1.1: Introducción

1.1.1: Primero, un poco de historia

Así como a finales del siglo XVIII al XIX se les conoce como la era industrial debido al auge de la mecanización, el siglo XX puede denominarse el inicio de la era electrónica. La primera mitad del siglo estuvo dominada por tubos electrónicos de vacío que hicieron posibles dispositivos como radio, televisión, radar y teléfono de larga distancia. La tecnología del tubo de vacío fue desplazada a mediados de siglo por la introducción de semiconductores de estado sólido. El primer prototipo de transistor en funcionamiento fue inventado en Bell Labs en 1947 por John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley. Este dispositivo, propiamente denominado transistor de contacto puntual, fue rápidamente superado por el transistor de unión bipolar, un tema importante de este texto.

La producción comercial del transistor y dispositivos relacionados mejoró el rendimiento de las aplicaciones existentes e hizo posible una gama de nuevas aplicaciones. Los semiconductores demostraron ser más pequeños, livianos, más confiables y menos costosos de construir que sus homólogos de tubos de vacío. Los últimos 30 años más o menos del siglo vieron la rápida expansión del circuito integrado donde numerosos transistores se combinan en un solo dispositivo. Inicialmente tal dispositivo pudo haber contenido el equivalente a una docena de dispositivos semiconductores individuales, pero hoy ese número ha crecido a los miles de millones ¹. Esta densidad extrema ha dado lugar a aplicaciones ahora comunes como teléfonos celulares, dispositivos GPS, computadoras portátiles, tabletas y nuestra infraestructura de comunicaciones global.

El escritor científico, Arthur C. Clarke, observó una vez que “Cualquier tecnología suficientemente avanzada es indistinguible de la magia”. En efecto, aunque hoy en día el ciudadano típico que vive en un país industrializado hace uso de numerosos dispositivos electrónicos cada día (a veces sin siquiera darse cuenta de ello), suelen tener escasos conocimientos de cómo estos dispositivos “hacen su magia”. Obviamente no hay magia, sólo la aplicación de principios científicos mezclados con el ingenio humano. Además, así como es cierto que muchas más personas pueden usar un celular que diseñar uno, también es cierto que existe una mayor necesidad de personas que puedan diseñar, fabricar y mantener dispositivos basados en semiconductores que de personas que diseñen los mismos semiconductores. El alcance de este texto, entonces, se centra en la operación y aplicación de dispositivos semiconductores más que en el diseño de los propios semiconductores.

1.1.2: Convención de Nombramiento de Variables

Un elemento que a menudo confunde a los alumnos principiantes de casi cualquier materia es la nomenclatura. Antes de comenzar nuestra discusión sobre los dispositivos semiconductores, es importante que decidamos una convención de nomenclatura consistente. A lo largo de este texto estaremos examinando numerosos circuitos que contienen varios componentes pasivos y activos. Estaremos interesados en una variedad de parámetros y señales. Para mantener la confusión al mínimo utilizaremos las siguientes convenciones en nuestras ecuaciones para nombrar dispositivos y señales.

\(R\)	Resistencia (CC o componente de circuito real)
\(r\)	(Equivalente de CA, donde la fase es 0 o se ignora)
\(C\)	Capacitor
\(L\)	Inductor
\(Q\)	Transistor (bipolar o FET)
\(D\)	Diodo
\(V\)	Voltaje (CC)
\(v\)	Voltaje (CA)
\(I\)	Corriente (CC)
\(i\)	Corriente (CA)

Mesa\(\PageIndex{1}\)

Las resistencias, capacitores e inductores se diferencian a través de un subíndice que generalmente se refiere al dispositivo activo al que está conectado. Por ejemplo,\(R_E\) es una resistencia de polarización de CC conectada al emisor de un transistor mientras que\(r_C\) se refiere a la resistencia equivalente de CA vista en el colector de un transistor. \(C_E\)se refiere a un condensador conectado al cable emisor de un transistor. Tenga en cuenta que los subíndices relacionados con el dispositivo siempre se muestran en mayúsculas, con una excepción: Si la resistencia o capacitancia es parte del modelo del dispositivo, el subíndice se mostrará en minúsculas para distinguirlo de los componentes del circuito externo. Por ejemplo, se llamaría la resistencia dinámica de CA de un diodo\(r_d\). Si no hay dispositivos activos presentes o si existen varios elementos en el circuito, se utiliza un esquema de numeración simple, como\(R_1\). En circuitos muy complejos se le dará un nombre específico a componentes particularmente importantes, como en\(R_{source}\).

Los voltajes normalmente reciben un subíndice de dos letras que indica los nodos en los que se mide. \(V_{XY}\)es el potencial DC del nodo X al nodo Y mientras que\(v_{XY}\) indica la señal de CA que aparece a través del nodo X al nodo Y. Un subíndice de una sola letra\(V_X\), como en, indica un potencial relativo a tierra (en este caso del nodo X a tierra). Las excepciones a esta regla son las fuentes de alimentación, a las que se les da un subíndice de doble letra que indica el punto de conexión (\(V_{CC}\)es la fuente de alimentación del colector), y potenciales particularmente importantes que se denominan directamente, como en\(v_{in}\) (voltaje de entrada de CA) y\(V_{R2}\) (voltaje de CC que aparece a través de \(R_2\)). Si una ecuación para un potencial específico es válida tanto para los circuitos equivalentes de CA como de CC, se prefiere la forma en mayúscula (esto hace que las cosas sean más consistentes con los circuitos que están acoplados directamente y, por lo tanto, pueden amplificar las señales de CA y CC). Las corrientes se nombran de manera similar pero generalmente usan un solo subíndice que se refiere al nodo de medición (\(I_X\)es la corriente CC que fluye a través de un conductor dentro o fuera del nodo X). Todos los demás artículos se nombran directamente. Al usar este esquema, siempre podrá determinar si el ítem expresado en una ecuación es un equivalente de CC o CA, su ubicación aproximada del circuito y otros factores al respecto.

Referencias

¹ Cabe señalar que la construcción de un circuito integrado no implica la creación e interconexión de millones o miles de millones de transistores individuales discretos. En cambio, el proceso de fabricación construye todos los transistores simultáneamente, más bien como una torta de capas.