Dominio analógico: Transistores

En esta página, aprenderás sobre los transistores que implementan las compuertas lógicas.

El transistor es el componente fundamental de los circuitos electrónicos, donde se utilizan como interruptores de encendido/apagado.

imagen de varios tipos de transistores
Imagen del usuario de Wikipedia DaRy

Has aprendido que un cable puede tener voltaje o no tener voltaje. La realidad es más complicada. La imagen de encendido o apagado de un cable, un transistor o una salida de compuerta lógica es una simplificación—una abstracción.

gráfico que muestra 'Voltaje de entrada' en el eje horizontal y 'Voltaje de salida' en el eje vertical; el gráfico comienza cerca del origen y permanece casi plano por un tiempo, luego se curva hacia arriba y se vuelve casi recto nuevamente en este nuevo ángulo, luego se curva hacia abajo hasta casi plano hasta el final; la región plana inferior está etiquetada como 'corte' y de color azul; la región central inclinada está etiquetada como 'lineal' y de color rosa; la región plana superior está etiquetada como 'saturación' y de color azul

Este es un gráfico aproximado del comportamiento real de entrada-salida de un transistor. No te preocupes por los detalles; solo observa las dos partes azules planas del gráfico. Dentro de la región de "corte", los pequeños cambios en el voltaje de entrada no cambian en absoluto el voltaje de salida; la salida siempre es cero voltios. Del mismo modo, dentro de la región de "saturación", los pequeños cambios de entrada apenas afectan el voltaje de salida; la salida se interpreta como uno. Así es cómo son usados los transistores como interruptores en una computadora.

Los transistores son dispositivos versátiles. Cuando se usan en la parte lineal (rosa), central del gráfico, son amplificadores; una pequeña variación en el voltaje de entrada produce una gran variación en el voltaje de salida. Así es como se usan para reproducir música en estéreo.

¿Por qué se les llaman "corte", "lineal" y "saturación"?
La región inferior de la curva se llama "corte" porque la salida del transistor está cortada (la salida es cero) para cualquier entrada en esa región. La región superior se llama "saturación" porque, como una esponja que no puede humedecerse más, el transistor no puede dar más salida sin importar cuán grande sea la entrada. La región central se llama "lineal" porque se comporta como una función lineal (recta).
El transistor fue inventado en 1947 por John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley en Bell Laboratories, también el hogar de Unix. Los inventores fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 1956 por este trabajo.
El dominio digital no es una ley de la naturaleza; Los diseñadores de circuitos tienen que trabajar para garantizar que cada cable de un circuito esté siempre completamente encendido o completamente apagado. El dominio digital es una abstracción.
Aprende más sobre lo que engloba la abstracción digital y cómo se aplica.

La forma plana de la salida en los dos extremos es importante porque habrá pequeños cambios en la entrada. Los circuitos eléctricos tienen "ruido", cambios no deseados en los voltajes, por razones desde que los transistores se calientan o pierden conexiones en la placa de circuitos hasta por rayos cósmicos. Esta es la razón por la cual las computadoras usan ceros y unos: un transistor tiene dos regiones planas en su curva de entrada-salida.

Pero lo plano de la región saturada es solo aproximada, y depende de cómo esté conectado el transistor al resto del circuito. Un ejemplo de un problema potencial es salida en abanico, la cantidad de entradas de transistor a las que está conectada la salida de un transistor. Más allá de un cierto número (depende del tipo de transistor en particular, pero ciertamente diez entradas serían demasiadas), el voltaje de salida se reduce al punto de que esas entradas podrían no estar seguras de si están obteniendo un cero o uno.

La forma en que realmente funciona un transistor depende de la física cuántica. (No estamos hablando de computadoras cuánticas ; los circuitos de computadora viejos y simples se basan también en efectos cuánticos). Para aprender más sobre el diseño de circuitos de dominio analógico y lo que hay dentro de un transistor, toma un curso de Ingeniería Eléctrica.

  1. Investiga cómo se usan los transistores para implementar compuertas lógicas.