Clasificación de los Transistores

Clasificación de los transistores

 

Clasificaremos a continuación a los transistores según construcción y forma de funcionamiento:

 

Transistor de unión bipolar (BJT).

Transistor de efecto de campo (FET).

Transistor de inducción estática (SIT).

Transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT).

Transistores COOLMOS.

 

Transistores de unión bipolar (BJT): Existen dos tipos, PNP y NPN; se utilizan para amplificar señales analógicas, tratamiento de señales digitales y como conmutador de potencia eléctrica, en circuitos con componentes discretos e integrados.

 

Transistores de efecto de campo (FET): Fundamentalmente tenemos dos tipos, los FET de juntura (JFET) y los FET de metal-oxido-semiconductor (MOS o MOSFET).

 

Los transistores JFET pueden ser de canal “n” o de canal “p”; estos, se utilizan para amplificar señales de baja frecuencia y potencia (señales de audiofrecuencias).

 

Los transistores MOSFET a su vez se los clasifica en MOSFET de “empobrecimiento o deplexion”, MOSFET de “acumulación o enriquecimiento” y MESFET.

 

Los MOSFET de empobrecimiento o deplexion pueden ser de canal “n” o canal “p”; estos tienen aplicaciones limitadas en amplificadores de radiofrecuencias de alta frecuencias en etapas de entrada, por su bajo nivel de ruido.

 

Los MOSFET de enriquecimiento o acumulación, se utilizan ampliamente en los sistemas digitales de alta densidad de integración como las compuertas lógicas, memorias semiconductoras, microprocesadores, microcontroladores etc. También se disponen de MOSFET de enriquecimiento como conmutador de alta potencia eléctrica (ejemplo el VMOS).

 

Los MESFET, son transistores de efecto de campo construidos con material semiconductor de arseniuro de galio (AsGa). Son de canal “n” y se los utiliza por su rapidez de conmutación en circuitos de microondas, amplificadores de alta frecuencia y sistemas lógicos de alta velocidad.

 

Transistores de inducción estática (SIT): Son dispositivos de alta potencia y alta frecuencia. Son similares 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.

 

Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT): Se los utiliza fundamentalmente en circuitos de conmutación de potencia eléctrica por ejemplo en circuitos inversores de corriente continua a corriente alterna, y otras aplicaciones. Estos dispositivos, combinan las ventajas de los transistores BJT y MOSFET.

 

 

 

 

Transistores Bipolares BJT

 

 

Los transistores bipolares se construyen formando tres zonas semiconductoras tipo NPN o PNP, como muestra el dibujo. Estas regiones tienen terminales denominados colector, base y emisor. Tienen dos uniones o junturas: La juntura colector-base y la juntura base-emisor. Los transistores bipolares pueden ser de tipo NPN o de tipo PNP.

 

Tenemos dos regiones n+ para el emisor del transistor NPN y dos regiones p+ para el emisor del transistor PNP. Para el transistor NPN la capa n del lado del emisor es angosta y con fuerte dopado, la base es angosta con un dopado bastante menor que el emisor, y la capa n del lado del colector es ancha y con un dopado mayor que la base.

Para el caso de los transistores PNP, las características son similares, en relación al dopado y dimensiones. Cabe aclarar, que desde el punto de vista eléctrico los transistores no son simétricos, significando ello que no pueden intercambiarse los terminales. Por ejemplo si intercambiamos los terminales emisor por colector, el funcionamiento resulta deficiente, sin ganancia de corriente.

Con esta construcción, (doble zonas de emisor) las corrientes de base y colector fluyen por dos trayectorias paralelas resultando en una baja resistencia colector-emisor en saturación (RCE enc.).

 

Tenemos tres zonas de operación del transistor bipolar: zona de corte, zona activa y zona de saturación. En la zona de corte, el transistor está abierto o apagado, la corriente de base no es suficiente para saturarlo, y las dos junturas están polarizadas inversamente. En la región activa, el transistor actúa como un amplificador lineal, en el que la corriente de base se amplifica una ganancia determinada, y el voltaje colector-emisor disminuye al aumentar la corriente de base. En esta zona la tensión de la juntura colector-base, esta polarizada inversamente y la tensión de la juntura base colector esta polarizada directamente. En la zona de saturación, la corriente de base es suficientemente alta como para que el voltaje colector-emisor sea bajo, y el transistor actúa como un interruptor cerrado. En esta zona, amabas junturas están polarizadas directamente.

 

Voltajes de ruptura

 

Un voltaje de ruptura o un voltaje disruptivo se define como el voltaje absoluto máximo entre dos terminales, con la tercera Terminal abierta, en corto o polarizada en directa o en inversa. Un voltaje de ruptura permanece relativamente constante donde la corriente aumenta con rapidez. Los fabricantes suministran los siguientes voltajes de ruptura:

 

VEB0: El voltaje máximo entre la Terminal del emisor y la de la base con el Terminal de colector en circuito abierto.

VCEV o VCEX: El voltaje máximo entre el Terminal de colector y emisor para un voltaje negativo especificado, aplicado entre la base y el emisor.

VCEO (sus): El voltaje máximo de sostén entre el Terminal del colector y el Terminal del emisor, con la base en circuito abierto. Este valor se especifica con la corriente y el voltaje máximo de colector, que aparecen en forma simultánea a través del dispositivo y con un valor especificado de inductancia de carga.

 

 

DISPOSITIVOS BIPOLARES: Convencionales y HBT, Heterojunction Bipolar Transistor

 

Los transistores bipolares NPN y PNP son habitualmente usados en RF, pero es más problemática su extensión a las frecuencias de microondas, por las limitaciones que impone su estructura, sobre todo por sus altas capacidades que reducen la ganancia con la frecuencia.

 

 

 

Se ve claro que comparado con el emisor la base tiene mayores dimensiones físicas que la puerta en los FET comparada con el surtidor; y esto limitará su banda de trabajo.

 

Transistor bipolar de heterounión o HBT

 

La principal diferencia está en que, al contrario que en el transistor bipolar de homounión, en este caso el semiconductor no es único: es el caso de los HBT de InP o de SiGe, donde la heterounión está formada por InGaAs/InP o Si/SiGe en cada caso. El emisor se fabrica sobre un material con una Eg superior al de la base y la estructura de bandas de energía deja de ser paralela como en el transistor convencional.

 

 

 

De esta forma la barrera de energía que tienen que superar los electrones para ir del emisor a la base es inferior a la que tienen que superar los huecos para ir de la base al emisor.

Esta característica se puede utilizar para dopar la base mucho más que el emisor, lo cual no es posible hacerlo en transistores de homounión puesto que es incompatible con ganancias de corriente razonables. Este alto dopado permite reducir la resistencia de base y con ello aumentar la velocidad de funcionamiento del dispositivo.

Además de la heterounión, la mayor precisión en los procesos de difusión y atacado, además del escalado a dimensiones más pequeñas hace que estos transistores, tanto en InP como en SiGe, estén llegando a frecuencias de transición del orden de las centenas de GHz. A día de hoy los esfuerzos se están centrando en el SiGe puesto que permite aumentar hasta el orden de varios GHz las frecuencias de funcionamiento de los circuitos integrados comunes en tecnología de Silicio. Por el contrario el InP sigue siendo una tecnología cara y sofisticada.

 

Transistores MOSFET

 

Los transistores bipolares son dispositivos controlados por corriente, y requieren de una corriente de base para que pase corriente en el colector. En saturación, la corriente de colector es prácticamente independiente de la corriente de entrada (base), solo depende de la tensión de alimentación y la carga; de allí podemos decir que la ganancia de corriente depende de la temperatura de la juntura.

A diferencia del BJT, el MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje, y solo requiere de una pequeña corriente de entrada. La velocidad de conmutación es muy alta y los tiempos de conmutación son del orden de los nanosegundos.

Los MOSFET de potencia están encontrando aplicaciones en convertidores de baja potencia y alta frecuencia. Estos dispositivos no tienen los problemas de fenómenos de segunda avalancha, como los BJT. Sin embargo, tienen inconvenientes de descarga electrostática y requieren cuidados especiales en su manejo. Otro inconveniente que tienen es que resulta relativamente difícil protegerlos en condiciones de falla por cortocircuito.

Tenemos dos tipos de MOSFET: a) de tipo decremental y b) de tipo incremental.

 

 

Vemos que comparte el rango de frecuencias con los transistores bipolares, aunque con una ganancia netamente superior y una Figura de Ruido inferior.

 

 

El resultado es una estructura de tres electrodos, en el que la frecuencia máxima de funcionamiento viene fijada por la longitud mínima de la puerta G; hoy en día esta longitud

puede oscilar entre 0,3 y 0,6μm y esto corresponde a frecuencias entre 100 y 50GHz.

 

El resultado es una estructura de tres electrodos, en el que la frecuencia máxima de funcionamiento viene fijada por la longitud mínima de la puerta G; hoy en día esta longitud puede oscilar entre 0,3 y 0,6μm y esto corresponde a frecuencias entre 100 y 50GHz.

 

EL TRANSISTOR SIT

 

Un SIT es un dispositivo para alta potencia y alta frecuencia. En esencia es la versión del tubo tríodo al vacío, pero en estado sólido. La siguiente figura muestra un corte transversal de la estructura de silicio de un SIT:

 

 

 

 

 

 

Es un dispositivo de estructura vertical con multicanales cortos. De esta forma no esta sujeto a limitaciones de área, y es adecuado para funcionamiento de alta velocidad con alta potencia. Los electrodos de compuerta están enterrados dentro de capas, epitaxiales, n de drenaje y fuente. Un SIT es idéntico a un JFET, excepto por la construcción vertical y de compuerta enterrada que produce una menor resistencia de canal y causa menor caída de voltaje. Las curvas características típicas se observan en la figura:

 

Un SIT tiene longitud corta de canal, baja resistencia de compuerta en serie, baja capacitancia entre compuerta y fuente y pequeña resistencia térmica. Tiene bajo ruido, baja distorsión y capacidad de alta potencia en audiofrecuencia. Los tiempos de encendido y apagado son pequeños, típicamente 0,25 μseg.

La caída en estado activo, encendido, es alta en el caso normal de 90 volt para un dispositivo de 180 A, y de 18 volt para uno de 18 A. Un SIT, en el caso normal, es un dispositivo encendido, y con un voltaje negativo en compuerta lo mantiene apagado. La característica de normalmente cerrado (conduciendo) y la alta caída en estado activo limitan sus aplicaciones en conversiones generales de potencia.

El control de la corriente se realiza por medio de un potencial inducido electrostáticamente. Estos dispositivos pueden operar con potencias de 100 KVA a 100 KHZ o de 10 VA a 10 GHZ. La especificación de corriente de los SIT puede llegar hasta 1200 V, 300 A, y la velocidad de conmutación puede ser hasta 100 KHZ.

El SIT es más adecuado para aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia

(amplificadores de audio, VHF/UHF y microondas).

 

EL TRANSISTOR IGBT

 

En los transistores IGBT se combinan las ventajas de los BJT y de los MOSFET. Un IGBT tiene una alta impedancia de entrada, como los MOSFET y pocas perdidas por conducción en estado activo como los BJT. Sin embargo, no tiene el problema de segunda avalancha, como los BJT. Por el diseño y la estructura del microcircuito, se controla la resistencia equivalente de drenaje a fuente, RDS, para que se comporte como la de un BJT. Veamos el dibujo del corte transversal del IGBT:

 

 

Como se puede observar la estructura de silicio de un IGBT, es idéntica a la de un MOSFET, a excepción del substrato p+. Sin embargo, el rendimiento de un IGBT se parece mas al de un BJT que al de un MOSFET. Esto se debe al substrato p+, causante de la inyección de portadores minoritarios en la región n. En el dibujo también se muestra el circuito equivalente que se puede simplificar más mediante un BJT tipo NPN y un MOS de canal N. Un IGBT se construye con 4 capas alternas PNPN y puede tener retención como un tiristor cuando se cumple la condición (αnpn +αpnp) > 1. La capa de acoplamiento n+ y la ancha base epitaxial reducen la ganancia en el Terminal NPN por diseño interno, lográndose con ello evitar la retención. Los IGBT tienen dos estructuras:

 

a) De perforación (PT,punch through) y b) NPT ( non punch through). Para el caso “a” el tiempo de conmutación se reduce usando una capa de acoplamiento n muy dopada, en la región de corrimiento cerca del colector. Para los del tipo “b”, los portadores tienen una vida mayor que para los IGBT tipo PT, lo que causa modulación de conductividad de la región de corrimiento y reduce la caída de voltaje en estado de encendido.

Un IGBT es un dispositivo controlado por voltaje, parecido a un MOSFET de potencia. Como en un MOSFET, se hace positiva la compuerta respecto al emisor, los portadores “n” son atraídos al canal “p” cerca de la región de la compuerta, produciendo una polarización directa de la base del transistor “npn”, lográndose el encendido. Entonces, un IGBT se enciende con un voltaje positivo en la compuerta y se apaga cuando le eliminamos el voltaje positivo aplicado en la compuerta. Dado que la activación y desactivación se efectúa con una tensión eléctrica, el circuito de control asociado a la activación y desactivación, resulta sencillo.

Los IGBT tienen menores perdidas de conmutación y de conducción, y al mismo tiempo comparte muchas de las propiedades ventajosas de los MOSFET de potencia, como la facilidad de excitación de compuerta, corriente pico, buenas características tensión corriente y robustez. En forma inherente un IGBT es más rápido que un BJT pero resulta más lento que los MOSFET.

 

La figura anterior nos muestra el circuito básico de aplicación, las características tensión- corriente de salida y la característica de transferencia o sea corriente de colector versus voltaje de compuerta.

La especificación de corriente de un solo IGBT puede llegar hasta 1200 V, 400 A con una frecuencia de conmutación de hasta 20 KHZ. Los IGBT tienen aplicaciones crecientes en potencias intermedias, como por ejemplo propulsores de motores de CD y CA, fuentes de corrientes, relevadores de estado sólido, y contactores.

A medida que los limites superiores de las especificaciones de IGBT disponibles en el comercio aumentan (hasta 6500 V y 2400 A), están encontrando aplicaciones donde se usan los BJT y los MOSFET convencionales principalmente como interruptores llegando a sustituirlos.

OPERACIÓN SERIE Y PARALELO EN LOS TRANSISTORES

 

Con la misma necesidad de los diodos y tiristores, los transistores pueden conectarse en serie y paralelo.

 

Conexión serie

Cuando los transistores se conectan en serie, se deben encender y apagar simultáneamente. De no ser así, el dispositivo más lento en el encendido, y el más rápido en el apagado, pueden quedar sujetos al voltaje total del circuito de colector a emisor (o de drenaje a fuente), y ese dispositivo en particular, se puede destruir por alto voltaje. Los dispositivos deben estar apareados en “ganancia”, “transconductancia”,

“voltaje umbral”, “voltaje en estado activo”, “tiempo de encendido y tiempo de apagado”. Hasta las características de la excitación de la compuerta o de la base deben ser idénticas. De la misma forma que los diodos y tiristores, se pueden usar redes de tipo capacitivo y resistivo, para igualación del voltaje compartido.

 

Conexión paralelo

Los transistores se conectan en paralelo si un dispositivo no puede manejar la demanda de la corriente de la carga. Para compartir corrientes iguales, los transistores deben estar apareados en “ganancia”, “transconductancia”, “voltaje de saturación”, “tiempo de encendido y tiempo de apagado”. En la práctica, no siempre es posible cumplir con todos estos requisitos. Se pueden obtener una partición razonable de corriente (45 a 55% con dos transistores), conectando resistores en serie con los terminales de emisor (o fuente), como muestra la siguiente figura para dos transistores bipolares:

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.

 

 

La figura muestra el corte transversal del COOLMOS. En el dispositivo se ha aumentado el dopado de la capa conductora de corriente, sin alterar la capacidad de bloqueo. Un alto voltaje VBR de bloqueo del transistor requiere una capa epitaxial relativamente gruesa y poco dopado. Existe una ley que relaciona la resistencia drenaje – fuente con VBR.

 

RD(enc) = VBRKc

 

Donde Kc es una constante entre 2,4 y 2,6

Esta limitación se supera agregando columnas de tipo de dopado contrario, que se implementan en la región de corrimiento en tal forma que la integral de dopado a lo largo de una perpendicular al flujo de corriente permanece menor que la carga de ruptura especifica del material. En este concepto se requiere una compensación de la carga adicional en la región n, mediante regiones adyacentes con dopado p. Esas cargas crean un campo eléctrico lateral que no contribuye al perfil vertical del campo. En otras palabras, la concentración de dopado se integra a lo largo de una perpendicular a la interfase entre las regiones p y n.

 

Los portadores mayoritarios solo proporcionan la conductividad eléctrica. Como no hay contribución de corriente bipolar, las perdidas de conmutación son iguales a las de los

MOSFET convencionales. Se aumenta el dopado de la capa que sostiene el voltaje más o menos, en un orden de magnitud. Se insertan bandas verticales p adicionales en la estructura para compensar el exceso de carga n que contiene la corriente. El campo eléctrico en el interior de la estructura esta fijado por la carga neta de las dos columnas con dopados opuestos. De este modo se puede obtener una distribución casi horizontal del campo, si ambas regiones se compensan entre si en forma perfecta. La fabricación de pares adyacentes dopadas con p y con n con una carga neta prácticamente de cero requiere una manufactura de presición. Todo desequilibrio de cargas influye sobre el voltaje de bloqueo del dispositivo. Para mayores voltajes de bloqueo solo se tiene que aumentar la profundidad de las columnas sin necesidad de alterar el dopado. Esto conduce a una relación lineal entre el voltaje de bloqueo y la resistencia en estado activo

 

Por ejemplo la resistencia es de 70 m_ para un COOLMOS de 600 V, 70 A. El COOLMOS tiene una característica v-i lineal con un bajo voltaje umbral. Los dispositivos COOLMOS se pueden usar en aplicaciones hasta límites de potencia de 2 KVA, como suministros de corriente para estaciones de trabajo y servidor, fuentes ininterrumpibles de energía (UPS), convertidores de alto voltaje para sistemas de microondas, hornos de inducción y equipos de soldadura. Estos dispositivos pueden reemplazar a los MOSFET convencionales de potencia en todas sus aplicaciones en la mayor parte de los casos sin adaptación alguna del circuito. A frecuencias de conmutación mayores a 100 KHZ, los dispositivos COOLMOS ofrecen una mejor capacidad de manejo de corriente, como por ejemplo un área mínima requerida de microcircuito para determinada corriente. Tienen la ventaja de tener un diodo inverso intrínseco. Toda oscilación parasita que pudiera causar disparos negativos del voltaje entre drenaje y fuente se fija a un valor definido por el diodo.

About these ads
de perseverantesutpl

Deja un comentario

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s