Como funcionan REALMENTE los transistores. PARTE 1 lunes, agosto 04, 2008

Este artículo fue escrito originalmente por William Beaty en inglés, y lo traduje con su permiso para ponerlo a disposición en español. Más información e índice de artículos aquí.

¿Como funcionan los transistores?
No, ¿como funcionan realmente?

La mayoría de los libros de texto introductorios hacen un trabajo muy pobre explicando los detalles de cómo funcionan los transistores. En principio asumen que la corriente de Base de alguna manera controla la corriente del Colector, y luego tratan de explicar cómo una corriente afecta a la otra. Estas explicaciones siempre fallan porque los transistores bipolares, así como los FETs, son dispositivos controlados por voltaje. Una corriente no afecta a la otra. En cambio, el voltaje Base-Emisor controla el espesor de una capa aislante llamada "capa de agotamiento"¹ que se encuentra en el camino de tanto la corriente del Colector como la corriente de Base.

(¹ "Capa de agotamiento" en inglés original "depletion layer", donde depletion fue traducido como agotamiento, cual si de un recurso se tratase)

Cuando por primera vez me interesé en la electrónica de niño, me senté a pensar como funcionan los transistores bipolares.

Bueno, más o menos.

Leí varios artículos que explicaban el "amplificador de base común". Base común es la configuración que fue usada por los inventores del transistor. En esas explicaciones, la Base está "a tierra" o "a masa" y la señal de entrada se aplica al Emisor. Puesto que los amplificadores de base común son raramente usados en los circuitos de transistores, acabé teniendo que soñar mi propia explicación. La basé en los poquito que sabía acerca de la configuración de Emisor común. Emisor común es cuando el Emisor está a masa, la Base es la entrada (input) y la salida (output) es tomada a través de una resistencia conectada al Colector. Mi explicación casera más o menos funcionó, pero yo no estaba satisfecho. Yo estaba lleno de molestas dudas. ¿Y por qué los libros de texto usaban "Base común" para presentar los transistores a los novatos? Simplemente no tenía sentido.

Cuando fui a la facultad de ingeniería, encontré extremadamente raro que aún no habían buenas explicaciones de los transistores bipolares. Seguro, habían detallados tratamientos matemáticos. Nomás multiplicar la corriente de base por "hfe" para obtener la corriente del Colector. O, tratar al transistor como una red de dos puertos con un sistema de ecuaciones dentro. Ebers-Moll y todo eso. Pero todos eran similares a circuitos "caja negra" y ninguno explicaba COMO funciona un transistor, ¿cómo una corriente pequeña puede tener algún efecto en una más grande????. Y nadie parecía curioso. Todos en la clase parecían pensar que memorizar las ecuaciones era lo mismo que aprender conceptos y ganar conocimiento sobre el dispositivo. (R. Feynman llama a esto el punto de vista Euclideano o Griego, el amor de los matemáticos, opuesto al punto de vista de los físicos, el punto de vista Babilónico donde los conceptos son mucho más importantes que las ecuaciones). Yo soy un babilónico total. Para mí, la matemática es inútil al comienzo, las ecuaciones son como esos programas caja-negra Spice, donde todo podía funcionar perfecto, pero no te dicen ningun detalle acerca de qué esta sucediendo adentro de un dispositivo en el mundo real. Sólo después de haber alcanzado un conocimiento visual y visceral de algo, únicamente ahí la matemática es útil para mí, para refinarlo y añadirle detalles. La matemática es sólo una herramienta o una receta, una muleta para quienes únicamente quieren el resultado numérico final y ciertamente no les aporta conocimiento.

Ahora, muchos años han pasado, y creo que puedo ver el problema...

Las explicaciones tradicionales sobre el transistor básicamente *apestan*.

Las que veo en los libros de texto y revistas hobbistas son terribles. Están llenas de errores y contradicciones. Utilizan mal la palabra "corriente" como si fuera algo que fluye. No explican los aislantes correctamente. Y tratan de probar que la corriente de Base puede tener un efecto en la corriente del Colector. Y también están todos aquellos autores que usan los amplificadores de Base común como introducción para los novatos. ¿Son acaso tontos que siguen una tradición únicamente porque es tradicional? ¿Por qué nunca hacen esfuerzos para mejorar las explicaciones? ¿Acaso fueron talladas en piedra por Dios? Bueno, si nadie piensa que las explicaciones están abiertas a mejoras, entonces mejor apuesto por ello. (Y si tengo razón, debería ser muy fácil escribir una explicación mapliamente mejorada).

Más abajo están mis ideas sobre como los transistores realmente funcionan. Como pronto podrás ver, se requieren varios conceptos nuevos. Quizás te sería más fácil simplemente memorizar las ecuaciones en lugar de imaginar que ocurre realmente en el interior. Pero si de hecho logras decodificar mis explicaciones y crudo arte ASCII, pienso que estarás en la minoría que realmente entiende a los transistores. He encontrado que incluso la mayoría de los ingenieros en actividad no tienen una buena imagen mental de la operación de los transistores bipolares. Así que, si alcanzas un claro entendimiento de los transistores, sobrepasarás a muchos expertos.


Antes que nada, debes abandonar la idea de que la corriente atraviesa los transistores o fluye dentro de los cables. Si, me escuchaste bien. La corriente no fluye. La corriente eléctrica nunca fluye, ya que la corriente eléctrica no es ninguna cosa. La corriente eléctrica es un flujo de algo más. (Preguntate esto: ¿qué cosa fluye en un río, es "corriente" o es algo llamado "agua"?).

Entonces, ¿qué fluye dentro de los cables?

La cosa que se mueve dentro de los cables no se llama corriente eléctrica. En su lugar, se llama Carga Eléctrica. Es la carga lo que fluye, nunca la corriente. Y en los ríos o en los caños es el agua lo que fluye, no la "corriente". No podremos entender la plomería hasta que dejemos de creer en una cosa llamada "corriente", y aprendamos que es el "agua" lo que fluye dentro de los caños. Lo mismo sucede con los circuitos. Los cables no están llenos de corriente, sino de cargas que pueden moverse. La carga eléctrica es algo real; puede moverse alrededor. Pero la corriente eléctrica no es una cosa real. Si decidimos ignorar la "corriente" y examinamos el comportamiento de cargas móviles en gran detalle, podemos despejar las nubes de niebla que bloqueaban nuestra comprensión de la electrónica.

Segundo: las cargas que se encuentran dentro de los conductores no se empujan entre ellas, sino que en realidad don empujadas por la diferencia de potencial; están siendo empujadas por los campos de voltaje dentro del material conductivo. Las cargas no salen de a chorros de la fuente de poder como si ésta fuera una especie de fuente de agua. Si imaginas que las cargas parten del terminal positivo o negativo de una fuente; si piensas que las cargas luego se desparraman por los caños huecos del circuito, has cometido un error fundamental. Los cables no actúan como "caños para electrones" vacíos, y la fuente de poder no aporta ningún electron. Las fuentes de poder ciertamente crean corrientes, o causan corrientes, pero recordemos, estamos eliminando la palabra "corriente". Para crear un flujo de cargas, la fuente no inyecta ninguna carga en los cables. La fuente es sólo una bomba. Una bomba puede aportar presión de bombeo. Las bombas nunca aportan el agua que es bombeada.

Tercero: ¿descubriste el gran "secreto" de la visualización de circuitos?

TODOS LOS CONDUCTORES ESTÁN PREVIAMENTE LLENOS DE CARGAS

Los cables y el silicio... ambos se comportan como caños previamente llenados y tanques de agua. Los circuitos eléctricos están basados en caños llenos. Esta simple idea es usualmente oscurecida por la frase "las fuentes de poder crean corriente", o "la corriente fluye en los cables". Terminamos pensando que los cables son como caños huecos, y una misteriosa sustancia llamada Corriente fluye por ellos. Nop. (Una vez que nos quitamos de encima la palabra "corriente", finalmente podemos descubrir sorprendentes comportamientos en circuitos simples, eh?).

Si los circuitos son como cañerías, entonces ninguno de los "caños" de un circuito está jamás vacío. Esta idea es extremadamente importante, y sin ella no podemos entender a los semiconductores. Los metales contienen una vasta cantidad de electrones móviles que forman una suerte de "fluído eléctrico" dentro del metal. ¡Un simple bloque de cobre es como un tanque de agua!. Los físicos llaman a este fluído con el nombre de "mar de electrones de los metales". Los semiconductores están siempre llenos de esta cosa-cargada móvil. La carga móvil está ahí incluso cuando el transistor está apoyado en un estante y desconectado de todo. Cuando un voltaje es aplicado a través de una pieza de silicio, estas cargas previamente incluídas en los metales son puestas en movimiento. Notemos además que la carga dentro de los cables permanece... sin cambios. Cada uno de los electrones móviles tiene un proton positivo cerca, de manera que aún conteniendo un vasto mar de electrones, no existe carga neta en promedio. Los cables contienen carga "descargada". Mejor llamémosle "carga cancelada". Igualment aún con los electrones cancelados por los protones, los electrones pueden moverse, de manera que es posible tener flujos de carga en un metal descargado.

OK, partiendo desde que los "caños" están previamente llenos de "líquido", para entender los circuitos NO debemos trazar el sendero comenzando por los terminales de la fuente. En cambio, podemos empezar por cualquier componente del esquema. Si un voltaje es aplicado a través de ese componente, las cargas dentro suyo comienzan a fluir. Modifiquemos la antigua "explicación tipo linterna" que nos enseñaron a todos en la escuela. Aquí está la versión corregida:
LA CORRECTA EXPLICACIÓN TIPO LINTERNA:
Los cables están llenos de vastas cantidades de carga eléctrica móvil (todos los conductores lo están!). Si conectas unos cables en círculo, formas un "circuito eléctrico" que contiene un cinturón móvil de cargas dentro del metal. A continuación cortamos el cable en un par de lugares y conectamos una batería y una lámpara en los cortes. La batería actúa como una bomba de agua, mientras que la lámpara ofrece fricción. La batería empuja la fila de cargas en los cables hacia adelante, todas las cargas fluyen, y la lámpara se enciende. Sigámoslas.

Las cargas empiezan dentro del filamento de la lámpara. (No, no dentro de la batería. Empezamos en la lámpara). Las cargas son forzadas a fluír a lo largo del filamento. Fluyen luego hacia el primer cable y se mueven hasta el primer terminal de la batería. (al mismo tiempo más cargas entran al filamento por el otro lado). La batería bombea las cargas a través de ella misma y hacia afuera nuevamente. Las cargas abandonan el segundo terminal de la batería, y fluyen a traves del segundo cable. Se ubican nuevamente dentro del filamento de la lámpara. al mismo tiempo, las cargas en otras partes del circuito están haciendo exactamente la misma cosa. Es como un cinturón sólido hecho de cargas. La batería actúa como polea que mueve el cinturón. Los cables actúan como si estuvieran escondiendo una banda transportadora adentro. La lámpara actúa como "fricción", calentándose cuando sus propias cargas naturales son forzadas a fluír. La batería acelera la banda transportadora completa, mientras la fricción de la lámpara la frena nuevamente. Así, la banda corre constantemente, y la lámpara se calienta.

Breve resumen:

• 1. LA COSA QUE FLUYE A TRAVÉS DE LOS CONDUCTORES SE LLAMA CARGA. (LA "CORRIENTE" NO FLUYE)
• 2. LA CARGA DENTRO DE LOS CONDUCTORES ES EMPUJADA POR LOS CAMPOS DE VOLTAJE
• 3. TODOS LOS CABLES ESTAN "PREVIAMENTE LLENADOS" DE UNA GRAN CANTIDAD DE CARGA MÓVIL
• 4. BATERÍAS Y FUENTES DE PODER SON BOMBAS DE CARGA
• 5. LAS LÁMPARAS Y RESISTENCIAS ACTÚAN CON FRICCIÓN

Una última cosa: la diferencia entre un conductor y un aislante es simple: los conductores son como caños previamente llenados con agua, mientras que los aislantes son como caños llenos de hielo. Ambos contienen la "cosa eléctrica"; conductores y aislantes están ambos llenos de partículas cargadas eléctricamente. Pero la "cosa" dentro de un aislante no puede moverse. Cuando aplicamos una diferencia de presión a traves de un caño con agua, el agua fluye. Pero con un caño vacío, como no hay nada que fluya, no sucede nada. Y con un caño lleno de hielo, la "cosa" está atrapada y no puede desplazarse. (En otras palabras, el voltaje causa flujo de cargas en los conductores, pero no puede hacerlo en los aislantes porque las cargas están inmovilizadas). Muchos libros de texto tienen sus definiciones equivocadas. Definen un conductor como algo a través de lo cual puede fluír carga, y aislante supuestamente son los que bloquean las cargas. Nop.El aire y el vacío no bloquean las cargas, y sin embargo son buenos aislantes! De hecho, un conductor es algo que contiene cargas móviles, mientas un aislante carece de ellas. (Si un libro tiene equivocada esta idea fundacional, gran parte de sus explicaciones posteriores se construyen en una pila de basura, por lo cual colapasará).

Una última cosa más antes de meternos de lleno en los transistores. El Silicio es muy diferente al metal. Los metales están llenos de cargas móviles... al igual que el silicio dopado. ¿En qué se diferencian?. Seguro, está ese tema del "Band Gap"² y la diferencia entre electrones versus huecos, pero eso no es lo importante. La diferencia importante es bastante simple: los metales tienen grandes cantidades de carga móvil, pero el silicio no. Por ejemplo, en el cobre, todos y cada uno de los átomos de cobre dona un electrón móvil al "mas de cargas". El "fluído eléctrico" es muy denso, tan denso como el metal de cobre. Pero en el silicio dopado, sólo un átomo en un billón (un millón de millones) dona una carga móvil. Solocio es como un gran espacio vacío con una ocasional carga moviéndose. En el silicio, uno puede barrer todas las cargas fuera del material usando unos pocos voltios de potencial, mientras en un metal requeriría billones de voltios para lograr el mismo resultado. O en otras palabras:

• 6. LA CARGA DENTRO DE LOS SEMICONDUCTORES ES COMO UN GAS COMPRESIBLE, MIENTRAS LA CARGA DENTRO DE LOS METALES ES COMO UN DENSO E INCOMPRESIBLE LÍQUIDO.

Barrer las cargas en un material es lo mismo que convertir ese material de ser un conductor a ser aislante. Si el silicio es como una manguera de goma, sería una manguera que contiene un gas compresible. Podemos fácilmente apretarla hasta cerrarla y cortar el flujo. Pero si el cobre fuera también como una manguera, estaría en cambio llena de perdigones de acero. Uno podría apretar y apretar pero no se puede apartarlos del lugar. En cambio con las mangueras de aire y el silicio incluso una pequeña presión en los costados corta el paso y el flujo.

OK, vamos a ver la forma en que los transistores son explicados usualmente.

Para encender un transistor NPN, un voltaje es aplicado a través de los terminales de Base y Emisor. Esto causa que los electrones en el cable de Base se alejen del transistor y fluyan hacia la fuente de poder. Esto arrastra o jala electrones desde el material tipo P de la Base, dejando "huecos", y los "huecos" actúan como cargas positivas que son empujadas en sentido opuesto al flujo de electrones. Lo que PARECE suceder es que el cable de Base inyecta cargas positivas en la región de Base. Escupe huecos. inyecta carga.

(Nótese que estoy describiendo flujo de carga aquí, no "corriente convencional" de cargas positivas.)

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.        | COLECTOR  N |
.        |_____________|                       LOS ELECTRONES SON JALADOS DE LA
.        |             |  ----->               REGIÓN DE BASE HACIA EL CABLE,
.        | BASE      P |______________         LO QUE PRODUCE "HUECOS" POSITIVOS
.        |_____________|              |  +     COMO SI FUERAN ESPARCIDOS EN LA REGIÓN
.        |             |          ____|____    DE BASE POR LA BATERÍA.
.        | EMISOR    N |            _____
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Esa es parte de la explicación convencional. ¿Por qué es importante esto para la operación del transistor? ***¡¡NO LO ES!!*** La corriente de base no es importante para la operación del transistor. Is tan solo un subproducto de la operación REAL, que involucra una capa aislante llamada "capa de agotamiento". Concentrándose en la corriente en la Base, muchos autores llegan a un punto muerto en sus explicaciones. Para evitar esta suerte, debemos empezar ignorando la corriente de Base. En su lugar, buscamos en otro lado la comprensión. Ver el diagrama de abajo:

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.        | COLECTOR    |          |
.        |             |           > lleno de electrones errantes libres
.        |  n-dopado   |          |   
.        |_____________|          /    
.        |             |              \
.        | BASE        |              |
.        |             |--             > lleno de "huecos" errantes libres
.        |  p-dopado   |              |
.        |_____________|              /
.        |             |      \
.        | EMISOR      |      |
.        |             |       > lleno de electrones errantes libres
.        |  n-dopado   |      |
.        |_____________|      /
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La "región de agotamiento" es una capa aislante existente entre la región de Base y el Emisor. ¿Por qué está ahí? Existe porque la Base es una región de silicio dopado P; existe porque el silicio tipo P está lleno de "huecos" móviles, y porque el silicio tipo P está tocando silicio tipo N.

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.        | COLECTOR  N |
.        |_____________|                 
.        |             |          
.        | BASE      P |--
.        |_____________|     
.         _____________    <-- "capa de agotamiento" aislante  
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.        | EMISOR   N  |
.        |_____________|
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Los electrones en el silicio tipo P actúan como una fila de ábaco casi lleno de bolitas. Los "huecos" es como la brecha entre bolitas. Al mover una bolita hacia adelante, el "hueco" entre ellas es como si se moviera hacia atrás. Al tocar el silicio P con el tipo N, los electrones errantes en el tipo N caen en los huecos. Además, los huecos en la región tipo P de la Base fluyen entre los electrones móviles del silicio tipo N del Emisor y muchos son cancelados. Los huecos tragan electrones, y esto deja una fina región entre las regiones N y P que carece de cargas móviles.

Recuerden: un conductor no es una sustancia que permite el paso de cargas. (No olvidar el Nº3 arriba). En realidad un conductor es cualquier sustancia que contiene cargas móviles. Cualquier cosa que carezca de cargas móviles es un aislante. Dentro de la capa de agotamiento todas las cargas opuestas se juntaron y anularon. Las brechas en el ábaco ya no existen, de manera que las bolitas no pueden moverse. Sin cargas móviles, el silicio se ha vuelto un aislante. Cuando no hay voltaje aplicado a traves de los terminales de Base y Emisor, esta capa crece en espesor y el transistor actúa como un interruptor que ha sido apagado.

Me gusta visualizar que el silicio de un transistor es normalmente como un conductor plateado y brillante (como un metal)... excepto por esta capa aislante entre las regiones P y N que actúa más como una capa de cristal aislante. El silicio es como metal que se convierte en cristal!

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.        | COLECTOR  N |              |
.        |_____________|               >  Metal conductivo brillante  
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.        | BASE      P |--            /
.        |_____________|        
.         _____________    <-- "capa de agotamiento" cristalina  
.        |             |          \
.        | EMITTER  N  |           >  Metal conductivo brillante
.        |_____________|          /
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Cuando se aplica voltaje entre la Base y el Emisor, esta capa de aislamiento cambia de espesor. Si un voltaje (+) se aplica al tipo P por el cable de Base, mientras un voltaje (-) se aplica al tipo N por el cable del Emisor, los electrones en el tipo N son empujados hacia los huecos en el tipo P. La capa de aislamiento se vuelve tan fina que las nubes de electrones y huecos empiezan a verse y combinarse. Una corriente existe entonces en el circuito Base-Colector. Pero esta corriente no es importante para la acción del transistor. Lo que es importante notar es que es el *VOLTAJE* a través de Base-Emisor lo que causa el adelgazamiento de la capa de agotamiento hasta que las cargas pueden fluir a través de ella. Esto es como si fuera que el transistor contiene una capa de cristal cuyo espesor puede variar al alterar el voltaje. La capa se vuelve mas fina cuando el voltaje es aumentado. Esto sucede porque el voltaje empuja a los elelectrones y huecos unos contra otros, reduciendo el tamaño de la región aislante entre las nubes de huecos y electrones, permitiendo el paso de algunos. La capa de agotamiento es un interruptor controlado por voltaje, que cierra el circuito cuando la correcta polaridad es aplicada. Además es un interruptor proporcional, ya que un voltaje pequeño puede cerrarlo sólo parcialmente. Para el silicio, las cargas comienzan a pasar cuando el voltaje es alrededor de los 0,3v. Elevar el voltaje a 0,7v provoca que la corriente sea muy alta. (Esto es para el silicio. Otros materiales pueden tener diferentes voltajes de encendido). A mayor voltaje, más fina es la capa de agotamiento, por lo cual una corriente mayor puede circular por el transistor. Aplicando el voltaje correcto, podemos adelgazar o engrosar la capa de agotamiento a voluntad, creando un interruptor cerrado, abierto o parcialmente abierto.

¿Se ve que está pasando aquí? El transistor no es controlado por la corriente. En cambio es controlado por el voltaje entre Emisor y base

• 7. EL SILICIO TIPO P Y TIPO N SON CONDUCTORES PORQUE CONTIENEN CARGAS MÓVILES
• 8. UNA CAPA DE MATERIAL AISLANTE APARECE CUANDO LOS TIPOS N Y P SE TOCAN
• 9. LA CAPA AISLANTE PUEDE ADELGAZARSE APLICANDO UN VOLTAJE

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.        | COLECTOR  N |
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.        | BASE      P |______________
.        |=============|              |  +     Con un pequeño voltaje aplicado,
.        |             |          ____|____    la capa de agotamiento de adelgaza,
.        | EMISOR   N  |            _____      las cargas empiezan a cruzarla,
.        |_____________|          _________    una pequeña corriente aparece.
.               |                   _____      El interruptor está sólamente
.               |_____________________|  -     parcialmente cerrado!.
.                          <-----

Continuar hacia la Segunda parte.

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