El Transistor
CONCEPTO
El Transistor es un dispositivo electrónico semiconductor
que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El
término "transistor" es la contracción en inglés de “transfer resistor”
(resistencia de transferencia). Actualmente se los encuentra prácticamente en
todos los enseres domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadores,
reproductores de audio y vídeo, hornos de microondas, lavadoras, automóviles,
equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras,
calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X,
tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, celulares, etc.
Sustituto
de la válvula termoiónica de tres electrodos o triodo, el transistor bipolar fue
inventado en los Laboratorios Bell de EEUU en diciembre de 1947 por John
Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron
galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956.
CLASIFICACIÓN
Los transistores se clasifican por:
•
Material semiconductor: germanio, el silicio, arseniuro de galio, el carburo de
silicio, etc.
•
Estructura: BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, "otros tipos".
•
Polaridad: NPN, PNP en los BJTs; N-canal, P-canal en los FETs.
•
Potencia máxima calificación: bajo, medio, alto.
•
Frecuencia máxima de funcionamiento: bajo, medio, alto, la frecuencia de radio
(RF), de microondas, etc.
•
Aplicación: cambiar, de propósito general, audio, de alta tensión, super-beta,
par.
•
Física embalaje: a través de agujeros de metal, a través de agujeros de
plástico, montaje en superficie, la bola de la red matriz, módulos de
potencia.
•
Factor de amplificación Hfe.
Así,
un transistor puede describirse como: silicio, de montaje superficial, BJT, NPN,
de baja potencia, el interruptor de alta frecuencia, de propósito general.
ESTRUCTURAS DE LOS TRANSISTORES
BJT
El
transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus
siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos
uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente
a través de sus terminales. Los transistores bipolares se usan generalmente en
electrónica analógica. También en algunas aplicaciones de electrónica digital
como la tecnología TTL (Del acrónimo en Inglés de Transistor-Transistor Logic o
"Lógica Transistor a Transistor") o BICMOS. Un transistor de unión bipolar está
formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una
región muy estrecha. De esta forma quedan formadas tres regiones:
-
Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal.
-
Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
-
Colector, de extensión mucho mayor.
La
técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su
funcionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras
que la base-colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor
atraviesan la base, que por ser muy angosta, hay poca recombinación de
portadores, y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de
operación: estado de corte, estado de saturación y estado de actividad.
JFET
El
JFET (Junction Field-Effect Transistor, en español transistor de efecto de campo
de unión) es un circuito que, según unos valores eléctricos de entrada,
reacciona dando unos valores de salida. En el caso de los JFET, al ser
transistores de efecto de campo eléctrico, estos valores de entrada son las
tensiones eléctricas, en concreto la tensión entre los terminales S (fuente) y G
(puerta), VGS. Según este valor, la salida del transistor presentará una curva
característica que se simplifica definiendo en ella tres zonas con ecuaciones
definidas: corte, óhmica y saturación.
Físicamente,
un JFET de los denominados canal n está formado por una pastilla de
semiconductor tipo P en cuyos extremos se sitúan dos patillas de salida
(drenador y fuente) flanqueada por dos regiones con dopaje de tipo N en las que
se conectan dos terminales conectados entre sí (puerta). Al aplicar una tensión
negativa (en inversa) VGS entre puerta y fuente, las zonas N crean a su
alrededor sendas zonas en las que el paso de electrones (corriente ID) queda
cortado, llamadas zonas de exclusión. Cuando esta VGS sobrepasa un valor
determinado, las zonas de exclusión se extienden hasta tal punto que el paso de
electrones ID entre fuente y drenador queda completamente cortado. A ese valor
de VGS se le denomina Vp. Para un JFET canal p las zonas p y n se invierten, y
las VGS y Vp son positivas, cortándose la corriente para tensiones mayores que
Vp.
Así,
según el valor de VGS se definen dos primeras zonas; una activa para tensiones
negativas mayores que Vp (puesto que Vp es también negativa) y una zona de corte
para tensiones menores que Vp. Los distintos valores de la ID en función de la
VGS vienen dados por una gráfica o ecuación denominada ecuación de
entrada.
En
la zona activa, al permitirse el paso de corriente, el transistor dará una
salida en el circuito que viene definida por la propia ID y la tensión entre el
drenador y la fuente VDS. A la gráfica o ecuación que relaciona estás dos
variables se le denomina ecuación de salida, y en ella es donde se distinguen
las dos zonas de funcionamiento de activa: óhmica y saturación.
IGFET
Transistor
de efecto de campo con electrodo de control aislado o "Insulated Gate FET"
(IGFET), se caracteriza por tener el gate aislado del canal por una capa de
oxido de silicio.
Actualmente
se fabrican entre otros, los siguientes dispositivos IGFET:
MOSFET o "MOS" ("Metal Oxide Semiconductor FET"),
cuyo nombre deriva de los tres materiales que aparecen al realizar un corte
vertical en su estructura, según puede observarse en la figura.
Hasta
hace poco los términos IGFET y MOS eran sinonimos.
SILICON GATE FET, difiere de MOS en
que el gate es de silicio policristalino, en lugar de ser metálico. Se consigue
así controlar la conductividad del canal a partir de tensiones de gate mas
bajas.
SOS("Silicon On Saphire FET"), en el cual el
canal semiconductor de silicio esta depositado sobre un sustrato aislante de
zafiro, en lugar de un sustrato semiconductor de silicio. De esta manera se
alcanzan velocidades de conmutación mas altas.
DMOS (MOS de Doble Difusión), que presenta un
canal de corta longitud para permitir muy altas velocidades de conmutación,
gracias al breve tiempo de transito de los portadores por el citado canal.
Una
segunda clasificación tiene en cuenta la conductancia del canal cuando al gate
no se le aplica ninguna tensión. Asi se tiene:
FET de Canal Normalmente Conductor o de
"vaciamiento" ("Depletion FET"), que permite en las condiciones mencionadas el
pasaje de corriente entre los extremos drain y source del canal, cuando entre
los mismos se aplica tensión. Los JFET solo admiten este tipo de funcionamiento,
que también puede darse en los IGFET. Se representa este FET por una línea llena
entre los terminales D y S que simboliza la continuidad citada.
FET de Canal Normalmente
Abierto, o no conductor, o de "enriquecimiento" (enhancement FET): en este FET
sin tensión en el gate no circula prácticamente corriente entre los terminales
drain y source al aplicárseles tensión. Se simboliza con una línea de trazos
entre drain y source. La manera de representarlos es la siguiente:
Por
último, por la naturaleza del canal conductor, los transistores de efecto de
campo pueden ser de dos tipos:
FET de Canal P: Los portadores
mayoritarios que circulan por el canal son lagunas.
FET de Canal N: Los portadores que
circulan por el canal son electrones.
Un
MOS de canal P o "PMOS" se indica con una flecha dirigida hacia el sustrato,
señalando que el mismo es de tipo N, aunque el canal será de tipo P. Del mismo
modo, un MOS tipo N o "NMOS" se indica con una flecha saliendo del
sustrato.
En
los circuitos digitales integrados se emplean los IGFET, que reúnen las
propiedades enunciadas. En conmutación se prefiere el FET de "enriquecimiento",
que conduce corriente solo cuando la tensión aplicada al gate supera cierto
nivel. Con referencia a la velocidad de conmutación, los NMOS son mas rápidos
que los PMOS, puesto que la movilidad de los electrones es mas que el doble de
la de las lagunas.
IGBT
El
transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar
Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como
interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia.
Este
dispositivo posee la características de las señales de puerta de los
transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y voltaje de
baja saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para
la entrada e 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.
Los
transistores IGBT han permitido desarrollos hasta entonces no viables en
particular 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,
Sistemas de Alimentación Ininterrumpida, etc.
El
IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 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
conmutacion de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de
electronica 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.
Este
es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de
control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas
de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la
puerta.
POLARIDAD DE LOS TRANSISTORES
NPN
NPN
es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N"
y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las
diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares
usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que
la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores
corrientes y velocidades de operación.
Los
transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la
"base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a
la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del
colector.
La
flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta
en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el
dispositivo está en funcionamiento activo.
PNP
El
otro tipo de transistor bipolar de juntura 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 que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en
funcionamiento activo.
TIPOS DE TRANSISTOR
Los
transistores mas comunes son:
-
Transistor de punta de contacto.
-
Transistor de unión bipolar
Pero
también existen otros como:
-
Transistor de Heterojunction bipolar.
-
Transistor de Aleación cruce.
-
Transistor Tetrode.
-
Transistor Pentode.
-
Transistor de Superficie barrera.
-
Transistor de Micro aleación.
-
Transistor de micro aleación difusa.
-
Transistor Drift-campo.
-
Transistores de unifunccion
MATERIALES DE FABRICACIÓN
Materiales semiconductores
Las
primeras BJTs fueron hechas de germanio (Ge) y algunos tipos de alta potencia
todavía están hechos con este material, otros tipos son de Silicio (Si), pero
actualmente predominan ciertos materiales avanzados de microondas de alto
rendimiento y las versiones ahora emplean el compuesto material semiconductor de
arseniuro de galio (GaAs) y la aleación de semiconductores de silicio y germanio
(SiGe). Siendo estos materiales elementales para fabricación de semiconductores
(Ge y Si).
Características de los materiales
semiconductores:
NOMENCLATURA
Todos
los semiconductores tienen serigrafiados números y letras que especifican y
describen de que tipo de dispositivo se trata. Existen varias nomenclaturas o
códigos que pretenden darnos esta preciada información. De todas destacan
tres:
-
PROELECTRON (Europea).
-
JEDEC (Joint Electronic Devices Engineering Council) (Estados Unidos).
-
JIS (Japanese Industrial Standards) (Japon).
PROELECTRON
Consta
de dos letras y tres cifras para los componentes utilizados en radio, televisión
y audio o de tres letras y dos números para dispositivos industriales. La
primera letra precisa el material del que está hecho el dispositivo y la segunda
letra el tipo de componente. El resto del código, números generalmente, indica
la aplicación general a la que se aplica. Para la identificación de estos
dispositivos se utiliza la tabla siguiente:
La
primera letra indica el material semiconductor utilizado en la construcción del
dispositivo.
A Germanio.
B Silicio.
C Arseniuro de Galio.
D Antimoniuro de Indio.
R Material de otro tipo.
La
segunda letra indica la construcción y utilización principal del
dispositivo.
A Diodo de señal (diodo detector, de
conmutación a alta velocidad, mezclador).
B Diodo de capacidad variable (varicap).
C Transistor, para aplicación en baja
frecuencia.
D Transistor de potencia, para aplicación en
baja frecuencia.
E Diodo túnel.
F Transistor para aplicación en alta
frecuencia.
L Transistor de potencia, para aplicación en
alta frecuencia.
P Dispositivo sensible a las
radiaciones.
R Dispositivo de conmutación o de control,
gobernado eléctricamente y teniendo un efecto de ruptura (tiristor).
S Transistor de aplicación en
conmutación.
T Dispositivo de potencia para conmutación o
control, gobernado eléctricamente y teniendo un efecto de ruptura
(tiristor).
U Transistor de potencia para aplicación en
conmutación.
X Diodo multiplicador (varactor).
Y Diodo de potencia (rectificador,
recuperador).
Z Diodo Zener o de regulación
de tensión.
La
serie numérica consta:
a) De tres cifras (entre 100 a 999) para
dispositivos proyectados principalmente en aparatos de aplicación doméstica
(radio, TV, registradores, amplificadores).
b) Una letra (X,Y,Z), seguida de dos cifras (de
10 a 99) para los dispositivos proyectados para usos principales en aplicaciones
industriales y profesionales.
Ejemplos:
BC107 Transistor de silicio de baja frecuencia,
adaptado principalmente para usos generales.
BSX
51 Transistor de silicio de
conmutación, adaptado principalmente para aparatos industriales.
En
algunos casos, para indicar variaciones de un tipo ya existente, la serie
numérica puede ir seguida de una letra:
BSX51A Transistor similar al BSX51, pero
especificado para una tensión más alta.
JEDEC
En
Estados Unidos se utiliza la nomenclatura de la JEDEC (Joint Electronic Devices
Engineering Council) regulado por la EIA (Electronic Industries Association),
fue creado en 1960 para trabajar junto con la EIA y NEMA, para proteger la
estandarización de dispositivos semiconductores y luego expandido en 1970 para
incluir circuitos integrados. Esta nomenclatura consta de un número, una letra y
un número de serie (este último sin significado técnico). El significado de los
números y letras es el siguiente:
1N
Diodo o rectificador 2N Transistor o tiristor 3N Transistor de Efecto de Campo
FET o MOSFET
JIS
Los
fabricantes japoneses utilizan el código regulado por la JIS (Japanese
Industrial Standards), que consta de un número, dos letras y número de serie
(este último sin ningún significado técnico). El número y letras tienen el
siguiente significado:
Numero
Primera Letra Segunda Letra.
0 Foto transistor S Semiconductor A Transistor
PNP de A.F.
1 Diodo, rectificador o varicap B Transistor
PNP de B.F.
2 Transistor, tiristor C Transistor NPN de
A.F.
3 Semiconductor con dos puertas D Transistor
NPN de B.F.
F Tiristor de puerta P
G Tiristor de puerta N
J FET de canal P
K FET de canal N
Ejemplo.- 2SG150: Tiristor de puerta
N
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