Transistor

Herbert Mataré y Heinrich Welker inventaron de forma independiente un transistor de contacto puntual en junio de 1948.

Del 17 de noviembre al 23 de diciembre de 1947, John Bardeen y Walter Brattain en los Laboratorios Bell de AT&T en Murray Hill, Nueva Jersey , realizaron experimentos y observaron que cuando se aplicaban dos contactos puntuales de oro a un cristal de germanio , se producía una señal con una potencia de salida mayor que la de entrada. ^{[ 21 ]} El líder del Grupo de Física del Estado Sólido, William Shockley, vio el potencial en esto y durante los meses siguientes trabajó para expandir enormemente el conocimiento de los semiconductores . El término transistor fue acuñado por John R. Pierce como una contracción del término transresistencia . ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} Según Lillian Hoddeson y Vicki Daitch, Shockley propuso que la primera patente de los Laboratorios Bell para un transistor se basara en el efecto de campo y que se le nombrara como inventor. Tras desenterrar las patentes de Lilienfeld, que habían caído en el olvido años atrás, los abogados de Bell Labs desaconsejaron la propuesta de Shockley, ya que la idea de un transistor de efecto de campo que utilizara un campo eléctrico como rejilla no era nueva. En cambio, lo que Bardeen, Brattain y Shockley inventaron en 1947 fue el primer transistor de contacto puntual . ^{[ 19 ]} En reconocimiento a este logro, Shockley, Bardeen y Brattain recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Física de 1956 «por sus investigaciones sobre semiconductores y su descubrimiento del efecto transistor». ^{[ 25 ] [ 26 ]}

El equipo de Shockley intentó inicialmente construir un transistor de efecto de campo (FET) modulando la conductividad de un semiconductor, pero no lo logró, principalmente debido a problemas con los estados superficiales , el enlace colgante y los materiales compuestos de germanio y cobre . El intento de comprender las misteriosas razones de este fracaso los llevó a inventar los transistores bipolares de contacto puntual y de unión . ^{[ 27 ] [ 28 ]}

En 1948, el transistor de contacto puntual fue inventado de forma independiente por los físicos Herbert Mataré y Heinrich Welker mientras trabajaban en la Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse , una filial de Westinghouse en París. Mataré tenía experiencia previa en el desarrollo de detectores de cristal de silicio y germanio en el programa de radar alemán durante la Segunda Guerra Mundial . Con este conocimiento, comenzó a investigar el fenómeno de la interferencia en 1947. En junio de 1948, al observar corrientes fluyendo a través de contactos puntuales, obtuvo resultados consistentes utilizando muestras de germanio producidas por Welker, similares a los que Bardeen y Brattain habían logrado a principios de diciembre de 1947. Al darse cuenta de que los científicos de Bell Labs ya habían inventado el transistor, la compañía se apresuró a poner en producción su transistor para su uso amplificado en la red telefónica francesa, presentando su primera solicitud de patente de transistor el 13 de agosto de 1948. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}

Los primeros transistores de unión bipolar fueron inventados por William Shockley de Bell Labs, quien solicitó la patente (2,569,347) el 26 de junio de 1948. El 12 de abril de 1950, los químicos de Bell Labs, Gordon Teal y Morgan Sparks, produjeron con éxito un transistor de germanio amplificador de unión NPN bipolar funcional. Bell anunció el descubrimiento de este nuevo transistor tipo sándwich en un comunicado de prensa el 4 de julio de 1951. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

El primer transistor de alta frecuencia fue el transistor de germanio de barrera superficial desarrollado por Philco en 1953, capaz de operar a frecuencias de hasta 60 MHz . ^{[ 34 ]} Se fabricaban grabando depresiones en una base de germanio de tipo n desde ambos lados con chorros de sulfato de indio(III) hasta que alcanzaba un espesor de unas pocas diezmilésimas de pulgada. El indio electrodepositado en las depresiones formaba el colector y el emisor. ^{[ 35 ] [ 36 ]}

AT&T utilizó transistores por primera vez en equipos de telecomunicaciones en el  sistema de conmutación de barras cruzadas de peaje n.° 4A en 1953, para seleccionar circuitos troncales a partir de la información de enrutamiento codificada en tarjetas traductoras. ^{[ 37 ]} Su predecesor, el fototransistor  n.° 3A de Western Electric , leía la codificación mecánica de tarjetas metálicas perforadas.

El primer prototipo de radio de transistores de bolsillo fue presentado por INTERMETALL, una empresa fundada por Herbert Mataré en 1952, en la Internationale Funkausstellung Düsseldorf del 29 de agosto al 6 de septiembre de 1953. ^{[ 38 ] [ 39 ]} El primer modelo de producción de radio de transistores de bolsillo fue el Regency TR-1 , lanzado en octubre de 1954. ^{[ 26 ]} Producido como una empresa conjunta entre la División Regency de Industrial Development Engineering Associates, IDEA y Texas Instruments de Dallas, Texas, el TR-1 se fabricó en Indianápolis, Indiana. Era una radio de tamaño casi de bolsillo con cuatro transistores y un diodo de germanio. El diseño industrial fue subcontratado a la firma de Chicago Painter, Teague y Petertil. Inicialmente se lanzó en uno de seis colores: negro, marfil, rojo mandarina, gris nube, caoba y verde oliva. Poco después se añadieron otros colores. ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]}

La primera radio de automóvil totalmente transistorizada de producción en serie fue desarrollada por las corporaciones Chrysler y Philco y se anunció en la edición del 28 de abril de 1955 de The Wall Street Journal . Chrysler ofreció el modelo Mopar 914HR como opción a partir del otoño de 1955 para su nueva línea de automóviles Chrysler e Imperial de 1956, que llegó a los concesionarios el 21 de octubre de 1955. ^{[ 43 ] [ 44 ]}

El Sony TR-63, lanzado en 1957, fue la primera radio de transistores producida en masa, lo que condujo a la adopción generalizada de las radios de transistores. ^{[ 45 ]} A mediados de la década de 1960, se vendieron siete millones de TR-63 en todo el mundo. ^{[ 46 ]} El éxito de Sony con las radios de transistores llevó a que los transistores reemplazaran a las válvulas de vacío como la tecnología electrónica dominante a finales de la década de 1950. ^{[ 47 ]}

El primer transistor de silicio funcional fue desarrollado en los Laboratorios Bell el 26 de enero de 1954 por Morris Tanenbaum . El primer transistor de silicio comercial de producción fue anunciado por Texas Instruments en mayo de 1954. Este fue el trabajo de Gordon Teal , un experto en el cultivo de cristales de alta pureza, quien había trabajado previamente en los Laboratorios Bell. ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]}

El principio básico del transistor de efecto de campo (FET) fue propuesto por primera vez por el físico Julius Edgar Lilienfeld cuando presentó una patente para un dispositivo similar al MESFET en 1926, y para un transistor de efecto de campo de puerta aislada en 1928. ^{[ 15 ] [ 51 ]} El concepto de FET también fue teorizado posteriormente por el ingeniero Oskar Heil en la década de 1930 y por William Shockley en la década de 1940.

En 1945, Heinrich Welker patentó el JFET . ^{[ 52 ]} Tras el tratamiento teórico de Shockley sobre el JFET en 1952, George C. Dacey e Ian M. Ross fabricaron un JFET práctico y funcional en 1953. ^{[ 53 ]}

En 1948, Bardeen y Brattain patentaron en Bell Labs el precursor del MOSFET: un transistor de efecto de campo de puerta aislada (IGFET) con una capa de inversión. La patente de Bardeen, y el concepto de capa de inversión, constituyen la base de la tecnología CMOS y DRAM actual. ^{[ 54 ]}

En los primeros años de la industria de los semiconductores , las empresas se centraron en el transistor de unión , un dispositivo relativamente voluminoso y difícil de producir en masa , lo que limitaba su uso a varias aplicaciones especializadas. Se teorizó sobre los transistores de efecto de campo (FET) como posibles alternativas, pero los investigadores no lograron que funcionaran correctamente, debido principalmente a la barrera de estado superficial que impedía que el campo eléctrico externo penetrara en el material. ^{[ 55 ]}

En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derick cultivaron accidentalmente una capa de dióxido de silicio sobre la oblea de silicio, observando efectos de pasivación superficial. ^{[ 6 ] [ 56 ]} Para 1957, Frosch y Derick, utilizando enmascaramiento y predeposición, lograron fabricar transistores de efecto de campo de dióxido de silicio; los primeros transistores planares, en los que el drenador y la fuente eran adyacentes en la misma superficie. ^{[ 7 ]} Demostraron que el dióxido de silicio aislaba y protegía las obleas de silicio e impedía que los dopantes se difundieran en la oblea. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Posteriormente, J.  R. Ligenza y W. G. Spitzer estudiaron el mecanismo de los óxidos cultivados térmicamente, fabricaron una _pila Si/ SiO₂  de alta calidad y publicaron sus resultados en 1960. ^{[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]}

Tras esta investigación, Mohamed Atalla y Dawon Kahng propusieron un transistor MOS de silicio en 1959 ^{[ 60 ]} y demostraron con éxito un dispositivo MOS funcional con su equipo de Bell Labs en 1960. ^{[ 61 ] [ 62 ]} Su equipo incluía a E.  E. LaBate y E.  I. Povilonis, quienes fabricaron el dispositivo; M.  O. Thurston, L.  A. D'Asaro y J.  R. Ligenza, quienes desarrollaron los procesos de difusión, y H.  K. Gummel y R.  Lindner, quienes caracterizaron el dispositivo. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Con su alta escalabilidad , ^{[ 63 ]} un consumo de energía mucho menor y una mayor densidad que los transistores de unión bipolar, ^{[ 64 ]} el MOSFET hizo posible construir circuitos integrados de alta densidad , ^{[ 65 ]} permitiendo la integración de más de 10 000 transistores en un solo CI. ^{[ 66 ]}

El concepto de capa de inversión de Bardeen y Brattain de 1948 constituye la base de la tecnología CMOS actual. ^{[ 67 ]} El CMOS ( MOS complementario ) fue inventado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor en 1963. ^{[ 68 ]} El primer informe de un MOSFET de puerta flotante fue realizado por Dawon Kahng y Simon Sze en 1967. ^{[ 69 ]}

En 1967, los investigadores de Bell Labs Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace desarrollaron el transistor MOS de puerta autoalineada (puerta de silicio), que los investigadores de Fairchild Semiconductor Federico Faggin y Tom Klein utilizaron para desarrollar el primer circuito integrado MOS de puerta de silicio . ^{[ 70 ]}

Un MOSFET de doble puerta fue demostrado por primera vez en 1984 por los investigadores del Laboratorio Electrotécnico Toshihiro Sekigawa y Yutaka Hayashi. ^{[ 71 ] [ 72 ]} El FinFET (transistor de efecto de campo de aleta), un tipo de MOSFET multipuerta no planar 3D , se originó a partir de la investigación de Digh Hisamoto y su equipo en el Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989. ^{[ 73 ] [ 74 ]}

Los transistores se utilizan comúnmente en circuitos digitales como interruptores electrónicos que pueden estar en estado encendido o apagado , tanto para aplicaciones de alta potencia, como fuentes de alimentación conmutadas , como para aplicaciones de baja potencia, como puertas lógicas . Los parámetros importantes para esta aplicación incluyen la corriente conmutada, la tensión manejada y la velocidad de conmutación, caracterizada por los tiempos de subida y bajada . ^{[ 88 ]}

En un circuito de conmutación, el objetivo es simular, lo más fielmente posible, el interruptor ideal que posee las propiedades de un circuito abierto cuando está apagado, un cortocircuito cuando está encendido y una transición instantánea entre ambos estados. Los parámetros se eligen de manera que la salida de apagado se limite a corrientes de fuga demasiado pequeñas para afectar a los circuitos conectados, la resistencia del transistor en estado encendido sea demasiado pequeña para afectar a los circuitos y la transición entre ambos estados sea lo suficientemente rápida como para no tener un efecto perjudicial. ^{[ 88 ]}

En un circuito de transistor con emisor conectado a tierra, como el circuito de interruptor de luz que se muestra, a medida que aumenta la tensión de base, las corrientes del emisor y del colector aumentan exponencialmente. La tensión del colector disminuye debido a la menor resistencia entre el colector y el emisor. Si la diferencia de tensión entre el colector y el emisor fuera cero (o casi cero), la corriente del colector estaría limitada únicamente por la resistencia de carga (bombilla) y la tensión de alimentación. Esto se denomina saturación, ya que la corriente fluye libremente del colector al emisor. Cuando está saturado, se dice que el interruptor está encendido . ^{[ 89 ]}

El uso de transistores bipolares en aplicaciones de conmutación requiere polarizar el transistor para que opere entre su región de corte (estado apagado) y la región de saturación (estado encendido ). Esto requiere una corriente de excitación de base suficiente. Dado que el transistor proporciona ganancia de corriente, facilita la conmutación de una corriente relativamente grande en el colector por una corriente mucho menor en el terminal de base. La relación entre estas corrientes varía según el tipo de transistor, e incluso para un tipo específico, varía según la corriente del colector. En el ejemplo de un circuito de interruptor de luz, como se muestra, la resistencia se elige para proporcionar suficiente corriente de base y asegurar la saturación del transistor. ^{[ 88 ]} El valor de la resistencia de base se calcula a partir de la tensión de alimentación, la caída de tensión en la unión CE del transistor, la corriente del colector y el factor de amplificación beta. ^{[ 90 ]}

El amplificador de emisor común está diseñado de manera que un pequeño cambio en el voltaje ( V _in ) cambia la pequeña corriente a través de la base del transistor cuya amplificación de corriente combinada con las propiedades del circuito significa que pequeñas fluctuaciones en V _in producen grandes cambios en V _out . ^{[ 88 ]}

Son posibles diversas configuraciones de amplificadores de un solo transistor, algunas de las cuales proporcionan ganancia de corriente, otras ganancia de voltaje y otras ambas.

Desde teléfonos móviles hasta televisores , una gran cantidad de productos incluyen amplificadores para la reproducción de sonido , la transmisión de radio y el procesamiento de señales . Los primeros amplificadores de audio con transistores discretos apenas proporcionaban unos cientos de milivatios, pero la potencia y la fidelidad de audio aumentaron gradualmente a medida que se disponía de mejores transistores y evolucionaba la arquitectura de los amplificadores. ^{[ 88 ]}

Los amplificadores de audio de transistores modernos, con potencias de hasta unos cientos de vatios, son comunes y relativamente económicos.

Las principales ventajas que han permitido que los transistores reemplacen a los tubos de vacío en la mayoría de las aplicaciones son:

• Al no tener calentador de cátodo (que produce el característico brillo anaranjado de los tubos), reduce el consumo de energía, elimina el retraso que se produce al calentarse los calentadores de los tubos y es inmune al envenenamiento y al agotamiento del cátodo.
• Tamaño y peso muy reducidos, lo que permite disminuir el tamaño del equipo.
• Es posible fabricar un gran número de transistores extremadamente pequeños como un único circuito integrado .
• Voltajes de funcionamiento bajos, compatibles con baterías de pocas celdas.
• Por lo general, es posible diseñar circuitos con mayor eficiencia energética. En particular, para aplicaciones de baja potencia (por ejemplo, amplificación de voltaje), el consumo de energía puede ser mucho menor que el de los tubos de vacío.
• Se dispone de dispositivos complementarios que ofrecen flexibilidad de diseño, incluyendo circuitos de simetría complementaria, algo imposible con tubos de vacío.
• Muy baja sensibilidad a los golpes y vibraciones mecánicas, lo que proporciona robustez física y elimina prácticamente las señales espurias inducidas por golpes (por ejemplo, la microfonía en aplicaciones de audio).
• No es susceptible a la rotura de la envoltura de vidrio, fugas, desgasificación ni otros daños físicos.

Los transistores pueden tener las siguientes limitaciones:

• Carecen de la mayor movilidad electrónica que proporciona el vacío de los tubos de vacío, lo cual es deseable para el funcionamiento a alta potencia y alta frecuencia , como el que se utiliza en algunos transmisores de televisión terrestre y en los tubos de onda progresiva que se utilizan como amplificadores en algunos satélites. 
• Los transistores y otros dispositivos de estado sólido son susceptibles a sufrir daños por eventos eléctricos y térmicos muy breves, incluidas las descargas electrostáticas durante su manipulación. Los tubos de vacío son eléctricamente mucho más resistentes.
• Son sensibles a la radiación y a los rayos cósmicos ( para los dispositivos de las naves espaciales se utilizan chips especiales resistentes a la radiación ).
• En aplicaciones de audio, los transistores carecen de la distorsión armónica inferior —el llamado sonido de válvulas— que es característica de las válvulas de vacío y que algunos prefieren. ^{[ 91 ]}  

Los transistores se clasifican por

• Estructura: MOSFET (IGFET), BJT , JFET , transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), otro tipo .
• Material semiconductor ( dopantes ):
  • Los metaloides ; germanio (utilizado por primera vez en 1947) y silicio (utilizado por primera vez en 1954), en forma amorfa , policristalina y monocristalina .
  • Los compuestos arseniuro de galio (1966) y carburo de silicio (1997).
  • La aleación silicio-germanio (1989)
  • El alótropo del carbono grafeno (investigación en curso desde 2004), etc. (véase Material semiconductor ).
• Polaridad eléctrica (positiva y negativa): NPN , PNP (BJT), canal N, canal P (FET).
• Potencia máxima : baja, media, alta.
• Frecuencia máxima de funcionamiento: baja, media, alta, radiofrecuencia (RF), frecuencia de microondas (la frecuencia efectiva máxima de un transistor en un circuito de emisor común o fuente común se denota con el término f _T , una abreviatura de frecuencia de transición : la frecuencia a la que el transistor produce una ganancia de voltaje unitaria).
• Aplicación: interruptor, uso general, audio, alto voltaje , super-beta, par emparejado.
• Embalaje físico: metal de orificio pasante , plástico de orificio pasante, montaje superficial , matriz de rejilla de bolas , módulos de alimentación (ver Embalaje ).
• Factor de amplificación h _FE , β _F ( transistor beta ) ^{[ 92 ]} o g _m ( transconductancia ).
• Temperatura de funcionamiento: Transistores de temperatura extrema y transistores de temperatura tradicional ( −55 a 150 °C (−67 a 302 °F) ). Los transistores de temperatura extrema incluyen transistores de alta temperatura (por encima de 150 °C (302 °F) ) y transistores de baja temperatura (por debajo de −55 °C (−67 °F) ). Los transistores de alta temperatura que operan térmicamente estables hasta 250 °C (482 °F) pueden desarrollarse mediante una estrategia general de mezcla de polímeros conjugados semicristalinos interpenetrantes y polímeros aislantes de alta temperatura de transición vítrea. ^{[ 93 ]}        

Por lo tanto, un transistor en particular puede describirse como un interruptor de silicio, de montaje superficial, BJT, NPN, de baja potencia y alta frecuencia .

Una regla mnemotécnica útil para recordar el tipo de transistor (representado por un símbolo eléctrico ) consiste en fijarse en la dirección de la flecha. En el caso del BJT , sobre el símbolo de un transistor n-p-n , la flecha apunta hacia adentro . Sobre el símbolo de un transistor p-n-p , la flecha apunta hacia adentro . Sin embargo, esto no se aplica a los símbolos de transistores MOSFET , ya que la flecha suele estar invertida (es decir, la flecha para el n-p-n apunta hacia adentro).

El transistor de efecto de campo , también conocido como transistor unipolar , utiliza electrones (en el FET de canal n ) o huecos (en el FET de canal p ) para la conducción. Los cuatro terminales del FET se denominan fuente , puerta , drenador y cuerpo ( sustrato ). En la mayoría de los FET, el cuerpo está conectado a la fuente dentro del encapsulado, y así se asumirá en la siguiente descripción.

En un FET, la corriente de drenador a fuente fluye a través de un canal conductor que conecta la región de fuente con la región de drenador . La conductividad varía por el campo eléctrico que se produce al aplicar un voltaje entre los terminales de puerta y fuente; por lo tanto, la corriente que fluye entre drenador y fuente está controlada por el voltaje aplicado entre la puerta y la fuente. A medida que aumenta el voltaje puerta-fuente ( _VGS ), la corriente de drenador-fuente ( IDS ₎ aumenta exponencialmente para VGS _por debajo del umbral, y luego a una tasa aproximadamente cuadrática: ( IDS ∝ ( VGS − VT ) ^² , donde _VT es el voltaje umbral en el que comienza la corriente de drenador) _{[ 94} ^{] en la} región limitada por carga espacial por encima del umbral. No se observa un comportamiento cuadrático en los dispositivos modernos, por ejemplo, en el _nodo tecnológico de 65 nm . ^{[ 95 ]}

Para lograr un bajo nivel de ruido en un ancho de banda estrecho , resulta ventajoso que el FET tenga una mayor resistencia de entrada.

Los transistores de efecto de campo (FET) se dividen en dos familias: el transistor de efecto de campo de unión ( JFET ) y el transistor de efecto de campo de puerta aislada (IGFET). El IGFET se conoce más comúnmente como transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor ( MOSFET ), debido a su construcción original a partir de capas de metal (la puerta), óxido (el aislamiento) y semiconductor. A diferencia de los IGFET, la puerta del JFET forma un diodo p-n con el canal, que se encuentra entre la fuente y los drenadores. Funcionalmente, esto convierte al JFET de canal n en el equivalente de estado sólido del triodo de tubo de vacío , que, de manera similar, forma un diodo entre su rejilla y su cátodo . Además, ambos dispositivos operan en modo de agotamiento , ambos tienen una alta impedancia de entrada y ambos conducen corriente bajo el control de una tensión de entrada.

Los transistores de efecto de campo metal-semiconductor ( MESFET ) son JFET en los que la unión p-n polarizada inversamente se reemplaza por una unión metal-semiconductor . Estos, junto con los HEMT (transistores de alta movilidad electrónica o HFET), en los que se utiliza un gas de electrones bidimensional con una movilidad de portadores muy alta para el transporte de carga, son especialmente adecuados para su uso a frecuencias muy altas (varios GHz).

Los FET se dividen a su vez en tipos de modo de agotamiento y de modo de enriquecimiento , dependiendo de si el canal se activa o desactiva con un voltaje de puerta a fuente cero. En el modo de enriquecimiento, el canal está desactivado con polarización cero, y un potencial de puerta puede aumentar la conducción. En el modo de agotamiento, el canal está activado con polarización cero, y un potencial de puerta (de polaridad opuesta) puede agotar el canal, reduciendo la conducción. En ambos modos, un voltaje de puerta más positivo corresponde a una corriente mayor para los dispositivos de canal n y a una corriente menor para los dispositivos de canal p. Casi todos los JFET son de modo de agotamiento porque las uniones de diodo se polarizarían directamente y conducirían si fueran dispositivos de modo de enriquecimiento, mientras que la mayoría de los IGFET son de tipo enriquecimiento.

Los transistores bipolares reciben este nombre porque conducen utilizando tanto portadores mayoritarios como minoritarios . El transistor de unión bipolar, el primer tipo de transistor producido en masa, es una combinación de dos diodos de unión y se forma a partir de una fina capa de semiconductor de tipo p intercalada entre dos semiconductores de tipo n (transistor n-p-n), o bien una fina capa de semiconductor de tipo n intercalada entre dos semiconductores de tipo p (transistor ap-n-p). Esta construcción produce dos uniones p-n : una unión base-emisor y una unión base-colector, separadas por una fina región de semiconductor conocida como región base. (Dos diodos de unión conectados entre sí sin compartir una región semiconductora intermedia no forman un transistor).

Los BJT tienen tres terminales, correspondientes a las tres capas de semiconductor: un emisor , una base y un colector . Son útiles en amplificadores porque las corrientes en el emisor y el colector se pueden controlar mediante una corriente de base relativamente pequeña. ^{[ 97 ]} En un transistor n-p-n que opera en la región activa, la unión emisor-base está polarizada en directa ( los electrones y los huecos se recombinan en la unión), y la unión base-colector está polarizada en inversa (los electrones y los huecos se forman en la unión y se alejan de ella), y los electrones se inyectan en la región de la base. Debido a que la base es estrecha, la mayoría de estos electrones se difundirán en la unión base-colector polarizada en inversa y serán arrastrados hacia el colector; quizás una centésima parte de los electrones se recombinará en la base, que es el mecanismo dominante en la corriente de base. Dado que la base está ligeramente dopada (en comparación con las regiones del emisor y el colector), las tasas de recombinación son bajas, lo que permite que más portadores se difundan a través de la región de la base. Al controlar la cantidad de electrones que pueden salir de la base, se puede controlar la cantidad de electrones que entran al colector. ^{[ 97 ]} La corriente del colector es aproximadamente β (ganancia de corriente en emisor común) veces la corriente de la base. Generalmente es mayor que 100 para transistores de pequeña señal, pero puede ser menor en transistores diseñados para aplicaciones de alta potencia.

A diferencia del transistor de efecto de campo (véase más abajo), el BJT es un dispositivo de baja impedancia de entrada. Además, al aumentar la tensión base-emisor ( VBE ), la corriente base-emisor y, por consiguiente _, la corriente colector-emisor ( ICE ) aumentan exponencialmente según el modelo de diodo de Shockley y el modelo _de Ebers-Moll . Debido a esta relación exponencial, el BJT presenta una transconductancia mayor que el FET.

Los transistores bipolares pueden conducirse mediante la exposición a la luz, ya que la absorción de fotones en la región de la base genera una fotocorriente que actúa como corriente de base; la corriente del colector es aproximadamente β veces la fotocorriente. Los dispositivos diseñados para este fin tienen una ventana transparente en el encapsulado y se denominan fototransistores .

El MOSFET es, con mucho, el transistor más utilizado tanto en circuitos digitales como analógicos , ^{[ 98 ]} representando el 99,9% de todos los transistores del mundo. ^{[ 96 ]} El transistor de unión bipolar (BJT) fue anteriormente el transistor más utilizado durante las décadas de 1950 a 1960. Incluso después de que los MOSFET se volvieran ampliamente disponibles en la década de 1970, el BJT siguió siendo el transistor preferido para muchos circuitos analógicos, como los amplificadores, debido a su mayor linealidad, hasta que los dispositivos MOSFET (como los MOSFET de potencia , LDMOS y RF CMOS ) los reemplazaron para la mayoría de las aplicaciones de electrónica de potencia en la década de 1980. En los circuitos integrados , las propiedades deseables de los MOSFET les permitieron capturar casi toda la cuota de mercado para circuitos digitales en la década de 1970. Los MOSFET discretos (normalmente MOSFET de potencia) se pueden utilizar en aplicaciones de transistores, incluidos circuitos analógicos, reguladores de voltaje, amplificadores, transmisores de potencia y controladores de motores.

• Transistor de efecto de campo (FET):
  • Transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) , donde la compuerta está aislada por una capa delgada de aislante.
    • MOS de tipo p (PMOS)
    • MOS de tipo n (NMOS)
    • MOS complementario (CMOS)
      • RF CMOS , para amplificación y recepción de radiofrecuencia
    • Transistor de efecto de campo multigates (MuGFET)
      • Transistor de efecto de campo de aleta (FinFET), la región de fuente/drenaje da forma a las aletas en la superficie del silicio.
      • GAAFET, similar a FinFET pero utiliza nanocables en lugar de aletas, los nanocables se apilan verticalmente y están rodeados por los cuatro lados por la compuerta.
      • MBCFET, una variante de GAAFET que utiliza nanohojas horizontales en lugar de nanocables, fabricada por Samsung. También conocido como RibbonFET (fabricado por Intel) y como transistor de nanohoja horizontal.
    • Los transistores de película delgada (TFT), utilizados en pantallas LCD y OLED , incluyen tipos de transistores de silicio amorfo, LTPS, LTPO e IGZO.
    • MOSFET de puerta flotante (FGMOS), para almacenamiento no volátil
    • MOSFET de potencia , para electrónica de potencia
      • MOS difuso lateral (LDMOS)
  • Transistor de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNFET, CNTFET), en el que el material del canal se sustituye por un nanotubo de carbono.
  • El transistor de efecto de campo ferroeléctrico ( Fe FET ) utiliza materiales ferroeléctricos.
  • Transistor de efecto de campo de puerta de unión (JFET), donde la puerta está aislada por una unión p-n polarizada inversamente.
  • Transistor de efecto de campo metal-semiconductor (MESFET), similar a un JFET con una unión Schottky en lugar de una unión ap-n.
    • Transistor de alta movilidad electrónica (HEMT): transistores de GaN (nitruro de galio), SiC (carburo de silicio), Ga2O3 ₍ óxido de galio), GaAs (arseniuro de galio), MOSFET, _etc.
  • Transistor de efecto de campo de capacitancia negativa (NC-FET)
  • Transistor de efecto de campo en T invertida (ITFET)
  • Transistor de efecto de campo de diodo epitaxial de inversión rápida (FREDFET)
  • Transistor orgánico de efecto de campo (OFET), en el que el semiconductor es un compuesto orgánico.
  • Transistor balístico (desambiguación)
  • Los FET se utilizan para detectar el entorno.
    • Transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET), para medir concentraciones de iones en solución.
    • Transistor de efecto de campo de electrolito-óxido-semiconductor (EOSFET), neurochip ,
    • Transistor de efecto de campo de ácido desoxirribonucleico (DNAFET).
    • Biosensor basado en transistor de efecto de campo ( Bio-FET )
• Transistor de unión bipolar (BJT):
  • Transistor bipolar de heterounión , de hasta varios cientos de GHz, común en circuitos ultrarrápidos y de radiofrecuencia modernos.
  • transistor Schottky
  • transistor de avalancha

  • 

    Los transistores Darlington son dos transistores bipolares conectados entre sí para proporcionar una alta ganancia de corriente igual al producto de las ganancias de corriente de los dos transistores.
  • Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) utilizan un IGFET de potencia media, conectado de forma similar a un BJT de potencia, para proporcionar una alta impedancia de entrada. A menudo se conectan diodos de potencia entre ciertos terminales según el uso específico. Los IGBT son particularmente adecuados para aplicaciones industriales de alta potencia. El ASEA Brown Boveri (ABB) 5SNA2400E170100 , ^{[ 99 ]} diseñado para fuentes de alimentación trifásicas, aloja tres IGBT n-p-n en una carcasa de 38 x 140 x 190  mm y con un peso de 1,5  kg. Cada IGBT tiene una tensión nominal de 1700 voltios y puede manejar 2400 amperios.
  • Fototransistor
  • El transistor bipolar conmutado por emisor (ESBT) es una configuración monolítica de un transistor bipolar de alto voltaje y un MOSFET de potencia de bajo voltaje en topología de cascodo . Fue introducido por STMicroelectronics en la década de 2000, ^{[ 100 ]} y abandonado unos años después, alrededor de 2012. ^{[ 101 ]}
  • Transistor de emisor múltiple , utilizado en lógica transistor-transistor y espejos de corriente integrados.
  • Transistor de base múltiple , utilizado para amplificar señales de muy bajo nivel en entornos ruidosos, como la cápsula fonocaptora de un tocadiscos o las entradas de radio . En esencia, se trata de un gran número de transistores en paralelo donde, en la salida, la señal se suma de forma constructiva, pero el ruido aleatorio se añade únicamente de forma estocástica . ^{[ 102 ]}
• Transistor de efecto túnel , que conmuta modulando el efecto túnel cuántico a través de una barrera.
• Transistor de difusión , formado por la difusión de dopantes en un sustrato semiconductor; puede ser tanto un transistor bipolar (BJT) como un transistor de efecto de campo (FET).
• Transistor unijunturado , que puede utilizarse como generador de pulsos simple. Consta de un cuerpo principal de semiconductor de tipo p o n con contactos óhmicos en cada extremo (terminales Base1 y Base2 ). Se forma una unión con el semiconductor del tipo opuesto en un punto a lo largo del cuerpo para el tercer terminal ( Emisor ).
• Los transistores de un solo electrón (SET) constan de una isla de puerta entre dos uniones de túnel. La corriente de túnel se controla mediante un voltaje aplicado a la puerta a través de un condensador. ^{[ 103 ]}
• Transistor nanofluídico , controla el movimiento de iones a través de canales submicroscópicos llenos de agua. ^{[ 104 ]}
• Dispositivos multigates :
  • transistor tetrodo
  • Transistor pentodo
  • Transistor trigate (prototipo de Intel)
  • Los transistores de efecto de campo de doble puerta tienen un solo canal con dos puertas en configuración cascode , una configuración optimizada para amplificadores , mezcladores y osciladores de alta frecuencia .
• El transistor de nanocables sin unión (JNT, por sus siglas en inglés) utiliza un sencillo nanocable de silicio rodeado por un anillo de unión eléctricamente aislado que actúa como regulador del flujo de electrones a través del cable.
• El transistor de canal de vacío a nanoescala , del que en 2012 se informó que la NASA y el Centro Nacional de Nanofabricación de Corea del Sur habían construido un prototipo de transistor de canal de vacío de tan solo 150 nanómetros de tamaño, puede fabricarse a bajo costo utilizando procesos estándar de semiconductores de silicio, puede operar a altas velocidades incluso en entornos hostiles y podría consumir la misma cantidad de energía que un transistor estándar. ^{[ 105 ]}
• Transistor electroquímico orgánico .
• Solaristor (del latín transistor de célula solar), un fototransistor autoalimentado de dos terminales sin puerta.
• Transistor de germanio-estaño ^{[ 106 ]}
• Transistor de madera ^{[ 107 ] [ 108 ]}
• Transistor de papel ^{[ 109 ]}
• Transistor de silicio-germanio dopado con carbono (Si-Ge:C)
• Transistor de diamante ^{[ 110 ]}
• Transistor de nitruro de aluminio ^{[ 111 ]}
• Transistores de efecto de campo con estructura almenada de superred ^{[ 112 ]}

El esquema de numeración de partes JEDEC evolucionó en la década de 1960 en los Estados Unidos. Los números de dispositivo de transistor JEDEC EIA-370 generalmente comienzan con 2N , lo que indica un dispositivo de tres terminales. ^{[ 113 ]} Los transistores de efecto de campo de doble puerta son dispositivos de cuatro terminales y comienzan con 3N. El prefijo va seguido de un número de dos, tres o cuatro dígitos sin significado en cuanto a las propiedades del dispositivo, aunque los primeros dispositivos con números bajos tienden a ser dispositivos de germanio. Por ejemplo, 2N3055 es un transistor de potencia n-p-n de silicio, 2N1301 es un transistor de conmutación de germanio ap-n-p. A veces se usa un sufijo de letra, como A, para indicar una variante más nueva, pero rara vez agrupaciones de ganancia.

En Japón, la designación de semiconductores JIS (|JIS-C-7012) etiqueta los dispositivos de transistores que comienzan con 2S , ^{[ 114 ]} por ejemplo, 2SD965, pero a veces el prefijo 2S no está marcado en el paquete; un 2SD965 podría estar marcado solo como D965 y un 2SC1815 podría estar listado por un proveedor simplemente como C1815 . Esta serie a veces tiene sufijos, como R, O, BL, que significan rojo, naranja, azul, etc., para denotar variantes, como grupos h _FE (ganancia) más ajustados.

La Asociación Europea de Fabricantes de Componentes Electrónicos (EECA) utiliza un sistema de numeración heredado de Pro Electron tras su fusión con EECA en 1983. Este sistema comienza con dos letras: la primera indica el tipo de semiconductor (A para germanio, B para silicio y C para materiales como GaAs); la segunda letra denota el uso previsto (A para diodo, C para transistor de uso general, etc.). A continuación, se indica un número de secuencia de tres dígitos (o una letra y dos dígitos, para tipos industriales). En los primeros dispositivos, esto indicaba el tipo de encapsulado. Se pueden utilizar sufijos, con una letra (por ejemplo, C suele significar h _FE alto , como en: BC549C ^{[ 115 ]} ) u otros códigos que indiquen la ganancia (por ejemplo, BC327-25) o la tensión nominal (por ejemplo, BUK854-800A ^{[ 116 ]} ). Los prefijos más comunes son:

Los fabricantes de dispositivos pueden tener su propio sistema de numeración, por ejemplo, CK722 . Dado que los dispositivos son de segunda mano , el prefijo del fabricante (como MPF en MPF102, que originalmente indicaba un FET de Motorola ) ahora es un indicador poco fiable de quién fabricó el dispositivo. Algunos esquemas de nomenclatura propietarios adoptan partes de otros esquemas de nomenclatura; por ejemplo, un PN2222A es un 2N2222A (posiblemente de Fairchild Semiconductor ) en una carcasa de plástico (pero un PN108 es una versión de plástico de un BC108, no de un 2N108, mientras que el PN100 no tiene relación con otros dispositivos xx100).

En ocasiones, a los números de pieza militares se les asignan códigos, como en el sistema de nomenclatura CV del ejército británico .

Los fabricantes que compran grandes cantidades de piezas similares pueden recibirlas con números de casa , que identifican una especificación de compra particular y no necesariamente un dispositivo con un número de registro estandarizado. Por ejemplo, una pieza HP 1854,0053 es un transistor (JEDEC) 2N2218 ^{[ 117 ] [ 118 ]} al que también se le asigna el número CV: CV7763 ^{[ 119 ].}

Debido a la gran cantidad de nomenclaturas independientes y a la abreviatura de los números de pieza impresos en los dispositivos, a veces se produce ambigüedad. Por ejemplo, dos dispositivos diferentes pueden estar marcados como J176 (uno es el JFET de baja potencia J176 y el otro el MOSFET de mayor potencia 2SJ176).

A medida que los transistores antiguos de orificio pasante se reemplazan por versiones encapsuladas en superficie, tienden a recibir diferentes números de pieza, ya que los fabricantes cuentan con sistemas para gestionar la variedad de configuraciones de pines y opciones para dispositivos n-p-n + p-n-p duales o emparejados en un mismo paquete. Por lo tanto, incluso cuando el dispositivo original (como el 2N3904) haya sido designado por una autoridad de normalización y sea bien conocido por los ingenieros a lo largo de los años, las nuevas versiones distan mucho de estar estandarizadas en su nomenclatura.

Los primeros BJT se fabricaron con germanio (Ge). Actualmente predominan los de silicio (Si), pero ciertas versiones avanzadas de microondas y de alto rendimiento emplean ahora el material semiconductor compuesto arseniuro de galio (GaAs) y la aleación semiconductora silicio-germanio (SiGe). El material semiconductor de un solo elemento (Ge y Si) se describe como elemental .

En la tabla adjunta se muestran los parámetros aproximados de los materiales semiconductores más comunes utilizados en la fabricación de transistores. Estos parámetros varían con el aumento de la temperatura, el campo eléctrico, el nivel de impurezas, la tensión y otros factores.

La tensión directa de la unión es la tensión aplicada a la unión emisor-base de un BJT para que la base conduzca una corriente específica. La corriente aumenta exponencialmente al aumentar la tensión directa de la unión. Los valores que se muestran en la tabla son típicos para una corriente de 1  mA (los mismos valores se aplican a los diodos semiconductores). Cuanto menor sea la tensión directa de la unión, mejor, ya que esto significa que se requiere menos potencia para controlar el transistor. La tensión directa de la unión para una corriente dada disminuye con el aumento de la temperatura. Para una unión de silicio típica, el cambio es de −2,1  mV/°C. ^{[ 120 ]} En algunos circuitos, se deben utilizar elementos compensadores especiales ( sensidores ) para compensar dichos cambios.

La densidad de portadores móviles en el canal de un MOSFET depende del campo eléctrico que lo forma y de otros fenómenos como el nivel de impurezas en el mismo. Algunas impurezas, denominadas dopantes, se introducen deliberadamente en la fabricación de un MOSFET para controlar su comportamiento eléctrico.

Las columnas de movilidad de electrones y huecos muestran la velocidad promedio a la que los electrones y los huecos se difunden a través del material semiconductor con un campo eléctrico de 1  voltio por metro aplicado a través del material. En general, cuanto mayor sea la movilidad de los electrones, más rápido podrá operar el transistor. La tabla indica que el germanio (Ge) es un material mejor que el silicio (Si) en este aspecto. Sin embargo, el Ge presenta cuatro inconvenientes importantes en comparación con el silicio y el arseniuro de galio:

1. Su temperatura máxima está limitada.
2. Tiene una corriente de fuga relativamente alta .
3. No soporta altos voltajes.
4. Es menos adecuado para la fabricación de circuitos integrados.

Debido a que la movilidad de los electrones es mayor que la de los huecos en todos los materiales semiconductores, un transistor bipolar n-p-n dado tiende a ser más rápido que un transistor p-n-p equivalente . El GaAs tiene la mayor movilidad de electrones de los tres semiconductores. Es por esta razón que el GaAs se utiliza en aplicaciones de alta frecuencia. Un desarrollo relativamente reciente de FET, el transistor de alta movilidad de electrones (HEMT), tiene una heteroestructura (unión entre diferentes materiales semiconductores) de arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs)-arseniuro de galio (GaAs) que tiene el doble de movilidad de electrones que una unión barrera de GaAs-metal. Debido a su alta velocidad y bajo ruido, los HEMT se utilizan en receptores de satélite que operan a frecuencias alrededor de 12 GHz. Los HEMT basados ​​en nitruro de galio y nitruro de galio y aluminio (HEMT AlGaN/GaN) proporcionan una movilidad de electrones aún mayor y se están desarrollando para diversas aplicaciones. 

Los valores de temperatura máxima de unión representan una sección transversal tomada de las hojas de datos de varios fabricantes. No se debe superar esta temperatura, ya que el transistor podría dañarse.

La unión Al-Si se refiere al diodo de barrera metal-semiconductor de alta velocidad (aluminio-silicio), comúnmente conocido como diodo Schottky . Se incluye en la tabla porque algunos IGFET de potencia de silicio presentan un diodo Schottky inverso parásito formado entre la fuente y el drenador durante el proceso de fabricación. Este diodo puede resultar problemático, pero a veces se utiliza en el circuito.

Los transistores discretos pueden ser transistores empaquetados individualmente o chips de transistores sin empaquetar.

Los transistores se presentan en diversos encapsulados semiconductores (véase la imagen). Las dos categorías principales son los de orificio pasante (o con terminales ) y los de montaje superficial , también conocidos como dispositivos de montaje superficial ( SMD ). El encapsulado BGA ( Ball Grid Array ) es el más reciente de montaje superficial. En lugar de terminales, cuenta con esferas de soldadura en la parte inferior. Debido a su menor tamaño y a las interconexiones más cortas, los SMD ofrecen mejores características de alta frecuencia, pero menor potencia nominal.

Los encapsulados de los transistores están hechos de vidrio, metal, cerámica o plástico. El encapsulado suele determinar la potencia nominal y las características de frecuencia. Los transistores de potencia tienen encapsulados más grandes que se pueden fijar a disipadores de calor para una mejor refrigeración. Además, la mayoría de los transistores de potencia tienen el colector o el drenador conectados físicamente a la carcasa metálica. En el otro extremo, algunos transistores de microondas de montaje superficial son tan pequeños como granos de arena.

A menudo, un mismo tipo de transistor está disponible en varios encapsulados. Si bien los encapsulados de transistores suelen estar estandarizados, la asignación de funciones a los terminales no lo está: otros tipos de transistores pueden asignar funciones diferentes a los terminales del encapsulado. Incluso para el mismo tipo de transistor, la asignación de terminales puede variar (normalmente se indica mediante una letra como sufijo en el número de pieza, por ejemplo, BC212L y BC212K).

Actualmente, la mayoría de los transistores vienen en una amplia gama de encapsulados SMT. En comparación, la lista de encapsulados de orificio pasante disponibles es relativamente pequeña. Aquí hay una breve lista de los encapsulados de transistores de orificio pasante más comunes en orden alfabético: ATV, E-line, MRT, HRT, SC-43, SC-72, TO-3, TO-18, TO-39, TO-92, TO-126, TO220, TO247, TO251, TO262, ZTX851.

Los chips de transistores sin encapsular (die) pueden ensamblarse en dispositivos híbridos. ^{[ 121 ]} El módulo IBM SLT de la década de 1960 es un ejemplo de un módulo de circuito híbrido que utiliza chips de transistores (y diodos) pasivados con vidrio. Otras técnicas de encapsulado para transistores discretos como chips incluyen la conexión directa del chip (DCA) y el chip en placa (COB). ^{[ 121 ]}