Los transistores basan su funcionamiento en las propiedades de los semiconductores. Para comprender verdaderamente el funcionamiento del transistor y poder analizar sus características sonoras en comparación con la de los tubos al vacío, es necesario estudiar la naturaleza de los semiconductores.

Un semiconductor es un material que se comporta como conductor bajo ciertas circunstancias y como aislante en otras condiciones. Los dos semiconductores más utilizados en transistores son el silicio y el germanio. Estos dos elementos tienen cuatro electrones en su último orbital (Figura 11.10).

Figura 11.10 Diagrama simplificado del silicio

Estos cuatro electrones le permiten al átomo formar enlaces con otros átomos circundantes, formando una estructura tetraédrica (Figura 11.11). Utilizaremos el silicio a modo de ejemplo.

Figura 11.11: Estructura tetraédrica del silicio

Cada átomo de silicio será el centro de un tetraedro, formando una estructura cristalina. Como cada electrón está formando un enlace, muy pocos logran escapar de la estructura para moverse libremente. Esto limita la capacidad del silicio puro para permitir el flujo de electrones a través de él, haciéndolo un conductor pobre.

Para aumentar la conductividad del silicio, se agregan impurezas a la estructura cristalina. Este proceso es conocido como doping, del cual existen dos tipos: tipo n y tipo p. En el doping tipo n, se agregan átomos con cinco electrones en su último orbital, por ejemplo de fósforo (Figura 11.12).

Figura 11.12: Doping tipo n

El fósforo es lo suficientemente parecido en su estructura al silicio, por lo que se integra dentro del cristal, pero uno de sus electrones queda libre. Los electrones libres de los átomos de fósforo se pueden mover con facilidad a través del silicio, aumentando su conductividad.

En el doping tipo p, se agregan átomos con tres electrones en su último orbital, por ejemplo de boro (Figura 11.13).

Figura 11.13: Doping tipo p

El boro logra enlazarse con tres átomos de silicio dentro de la estructura cristalina, pero deja un espacio vacío donde podría estar un cuarto electrón. El electrón libre del átomo de silicio con el que no se formó el cuarto enlace puede moverse con facilidad entre esos “huecos” dejados por el boro. Como resultado, la conductividad del silicio se ve aumentada. 

Al aplicar un voltaje a un semiconductor con dopaje p o n, los electrones podrán fluir a través de él. Por el momento, el semiconductor simplemente está actuando como un conductor, como puede ser el cobre. La utilidad de los semiconductores se manifiesta al combinar un semiconductor con doping p y otro con doping n.

Los transistores encontrados en los equipos electrónicos contienen ambos tipos de doping, intercalados como “pnp” o “npn”. El funcionamiento de ambos obedece al mismo principio, por lo que analizaremos únicamente el transistor npn (Figura 11.14).

Figura 11.14: Transistor npn

Cuando la capa n tiene contacto con la capa p, los electrones fluirán de la capa n a la p, para llenar sus espacios vacíos. La capa n pierde electrones, por lo que su carga se vuelve positiva; mientras que la capa p recibe electrones, por lo que su carga se vuelve negativa (Figura 11.15).

Figura 11.15: Formación de la capa de agotamiento

Los electrones seguirán fluyendo desde la capa n hasta la capa p hasta que la carga negativa de la capa p sea suficiente como para repeler a los electrones nuevos. En este punto, el flujo de electrones se detendrá. Como resultado, no toda la capa n habrá perdido electrones, ni toda la capa p habrá ganado electrones. La pequeña zona en la que sí se dio este intercambio de electrones, la cual ahora tiene una carga e impide que más electrones sean intercambiados entre las capas, es denominada capa de agotamiento (depletion layer) (Figura 11.16).

Figura 11.16: Capa de agotamiento de un transistor npn

En este estado, las capas de agotamiento no permiten que los electrones fluyan desde el emisor hasta el colector. Sin embargo, al aplicar un voltaje positivo a la base, los electrones del emisor serán atraídos a la capa p base, superando la repulsión causada por la primera capa de agotamiento. Luego, el colector (que es positivo respecto al emisor) atraerá a los electrones, permitiéndoles superar la segunda capa de agotamiento. Por lo tanto, la corriente podrá fluir a través del transistor. 

En este momento, el transistor funciona como un interruptor, pues deja fluir la corriente a través de él, si se aplica un voltaje positivo a la base. Para poder utilizar el transistor como amplificador, es necesario aplicar un voltaje bias, concepto que estudiaremos en la siguiente sección.