PARTE DOS. (Ver parte uno)
OK, todo lo que sabemos está mal, y los transistores no son realmente "amplificadores de corriente". En cambio, el voltaje de base es lo importante, no la corriente de base.
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. | COLECTOR N |
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. | | ---- > Aplicando un pequeño voltaje,
. | BASE P |____________ se adelgaza la "capa de agotamiento",
. |=============| | + las cargas comienzan a cruzarla
. | | ____|____ un en el circuito de la batería
. | EMISOR N | _____ aparece un pequeño flujo de cargas.
. |_____________| _________ el "interruptor" esta śolo parcialmente
. | _____ cerrado!
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El espesor variable de la capa aislante conmuta el transistor entre encendido y apagado. Y como el VOLTAJE DE BASE es lo que cambia el espesor, podemos ignorar la corriente en el cable de base. Pero esperen un minuto, ¿CUAL flujo de cargas esta siendo encendido o apagado?. Ah, tenemos otro circuito completo que agregar a nuestro diagrama. Conectamos otra batería a través de todo el transistor, entre el Emisor y el Colector. Usemos una batería común de 9v.
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.Batería del | | COLECTOR N |
. Colector | + |_____________|
. ____|____ | |______________
. _____ | BASE P | |
. _________ |=============| | +
. _____ 9V | | ____|____
. _________ | EMISOR N | _____ Batería de
. _____ |_____________| _________ Base
. _________ | _____ .5V
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Así que la batería de Base enciende el "interruptor" del transistor, y eso deja a la batería de 9v del Colector dirigir un gran flujo de cargas verticalmente a través de toda la cosa.
¿Qué uso tiene el silicio del Colector? ¿El voltaje de la batería del Colector no sobrepasaría cualquier control de la Base? ¿Y por qué tenemos TRES segmentos de silicio? ¿Acaso la segunda Capa de agotamiento no apagaría todo? ¿Y por qué no conectamos el cable superior a la Base directamente?
Las respuestas están en la última de estas preguntas. Si nos libramos del Colector, accidentalmente estaríamos conectando las dos baterías juntas, ya que el silicio es un buen conductor. Terminaríamos teniendo un diodo en lugar de un transistor (ver abajo). Las baterías pelearían entre sí, y el diodo actuaría simplemente como un cortocircuito entre las dos baterías.
. ESTÁ TODO CIRCUITADO
. SE CALIENTA Y HECHA HUMO
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.Batería del | | | |
. Colector | + ____|____|___ |
. ____|____ | | |
. _____ | BASE P | |
. _________ |=============| | +
. _____ 9V | | ____|____
. _________ | EMISOR N | _____ Batería de
. _____ |_____________| _________ Base
. _________ | _____ .5V
. _____ | ES UN DIODO PN | -
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Obviamente el Colector es necesario. Obviamente el segmento del Colector hace algo realmente extraño!
Nótese que la batería del Colector está aplicando un voltaje de polaridad (+) al Colector, pero el colector es un silicio tipo N. ¿No está esto al revés? ¿No habría toda una nueva Capa de agotamiento formándose entre el Colector y la Base? ¡SÍ! Y como estamos usando una batería de 9v para jalar de los huecos móviles en el silicio tipo P lejos de los electrones en el tipo N, esta Capa de agotamiento será una bastante gruesa. Debería actuar como un interruptor apagado, ¿no?. Lo hace... pero no lo hace. Yo personalmente pienso que esta es la parte mas extraña del accionar de un transistor, y me tomó un buen tiempo antes de que mi cerebro dejara de rechazar la rareza para poder "ver" todo sucediendo al mismo tiempo.
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.Batería del | | COLECTOR N |
. Colector | + |_____________| gruesa "capa de agotamiento"
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. _____ | BASE P | |
. _________ |=============| | +
. _____ 9V | | ____|____
. _________ | EMISOR N | _____ Batería de
. _____ |_____________| _________ Base
. _________ | _____ .5V
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OK, esta nueva Capa de agotamiento previene que la batería del Colector afecte al resto del transistor. Si aumentamos el voltaje de esa batería de 9v, la capa de aislamiento entre base y Colector simplemente se engrosa, y los segmentos Base-Emisor debajo del Colector nunca sienten la fuerza del voltaje de la batería. Si, la "superficie superior" del segmento de Base en la capa de agotamiento superior sí siente la fuerza, pero el resto del circuito no. (Es como acercar un globo altamente cargado a una linterna. nada le sucede al flujo de cargas en el circuito de la linterna).
¡SIN EMBARGO!
Puesto que la batería de Base ya ha adelgazado la Capa de agotamiento aislante del Emisor, oleadas de electrones móviles pueden pasar del Emisor y subir hacia el segmento de Base. Sólo unos pocos realmente fluirán arriba hacia la base, ya que se causaría un embotellamiento si el cable de Base no fuera capaz de chuparlos inmediatamente hacia afuera. (O mas precisamente, si los electrones en la Base no se van nuevamente; y no son cancelados por huecos, entonces cada electron extra que ingrese al segmento de Base lo cargaría negativamente, y esta carga repelería nuevos electrones que pudieran llegar desde el Emisor).
Así que ahora tenemos una escasa nube de unos pocos electrones entrando en el silicio tipo P de la sección Base desde abajo, y algunos de esos electrones suben hacia la "superficie superior" del segmento de Base. ¿Qué sucede entonces? Son expuestos de pronto a la atracción del voltaje positivo de la batería de 9v.
La Capa de agotamiento superior no actúa tanto como una capa aislante de cristal, sino mas bien como una brecha de aire. Sólo es aislante si no hay cargas móviles presentes. No bloquea el flujo de cargas, pero si no existen cargas ahí, el voltaje no puede crear flujo.
No olvidar que siembre hubo cantidad de huecos en el segmento de Base, pero cualquier hueco que se atreviera a subir hacia afuera del segmento de Base era empujado hacia abajo nuevamente por la polaridad positiva de la batería de 9v. (Eso es lo que hace que la Capa de agotamiento actúe como un aislante en principio: repele los huecos de vuelta a la zona tipo P, y repele los electrones de vuelta a la tipo N). Imaginen que el segmento del Colector sea un metal conductivo. El segmento de Base también sea un metal, y la Capa de agotamiento sea una brecha de espacio vacío. Entonces sucede la "electricidad estática"!.
Hemos cargado positivamente al segmento del Colector. Si arrojamos por ejemplo bolitas de poliestireno cargadas negativamente en el espacio vacío, serán chupadas hacia arriba. Bueno, los pocos electrones errantes en el segmento de Base actúan JUSTAMENTE como bolitas cargadas negativamente, y si deben subir hasta la superficie del segmento de Base, ahí irán. Serán chupados a traves de la brecha hacia el Colector y luego forzados por el resto del circuito del Colector. Esto sólo puede pasar si llegan hasta la "superficie superior" del segmento de base. Cuando están dentro del segmento de Base, ésta actúa como un escudo de metal conductivo, y los electrones errantes no "ven" el fuerte campo atractivo que proviene del segmento del Colector.
Algunos electrones suben y se escapan de la Base. Esto alivia el "embotellamiento"! La región de Base pierde algunos electrones hacia arriba. Ni bien el Colector cargado positivo recibe esos electrones escapados, más electrones pueden finalmente colarse desde abajo... lo que provoca aumento en los electrones errantes que se escapen hacia arriba, y así sucesivamente. Un flujo de cargas bastante enorme aparece en dirección vertical.
El efecto "embotellamiento" así como la acción de válvula de la fina Capa de agotamiento entre Base y Emisor se alían para controlar la corriente vertical principal a traves de todo el transistor. Cualquier electrón que se escabulle a traves de la muy fina Capa de agotamiento puede también escabullirse a través del fino segmento de Base y terminar convirtiéndose en parte del gran flujo de carga en el circuito de la batería del Colector. El voltaje de la batería de Base controla el espesor de la fina Capa de agotamiento, y esto controla la cantidad de electrones que se vierten en el Colector. La batería del Colector provee la "succión" que impulsa la corriente vertical principal. Pero si cambiamos el voltaje de la batería del Colector, el flujo de cargas vertical no cambia. La batería del Colector solamente atrae a los electrones que le son entregados. No puede alterar la corriente del Colector. Esta es una situación interesante conocida como "fuete de poder de corriente constante".
Nótese que es importante hacer el segmento de Base bastante fino, para maximizar el efecto "embotellamiento" (y minimizar el número de cargas que innecesariamente se filtran por el cable de Base). Estamos basándonos en la habilidad natural de los electrones de vagar a través del segmento de Base por su cuenta. No hay voltaje impulsándolos en esa dirección. La batería de Base está jalándolos lentamente para el costado hacia el cable de Base. La batería del Colector no puede chuparlos por su cuenta de niguna manera, no hasta que alcancen la "superficie superior" del segmento de Base.
Guau. Todo esto de arriba es difícil de tragar. No te sorprendas si le toma a tu cerebro un tiempo para conectar todo el rempecabezas junto. Me tomó años para ver todo esto (y solamente sucedió recién años después de haber tomado dos semestres de ingeniería sobre la matermática de este mismo proceso). Mejor recapitulamos:
- 10. EL TRANSISTOR PUEDE ACTUAR COMO UN INTERRUPTOR (O COMO UN INTERRUPTOR PARCIALMENTE ENCENDIDO)
- 11. SE CONECTA UNA FUENTE DE PODER O BATERÍA DESD EL COLECTOR AL EMISOR PARA CREAR UN GRAN FLUJO DE CARGAS (¿PERO POR QUÉ?)
- 12. HAY OTRA CAPA DE AGOTAMIENTO ENTRE EL COLECTOR Y LA BASE.
- 13.ESTA NUEVA CAPA DE AGOTAMIENTO ACTÚA COMO UNA BRECHA AISLANTE DE AIRE
- 14. CUALQUIER ELECTRÓN QUE SE ESCABULLA TODO EL CAMINO A TRAVES DE LA BASE ES AGARRADO POR EL COLECTOR; ES FORZADO A TRAVES DE LA CAPA DE AGOTAMIENTO SUPERIOR
- 15. LA CAPA DE AGOTAMIENTO DE BASE CONTROLA LA CORRIENTE DE LA BATERIA DEL COLECTOR. PERO CAMBIOS EN EL VOLTAJE DE LA BATERÍA DEL COLECTOR TIENEN POCO EFECTO.
. ________ Lámpara
. / \ de Luz
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. v | |
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.Batería del | | COLECTOR N | Gruesa capa de agotamiento
. Colector | + |_____________| con electrones pasando
. | _____________ <-- a través de ella
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. _____ | BASE P | |
. _________ |=============| | +
. _____ 9V | | ____|____
. _________ | EMISOR N | _____ Batería de
. _____ |_____________| _________ Base
. _________ | _____ .7V
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Y finalmente le damos una última mirada al flujo de corriente en el cable de Base. Inclusive siendo el VOLTAJE entre Base y Emisor lo que controla el transistor, no ignoramos la corriente del cable de Base totalmente. Tiene un uso importante. Por concidencia la pequeña corriente Base-Emisor es proporcional a la gran corriente Colector-Emisor. Así que si conocemos el valor de la corriente que fluye en el cable de Base, podemos multiplicar este valor por un factor de "Ganancia de corriente", y así averiguar cual sería la corriente en el Colector. El transistor ACTÚA como si estuviera amplificando corriente. Pero es realidad está usando un pequeño cambio en el VOLTAJE para crear un gran cambio en una corriente. (Es más que simple coincidencia que los flujos de carga en la Base y el Colector sean proporcionales. De hecho ambos son controlados por el voltaje Base-Emisor, que controla el espesor de la Capa de agotamiento enre Base y Emisor). La corriente de Colector es grande porque el Colector tiene una gran área que toca la Base. La corriente de Base es pequeña porque el cable de Base sólo toca al segmento de Base en un área pequeña.
Un voltaje en un lugar controla un flujo de cargas en otro. Este hecho determina el nombre del dispositivo. Un cambio en el voltaje causa un cambio en la corriente, así que el dispositivo se comporta como una RESISTENCIA (RESISTOR). Pero el voltaje que controla está en un cable diferente. Es como si el efecto del voltaje fuera TRANSFERIDO del circuito de Base al del Colector. Transfer-resistor. Transistor.
- 16. ELVOLTAJE DE BASE CONTROLA LA CORRIENTE DEL COLECTOR.
- 17. ¿PURA SUERTE?: EL ESCAPE DE CARGAS DE LA BASE ES PORPORCIONAL A LA CORRIENTE DEL COLECTOR.
- 18. LOS TRANSISTORES *NO* SON AMPLIFICADORES DE CORRIENTE. PERO CIERTAMENTE LAS COSAS SE SIMPLIFICAN SI PRETENDEMOS QUE LO SON.
PARTE UNO
PD: El transistor fue inventado alrededor de 1923 por el físico Dr. J. Edgar Lilienfeld, el padre del moderno capacitor electrolítico. ¡¡¿¿QUE??!! Pero si todo el mundo sabe que fue inventado en los Laboratorios Bell en 1947!. Nop. El transistor original era un dispositivo fino depositado sobre vidrio. La región de Base era una astuta idea: quebrar una pieza de vidrio, y ponerla junta nuevamente con una hoja de papel metálico en medio, luego eliminar el sobrante de papel metalico para crear una superficie que sea: vidrio, metal, vidrio. Depositar una fina capa de semiconeductor y calentar el dispositivo, entonces la fina línea de metal doparía esa parte de la capa semiconductora. Simple. El Dr. Lilienfeld construyó además MOSFETs usando la capa de óxido natural encontrada en placas de aluminio. También construyó una radio funcional a transistores, y se la enseñó a varias compañías. Fue ignorado, posiblemente porque no poseía una teoría sólida para explicar cómo funcionaba su invento, aunque más probablemente porque su idea era rara y nueva. Algún hobbista debería tratar de hacer un transistor casero. [Información nueva 2006: R. G. Arns dice que Bret Crawford construyó exitosamente un transistor Lilienfeld en 1991 como su Tesis MS Physics. Joel Ross lom hizo nuevamente en 1995 con versiones más estables. Y más impresionante: William Shockley y G. L. Pearson lo hicieron en 1948, publicando en Physical Review el 15 de Julio de 1948, aclarando que era el dispositivo de Lilienfield el que estaban demostrando!]
Los números de patente de Lilienfield son:
* # 1,745,175 Method and Apparatus for Controlling Electric Currents
* # 1,877,140 Amplifier for Electric Current
* # 1,900,018 Device for Controlling Electric Current
Estas patentes causaron algún malestar en Bardeen, Brattain, y Shockley, y que la oficinal de patentes de EEUU destituyera las patentes FET de los laboratorios Bell en siguientes años.
Además:
* R. G. Arns "The other transistor: early history of the MOSFET." (.pdf) Engineering Science and Education Journal 7 (5): 233-240 (1988)
* IEEE Spectrum: How Europe Missed the Transistor (independantly invented "transistron")
* T. L. Thomas, Twenty Lost Years of Solid State Physics, Analog (magazine) March 1965
PPS
Es posible hacer un transistor usando Galena (lead sulfide, PbS). Galena se encuentra disponible en tiendas de rocas y museos de ciencia. Uno puede hacer la suya mezclando sulfuro y polvo de plomo sobre una llama. Busque las palabras clave "cat's whisker diode" y "crystal radio" para más información.
El truco para armar un transistor es usar una cara de cistal hiper limpia, y afinar los contactos "cat's-whisker" disolviendo las puntas con electrólisis, y luego poniendo las puntas a 0.05mm entre sí (mejor a 0.01mm, usar microscopio). Los autores del artículo encontraron que la unión Base/Emisor era crítica: DEBÍAactuar como buen rectificador. La junta Base/Colector no era tan importante. Ellos lograron alguna ganancia, aunque el beta estaba en el ambito de una sola cifra. Otros mencionan que rompiendo un diodo 1N34 de cristal para exponer el chip de Germanio, se puede hacer un transistor con el mismo procedimiento.
Crystal Triode Action in Lead Sulphide, P. C. Banbury, H.A. Gebbie, C. A. Hogarth, pp78-86. SEMI-CONDUCTING MATERIALS, Conference proceedings, H.K. Henisch (ed), 1951 Butterworth's scientific publications LTD 1951.