Instituto Tecnológico de Saltillo Departamento de Mecánica Investigación documental de los transistores y su implicación en la calidad de audio de los aparatos electrónicos. Integrantes Carmona García Fernando Jair Esparza Villegas Oscar Ruiz Alonso Diego Ignacio Sánchez Espinosa David Antonio Vazquez Contreras Sergio Alejandro Mayo 2022 Saltillo, Coahuila Índice: Introducción ................................................................................................................. 3 Antecedentes y planteamiento del problema: ............................................................. 3 Objetivos ..................................................................................................................... 6 Hipótesis...................................................................................................................... 6 Justificación ................................................................................................................. 7 Marco Teórico ............................................................................................................. 8 1. 2. Definición y origen de los Transistores........................................................... 8 1.1. Origen del transistor. ............................................................................... 8 1.2. Definición y composición. ...................................................................... 11 1.3. Clasificación........................................................................................... 13 Funcionamiento de un transistor de audio. .................................................. 16 2.1 Factores que intervienen en el funcionamiento de un transistor de audio.... 17 2.2 Ventajas de un transistor de audio ............................................................... 18 2.3 Desventajas de un transistor de audio ......................................................... 20 3. Áreas de oportunidad para la mejora de un transistor.................................. 20 3.1. Amplificación de audio ........................................................................... 20 3.2. Tiempo de vida útil del producto ............................................................ 20 3.3. Composición y costos ............................................................................ 21 Metodología............................................................................................................... 22 Bibliografía ................................................................................................................ 24 Introducción El presente trabajo explica y detalla los diversos factores involucrados en el funcionamiento de los transistores destinados a producir y enlazar un correcto funcionamiento para la reproducción y réplica de audio. Con la finalidad de mejorar la calidad del audio en los dispositivos eliminando en la mayor proporción posible las interferencias para que el sonido sea más limpio y nítido mejorando la experiencia al usarlo ya que se ha observado en la presente pandemia lo importante de contar con aparatos capaces de transmitir la información de una mejor manera y lo difícil que es comunicarse a distancia si no se cuenta con una buena calidad de audio en clases. Para ello se abordará, desde una perspectiva tanto educativa como técnica, el funcionamiento y composición de estos en los dispositivos que los seres humanos utilizan diariamente para la facilitación de diversas actividades. Un transistor, también conocido como un BJT (Transistor de Unión Bipolar por sus siglas en inglés), es un dispositivo semiconductor impulsado por corriente. Puede ser utilizado para controlar el flujo de corriente eléctrica en dónde una pequeña cantidad de esta situada en el conductor base, controla una mayor cantidad de corriente entre el Colector y el Emisor. Se pueden utilizar para amplificar una señal débil, como un oscilador o un interruptor. Es un tipo de dispositivo de uso común en numerosos aparatos, como relojes, lámparas, tomógrafos, celulares, radios, televisores y, sobre todo, como componente de los circuitos integrados (chips o microchips). Con esto en mente se piensa encontrar una solución ya sea un material u forma que mejore la eficiencia de los transistores para amplificar y enviar una señal de la mejor manera posible. Antecedentes y planteamiento del problema: Ante la situación generada por la pandemia y la necesidad por parte del alumnado y maestros de diversas instituciones, en el ámbito escolar fue necesaria la capacidad de realizar la conexión virtual para impartir los respectivos cursos escolares, evitando así mismo, un retraso para la comunidad estudiantil en cuanto a su aprendizaje y nivel escolar. Se observó la casi imperativa necesidad por poseer un equipo de cómputo en condiciones para la toma de cursos en línea, se hicieron presentes los múltiples defectos e inconvenientes ocasionados por un mal funcionamiento y composición de los dispositivos. Es de notar que diversos dispositivos presentaron fallos para reproducir contenido multimedia de suma importancia para los cursos, así mismo, la incapacidad de éstos para enlazar una correcta reunión de tipo videollamada con los docentes, además de la deficiencia encontrada en la calidad de diversas conexiones entre los diferentes circuitos que enlazan a los transistores con éstos; como también la notable incapacidad para soportar altas temperaturas ocasionadas por uso constante junto a una mala calidad en cuestión de soldaduras y composición. Desde la perspectiva como estudiantes es evidente que las fallas y defectos en los diferentes circuitos y transistores presentes en los aparatos eléctricos se presentan a mayor medida, esto también se ve presente en el ámbito educativo, laboral, frente a importantes reuniones, discusiones que requieren de contenido multimedia para la capacitación, muestra y una correcta interpretación de resultados, así mismo, se requiere su pronta resolución. Estos problemas no sólo se ven presentes en equipos de cómputo, se encuentran también en los dispositivos que permiten enlazar con el contenido multimedia como lo son los dispositivos móviles, radios, estéreos, altavoces, relojes, etc. La baja calidad observada en los transistores provoca déficit en la transmisión de audio y la vida útil del producto. Se ha observado que la calidad del sonido está muy relacionada con la calidad o tipo de transistor usado en distintos aparatos afectando tanto a la calidad de audio como la vida útil del aparato. Los transistores tienen su origen en la necesidad de controlar el flujo de la corriente eléctrica en diversas aplicaciones, como parte de la evolución del campo de la electrónica. Su antecesor directo fue un aparato inventado por Julius Edgar Lilienfeld en Canadá en 1925(1), pero no sería hasta mediados de siglo cuando podría implementarse usando materiales semiconductores (en lugar de tubos al vacío). Los primeros logros en este sentido consistieron en la ampliación de la potencia de una señal eléctrica a partir de conducirla a través de dos puntales de oro aplicados a un cristal de germanio. Se llama transistor (del inglés: transfer resistor, “resistor de transferencia”) a un tipo de dispositivo electrónico semiconductor, capaz de modificar una señal eléctrica de salida como respuesta a una de entrada, sirviendo como amplificador, conmutador, oscilador o rectificador de la misma. (2) Es un tipo de dispositivo de uso común en numerosos aparatos, como relojes, lámparas, tomógrafos, celulares, radios, televisores y, sobre todo, como componente de los circuitos integrados (chips o microchips). El nombre de transistor fue propuesto por el ingeniero estadounidense John R. Pierce, a partir de los primeros modelos diseñados por los Laboratorios Bell. El primer transistor de contacto apareció en Alemania en 1948, mientras que el primero de alta frecuencia fue inventado en 1953 en los Estados Unidos. (3) Estos fueron los primeros pasos hacia la explosión electrónica de la segunda mitad del siglo XX, que permitieron, entre muchas otras cosas, el desarrollo de las computadoras. En la construcción de los transistores hoy en día se emplean materiales como germanio (Ge), silicio (Si), arseniuro de galio (GaAs) o aleaciones de silicio y germanio o silicio y aluminio. Dependiendo del material usado, el dispositivo podrá resistir una cantidad determinada de una temperatura máxima de calentamiento por resistencia. (4) tensión eléctrica y Objetivos Objetivo General: Determinar documentalmente la influencia de los transistores sobre la calidad de audio de los aparatos electrónicos. Objetivos Específicos: ● Visualizar y explicar mediante revisión bibliográfica el mecanismo con el que funcionan los transistores para que la audiencia los entienda. ● Determinar documentos técnico-científicos los factores que deterioran la calidad del sonido y la vida útil de los transistores. ● Implementar documentalmente las soluciones necesarias para aumentar la calidad del sonido junto con recomendaciones de uso para extender su tiempo de vida útil. Hipótesis De acuerdo a investigaciones teóricas reportadas en la bibliografía se plantea la hipótesis de que los resultados de la presente investigación documental permitirán establecer nuevas bases en las investigaciones, aplicaciones y experimentos en el uso de nuevos materiales de fabricación para los transistores así como una mejora y optimización en su funcionamiento .Así mismo, se supone que la combinación de diversos materiales bajo ciertas condiciones externas a los circuitos electrónicos, proporcionará: ● Aumento en la efectividad y resistencia ante medios de altas temperaturas, descargas eléctricas, etc. ● Disminución de componentes desechables debido al aprovechamiento de materiales reutilizables y de fácil acceso. Justificación La razón detrás de nuestro proyecto se basa en que la calidad del sonido de los aparatos tecnológicos que usamos durante la pandemia no fue la mejor, debido a que era necesario el uso de cámara y micrófono para asistir a videoconferencias, y al momento de unirnos el audio presentaba fallas de sonido que nos dificultaban la comunicación con los docentes y compañeros, esto se debe en su mayoría a defectos encontrados dentro de los transistores. Sobre esta base, se pretende aumentar la calidad del sonido que producen los transistores y su vida útil. Al mejorar la calidad de los transistores se nos otorgarán productos con una mayor resolución de audio como altavoces, celulares, estéreos y radios. Como resultado de esta investigación se verán beneficiados: Las personas que consuman los productos anteriormente mencionados, porque mejorará la experiencia que reciban al usarlos y la durabilidad del producto. Las empresas que se dediquen al campo ejecutivo, porque no se verán afectadas las reuniones directivas. Personas dentro del ámbito musical, porque al ser un campo que se especializa en lo musical el uso constante de los transistores ocasiona un desgaste mayor de los componentes. Estudiantes e instituciones, se verán beneficiados al entablar una mejor comunicación cuando utilicen reuniones virtuales. Impacto Tecnológico Tiene un gran impacto dentro de esta área porque una vez que se implementen las ideas dentro de este proyecto, la calidad de los transistores mejorara a grandes pasos, también reduciendo los costos al evitar remplazar el producto por otro de manera constante. Impacto Educativo Como se mencionó previamente, las videoconferencias tendrán una calidad de sonido más estable lo que generará una mejor comunicación entre estudiantes y docentes. Impacto Social Debido al uso constante de diversos productos audiovisuales, al implementar las mejoras, las fallas se verán eliminadas lo que provocará una mejor experiencia al usarlos de manera cotidiana. Marco Teórico 1. Definición y origen de los Transistores 1.1. Origen del transistor. Wiliam Bradford Shockley (1910-1989) junto con John Bardeen (1908-1991) y Walter Brattain (1902-1987)- fueron considerados los padres del transistor, la invención que constituye, probablemente, la mayor revolución silenciosa del siglo XX, de la que se cumplen 70 años en 2017. El funcionamiento de la gran mayoría de los equipos que se utilizan a diario (televisores, teléfonos móviles, ordenadores…) está basado en las propiedades de los transistores con los que están construidos. Con frecuencia se dice que el transistor representa para el siglo XX lo que la máquina de vapor significó para el siglo XIX (5). Antes de la II Guerra Mundial, Bell Telephone (actual AT&T) comenzó a estudiar la física del estado sólido poniendo el énfasis en los semiconductores, materiales que conducen pequeñas corrientes eléctricas y que hasta cierto punto ya se utilizaban. William Shockley intuyó que una descarga eléctrica aplicada desde fuera podía mover los electrones de un semiconductor de modo que éste actuara como amplificador. La guerra interrumpió la investigación, pero se hicieron otros hallazgos, como el de la Purdue University, que descubrió que el germanio era un material útil para esta función. En cuanto terminó la guerra, Shockley organizó su equipo y descubrió que su teoría no funcionaba porque la corriente eléctrica no podía penetrar el semiconductor. Pero sus estudios fueron la base para la invención del transistor. Mártil de la Plaza (2012) (6), explica que no solo existe un único inventor del transistor, se puede afirmar que en realidad fueron tres. Por tanto, la respuesta a quién inventó el transistor es: John Bardeen. Walter Houser Brattain. William Bradford Shockley. (p. 4). Y respecto a la pregunta dónde y cuándo se inventó el transistor, la respuesta es: En la ciudad de Morristown, Estado de Nueva Jersey, Estados Unidos para la compañía Bell Telephone (Nueva York) en el año 1947. La cosa fue de la siguiente manera: El físico e ingeniero eléctrico estadounidense John Bardeen (1908-1991) tenía una teoría sobre la naturaleza de la superficie del semiconductor que podría justificarlo. Una prueba con películas inferiores mostró que la corriente pasaría si era transmitida a través de un electrolito en contacto con la superficie. Pero esto no funcionó con el germanio porque el efecto resultó ser el opuesto al esperado. Tras varios experimentos junto al físico Walter Houser Brattain (1902-1987), llegaron al transistor de punta de contacto. Donde la corriente que fluye hacia un contacto es controlada por otra que fluye por un segundo contacto. Pero lamentablemente, el primer transistor era ruidoso, no controlaba grandes cantidades de energía y sus aplicaciones eran limitadas. El físico estadounidense William Bradford Shockley (1910-1989) tuvo la idea del transistor de unión, que corrigió la mayoría de los problemas. Otras mejoras incluían reemplazar el germanio con silicio. Shockley creía que como la idea original había sido suya, él debería recibir todo el crédito y se lo dijo a Bardeen y Brattain por separado. Mientras que Bardeen se enojó mucho, Walter Houser Brattain le contestó: “¡Demonios, Shockley, en esto hay gloria suficiente para todos!”. La compañía Bell planeaba obtener una patente a nombre de Shockley, pero descubrió que el prolífico Julius Lilienfeld había patentado algo prácticamente idéntico a la idea de Shockley. Figura 1.1 (Patente de transistor). J. Barden, W. H. Brattain & H. C. Hart (oct. 3, 1950) De modo que la patente del transistor de punto-contacto original se basó en el trabajo de Bardeen y Brattain. Fue presentada el 17 de junio de 1948 y publicada como US 2524035 y GB 694021. En cambio, a Shockley se le concedió el patente número US 2569347 por sus trabajos, la mejora y evolución sobre el transistor de unión. En cualquier caso, los tres recibieron el Premio Nobel de Física en 1956 y Bardeen lo compartió en 1972 por la superconducción. Pero la historia del transistor como la hemos explicado tiene su fin. En la segunda mitad de la década de 1960 los transistores comenzaron a ser reemplazados por los circuitos integrados o microchips, que utilizaban muchos transistores y otros componentes en una única oblea. 1.2. Definición y composición. Para Ibeas Hernández (2017) (7) “El transistor es un elemento de tres terminales, es decir, que dispone de tres conexiones externas, y puede cumplir un amplio abanico de funciones. Sin embargo, las más extendidas son la función de interruptor eléctrico y la función de amplificador. Ambas funciones desempeñan papeles fundamentales en la electrónica actual.” En este sentido, es interesante resaltar que podemos diseñar puertas lógicas para circuitos digitales gracias a un transistor que opera como interruptor eléctrico. Por otro lado, los circuitos de amplificación también desempeñan un papel fundamental en la electrónica moderna al formar parte de multitud de dispositivos tanto profesionales como de consumo. A modo de ejemplo, podemos citar los aparatos de reproducción de audio y vídeo. La clave del proceso de amplificación que lleva a cabo el transistor proviene del hecho de que la corriente que circula por dos de sus terminales es proporcional a la corriente que circula por el tercero. Lorda (1999) (8) aporta que el transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades específicas) que forman dos uniones bipolares: el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a diferencia de los resistores, condensadores e inductores que son elementos pasivos. De manera simplificada, la corriente que circula por el colector es función amplificada de la que se inyecta en el emisor, pero el transistor sólo gradúa la corriente que circula a través de sí mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la base para que circule la carga por el colector, según el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificación o ganancia logrado entre corriente de colector y corriente de base, se denomina Beta del transistor. Otros parámetros para tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima, disipación de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas(configuraciones) básicos para utilización analógica de los transistores son emisor común, colector y base comunes. Modelos posteriores al transistor descrito, el transistor bipolar (transistores FET, MOSFET, JFET, CMOS, VMOS, etc.) no utiliza la corriente que se inyecta en el terminal de base para modular la corriente de emisor o colector, sino la tensión presente en el terminal de puerta y gradúa la conductancia del canal entre los terminales de Fuente y Drenaje. Cuando la conductancia es nula y el canal se encuentra estrangulado, por efecto de la tensión aplicada entre Compuerta y Fuente, es el campo eléctrico presente en el canal el responsable de impulsar los electrones desde la fuente al drenaje. De este modo, la corriente de salida en la carga conectada al Drenaje (D) será función amplificada de la tensión presente entre la compuerta y la fuente, de manera análoga al funcionamiento del triodo. Los transistores de efecto de campo son los que han permitido la integración a gran escala disponible hoy en día; para tener una idea aproximada pueden fabricarse varios cientos de miles de transistores interconectados, por centímetro cuadrado y en varias capas superpuestas. 1.3. Clasificación. Figura 1.2 Tipos de transistores estándar (Diefenderfer, James, Principles of Electronic Instrumentation, 2nd Ed., W.B. Saunders, 1979.) Hay dos tipos de transistores estándar, NPN y PNP (figura 1.2), con diferentes símbolos de circuito. Las letras hacen referencia a las capas de material semiconductor usado para construir el transistor. La mayoría de los transistores usados hoy son NPN porque este es el tipo más fácil de construir usando silicio. Los terminales son rotulados como base (B), colector (C) y emisor (E). Estos términos se refieren al funcionamiento interno del transistor, pero no ayuda mucho a entender cómo se usa, ¡así que los trataremos como rótulos. Un par Darlington consiste en un par de transistores, o bien NPN o PNP, conectados juntos dentro de un mismo encapsulado, para dar una ganancia de corriente muy alta. Además de los transistores estándar (juntura bipolar), existen los transistores de efecto de campo los que son conocidos como FET (field effect transistor). Tienen un símbolo de circuito distinto y su funcionamiento y propiedades respecto del transistor estándar también es bastante diferente. Transistor de contacto puntual: Bradley (2007) (9) establece que el transistor de contacto puntual llamado también “transistor de punta de contacto”, fue el primer transistor capaz de obtener ganancia, inventado en 1947 por John Bardeen y Walter Brattain. Consta de una base de germanio, semiconductor para entonces mejor conocido que la combinación cobreóxido de cobre, sobre la que se apoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector. La corriente de base es capaz de modular la resistencia que se «ve» en el colector, de ahí el nombre de transfer resistor. Se basa en efectos de superficie, poco conocidos en su día. Es difícil de fabricar (las puntas se ajustaban a mano), frágil (un golpe podía desplazar las puntas) y ruidoso. Sin embargo, convivió con el transistor de unión debido a su mayor ancho de banda. En la actualidad ha desaparecido. Transistor de unión bipolar: El transistor de unión bipolar (o BJT, por sus siglas del inglés bipolar junction transistor) se fabrica sobre un monocristal de material semiconductor como el germanio, el silicio o el arseniuro de galio, cuyas cualidades son intermedias entre las de un conductor eléctrico y las de un aislante. Sobre el sustrato de cristal se contaminan en forma muy controlada tres zonas sucesivas, N-P-N o P-N-P, dando lugar a dos uniones PN. Las zonas N (en las que abundan portadores de carga Negativa) se obtienen contaminando el sustrato con átomos de elementos donantes de electrones, como el arsénico o el fósforo; mientras que las zonas P (donde se generan portadores de carga Positiva o «huecos») se logran contaminando con átomos aceptadores de electrones, como el indio, el aluminio o el galio. Las tres zonas contaminadas, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la región de la base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen diferente contaminación entre ellas (por lo general, el emisor está mucho más contaminado que el colector). El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá de dichas contaminaciones, de la geometría asociada y del tipo de tecnología de contaminación (difusión gaseosa, epitaxial, etc.) y del comportamiento cuántico de la unión. Figura 1.3 Transistor de unión bipolar (E. Roch 2020) Transistor de efecto de campo: El transistor de efecto de campo de unión (JFET), fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otro drenador. Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando la puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal. El transistor de efecto de campo, o FET por sus siglas en inglés, que controla la corriente en función de una tensión; tienen alta impedancia de entrada. • Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante una unión PN. • Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la compuerta se aísla del canal mediante un dieléctrico. • Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa Metal-ÓxidoSemiconductor, en este caso la compuerta es metálica y está separada del canal semiconductor por una capa de óxido. (p. 3 y 4) 2. Funcionamiento de un transistor de audio. Un transistor de audio es un punto de conexión electrónico muy utilizado en el mundo. Es un componente básico de una gran cantidad de circuitos, y viene en varias formas. Todos los tipos de transistores de audio se definen como un mecanismo electrónico que aumenta o acrecienta la fuerza de una señal. En otras palabras, aumenta la amplitud de una señal y la intensifica. (10) Ballou, G. (2015) (11), define a un amplificador de audio como un dispositivo utilizado para aumentar el volumen del sonido con baja potencia para que pueda ser utilizado en un altavoz. En general, es el paso final de una cadena de retroalimentación de audio, o el movimiento del sonido desde una entrada de audio a una salida. Existen varias aplicaciones de esta tecnología, que incluyen su uso en sistemas de megafonía y conciertos. Los amplificadores de audio también pueden ser de importancia para los individuos a medida que se utilizan en sistemas de sonido en los hogares. De hecho, las tarjetas de sonido de las computadoras personales pueden tener amplificadores de audio. El primer amplificador de audio se hizo en 1906 por un hombre llamado Lee De Forest y llegó en forma de tubo de vacío triodo. Este mecanismo especial evolucionó a partir de Audion, y fue desarrollado por De Forest. A diferencia del triodo que tiene tres elementos, el Audion sólo tenía dos y no amplificaba el sonido. Más tarde, durante el mismo año, se inventó el triodo, un dispositivo con la capacidad de ajustar el movimiento de electrones desde un filamento a una placa de sonido y modular. Fue fundamental en la invención del primer radio AM. Según Vílchez (2015) (12), los amplificadores de audio más usados hoy en día son considerados como transistores de estado sólido. Un ejemplo de esto es el transistor de unión bipolar, que tiene tres elementos hechos de materiales semiconductores. Otro tipo de amplificador usado en los últimos años es el MOSFET o el óxido de metal semiconductor transistor de efecto de campo. Inventado por Julius Edgar Lilienfeld, fue concebido por primera vez en 1925 y tiene tanto aplicaciones de circuitos digitales como analógicas. Aunque los amplificadores de estado sólido ofrecen comodidad y eficacia, todavía no pueden producir la calidad de los fabricados con válvulas. En 1872, Matti Otala descubrió la razón de esto: la distorsión de intermodulación (TIM). Este tipo particular de distorsión fue causado por el rápido aumento de la tensión en el dispositivo de salida de audio. Una investigación adicional remedió este problema llevando a que los amplificadores anulen el TIM. Álvarez (2019) (13) comenta la débil señal que llega por la antena es amplificada en los transistores, igual el ruido remanente, para que pueda ser procesada y escuchada por los dispositivos electrónicos y ser convertida en audio. 2.1 Factores que intervienen en el funcionamiento de un transistor de audio La calidad de un transistor de audio se mide mediante una serie de especificaciones llamadas cifras de mérito. * Ancho de banda: el rango de frecuencia en el que puede funcionar el amplificador. * Ruido: la cantidad de información adicional no deseada incluida en la salida. * Velocidad de inclinación: la velocidad máxima de cambio de salida. * Ganancia: Quizás lo más importante, la relación entre las magnitudes de las señales de entrada y salida. * Estabilidad: la capacidad de proporcionar resultados constantes y confiables. * Linealidad: el grado de proporcionalidad entre las señales de entrada y salida. * Eficiencia: Otra característica muy importante, es la relación entre la potencia de salida y la potencia consumida. * Rango dinámico de salida: relación entre los niveles de salida más útiles y pequeños. (14) 2.2 Ventajas de un transistor de audio Los transistores tienen varias ventajas sobre los tubos al vacío. En primer lugar, para que funcione un tubo al vacío su cátodo debe calentarse, y esto se logra pasando una corriente cercana a él. El voltaje típico que se requiere para lograr esto es de 250 V. Una vez conectado este voltaje se necesita esperar determinado tiempo hasta que se caliente el cátodo. Por tanto, cualquier aparato que use tubos al vacío no funciona inmediatamente después de haberse conectado. El transistor no requiere este calentamiento, por lo que empieza a funcionar inmediatamente después de su conexión. En consecuencia, el uso de un transistor en lugar de tubos al vacío ahorra mucha energía y, por tanto, resulta más económico. En segundo lugar, la respuesta del transistor a señales de frecuencias muy altas es muy efectiva, lo cual no ocurre con los tubos al vacío. Como el tamaño de un transistor es mucho menor que el de los tubos al vacío, con él se inició la miniaturización de los aparatos electrónicos. El invento del transistor abrió una nueva era en la civilización moderna, ya que se le pudo utilizar de manera muy general en una gran variedad de aparatos. En las décadas de 1950 y 1960 se construyeron radios, computadoras electrónicas, aparatos de control industrial, etc., que gracias a los transistores fueron de tamaños relativamente pequeños, portátiles, con requerimientos de energía muy reducidos y de larga vida. En gran medida, en las décadas mencionadas los transistores sustituyeron a los tubos al vacío. Sin embargo, para ciertas aplicaciones muy específicas los tubos han tenido ventajas sobre los transistores. Así, se emplean para transmisores de radio de potencia alta y mediana, para amplificadores de microondas y osciladores, para tubos de rayos catódicos como los que se usan en las televisiones, monitores, pantallas de diversos aparatos, etcétera. (15) Los FET son dispositivos sensibles al voltaje con alta impedancia de entrada. Dado que esta impedancia de entrada es considerablemente mayor que la de los BJT, se prefieren los FET sobre los BJT para usarlos como etapa de entrada a un amplificador de múltiples etapas. Una clase de FET (JFET) genera menos ruido que los BJT. Los FET son más estables a la temperatura que los BJT. Los FET son generalmente más fáciles de fabricar que los BJT. Se puede fabricar un mayor número de dispositivos en un solo chip (es decir, aumentar densidad de empaquetamiento es posible). Los FET reaccionan como resistencias variables controladas por voltaje para valores pequeños de voltaje de drenaje a fuente. La alta impedancia de entrada de los FET les permite almacenar la carga el tiempo suficiente para permitir que se utilicen como elementos de almacenamiento. Los FET de potencia pueden disipar la alta potencia y pueden cambiar corrientes grandes. Los FET no son tan sensibles a la radiación como los BJT (una consideración importante para las aplicaciones electrónicas espaciales). 2.3 Desventajas de un transistor de audio Para L. Ashley (2002) (16), las desventajas de los BJT respecto a otros transistores son las siguientes: • Generan un nivel de ruido muy alto con respecto a los FET • Generan gran temperatura a comparación de los FET • Son más fáciles de fabricar que los BJT pues precisan menos pasos y permiten integrar más dispositivos en un CI • Los BJT tiene una baja impedancia de entrada a comparación con los FET que tienen una impedancia de entrada muy elevada (107 a 1012) MOhms. • El BJT no soporta tensiones en el sentido opuesto por que la elevada concentración de impurezas del emisor provoca la ruptura de J1 en bajas tenciones (5 a 10) V 3. Áreas de oportunidad para la mejora de un transistor 3.1. Amplificación de audio I. Oñate (2019) (17) dijo que los nuevos transistores para amplificador de audio se encuentran en un nuevo encapsulado TO-3P (N) que mide sólo 15,9 mm por 40,5 mm por 4,8 mm, con los beneficios que supone en la reducción de tamaño y el ahorro de espacio. 3.2. Tiempo de vida útil del producto A. Sabán (2021) (18) nos dice que: “Según uno de los responsables del paper, si estuviera conectado a una batería AA típica, el transistor podría durar 1.000 millones de años. Las barreras de Shottky ayudan, de nuevo, a amplificar la longitud de señal hasta cuando ya casi no queda energía y el transistor está prácticamente apagado. Los dispositivos domésticos conectados y wearables requieren durar durante mucho tiempo más que velocidad, y es crucial para muchos fabricantes poder asegurar que durante toda la vida útil de un producto no hay que cambiar de la fuente de alimentación, la batería.” 3.3. Composición y costos Tabla 1. Características del material semiconductor (Smith, Kenneth C.) (19) Los primeros transistores bipolares de unión se fabricaron con germanio (Ge). Los transistores de Silicio (Si) actualmente predominan, pero ciertas versiones avanzadas de microondas y de alto rendimiento ahora emplean el compuesto semiconductor de arseniuro de galio (GaAs) y la aleación semiconductora de silicio-germanio (SiGe). El material semiconductor a base de un elemento (Ge y Si) se describe como elemental. Los parámetros en bruto de los materiales semiconductores más comunes utilizados para fabricar transistores se dan en la tabla adjunta; estos parámetros variarán con el aumento de la temperatura, el campo eléctrico, nivel de impurezas, la tensión, y otros factores diversos. La tensión directa de unión es la tensión aplicada a la unión emisor-base de un transistor bipolar de unión con el fin de hacer que la base conduzca a una corriente específica. La corriente aumenta de manera exponencial a medida que aumenta la tensión en directa de la unión. Los valores indicados en la tabla son las típicos para una corriente de 1 mA (los mismos valores se aplican a los diodos semiconductores). Cuanto más bajo es la tensión de la unión en directa, mejor, ya que esto significa que se requiere menos energía para colocar en conducción al transistor. La tensión de unión en directa 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. En algunos circuitos deben usarse elementos compensadores especiales (sensistores) para compensar tales cambios. La densidad de los portadores móviles en el canal de un MOSFET es una función del campo eléctrico que forma el canal y de varios otros fenómenos tales como el nivel de impurezas en el canal. Algunas impurezas, llamadas dopantes, se introducen deliberadamente en la fabricación de un MOSFET, para controlar su comportamiento eléctrico. Figura 3.1 Transistor MOSFET (Verónica Martín Vázquez. 2019). Las columnas de movilidad de electrones y movilidad de huecos de la tabla muestran la velocidad media con 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, mientras más alta sea la movilidad electrónica, el transistor puede funcionar más rápido. (20) Metodología En la presente sección se centraliza la metodología empleada para llevar a cabo la investigación documental. En este tipo de investigación se detalla el análisis de diversos documentos realizados con anterioridad. Se analizarán las características, propiedades, ventajas y desventajas de los actuales transistores, así como las previas investigaciones técnico-científicas realizadas. En el diagrama de flujo de la figura 4, se indica la metodología general que se aplicara para el desarrollo de la presente investigación. Investigar y recopilar información de diversos artículos técnico-científicos centralizados en los transistores, su funcionamiento, fabricación y puntos de mejora. Discusión, análisis, selección e interpretación de los artículos científicos. Acentuación documental de las principales características, ventajas y desventajas, así como de las ideas, puntos y observaciones en común sobre los transistores. Remarcar la aportación de la presente investigación, complementando, aportando y puntualizando los resultados de las investigaciones realizadas como herramientas para una aplicación e investigaciones experimentales. Figura 4 Diagrama de flujo de la metodología empleada para la investigación. Bibliografía (1) P. E. Gray, D. DeWitt, J. F. Gibbons & A. R. Boothroyd. (1970). Electrónica física y modelos de circuitos de transistores Semiconductor Electronics Education Committee. Barcelona, España: Reverté. (2) C. A. Schuler. (2002). Electronics: Principles and Applications. 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