Les seves petites dimensions, fiabilitat, durada, baix consum, preu, etc., els ha permès de substituir avantatjosament els tubs electrònics, de manera que, actualment, aquests només són utilitzats en aplicacions molt especials. L’evolució de l’electrònica dels semiconductors és ben palesa pel que fa al perfeccionament dels transistors, sobretot quant a la tecnologia de fabricació i també en el desenvolupament de nous tipus o models. El primer transistor fou descobert el 1948 pels físics nord-americans J.Barden i W.Brattain, que juntament amb W.Schockley treballaven als laboratoris de la Bell Telephone en un programa de recerca dedicat a investigar els materials semiconductors. Aquests tres físics guanyaren el premi Nobel el 1956 per llur descobriment i pel desenvolupament de les teories físiques que permetien de comprendre el comportament dels materials semiconductors. El primer tipus de transistor, conegut com a transistor de puntes , consistia en dos elèctrodes de germani les puntes dels quals eren gairebé a tocar (uns 50μm). Feble i poc estable, fou abandonat ràpidament en ésser-ne desenvolupat per W.Schockley, el 1951, un nou tipus, anomenat actualment transistor de junció . N'hi ha dos tipus bàsics: el transistor bipolar i l’unipolar. En el primer, la conducció és portada a terme pels dos tipus de portadors de càrrega (electrons i forats), mentre que en el segon només la fa un dels dos (o els electrons o els forats). El transistor bipolar típic consisteix en tres capes de material semiconductor extrínsec; les dues capes extremes són ambdues de material tipus n o de material tipus p , i la capa del mig és de tipus oposat. El conjunt forma dues juncions pn i té tres elèctrodes connectats a cadascuna de les capes. La capa central és anomenada base i les altres dues, emissor i col·lector .
Estructura de capes de dos transistors: a dalt, bipolar; a baix, unipolar
© Fototeca.cat
A causa de la presència de les dues juncions, el corrent no pot passar d’un extrem a l’altre, perquè una de les dues ho impedeix. Ara bé, quan s’injecta un corrent feble per l’elèctrode de la base, es produeix un petit camp elèctric que permet el transport de càrregues (electrons o forats), de l’emissor cap al col·lector, a través de la base. El nom de “transistor” li ve del fet que el corrent és obligat a passar a través d’una capa resistiva (la base ), és a dir, el transistor transfereix voltatge a través d’una resistència (en anglès transfer resistor , d’on prové el nom de transistor ). En funcionament com a amplificador, l’entrada o junció emissor-base es polaritza en directa i la sortida, o junció base-col·lector, en inversa (díode). L’essència de la teoria de l’efecte transistor és l’emissió de càrregues des de la regió emissora i l’arribada de pràcticament tots aquests portadors al col·lector. Així, utilitzat com a amplificador, el transistor produeix variacions molt grans d’un corrent (el del col·lector) d’una manera que és proporcional a les variacions d’un corrent petit (el que entra per la base). No hi ha creació d’energia (en general, en bateria). Una altra aplicació molt important del transistor consisteix a fer-lo treballar com a interruptor (saturació-blocatge), funció sobre la qual es basa tota l’electrònica digital. Encara que el primer transistor fou de germani, actualment, la majoria de transistors es realitzen amb silici. Des del punt de vista de llur constitució física i de les tècniques de fabricació hom distingeix diversos tipus de transistors: els de junció per creixement, els de junció per aliatge, els de junció per difusió, els mesa i els epitaxials . Els transistors de junció per creixement creixement d’un cristall s’obtenen afegint, durant el procés de creixement del cristall de germani o de silici, les impureses de tipus p o n necessàries. Els transistors de junció per aliatge es produeixen formant un aliatge de metall sobre les cares oposades d’una peça prima de material semiconductor, de manera que quedi constituïda una zona emissora i una altra de col·lectora. Per exemple, sobre una làmina prima de cristall de germani tipus n hom col·loca dues boletes de material acceptador (generalment indi) i el conjunt s’escalfa fins a arribar a una temperatura superior a la fusió de l’indi, però menor que la de fusió del germani. L’indi dissol el germani i forma una solució saturada. En refredar-se, el germani, en contacte amb el material base, recristal·litza amb la concentració d’indi suficient per a canviar de tipus n a p . Una vegada obtingudes les tres regions (emissor, base, col·lector) se solda el conjunt sobre un suport de metall i s’encapsula. Aquest tipus de transistor és un dels més comuns en aplicacions de baixa freqüència. En el transistor de junció per difusió s’utilitza la difusió d’àtoms donadors i acceptadors (difusió d’impureses). Aquests penetren en el cristall sòlid i substitueixen els àtoms originals que, a causa de la forta temperatura emprada, tendeixen a desvincular-se de les forces que els uneixen entre si. La concentració d’àtoms donadors introduïts per difusió en un cristall de tipus p no és constant. Disminueix cap a l’interior del cristall fins a igualar la concentració dels acceptors. El punt on es produeix aquest efecte dóna la profunditat de difusió. La posició de la junció es pot controlar bo i graduant la concentració dels àtoms que s’han de difondre i regulant tant la temperatura com el temps en què es realitza l’operació. Un dels transistors d’aquest tipus és el planar, obtingut mitjançant la tècnica homònima, que resol la major part dels problemes de superfície gràcies a l’acció passivadora de l’òxid, que origina només uns corrents de fuita molt petits. També es millora el guany de corrent de petita intensitat i el soroll. Els transistors mesa són obtinguts per tècniques anàlogues a les aplicades per a obtenir els tipus anteriors; la diferència consisteix a extreure la major quantitat possible de capa predifosa (que constitueix amb el cristall original la junció del col·lector) per a reduir al mínim la capacitat del col·lector i així millorar-ne les característiques. En els transistors epitaxials hom utilitza la tècnica del creixement epitaxial (creixement d’un cristall) per a formar una capa molt prima de monocristalls de silici, d’alta puresa, sobre un substrat de materials fortament dopat. Aquest cristall constitueix el col·lector sobre el qual es difonen la base i l’emissor. Tots els transistors bipolars es fabriquen amb aquest procediment, ja que hom aconsegueix que presentin menor resistència del col·lector que els transistors mesa i menor capacitat entre elèctrodes. Actualment els processos de difusió utilitzats per a obtenir el dopatge de les diferents regions, van essent desplaçats per la tècnica anomenada d'implantació iònica, consistent a bombardejar el material de base amb ions d’àtoms donadors o acceptadors. Controlant la dosi i l’energia dels ions utilitzats, es poden aconseguir zones de dopatge amb molta més bona definició i reproductibilitat que amb els mètodes anteriors. Actualment, un dels processos més universalment utilitzats en la fabricació de transistors és l’anomenada tècnica planar epitaxial, combinació dels dos procediments. El transistor unipolar és constituït per un canal, d’un determinat tipus de polaritat ( p o n ), situat entre dos elèctrodes del mateix tipus però molt més dopats, que reben el nom de font i drenador. La conducció a través d’aquest canal és modulada per un camp elèctric tranversal, aplicat a un elèctrode anomenat porta , i per aquesta raó el transistor unipolar rep el nom de FET (sigles de Field Effect Transistor), és a dir transistor d’efecte camp. Segons sigui l’estructura mitjançant la qual s’aplica el camp elèctric al canal hom distingeix tres tipus bàsics de transistors unipolars: el JFET , el MOSFET i el MESFET . En el JFET (Junction Field Effect Transistor) el camp elèctric s’aplica mitjançant una junció pn que es constitueix realitzant, en una determinada zona del canal una difusió d’impureses de tipus contrari a les que s’han introduït al canal; en aquesta zona es conecta l’elèctrode porta. Hom els utilitza com a interruptors digitals o analògics, com a etapes d’entrada d’amplificadors mescladors, com a oscil·ladors i com a resistències comandades per tensió. El MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) es realitza dipositant sobre el canal una capa aïllant (generalment òxid de silici o nitrur de silici) i damunt d’ella una capa metàl·lica, on es connecta l’elèctrode porta (MOS). Per a uns determinats valors de la tensió aplicada entre els electrodes porta i pont, valors que han d’ésser superiors a una tensió llindar, es crea una zona d’inversió sota l’aïllant, i així es forma el canal; segons la conductivitat del canal hom distingeix entre NMOS i PMOS. La tensió llindar de formació del canal pot ésser positiva o negativa, i depèn del dopatge de la zona de canal, del tipus de metall de porta i de la presència de càrregues a l’aïllant; així, hi ha transistors MOSFET que tenen el canal format a tensió zero, i que reben el nom de MOSFET de buidament, o transistors en què cal aplicar tensió, anomenats MOSFET d’acumulació. El MOSFET de buidamentse sol realitzar modificant selectivament el dopatge del canal mitjançant una implantació iònica. El camp d’utilització del transistor MOSFET és molt ampli, especialment en les famílies lògiques digitals, a causa del seu baixíssim consum de potència, a la senzillesa del seu disseny i a l’alta densitat d’integració, respecte a les famílies bipolars. Són especialment adients per a la fabricació de memòries, Les millores tecnològiques assolides darrerament en litografia, substitució de les portes de metall per silici policristal·lí molt dopat o per siliciurs de metalls de transició, procesos d’oxidació localitzada (LOCOS), processos d’autoalineament de porta, etc., han fet possible que les dimensions dels circuits MOS hagin disminuït considerablement cosa que ha permès disposar de circuits més ràpids i de més alta densitat d’integració que han substituït, en moltes aplicacions, als circuits bipolars. El MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) és un tipus de transistor que se solt realitzar amb semiconductors del grup III-V, generalment arsenur de gal·li, que per raó de la gran mobilitat dels portadors (unes sis vegades més gran que la del silici) els fa especialment adients per a sistemes de commutació a altes velocitats, sistemes d’alta freqüència, per a comunicacions, etc. En aquest cas el camp elèctric transversal s’aplica a través d’una junció metall-semiconductor realitzada sobre el canal. En el camp dels transistors de potència s’han fet progressos notables i hom aconsegueix amb transistors bipolars potències de centenars de watts, encara que com més va més són desplaçats per transistors MOSFET de potència, que presenten millors característiques. Un tipus especial de transistor és el dit programable que té unes característiques semblants al transistor unijunció (UJT), però amb possibilitat de poder ajustar el valor de la tensió a què es dispara. En l’UJT (en anglès Uni Junction Transistor ) aquesta tensió es fixa i depèn de les seves característiques i forma geomètrica establerta en la fabricació, mentre que en el programable, aquesta pot ésser modificada exteriorment variant la polarització de la porta auxiliar d’ànode. Aquest transistor és conegut també amb la sigla PUT (de l’anglès Programable Uni Junction Transistor ) i constructivament és de fet un tiristor planar de doble porta, la de control i l’auxiliar d’ànode, que és la que li dóna el caràcter de programable.