Física del Estado Sólido en la Electrónica. Parte III – TRANSISTORES DE UNIÓN BIPOLAR, N-P-N Y P-N-P

Qué tal mis queridos amigos de STEEM.

Para continuar con la serie de posts sobre Electrónica, desde el punto de vista de la Física del estado sólido, les traigo la tercera parte. En ella les hablaré acerca del componente electrónico revolucionador el "Transistor de unión bipolar".

^{Fuente de imagen fondo}

Podrás encontrar en los siguientes links, los posts anteriores:

Física del Estado Sólido en la Electrónica. PARTE I - INTRODUCCIÓN
Física del Estado Sólido en la Electrónica. Parte II - DIODO DE UNIÓN P-N

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Técnicas de Fabricación de la Unión p-n

Como ya se han estudiado los aspectos relevantes de la unión p-n (en este post), en esta sección se proporcionarán los conocimientos básicos sobre los principios físicos y tecnológicos más importantes de la fabricación real de la unión p-n.

Para la fabricación de dispositivos de unión p-n existen tres formas experimentales, ellas son: el método de crecimiento de unión, el método de aleación y el método de difusión.

• Método de crecimiento de unión.

En este método experimental se hace crecer un cristal semiconductor de tipo de conductividad específica, por ejemplo tipo n, y mientras que el cristal se está formando se le agregan impurezas, de tal manera que la porción del cristal que crece sea del otro tipo de conductividad, para nuestro ejemplo, que sea tipo p.

Generalmente en cristalografía, el crecimiento es un proceso que sufre el tamaño del grano de un cristal al agregar más moléculas o iones en sus posiciones de la red cristalina. Cuando hablamos de "grano", nos referimos a átomos, moléculas o incluso conjunto de ellos, quienes se reproducen ordenadamente para formar al cristal.

Aunque este proceso puede mostrar un control preciso de las concentraciones de impurezas a ambos lados de la unión, la dificultad para localizar la unión p-n en el cristal crecido y el problema de unir contactos a las regiones cercanas, han limitado el uso de este método. Sin embargo, su importancia radica en que los primeros dispositivos de unión p-n se prepararon mediante este proceso.

• Método de aleación.

Este proceso consiste en un muestra cristalina de geometría específica (y tipo de conductividad específica) usada como base y un pequeño trozo u lámina del material de aleación que contiene las impurezas. El trozo de aleación se fusiona sobre la superficie del cristal. Una vez fundido, se eleva la temperatura a un valor lo suficientemente alto para permitir que el material fundido disuelva una parte subyacente del cristal. Cuando el sistema se enfría, la sección fundida entre el trozo y el cristal será recrecida y tendrá tipo de conductividad opuesto al del cristal original. El resultado final produce una unión p-n en la interfaz del cristal original y el recrecido. Al colocar conductores eléctricos en el cristal original y en el trozo de aleación obtenemos un dispositivo de unión p-n (figura 1).

_{Figura 1. Etapas de la fabricación de un dispositivo de unión p-n por aleación.}
^{Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

En un laboratorio se pueden fabricar uniones p-n con facilidad empleando germanio tipo n como material base e indio puro como material de aleación. El germanio tiene un punto de fusión de 938,2 °C y el indio de 156,6 °C. En nuestro caso, la región recrecida estará saturada de indio haciendo que esta región sea tipo p.

Los procesos de aleación proporcionan casi siempre uniones muy abruptas. Si en el caso del germanio tipo n se tiene una concentración moderada de impurezas, el dispositivo es fuertemente asimétrico y la región tipo p tiene una impurificación mayor que la n. Si queremos aumentar las concentraciones de impureza en la región p entonces se incorpora una pequeña porción de galio al indio (figura 2).

_{Figura 2. Unión abrupta ideal de Germanio tipo n y Germanio tipo p con: (a) impurezas de indio;}
^{(b) impurezas de indio-galio. Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

Si en nuestro caso tenemos germanio tipo p empleamos, de un modo similar, trozos de aleaciones de plomo-estaño, o estaño-antimonio. Para los cristales de silicio, las uniones por aleación se pueden lograr empleando trozos o láminas de aluminio (para Si tipo n) u oro-antimonio (para Si tipo p).

• Método de difusión.

En este último método, se calienta al cristal junto a un elemento de impurezas. Las impurezas se difunden dentro del cristal a una temperatura elevada. La forma final del dispositivo se obtiene mediante el desbastado del material excedente mediante algún tratamiento químico (figura 3). Una característica clave de este método es que el cristal debe tener una conductividad opuesta a la que se produce debido a la presencia de la impureza de difusión en la red cristalina.

_{Figura 3. Etapas de la fabricación de un dispositivo de unión p-n por difusión.}
^{Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

A diferencia del método del crecimiento de unión, en el método de difusión se puede controlar la profundidad de la unión y el gradiente de concentración de impureza en la unión, regulando el tiempo de difusión y la temperatura, así como la concentración superficial de la impureza de difusión.

Las uniones fabricadas por este método pueden ser graduales o muy abruptas, dependiendo del tiempo de difusión, la concentración superficial y la densidad de impurezas del tiempo de difusión. Aunque la adición de los contactos terminales a las capas difundidas presenta ciertos problemas técnicos, la facilidad y precisión con que se puede controlar el espesor de las capas ha producido un uso general de la difusión como técnica de fabricación.

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Transistor de Unión Bipolar

En el año 1947, John Bardeen y Walter Brattain en Estados Unidos, llevaron a cabo experimentos donde observaron que, cuando dos contactos puntuales de oro se unen a un cristal de germanio se produce una señal con una potencia de salida mayor que la de entrada. El físico, William Shockley, vio el potencial en esto, y desarrolló toda una teoría. Así fue como Bardeen, Brattain y Shockley inventaron el primer transistor de contacto de punto (ver foto publicitaria).

_{Foto publicitaria. De izquierda a derecha, John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain,}
^{los inventores del transistor, 1948. Fuente: Wiki, AT&T; Fotógrafo: Jack St.}

En 1950 Shockley mejoraría esta versión al inventar los transistores de unión bipolar. Un transistor de unión bipolar "BJT" es un cristal semiconductor "base" que tiene un electrodo de "emisor" para inyectar portadores minoritarios excedentes al cristal y un electrodo "colector" para recuperarlos. En otras palabras, es un componente electrónico de estado sólido, que internamente simula un circuito compuesto por la disposición de dos uniones p-n (figura 4). Se pueden encontrar como transistores de unión npn o de unión pnp.

_{Figura 4. Estructura esquemática del Transistor de unión bipolar: (a) npn, (b) pnp. La notación + y - son}
^{indicadores de la alta y baja concentración de impurezas respectivamente. Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

Podemos fabricar un dispositivo de esta índole mediante el método de aleación. Se tiene un material base, ejemplo Ge tipo n, y se emplean simultáneamente dos trozos aleaciones (de diferentes concentraciones de impurezas) a ambos lados de un cristal delgado, formando así dos uniones con una estructura pnp (figura 5). Empleando Ge tipo p, se obtiene una estructura npn. Aunque aveces es difícil ejercer un control dimensional estricto en dispositivos fabricados de esta manera, la simplicidad de esta técnica la ha convertido en ideal para su fabricación en masa.

_{Figura 5. Diagrama de un transistor pnp fabricado con el método de aleación.}
^{Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

Los transistores BJT son dispositivos que tienen tres terminales que pueden ser usados generalmente como amplificadores o elementos lógicos. Para emplear al BJT como un dispositivo amplificador encontraremos tres posibles tipos de conexiones. En la figura 6 la señal de entrada es representada por una fuente de voltaje AC.

Si la señal de entrada está conectada a través de la unión base-emisor y la resistencia de carga (salida) está entre los conectores del colector y la base, entonces a este circuito se le conoce como transistor en configuración común-base (figura 6a). La amplificación de este circuito ocurre porque los electrones son inyectados desde la región del emisor, a través de la base, en la región del colector, donde el voltaje de caída es grande comparado con el pequeño voltaje emisor-base.

_{Figura 6. Diferentes configuraciones del transistor pnp.}
^{Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

Otras dos posibles configuraciones son la del común-emisor y común-colector -(figura 6b y 6c). La explicación de estos circuitos es bastante compleja, por lo que necesitaremos de otro post para explicarlos. Por ahora nos limitaremos a dar algunas aspectos del funcionamiento de los transistores BJT.

Como podemos observar la operación de un BJT está basada en la variación exponencial de la densidad de los portadores inyectados, con un alto de barrera de potencial sobre la región de la señal de entrada conectada al BJT, que a su vez, esta controlado por el voltaje de la señal. La dependencia exponencial de las corrientes del emisor y del colector sobre el voltaje de la señal de entrada y la alta transconductancia es comparada con el dispositivo "Transistor de Efecto de Campo (FET), quién utiliza una modulación capacitiva de carga en el canal de conducción.

Esta alta transconductancia y la corriente oscilante, hacen del BJT un dispositivo de excelente elección para muchas aplicaciones de alta velocidad y alto poder, tanto en circuitos discretos y circuitos integrados.

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