Transistores #S02E07

¿Cómo funciona un transistor? ¿Cómo es internamente? ¿De qué están hechos? Espero poder dar contestación a estas preguntas.

¿Qué es un transistor?

Desde el punto de vista de los procesadores, un transistor es un interruptor. Un aparatito que básicamente permite, o no, el paso de la corriente eléctrica.

¿Qué es una corriente eléctrica?

Una corriente eléctrica no es más que el paso de electrones del punto A al punto B

¿Qué son los electrones?

Si cogemos cualquier material, cualquier materia, y nos ponemos a separarlo, llegamos a un mínimo estructural, que forma cada material: las moléculas. Estas moléculas, a su vez se descomponen en átomos. Los átomos tienen dos partes fundamentales el núcleo con protones y neutrones y los electrones.

¿Qué es un conductor?

Como hemos dicho antes, un conjunto de átomos forma un molécula, y un conjunto de moléculas un material. Incluso en algunas ocasiones un conjunto de átomos, directamente forma un material. Como creo que se puede entender para formar un material, tenemos que formar algún tipo de estructura. Pues bien dependiendo de cómo se alinean los átomos o moléculas, puede suceder que los electrones de los componentes queden más sueltos por la estructura es lo que llamamos conductor, o más fijos en ella no conductor o aislante.

La idea es sencilla si cojo un conductor y le inyecto electrones por un lado, como estos pueden moverse por la estructura, pueden salir por el lado contrario.

Pues para liar las cosas, los transistores usan un material que se llama semiconductor

¿Qué es un semiconductor?

Un semiconductor es un material que dependiendo de algo externo: temperatura, presión, carga… puede comportarse como conductor, o como aislante. Creo que aquí ya empieza a vislumbrarse esa dualidad de 0 y 1.

Pues bien, para los transistores vamos a utilizar un material que seguramente os suene: el Silicio. Un átomo de silicio tiene esta pinta:

Lo que nos va interesar del silicio es su última capa.

Pues bien en la última capa el silicio tiene 4 electrones. Así tal cual, la estructura es bastante rígida. La gracia es que si le inyectamos unos electrones, el material se vuelve un poco conductor, y si se los arrancamos se vuelve aislante. Este proceso se llama dopaje.

El dopaje.

El dopaje, en materiales, no es más que una pequeña adulteración del material. Se trata de añadir un elemento compatible con el principal, en este caso el silicio, para conseguir nuestro objetivo.

En el caso de los transistores, dopamos el silicio de dos formas distintas:

Un dopaje tipo P, lo que hace es introducir en el material, átomos de un material que solo tiene 3 electrones en la última capa (el Boro). Esto hace que en conjunto, el Silicio dopado tenga menos electrones que el silicio puro. Esto hace que el material sea capaz de, en cierta medida, sea capaz de recibir electrones.

Un dopaje de tipo N es lo contrario. Añadimos un material con 5 electrones en su última capa (el fósforo) y conseguimos que ese material tenga tendencia a soltar electrones.

¿Cómo es un transistor? Es un sándwich de materiales en la forma NPN. Pero ¿para qué se coloca así?

El diodo

Empezamos con lo básico. Suponed que lo primero que tenemos es una simple pareja de semiconductores dopados N y P. Lo que queremos es que pase una corriente a través de nuestros materiales. Es lo que en electrónica se llama un diodo.

Lo primero, sucede una cosa curiosa en el límite entre la N y la P. Como la zona N tiene un pequeño exceso estructural de electrones, y la P un defecto. Unos cuantos electrones tienden a saltar de la N a la P. Eso hace que en ese límite se cree una pequeña barrera. De tal forma que si inyecto electrones desde la P a la N, los electrones, se ven repelidos, porque esa zona ya está saturada de electrones.
Si lo hago en sentido contrario, sin embargo, tiendo a ir reemplazando los electrones y la cosa funciona.

Pues un transistor es la combinación de dos diodos. Colocamos un sándwich NPN y el resultado es el siguiente:

Si inyecto electrones desde cualquiera de los dos lados, no consigo que pasen por el transistor. PERO, si coloco un una succión en la parte P, que desbloquee ese exceso de electrones, ahora habrá un flujo de electrones que pase de N a P, y adicionalmente como tendremos un contacto negativo en el segundo N, muchos electrones se sentirán atraídos y finalmente tendremos corriente.

Y con esto hemos conseguido el objetivo un interruptor operado por electricidad, no mecánicamente. De esta forma, dependiendo de si en la P conectamos o desconectamos una corriente, dejaremos o no pasar corriente entre las N. Es decir, si no dejo pasar será 0 y di dejo pasar será 1.

Oliver Nabani

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