions, tot complint les funcions d’amplificador, oscil·lador, commutador o rectificador. El transistor es pot utilitzar tant en la tecnologia analògica com en la digital, sent aquest el motiu que l’ha permès obtenir una gran rellevància des de la seva invenció. Actualment, podem trobar-lo gairebé a tots els electrodomèstics i d’altres aparells d’ús quotidià com la ràdio, la televisió, el cotxe, els reproductors d’àudio i vídeo o, és clar, l’ordinador.

El transistor consta d’un substrat (normalment silici) i tres parts dopades artificialment que formen dues unions bipolars: l’emissor que emet portadors, el col·lector que els rep o recol·lecta i la tercera, anomenada base, que està intercalada entre les dues primeres i modula el pas dels citats portadors. A diferència de les vàlvules, el transistor és un dispositiu controlat per corrent i del que s’obté corrent amplificada. En el disseny de circuits, el transistor és considerat com un element actiu, a diferència dels resistors, capacitadors i inductors, que són elements passius. El seu funcionament tan sols es pot explicar a través de de la mecànica quàntica.

L’origen del transistor va néixer quan s’intentà controlar la conducció d’un díode d’unió Positiva-Negativa (semiconductor). Els científics Bardeen, Brattain i Shockley van descobrir que quan es posaven dues puntes metàl·liques a un semiconductor i a una d’aquestes se li aplicava una certa tensió, la corrent en l’altre era influenciada per la de la primera, sent la primera punta l’emissor; el semiconductor, la base; i l’altre punta, el col·lector. D’aquesta manera va néixer el primer transistor de la història conegut com a transistor de punta de contacte. Aquest transistor constava d’una base de germani sobre la que es recolzaven, molt juntes, dues puntes metàl·liques que constitueixen l’emissor i el col·lector. La corrent de l’emissor és capaç de modular la resistència que es veu en el col·lector, d’aquí el nom de “transfer resistor“. Aquest tipus de transistor es fonamenta en efectes de superfície, poc coneguts en aquell moment, i presenta tres grans desavantatges com eren el fet que resultava difícil de fabricar (les puntes s’ajuntaven a mà), era fràgil (un cop podia moure les puntes) i també sorollós. Avui en dia ha desaparegut, sent substituït per dos tipus de transistors molt més eficients: els transistors d’unió bipolar o BJT (Bipolar Junction Transistor) i el transistors d’efecte de camp o FET (Field Effect Transistor).

Els transistors d’unió bipolar es fabrica bàsicament sobre un monocristall de Germani, Silici o Arseni de Gal·li, que tenen qualitats de semiconductors, estat entremig entre conductors com els metalls i aïllants com el diamant. Sobre el substrat de cristall es dopen, de manera molt controlada, tres zones, dos de les quals son del mateix tipus, NPN (Negatiu-Positiu-Negatiu) o PNP (Positiu-Negatiu-Positiu), quedant formades dues unions NP. La zona N té elements donants d’electrons (càrregues negatives) com, per exemple, l’arsènic o el fòsfor; mentre que la zona P d’acceptadors o “forats” (càrregues positives) utilitza elements com l’indi, l’alumini o el gal·li. La configuració d’unions PN, dóna com a resultat transistors PNP o NPN, on la lletra intermitja sempre correspon a la característica de la base, i les altres dues a l’emissor i el col·lector que, si ben és cert que són del mateix tipus i de signe contrari a la base, tenen diferent dopatge entre elles.

El mecanisme que representa el comportament semiconductor dependrà d’aquests processos de dopatge, de la geometria associada, del tipus de tecnologia de dopatge (difusió gasosa, epitel·lial, etc.) i del comportament quàntic de la unió. Aquests transistors s’utilitzen, generalment, en l’electrònica analògica, tot i que també s’emprenen en algunes aplicacions de l’electrònica digital, com ara la tecnologia BICMOS o TTL.

D’altra banda, el transistor d’efecte camp és, en realitat, una família de transistors que es basen en el camp elèctric per controlar la conductivitat d’un “canal” en un material semiconductor. Els FET, com tots els transistors, poden plantejar-se com resistències controlades per voltatge. Aquests presenten tres terminals denominades porta (o gate), l’equivalent a la base dels BJT, que regula el pas de corrent per les altres dues terminals, anomenades drenador (drain) i font (source).

La majoria dels FET estan fets usant les tècniques de processament de semiconductors habituals, emprant l’oblia monocristal·lina semiconductora com la regió activa, o canal. La regió activa dels TFTs (thin-film transistors, o transistors de pel·lícula fina), per altra banda, és una pel·lícula que es diposita sobre un substrat (usualment vidre, ja que la principal aplicació dels TFTs és les pantalles de cristall líquid o LCDs).

Els transistors d’efecte de camp es poden classificar segons el mètode d’aïllament i la porta. D’aquesta manera, tenim els MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) que utilitza un aïllant i on la porta no absorbeix intensitat en absolut (a diferència dels BJT); els JFET (Junction Field-Effect Transistor) que utilitza una unió P-N; els MESFET (Metal-Semiconductor FET) que utilitza una barrera Schottky; i, finalment, els HEMT (High Electron Mobility Transistor), també anomenat HFET (heterostructrure FET), l’aïllant del qual està format per la banda de material dopat amb “forats”.

Col·laboració de Andrés Abáigar per al capítol Transistors