LOS TRANSISTORES - ept

LOS TRANSISTORES:

Es dispositivo semiconductor activo que tiene tres o más electrodos. Los tres electrodos principales son emisor, colector y base. La conducción entre estos electrodos se realiza por medio de electrones y huecos. El germanio y el sicilio son los materiales más frecuentemente utilizados para la fabricación de los elementos semiconductores. Los transistores pueden efectuar prácticamente todas las funciones de los antiguos tubos electrónicos, incluyendo la ampliación y la rectificación, con muchísimas ventajas. 

EL TRANSISTOR BIPOLAR O BJT:

BJT, de transistor bipolar de unión (del ingles, Bipolar Junction Transistor).

El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio.

Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor.

El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el gráfico de transistor.

El transistor es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor), una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación.

•EMISOR: Que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga.

•BASE: La intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.

•COLECTOR: De extensión mucho mayor.

Tipos de Transistor de Unión Bipolar:

NPN

NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares.La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor .

Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base")es positivo, entre dos capas de material dopado N que es negativo . 

PNP

El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.

Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.

La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

APLICACIONES DE LOS TRANSISTORES:

Los transistores tienen multitud de aplicaciones, entre las que se encuentran:

·         *Amplificación de todo tipo (radio, televisión, instrumentación)

·         *Generación de señal (osciladores, generadores de ondas, emisión de radiofrecuencia)

·         *Conmutación, actuando de interruptores (control de relés, fuentes de alimentación conmutadas, control de lámparas, modulación por anchura de impulsos PWM)

·         *Detección de radiación luminosa (fototransistores)

·         *Los transistores de unión (uno de los tipos más básicos) tienen 3 terminales llamados Base, Colector y Emisor, que dependiendo del encapsulado que tenga el transistor pueden estar distribuidos de varias formas.

EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO:

FET: De efecto de campo de unión (FET), también llamado transistor unipolar, 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.

Se empezaron a construir en la década de los 60. Existen dos tipos de transistores de efecto de campo los JFET (transistor de efecto de campo de unión) y los MOSFET. Los transistores MOS respecto de los bipolares ocupan menos espacio por lo que su aplicación más frecuente la encontramos en los circuitos integrados.

Es un componente de tres terminales que se denominan: Puerta (G, Gate), Fuente (S, Source), y Drenaje (D, Drain). Según su construcción pueden ser de canal P o de canal N. Sus símbolos son los siguientes:

CURVA CARACTERÍSTICA:

Los parámetros que definen el funcionamiento de un FET se observan en la siguiente figura:

          Parámetros de FET de canal N                                  Parámetros de FET de canal P

La curva característica del FET define con precisión como funciona este dispositivo. En ella distinguimos tres regiones o zonas importantes:

*ZONA LINEAL.- El FET se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la tensión VGS.

*ZONA DE SATURACIÓN.- A diferencia de los transistores bipolares en esta zona, el FET, amplifica y se comporta como una fuente de corriente controlada por la tensión que existe entre Puerta (G) y Fuente o surtidor (S) , VGS.

*ZONA DE CORTE.- La intensidad de Drenador es nula.

CARACTERÍSTICAS DE SALIDA :

Al variar la tensión entre drenador y surtidor varia la intensidad de drenador permaneciendo constante la tensión entre puerta y surtidor.

*En la zona óhmica o lineal se observa como al aumentar la tensión drenador surtidor aumenta la intensidad de drenador.

*En la zona de saturación el aumento de la tensión entre drenador y surtidor produce una saturación de la corriente de drenador que hace que esta sea constante. Cuando este transistor trabaja como amplificador lo hace en esta zona.

*La zona de corte se caracteriza por tener una intensidad de drenador nula.

*La zona de ruptura indica la máxima tensión que soportará el transistor entre drenador y surtidor.

 Es de destacar que cuando la tensión entre puerta y surtidor es cero la intensidad de drenador es máxima.

CARACTERÍSTICAS DE TRANSFERENCIA

Indican la variación entre la intensidad de drenador en función de la tensión de puerta.

 TRANSISTOR DE INDUCCIÓN ESTÁTICA (SIT).

Componente electrónico de recién creación el cual es usado en diferentes aplicaciones, es de alta potencia y frecuencia. El mismo es muy similar a los JFET, excepto por su construcción vertical y su compuerta enterrada. Se los utiliza en amplificadores de potencia lineal en audio, DHF, UHF y microondas. No se los utiliza como conmutador por la alta caída de tensión en sus terminales.

DESCRIPCIÓN:

El Dispositivo más importante bajo desarrollo es el transistor de inducción estática (SIT. se muestra una sección transversal. El SIT es un dispositivo portador mayoritario (unipolar) en el que el flujo de electrones de la fuente al drenaje es controlado por un potencial de barrera en el semiconductor de dos dimensiones con forma de silla de montar entre las compuertas metálicas. Debido a que la corriente se incrementa exponencialmente conforme el potencial de barrera es disminuido, las características de la salida del SIT son usualmente no saturadas o de manera de tríodo, pareciéndose a un tríodo de tubo al vacío. Los electrones fluyen de la fuente al drenaje a través de un punto ensillado de potencial electrostático entre los electrodos de compuerta. El mismo cuenta con tres terminales la Puerta (G), Drenador (D) y Surtidor (S).

Fabricación

La fabricación del SIT requiere un grabado anisotrópico de pared recta de zanjas de 23 µm de profundidad usando una grabado reactivo de ion (RIE, por sus siglas en inglés) seguida por una deposición de Metalización de Shottky en la zanja del fondo sin cubrir la zanja lateral. Las dimensiones laterales entre las zanjas de compuerta oscilan en el orden de 0.5 a 1.5 µm. Los contactos de baja resistencia óhmica son establecidos a las regiones de la fuente en el techo de las uniones. El voltaje de compuerta cambia desde cero(arriba de la curva) a 18 V (debajo de la curva) en cambios de 2V.La escala Horizontal es de 20V / div. El máximo voltaje de drenaje es de 200 V.

CARACTERÍSTICAS

*Bajo nivel de ruido

*Baja distorsión

*Alta capacidad de potencia en audio frecuencia.

*Los tiempos de activación y desactivación son muy pequeños, típicamente 0,25us.

*La caída de tensión en estado activo es alta,tipicamente de 90volt para un dispositivo de 180A y de 18Volt para uno de 18A.

*Estos pueden llegar hasta 300A y 1200V.

*Velocidad de conmutación tan alta como 100kHz

*Baja resistencia en serie de compuerta

*Baja capacitancia compuerta fuente

Resistencia térmica pequeña

TRANSISTOR BIPOLAR DE COMPUERTA AISLADA(IGBT):

Es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Componente electrónico diseñado para controlar principalmente altas potencias, en su diseño está compuesto por un transistor bipolar de unión BJT y transistor de efecto de campo de metal oxido semiconductor MOSFET.

Durante mucho se tiempo se busco la forma de obtener un dispositivo que tuviera una alta impedancia de entrada y que fuera capaz de manejar altas potencias a altas velocidades. Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta entonces y se describirán más adelante.

El IGBT es un dispositivo semiconductor de cuatro capas que se alternan (PNPN) que son controlados por un metal-óxido-semiconductor (MOS), estructura de la puerta sin una acción regenerativa. Un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) celular se construye de manera similar a un MOSFET de canal n vertical de poder de la construcción, excepto la n se sustituye con un drenaje + p + capa de colector, formando una línea vertical del transistor de unión bipolar de PNP.

 

Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. En la figura II se observa la estructura interna de un IGBT, el mismo cuenta con tres pines Puerta (G), Emisor (E) y Colector (C).

FUNCIONAMIENTO:

Cuando se le es aplicado un voltaje VGE a la puerta , el IGBT enciende inmediatamente, la corriente de colector IC es conducida y el voltaje VCE se va desde el valor de bloqueo hasta cero. La corriente IC persiste para el tiempo de encendido en que la señal en la puerta es aplicada. Para encender el IGBT, el terminal C debe ser polarizado positivamente con respecto a la terminal E. La señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado a la puerta G.

Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15 volts, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de colector ID es igual a la corriente de carga IL (asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de voltaje en el G. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en la puerta es muy baja.

El IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal G. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 microsegundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.

EL IGBT requiere un valor límite VGE (TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VCE cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el G debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente IC se autolimita.

APLICACIONES:

El IGBT es un dispositivo electrónico que generalmente se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. Se usan en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en maquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: Automóvil, Tren, Metro, Autobús, Avión, Barco, Ascensor, Electrodoméstico, Televisión, Domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc.

CARACTERÍSTICAS:

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 100 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energía como fuente conmutada, control de la tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.

Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutación de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electrónica de potencia es intermedio entre los tiristores y los mosfet. Maneja más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.

TRANSITORES COOLMOS:

El COOLMOS, es una tecnología nueva de MOSFET de potencia para alto voltaje. Se implementa mediante una estructura de compensación en la región vertical de desplazamiento de un MOSFET, para mejorar la resistencia en estado activo. Para un mismo encapsulado, tiene menor resistencia en estado activo en comparación con la de otros MOSFET. Las perdidas de conducción son 5 veces menores, cuando menos en comparación con las de la tecnología MOSFET convencional. El COOLMOS es capaz de manejar de dos a tres veces mas potencia de salida que la de un MOSFET convencional en el mismo encapsulado. El área activa de microcircuito de un COOLMOS es unas 5 veces menor que la de un MOSFET normal.