GLOSARIO DE TRANSISTORES

Definición:

Transistor: Dispositivo semiconductor activo que tiene tres o más electrodos. Los tres electrodos principales son emisor, colector y base. La conducción se realiza por medio de electrones y huecos. El germanio y el silicio son los materiales más frecuentemente utilizados para elementos semiconductores. Los transistores pueden efectuar prácticamente todas las funciones de las válvulas electrónicas, incluyendo la amplificación y la rectificación. A continuación vamos a observar algunos tipos de transistores:

TRANSISTORES DE BARRERA SUPERFICIAL:

Transistor bidireccional: realiza la función de conmutación en ambos sentidos del flujo de señales, a través de un circuito. Ampliamente utilizado en los circuitos conmutación telefónica.

Transistor bipolar: transistor de punta en el que el emisor y el colector son electrodos de contacto de punta que hacen presión en los centros de las caras de un disco delgado de material semiconductor que sirve de base.

Transistor de aleación-difusión: es el combinado de las técnicas de aleación y difusión de un modo diferente a la de un transistor de difusión-aleación.

Transistor de almacenamiento de carga: es el que la unión base-colector se carga cuando se aplica polarización directa estando la base a nivel alto y el colector a nivel bajo.

Transistor de barrera de unión: construido por aleación de la base con el material terminal de un conductor.

Transistor de barrera intrínseca: transistor tríodo en el que las barreras superficiales están constituidas sobre los lados opuestos de una lámina de germanio tipo npor depresiones grabadas, y ulterior electromoldeo de los puntos de colector y emisor que funcionan como contactos rectificadores.

TRANSISTORES DE BASE DIFUSA:

Transistor de base difusa: transistor en el que es obtenida una región no uniforme de base por difusión gaseosa. La unión base-colector está también formada por difusión gaseosa, por lo tanto la unión base-emisor es una unión convencional de aleación.

Transistor de base metálica: consistente en una base constituida por una película metálica delgada interpuesta entre dos semiconductores tipo n, estando el semiconductor de emisor más dopado que la base a fin de conseguir una mayor relación entre la corriente de electrones y la corriente de huecos. La respuesta de frecuencia es mucho más elevada que la de los transistores convencionales.

Transistor de campo: transistor unipolar.

Transistor de campo interno: tiene dos uniones planas paralelas, con un apropiado gradiente de resistividad en la región base entre las uniones para mejorar las respuestas a elevadas frecuencias.

Transistor de capa de difusión: transistor de unión en las que las uniones finales están constituidas por difusión de impurezas cerca de una unión de crecimiento.

Transistor de cuatro capas: tiene cuatro regiones conductores pero solo tres terminales. Un ejemplo de este tipo es el tiristor.

Transistor de difusión: transistor en el que el flujo de corrientes es resultado de la difusión de portadores donadores o aceptadores, como en un transistor de unión.

Transistor de difusión microaleado: transistor en el que el cuerpo semiconductor es previamente sometido a difusión gaseosa a fin de producir una región de base no uniforme.

Transistor de doble difusión: está formado de dos uniones en la pastilla de semiconductor, por difusión gaseosa de ambos de impurezas p y n. Puede también formarse una región intrínseca.

Transistor de doble emisor: transistor epitaxial planal pasivado p-n-p de silicio que tiene dos emisores para su utilización en interruptores de bajo nivel.

Transistor de doble superficie: transistor de puntas en los que buscadores de emisor y colector están en contacto con los lados opuestos de la base.

Transistor de efecto de campo: transistor en el que la resistencia al paso de la corriente desde el electrodo fuente al electrodo drenador se modula por aplicación de un campo eléctrico transversal entre los electrodos de graduador o puerta. El campo eléctrico modifica la densidad de la capa empobrecida entre las puertas, reduciendo por tanto la conductancia.

TRANSISTORES DE MODULACIÓN DE CONDUCTIVIDAD:

-Transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor: transistor de efecto de campo que tiene una puerta aislada del sustrato semiconductor por una capa delgada de óxido de sicilio. Cuando en el modo de empobrecimiento, una tensión negativa de puerta reduce los portadores de carga normalmente presentes en el canal conductor con polarización nula de puerta. Cuando funciona en el sentido de enriquecimiento, la puerta se polariza en sentido directo para incrementar la carga del canal y aumentar la conductancia de este. Se pueden obtener ambos tipos de funcionamientos de un sustrato de tipo n o de tipo p, respectivamente.

Transistor de efecto de campo multicanal: es en el que se aplica tensiones adecuadas a la puerta de entrada para controlar el espacio entre los canales de flujo de corriente. La utilización de más de un canal permite el empleo de corrientes más intensas sin reducir la respuesta de frecuencia lo que normalmente ocurre cuando se aumenta el tamaño de un dispositivo de canal único para acomodarlo a mayor intensidad.

Transistor de emisor y conductor difusos: es el que tanto el emisor como el colector han sido constituidos por difusión.

Transistor de difusión: transistor de unión, obtenido por enfriamiento brusco después de la función de una determinada región.

Transistor de gancho: tiene cuatro capas alternadas tipo p y n, con una capa flotante entre la base y el colector. Esta disposición da lugar a altas ganancias de la corriente de entrada de emisor.

TRANSISTORES DE MULTIEMISOR:

Transistor de multiemisor: tiene uno o más emisores adicionales. Utilizado principalmente en los circuitos lógicos.

Transistor de película delgada: Transistor de efecto de campo construido enteramente mediante técnicas de películas delgadas para su utilización en circuitos de esta naturaleza. Un electrodo de puerta, de metal delgado, está separado por una película delgada semiconductor que por lo general está constituida por sulfuro de cadmio la corriente circula a lo largo de un canal por  la capa del semiconductor. Entre dos electrodos denominados  fuente y drenador. La intensidad de corriente se consigue mediante la tensión aplicada a la puerta aislada.

Transistor de potencia: transistor de unión que puede trabajar con corrientes y potencias elevadas. Se usa principalmente en circuitos de audio y conmutación.

Transistor de precisión de aleación de silicio: Es en el cual las técnicas de aleación y grabado se combinan para producir una elevada frecuencia de respuesta y un estrecho control de los parámetros de transistor, tal como se requiere para aplicaciones de conmutación de bajo nivel y elevada resolución.

Transistor de puerta de control: Es en el que un electrodo de puerta cubre las uniones del emisor y el colector, permitiendo la aplicación de un campo electrónico a la superficie de la región de la base.

Transistor de puntas: tiene un electrodo base y dos o más puntos de contacto poco separadas entre si, sobre la superficie del germanio tipo n. La presión de los contactos crea una pequeña zona de material tipo p bajo cada contacto produciendo las uniones necesarias para un transistor.

Transistor de punta y de unión: tiene un electrodo base y una punta de contacto además de electrodos de unión.

Transistor de fusión: transistor de unión en que esta se obtiene por fusión de un semiconductor dopado en forma apropiada, permitiendo su solidificación ulterior repetidamente.

Transistor de superficie pasivada: transistor cuya superficie semiconductoras han sido protegidas contra el agua, los iones y otras condiciones ambientales por pasivación, en la cual un compuesto protector está químicamente unido a la superficie del cristal semiconductor.

TRANSISTORES DE UNIÓN ELECTROQUÍMICA:

Transistor de unión: construido de un transistor de unión de aleación que se fabrica colocando gránulos de una impureza tipo p, tal como el indio, encima y debajo de una lámina  de germanio tipo  n, y luego calentando la lámina hasta que la impureza se alee con el germanio dando lugar a un transistor de tipo p-n-p.

Transistor de unión difusa: es en el que los electrodos del emisor y del colector han sido obtenidos por difusión de una impureza metálica en el cuerpo del semiconductor sin calentamiento.

Transistor de tres uniones: tiene tres uniones y cuatro regiones de conductividad alternadas. La conexión del emisor puede tener lugar en la región p a la izquierda la conexión de la base en la región adyacente n.

Transistor de unión electroquímica: construido por ataques de las dos caras opuesto a una placa de germanio tipo n por chorros de una solución salina tal como cloruro de indio, la placa , primeramente positiva con respecto a los de proyección, pasa entonces a ser negativa con relación al deposito de indio sobre los caracteres formados.

TRANSISTORES DE UNIÓN GRADUAL:

Transistor de unión gradual: transistor por crecimiento variable.

Transistor de unión intrínseca: de cuatro capas una de las cuales está formada por semiconductores de tipo i y situada entre la base y el colector, como los transistores       p-n-i-p, n-p-i-n, p-n-i-n y n-p-i-p.

Transistor de zona desierta: transistor de capa agotada.

Transistor del tipo de empobrecimiento: transistor metal-óxido de efecto de campo en el que los portadores de carga existentes presentan una polarización de entrada nula, si bien estas cargas son neutralizadas por la aplicación de una polaridad inversa.

Transistor del tipo de enriquecimiento: transistor MOS de efecto de campo en el que la puerta está polarizada en sentido directo y cubre todo el canal a fin de enriquecer su carga e incrementa su conductancia.

Transistor doblemente dopado: transistor de unión por crecimiento, formado por adición sucesiva de impurezas tipo p y tipo n o la fusión durante el crecimiento del cristal.

Transistor epitaxial de unión difusa: transistor de unión obtenido por crecimiento por una capa delgada de elevada pureza de un material semiconductor fuertemente dopada del mismo tipo.

Transistor epitaxial mesa difuso: en el que la capa epitaxial delgada de elevada resistividad está depositada sobre el sustrato, sirviendo como colector.

Transistor filiforme: transistor de modulación de conductividad cuya longitud es mucho mayor que sus dimensiones transversales.

Transistor mesa: obtenido sometiendo una lámina o pastilla de germanio o sicilio a ataque químico de modo que las regiones correspondientes a la base y al emisor aparezcan escalonadamente como mesetas por encima de la región de colector.

Transistor MOS de efecto de campo: Transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor.

TRANSISTORES N-P-N:

Transistor n-p-n: Transistor de unión que tiene una base tipo p entre un emisor tipo n y un colector tipo n. El emisor debe entonces ser negativo con respecto a la base , y el colector positivo.

Transistor n-p-i-n: Transistor de unión intrínseca en el que la región intrínseca está interpuesta entre la base tipo p y las capas tipo n del colector.

Transistor n-p-i-p: Transistor de unión intrínseca en el que la región intrínseca está entre regiones p.

TRANSISTORES N-P-N-P:

Transistor n-p-n-p: Transistor de unión n-p-n que tiene además una capa de transición o flotante entre los regiones p y n, en la que no se establece conexión óhmica. Denominado también transistor p-n-p-n.

Transistor pasivado: Protegido contra fallos prematuros por pasivación.

Transistor pentodo de efecto de campo: tiene cinco terminales que tiene tres puertas. Puede trabajar como pentodo, si se polarizan independientemente cada una de las puertas.

Transistor planar de silicio: Fabricado por la técnica planar, que implica una serie de ataques químicos y difusiones, y que producen un transistor de silicio con una capa de óxido.

Transistor planar de unión: parecido al de unión difusa, pero en el cual se consigue una penetración localizada de las impurezas recubriendo algunas partes de la superficie del cristal con un compuesto de óxido tal como dióxido de silicio. Este proceso se llama pasivación de superficie.

Transistor p-n-i-n: transistor de unión intrínseca en el que la región intrínseca está situada entre regiones n.

Transistor p-n-i-p: Transistor de unión intrínseca en la cual la región intrínseca está entre la base tipo n y el colector tipo p.

Transistor por crecimiento variable: de unión en la cual las impurezas (tales el galio y el antimonio) se disuelven a la vez, y la temperatura asciende y desciende repentinamente para producir capas alternas de tipo p y n. Se llama también transistor de unión gradual.

Transistor simétrico: de unión en lo que los electrodos emisor y colector son idénticos y sus terminales intercambiables.

Transistor tetrodo: transistor de cuatro electrodos, tal como un transistor tetrodo de puntas o un transistor de unión de doble base.

Transistor tetrodo de efecto de campo: con cuatro conductores con dos puertas que permiten el funcionamiento del tetrodo si se utiliza polarización separada para cada puerta.

Transistor tetrodo de puntas: transistor de puntas con un colector y dos emisores.

Transistor tetrodo de unión: transistor de unión de doble base.

Transistor unipolar: transistor que utiliza portadores de carga de una sola polaridad, tal como ocurre en un transistor de efecto de campo.

Transistor uniunión: barra de semiconductor tipo n con una región de aleación tipo p en un lado. Las conexiones se establecen en los contactos de las bases situados en ambos extremos de la barra y en la región p. El transistor tiene una característica análoga a la de un tiratrón entre el terminal de la región p y el terminal de la base negativa.

TRANSISTOR COMPLEMENTARIOS:

Transistor complementario: dos transistores d opuesta conductividad (p-n-p y n-p-n) incorporados en la misma unidad funcional.

TRANSISTORES EN CASCADA.

Transistor de cascada: dos transistores montados en una misma cápsula y conectados en serie.

Transistor en conexión compuesta: disposición de dos transistores en la que la base de uno se conecta al emisor del otro y los dos colectores se conectan entre sí. La combinación debe ser considerada como un transistor simple que posee un elevado factor de amplificación de corriente.

TRANSISTORES

TRANSISTOR BJT

Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, así como el esquema de identificación de los terminales. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que esta potencia disminuye a medida que crece el valor de la temperatura, siendo a veces necesario la instalación de un radiador o aleta refrigeradora. Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos.Una forma de identificar un transistor NPN o PNP es mediante un polímetro: Este dispone de dos orificios para insertar el transistor, uno para un NPN y otro para el PNP. Para obtener la medida de la ganancia es necesario insertarlo en su orificio apropiado, con lo que queda determinado si es un NPN o un PNP.

Zonas de funcionamiento del transistor bipolar:

1. ACTIVA DIRECTA: El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comporta como una fuente de corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia de corriente).Este parámetro lo suele proporcionar el fabricante dándonos un máximo y un mínimo para una corriente de colector dada (Ic); además de esto, suele presentar una variación acusada con la temperatura y con la corriente de colector, por lo que en principio no podemos conocer su valor. Algunos polímetros son capaces de medir este parámetro pero esta medida hay que tomarla solamente como una indicación, ya que el polímetro mide este parámetro para un valor de corriente de colector distinta a la que circulará por el BJT una vez en el circuito.2. SATURACIÓN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerar como un cortocircuito entre el colector y el emisor.3. CORTE: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y podemos considerar las corrientes que lo atraviesan prácticamente nulas (y en especial Ic).3. ACTIVA INVERSA: Esta zona se puede considerar como carente de interés.

El transistor PNP es complemento del NPN de forma que todos los voltajes y corrientes son opuestos a los del transistor NPN.

Para encontrar el circuito PNP complementario:

1.     Se sustituye el transistor NPN por un PNP.

2.     Se invierten todos los voltajes y corrientes.   

TRANSISTOR FET (JFET)

Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, así como el esquema de identificación de los terminales. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que esta potencia decrece a medida que aumenta el valor de la temperatura, siendo a veces necesario la instalación de un radiador o aleta refrigeradora. Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos.

Zonas de funcionamiento del transistor de efecto de campo (FET):

1. ZONA ÓHMICA o LINEAL: En esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor de VGS.Un parámetro que aporta el fabricante es la resistencia que

presenta el dispositivo para VDS=0 (rds on), y distintos valores de VGS.2. ZONA DE SATURACIÓN: En esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por VGS

3. ZONA DE CORTE: La intensidad de drenador es nula (ID=0).

 

 

  A diferencia del transistor BJT, los terminales drenador y surtidor del FET pueden intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la característica V-I (se trata de un dispositivo simétrico).

La operación de un FET de CANAL P es complementaria a la de un FET de CANAL N, lo que significa que todos los voltajes y corrientes son de sentido contrario.

Entre las principales aplicaciones de este dispositivo podemos destacar:

APLICACIÓN PRINCIPAL VENTAJA USOSAislador o separador (buffer)

Impedancia de entrada alta y de salida baja

Uso general, equipo de medida, receptores

Amplificador de RF Bajo ruidoSintonizadores de FM, equipo para comunicaciones

MezcladorBaja distorsión de intermodulación

Receptores de FM y TV, equipos para comunicaciones

Amplificador con CAGFacilidad para controlar ganancia

Receptores, generadores de señales

Amplificador cascodo Baja capacidad de entradaInstrumentos de medición, equipos de prueba

Troceador Ausencia de derivaAmplificadores de cc, sistemas de control de dirección

Resistor variable por voltaje

Se controla por voltajeAmplificadores operacionales, órganos electrónicos, controlas de tono

Amplificador de baja frecuencia

Capacidad pequeña de acoplamiento

Audífonos para sordera, transductores inductivos

OsciladorMínima variación de frecuencia

Generadores de frecuencia patrón, receptores

Circuito MOS digital Pequeño tamañoIntegración en gran escala, computadores, memorias

AMPLIFICACIÓN: CONSIDERACIONES GENERALES

La necesidad de amplificar las señales es casi una necesidad constante en la mayoría de los sistemas electrónicos. En este proceso, los transistores desarrollan un papel fundamental, pues bajo ciertas condiciones, pueden entregar a una determinada carga una potencia de señal mayor que la que absorben.El análisis de un amplificador mediante su asimilación a un cuadripolo (red de dos puertas), resulta interesante ya que permite caracterizarlo mediante una serie de parámetros relativamente simples que nos proporcionan información sobre su comportamiento.

 

 

De esta forma podemos definir los siguientes parámetros:

1. Ganancia de tensión (normalmente en decibelios): Av = Vo / Vi

2. Impedancia de entrada (ohmios): Zi = Vi / Ii3. Impedancia de salida (ohmios): Zo = Vo / Io (para Vg = 0)

4. Ganancia de corriente (normalmente en decibelios): Ai = Io / Ii5. Ganancia de potencia (normalmente en decibelios): Ap = Po / Pi

Un amplificador será tanto mejor cuanto mayor sea su ganancia de tensión y menor sea su impedancia de entrada y salida.

En cuanto a la frecuencia, los amplificadores dependen de esta, de forma que lo que es válido para un margen de frecuencias no tiene porqué serlo necesariamente para otro. De todas formas, en todo amplificador existe un margen de frecuencias en el que la ganancia permanece prácticamente constante (banda de paso del amplificador).El margen dinámico de un amplificador es la mayor variación simétrica de la señal que es capaz de presentar sin distorsión a la salida; normalmente expresado en voltios de pico (Vp) o voltios pico-pico (Vpp).

Transistores de Efecto de Campo

Los transistores más conocidos son los llamados bipolares (NPN y PNP), llamados así porque la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante baja. 

Existen unos dispositivos que eliminan este inconveniente en particular y que pertenece a la familia de dispositivos en los que existe un solo tipo de portador de cargas, y por tanto, son unipolares. Se llama transistor de efecto campo.

Un transistor de efecto campo (FET) típico está formado por una barrita de material p ó n, llamada canal, rodeada en parte de su longitud por un collar del otro tipo de material que forma con el canal una unión p-n.

En los extremos del canal se hacen sendas conexiones óhmicas llamadas respectivamente sumidero (d-drain) y fuente (s-source), más una conexión llamada puerta (g-gate) en el collar.

 La figura muestra  el croquis de un FET con canal N

 

 Símbolos gráficos para un FET de canal N

 

Símbolos gráficos para un FET de canal N

Disposición de las polarizaciones para un FET de canal N.

La Figura muestra un esquema que ayudará a comprender el funcionamiento de un FET. En este caso se ha supuesto que el canal es de material de tipo N.

La puerta está polarizada negativamente respecto a la fuente, por lo que la unión P-N entre ellas se encuentra polarizada inversamente y existe (se crea) una capa desierta.

Si el material de la puerta está más dopado que el del canal, la mayor parte de la capa estará formada por el canal. Si al tensión de la puerta es cero, y Vds = 0, las capas desiertas profundizan poco en el canal y son uniformes a todo lo largo de la unión.

Si Vds se hace positiva ( y Vgs sigue siendo cero) por el canal circulará una corriente entre sumidero y fuente, que hará que la polarización inversa de la unión no sea uniforme en toda su longitud y, en consecuencia, en la parte más próxima al sumidero, que es la más polarizada, la capa desierta penetrará más hacia el interior del canal.

Para valores pequeños de Vds, la corriente de sumidero es una función casi lineal de la tensión, ya que la penetración de la capa desierta hacia el interior del canal no varía substancialmente de su valor inicial. Sin embargo, a medida que aumenta la tensión aumenta también la polarización inversa, la capa desierta profundiza en el canal y la conductancia de éste disminuye. El ritmo de incremento de corriente resulta, en consecuencia, menor y llega un momento en que el canal se ha hecho tan estrecho en las proximidades del sumidero que un incremento de Vds apenas tiene efecto sobre la corriente de sumidero. Entonces se dice que el transistor está trabajando en la zona de estricción (pinch-off), nombre cuyo origen se evidencia en la figura anterior, llamándose tensión de estricción Vp a la del punto de transición entre el comportamiento casi lineal y el casi saturado.

Si a la puerta se le aplica una polarización negativa estacionaria, la capa desierta penetra más en el interior que con la polarización nula; por tanto, para pasar a la zona de estricción se necesita menos tensión de sumidero. El aumentar la polarización negativa permite tener la transición a la zona de estricción a corrientes de sumidero aún inferiores.

El funcionamiento del FET se basa en la capacidad de control de la conductancia del canal por parte de la tensión de puerta y, como la unión puerta-canal se encuentra siempre polarizada inversamente, el FET es por esencia un elemento de alta impedancia de entrada.

PARAMETROS DEL FET La corriente de sumidero Id es función tanto de la tensión de sumidero Vds como de la puerta Vgs. Como la unión está polarizada inversamente, suponemos que la corriente de puerta es nula, con lo que podemos escribir: Ig = 0   e      Id = ƒ(Vds, Vgs) En la zona de estricción (saturación) en que las características son casi rectas (en el gráfico, son horizontales, pero en realidad tienen una pendiente positiva) podemos escribir la respuesta del transistor para pequeños incrementos de Vds y Vgs en esta forma

El parámetro rd se llama resistencia diferencial del sumidero del FET, y es la inversa de la pendiente de la curva. Que como en el gráfico, dicha pendiente es cero (en la realidad, como he dicho antes existe algo de pendiente), entonces la rd es infinita (muy grande).

El parámetro gm se le denomina conductancia mutua o transconductancia, y es igual a la separación vertical entre las características que corresponden a diferencias de valor de Vgs de 1 voltio.

Transistores de potencia

El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los transistores normales, teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar.

Existen tres tipos de transistores de potencia:

bipolar. unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo). IGBT.

Parámetros MOS BipolarImpedancia de entrada Alta (1010 ohmios) Media (104 ohmios)Ganancia en corriente Alta (107) Media (10-100)Resistencia ON (saturación) Media / alta BajaResistencia OFF (corte) Alta AltaVoltaje aplicable Alto (1000 V) Alto (1200 V)Máxima temperatura de operación

Alta (200ºC) Media (150ºC)

Frecuencia de trabajo Alta (100-500 Khz) Baja (10-80 Khz)Coste Alto Medio

El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, más la capacidad de carga en corriente de los transistores bipolares:

Trabaja con tensión. Tiempos de conmutación bajos. Disipación mucho mayor (como los bipolares).

Nos interesa que el transistor se parezca, lo más posible, a un elemento ideal:

Pequeñas fugas. Alta potencia. Bajos tiempos de respuesta (ton , toff), para conseguir una alta frecuencia de

funcionamiento. Alta concentración de intensidad por unidad de superficie del semiconductor. Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado ( VCE máxima elevada). Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt ).

Una limitación importante de todos los dispositivos de potencia y concretamente de los transistores bipolares, es que el paso de bloqueo a conducción y viceversa no se hace instantáneamente, sino que siempre hay un retardo (ton , toff). Las causas fundamentales de estos retardos son las capacidades asociadas a las uniones colector - base y base - emisor y los tiempos de difusión y recombinación de los portadores.

Principios básicos de funcionamiento

La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuación sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicación de una tensión entre puerta y fuente. Esta diferencia vienen determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son substancialmente distintas.

Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o puerta) es siempre más pequeña que la potencia manejada en los otros dos terminales.

En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:

En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC. En un FET, la tensión VGS controla la corriente ID. En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse otra bastante mayor.

Tiempos de conmutación

Cuando el transistor está en saturación o en corte las pérdidas son despreciables. Pero si tenemos en cuenta los efectos de retardo de conmutación, al cambiar de un estado a otro se produce un pico de potencia disipada, ya que en esos instantes el producto IC x VCE va a tener un valor apreciable, por lo que la potencia media de pérdidas en el transistor va a ser mayor. Estas pérdidas aumentan con la frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo hace el número de veces que se produce el paso de un estado a otro.

Podremos distinguir entre tiempo de excitación o encendido (ton) y tiempo de apagado (toff). A su vez, cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros dos.

Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que transcurre desde el instante en que se aplica la señal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la señal de salida alcanza el 10% de su valor final.

Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de su valor final.

Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que transcurre desde que se quita la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor final.

Tiempo de caída (Fall time, tf): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor final.

Por tanto, se pueden definir las siguientes relaciones :

Es de hacer notar el hecho de que el tiempo de apagado (toff) será siempre mayor que el tiempo de encendido (ton).

Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff) limitan la frecuencia máxima a la cual puede conmutar el transistor:

Otros parámetros importantes

Corriente media: es el valor medio de la corriente que puede circular por un terminal (ej. ICAV, corriente media por el colector).

Corriente máxima: es la máxima corriente admisible de colector (ICM) o de drenador (IDM). Con este valor se determina la máxima disipación de potencia del dispositivo.

VCBO: tensión entre los terminales colector y base cuando el emisor está en circuito abierto. VEBO: tensión entre los terminales emisor y base con el colector en circuito abierto.

Tensión máxima: es la máxima tensión aplicable entre dos terminales del dispositivo (colector y emisor con la base abierta en los bipolares, drenador y fuente en los FET).

Estado de saturación: queda determinado por una caída de tensión prácticamente constante. VCEsat entre colector y emisor en el bipolar y resistencia de conducción RDSon en el FET. Este valor, junto con el de corriente máxima, determina la potencia máxima de disipación en saturación.

Relación corriente de salida - control de entrada: hFE para el transistor bipolar (ganancia estática de corriente) y gds para el FET (transconductancia en directa).

Modos de trabajo

Existen cuatro condiciones de polarización posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarización en cada una de las uniones del transistor pueden ser :

Región activa directa: Corresponde a una polarización directa de la unión emisor - base y a una polarización inversa de la unión colector - base. Esta es la región de operación normal del transistor para amplificación.

Región activa inversa: Corresponde a una polarización inversa de la unión emisor - base y a una polarización directa de la unión colector - base. Esta región es usada raramente.

Región de corte: Corresponde a una polarización inversa de ambas uniones. La operación en ésta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto (IC 0).

Región de saturación: Corresponde a una polarización directa de ambas uniones. La operación en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo encendido, pues el transistor actúa como un interruptor cerrado (VCE 0).

Avalancha secundaria. Curvas SOA.

Si se sobrepasa la máxima tensión permitida entre colector y base con el emisor abierto (VCBO), o la tensión máxima permitida entre colector y emisor con la base abierta (VCEO), la unión colector - base polarizada en inverso entra en un proceso de ruptura similar al de cualquier diodo, denominado avalancha primaria.

Sin embargo, puede darse un caso de avalancha cuando estemos trabajando con tensiones por debajo de los límites anteriores debido a la aparición de puntos calientes (focalización de la intensidad de base), que se produce cuando tenemos polarizada la unión base - emisor en directo. En efecto, con dicha polarización se crea un campo magnético transversal en la zona de base que reduce el paso de portadores minoritarios a una pequeña zona del dispositivo (anillo circular).La densidad de potencia que se concentra en dicha zona es proporcional al grado de polarización de la base, a la corriente de colector y a la VCE, y alcanzando cierto valor, se produce en los puntos calientes un fenómeno degenerativo con el consiguiente aumento de las pérdidas y de la temperatura. A este fenómeno, con efectos catastróficos en la mayor parte de los casos, se le conoce con el nombre de avalancha secundaria (o también segunda ruptura).

El efecto que produce la avalancha secundaria sobre las curvas de salida del transistor es producir unos codos bruscos que desvían la curva de la situación prevista (ver gráfica anterior).

El transistor puede funcionar por encima de la zona límite de la avalancha secundaria durante cortos intervalos de tiempo sin que se destruya. Para ello el fabricante suministra unas curvas límites en la zona activa con los tiempos límites de trabajo, conocidas como curvas FBSOA.

Podemos ver como existe una curva para corriente continua y una serie de curvas para corriente pulsante, cada una de las cuales es para un ciclo concreto.

Todo lo descrito anteriormente se produce para el ton del dispositivo. Durante el toff, con polarización inversa de la unión base - emisor se produce la focalización de la corriente en el centro de la pastilla de Si, en un área más pequeña que en polarización directa, por lo que la avalancha puede producirse con niveles más bajos de energía. Los límites de IC y VCE durante el toff vienen reflejado en las curvas RBSOA dadas por el fabricante.

Efecto producido por carga inductiva. Protecciones.

Las cargas inductivas someten a los transistores a las condiciones de trabajo más desfavorables dentro de la zona activa.

En el diagrama superior se han representado los diferentes puntos idealizados de funcionamiento del transistor en corte y saturación. Para una carga resistiva, el transistor pasará de corte a saturación. Para una carga resistiva, el transistor pasará de corte a saturación por la recta que va desde A hasta C, y de saturación a corte desde C a A. Sin embargo, con una carga inductiva como en el circuito anterior el transistor pasa a saturación recorriendo la curva ABC, mientras que el paso a corte lo hace por el tramo CDA. Puede verse que este último paso lo hace

después de una profunda incursión en la zona activa que podría fácilmente sobrepasar el límite de avalancha secundaria, con valor VCE muy superior al valor de la fuente (Vcc).

Para proteger al transistor y evitar su degradación se utilizan en la práctica varios circuitos, que se muestran a continuación :

a) Diodo Zéner en paralelo con el transistor (la tensión nominal zéner ha de ser superior a la tensión de la fuente Vcc).

b) Diodo en antiparalelo con la carga RL.

c) Red RC polarizada en paralelo con el transistor (red snubber).

Las dos primeras limitan la tensión en el transistor durante el paso de saturación a corte, proporcionando a través de los diodos un camino para la circulación de la intensidad inductiva de la carga.

En la tercera protección, al cortarse el transistor la intensidad inductiva sigue pasando por el diodo y por el condensador CS, el cual tiende a cargarse a una tensión Vcc. Diseñando adecuadamente la red RC se consigue que la tensión en el transistor durante la conmutación sea inferior a la de la fuente, alejándose su funcionamiento de los límites por disipación y por avalancha secundaria. Cuando el transistor pasa a saturación el condensador se descarga a través de RS.

El efecto producido al incorporar la red snubber es la que se puede apreciar en la figura adjunta, donde vemos que con esta red, el paso de saturación (punto A) a corte (punto B) se produce de forma más directa y sin alcanzar valores de VCE superiores a la fuente Vcc.

Para el cálculo de CS podemos suponer, despreciando las pérdidas, que la energía almacenada en la bobina L antes del bloqueo debe haberse transferido a CS cuando la intensidad de colector se anule. Por tanto :

de donde :

Para calcular el valor de RS hemos de tener en cuenta que el condensador ha de estar descargado totalmente en el siguiente proceso de bloqueo, por lo que la constante de tiempo de RS y CS ha de ser menor (por ejemplo una quinta parte) que el tiempo que permanece en saturación el transistor :

Cálculo de potencias disipadas en conmutación con carga resistiva

La gráfica superior muestra las señales idealizadas de los tiempos de conmutación (ton y toff) para el caso de una carga resistiva.

Supongamos el momento origen en el comienzo del tiempo de subida (tr) de la corriente de colector. En estas condiciones (0 t tr) tendremos :

donde IC más vale :

También tenemos que la tensión colector - emisor viene dada como :

Sustituyendo, tendremos que :

Nosotros asumiremos que la VCE en saturación es despreciable en comparación con Vcc.

Así, la potencia instantánea por el transistor durante este intervalo viene dada por :

La energía, Wr, disipada en el transistor durante el tiempo de subida está dada por la integral de la potencia durante el intervalo del tiempo de caída, con el resultado:

De forma similar, la energía (Wf) disipada en el transistor durante el tiempo de caída, viene dado como:

La potencia media resultante dependerá de la frecuencia con que se efectúe la conmutación:

Un último paso es considerar tr despreciable frente a tf, con lo que no cometeríamos un error apreciable si finalmente dejamos la potencia media, tras sustituir, como:

Cálculo de potencias disipadas en conmutación con carga inductiva

Arriba podemos ver la gráfica de la iC(t), VCE(t) y p(t) para carga inductiva. La energía perdida durante en ton viene dada por la ecuación:

Durante el tiempo de conducción (t5) la energía perdida es despreciable, puesto que VCE es de un valor ínfimo durante este tramo.

Durante el toff, la energía de pérdidas en el transistor vendrá dada por la ecuación:

La potencia media de pérdidas durante la conmutación será por tanto:

Si lo que queremos es la potencia media total disipada por el transistor en todo el periodo debemos multiplicar la frecuencia con la sumatoria de pérdidas a lo largo del periodo (conmutación + conducción). La energía de pérdidas en conducción viene como:

Ataque y protección del transistor de potencia

Como hemos visto anteriormente, los tiempos de conmutación limitan el funcionamiento del transistor, por lo que nos interesaría reducir su efecto en la medida de lo posible.

Los tiempos de conmutación pueden ser reducidos mediante una modificación en la señal de base, tal y como se muestra en la figura anterior.

Puede verse como el semiciclo positivo está formado por un tramo de mayor amplitud que ayude al transistor a pasar a saturación (y por tanto reduce el ton) y uno de amplitud suficiente para mantener saturado el transistor (de este modo la potencia disipada no será excesiva y el tiempo de almacenamiento no aumentará). El otro semiciclo comienza con un valor negativo que disminuye el toff, y una vez que el transistor está en corte, se hace cero para evitar pérdidas de potencia.

En consecuencia, si queremos que un transistor que actúa en conmutación lo haga lo más rápidamente posible y con menores pérdidas, lo ideal sería atacar la base del dispositivo con una señal como el de la figura anterior. Para esto se puede emplear el circuito de la figura siguiente.

En estas condiciones, la intensidad de base aplicada tendrá la forma indicada a continuación:

Durante el semiperiodo t1, la tensión de entrada (Ve) se mantiene a un valor Ve (máx). En estas condiciones la VBE es de unos 0.7 v y el condensador C se carga a una tensión VC de valor:

debido a que las resistencias R1 y R2 actúan como un divisor de tensión.

La cte. de tiempo con que se cargará el condensador será aproximadamente de:

Con el condensador ya cargado a VC, la intensidad de base se estabiliza a un valor IB que vale:

En el instante en que la tensión de entrada pasa a valer -Ve(min), tenemos el condensador cargado a VC, y la VBE=0.7 v. Ambos valores se suman a la tensión de entrada, lo que produce el pico negativo de intensidad IB (mín):

A partir de ese instante el condensador se descarga a través de R2 con una constante de tiempo de valor R2C.

Para que todo lo anterior sea realmente efectivo, debe cumplirse que:

con esto nos aseguramos que el condensador está cargado cuando apliquemos la señal negativa. Así, obtendremos finalmente una frecuencia máxima de funcionamiento :

Un circuito más serio es el de Control Antisaturación:

El tiempo de saturación (tS)será proporcional a la intensidad de base, y mediante una suave saturación lograremos reducir tS :

Inicialmente tenemos que:

En estas condiciones conduce D2, con lo que la intensidad de colector pasa a tener un valor:

Si imponemos como condición que la tensión de codo del diodo D1 se mayor que la del diodo D2, obtendremos que IC sea mayor que IL:

En lo que respecta a la protección por red snubber, ya se ha visto anteriormente.

El transistor en conmutación

Tenemos un interruptor en posición 1, abierto:

 IB = 0 IC = 0 CORTE (el transistor no conduce)

Recta de carga:

Esto era lo ideal, lo exacto sería:

Pero para electrónica digital no tiene mucha importancia ese pequeño margen, por lo tanto se desprecia.

Interruptor en posición 2:

Finalmente tenemos una gráfica de la siguiente forma:

Aplicación: Si tenemos en la entrada una onda cuadrada.

Me invierte la Vsal, invierte la onda de entrada en la salida. Ese circuito se utiliza en electrónica digital.

A ese circuito  le llamábamos "Circuito de polarización de base", que era bueno para corte y saturación, para conmutación. Pero este que hemos hecho no es exacto, lo exacto es:

Entonces se cogen los márgenes, pero como están muy separados se desprecia y no se le da importancia a ese pequeño error.