El
transistor es un nuevo componente utilizado en las prácticas de electrónica.
Se utiliza para una
variedad de funciones de control en los circuitos electrónicos.
Un
transistor tiene múltiples usos; cuando se descubrió se trataba de remplazar
los tubos de vacío que existían en la época.
Ahora fabricado basicamente sobre un monocristal de germanio ,silicio o Arseniuro
Elementos de un transistor o
transistores:
El transistor es un dispositivo
semiconductor de tres capas que consiste de dos capas de material tipo n y una
capa tipo p, o bien, de dos capas de material tipo p y una tipo n. al primero
se le llama transistor NPN, en tanto que al segundo transistor PNP.
•EMISOR: Que emite los portadores de corriente,(huecos o electrones).
Su labor
es la equivalente al CATODO .
•BASE: Que controla el flujo de los portadores
de corriente.
.
•COLECTOR: Que capta los portadores de corriente
emitidos por el emisor.
SIMBOLO:
Al
polarizar la unión Base-Emisor en directa, y la Base-Colector en inversa, los
electrones libres que proceden del emisor llegan a la base, con mucho menor
número de huecos, por lo que son atraídos por el colector .
CLASIFICACION DE TRANSISTORES:
El
Transistor Bipolar o BJT:
El transistor bipolar es el más común
de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio.
Un transistor bipolar está formado por
dos uniones pn en contraposición. Físicamente, el transistor está consitutído
por tres regiones semiconductoras denominadas emisor, base y colector. Existen
2 tipos de transistores bipolares, los denominados
NPN y PNP:
B:BIPOLAR
J:JUNTION
T:TRANSISTER
- Transistores de Unión Bipolar
Esto es controlado por corriente.
Los BJT se producen movimiento de
potadores de dos tipos (huecos y electrones)
LOS MODOS DE TRABAJO DEL BJT:
El
transistor posee tres zonas de funcionamiento:
Zona
de saturación: El
diodo colector está polarizado directamente y es transistor se comporta como
una pequeña resistencia. En esta zona un aumento adicionar de la corriente de
base no provoca un aumento de la corriente de colector, ésta depende
exclusivamente de la tensión entre emisor y colector. El transistor se asemeja
en su circuito emisor-colector a un interruptor cerrado.
Zona
activa: En
este intervalo el transistor se comporta como una fuente de corriente ,
determinada por la corriente de base. A pequeños aumentos de la corriente de
base corresponden grandes aumentos de la corriente de colector, de forma casi
independiente de la tension entre emisor y colector. Para trabajar en esta zona
el diodo B-E ha de estar polarizado en directa, mientra que el diodo B-C, ha de
estar polarizado en inversa.
Zona
de corte: El
hecho de hacer nula la corriente de base, es equivalente a mantener el circuito
base emisor abierto, en estas circunstancias la corriente de colector es
prácticamente nula y por ello se puede considerar el transistor en su circuito
C-E como un interruptor abierto.
La
mayor movilidad que presentan los electrones hace que las características del
transistor NPN sean mejores que las de un PNP de forma y tamaño equivalente.
Los NPN se emplean en mayor número de aplicaciones.
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. Este factor se
llama b (beta) y es un dato propio de cada transistor.
FUNCIONAMIENTO
EN CONMUTACIÓN DE UN TRANSISTOR NPN
Sustituimos
el interruptor principal por un transistor. La corriente de base debe ser suficiente para asegurar la zona de saturación.Ventajas: No desgaste, sin
chispas, rapidez, permite control desde sistema lógico. Electrónica de Potencia
y Electrónica digital
PRINCIPIO
DE FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR BIPOLAR
La
mayor movilidad que presentan los electrones hace que las características del
transistor NPN sean mejores que las de un PNP de forma y tamaño equivalente.
TRANSITORES DE EFECTO CAMPO (FET)
.El
transistor FET es un dispositivo semiconductor que controla un flujo de
corriente por un canal semiconductor, aplicando un campo eléctrico
perpendicular a la trayectoria de la corriente.
F:FIELD
E:EFFECT
T:TRANSESTOR
El
transistor FET está compuesto de una parte de silicio tipo N, a la cual se le
adicionan dos regiones con impurezas tipo P llamadas compuerta (gate) y que
están unidas entre si.
Los
terminales de este tipo de transistor se llaman Drenador (drain), Fuente
(source) y el tercer terminal es la compuerta (gate) que ya se conoce.
La región que existe entre el drenador y la
fuente y que es el camino obligado de los electrones se llama
"canal". La corriente circula de Drenaje (D) a Fuente (S). Ver el
gráfico.
Este
tipo de transistor se polariza de manera diferente al transistor bipolar. El
terminal de drenaje se polariza positivamente con respecto al terminal de
fuente (Vdd) y la compuerta o gate se polariza negativamente con respecto a la
fuente (-Vgg).
A
mayor voltaje -Vgg, más angosto es el canal y más difícil para la corriente
pasar del terminal drenador (drain) al terminal fuente o source. La tensión
-Vgg para la que el canal queda cerrado se llama "punch-off" y es
diferente para cada FET
El
transistor de juntura bipolar es un dispositivo operado por corriente y
requieren que halla cambios en la corriente de base para producir cambios en la
corriente de colector. El transistor FET es controlado por tensión y los
cambios en tensión de la compuerta (gate) a fuente (Vgs) modifican la región de
rarefacción y causan que varíe el ancho del canal.
Transistores
de efecto de campo:
El
transistor de efecto campo (Transistor o FET, en inglés) es en realidad una
familia de transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la
conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET
pueden plantearse como resistencias controladas por diferencia de potencial.
La
mayoría de los FET están hechos usando las técnicas de procesado de
semiconductores habituales, empleando la oblea mono cristalina semiconductora
como la región activa o canal. La región activa de los TFT (transistores de
película fina) es una película que se deposita sobre un sustrato (usualmente
vidrio, puesto que la principal aplicación de los TFT es como pantallas de
cristal líquido o LCD)
DONDE:
-
IDSS es el valor de corriente cuando la Vgs = 0
-
Vgs (off) es el voltaje cuando ya no hay paso de corriente entre drenaje y
fuente (ID = 0)
-
Vgs es el voltaje entre entre la compuerta y la fuente para la que se desea
saber ID.
TRANSITOR DE INDUCCIÓN ESTÁTICA (SIT):
, Es campo de unión transistor de efecto. Es en los transistores de efecto de campo de unión comunes desarrollados sobre la base de los dispositivos de control de tensión unipolares, activo, puerta, un drenador tres electrodos, y su corriente de fuente-drenaje está limitado por el campo eléctrico vertical aplicada en el control de la puerta. Transistor de inducción estática es una conductividad de múltiples protones del dispositivo, adecuado para aplicaciones de alta potencia.
S:Static
I:inducción
T:transistor
nació en 1970, es en realidad un campo de unión transistor de efecto. La pequeña potencia de un dispositivo de procesamiento de la información SIT estructura conductora transversal a la estructura conductora vertical, la SIT puede estar hecha de dispositivos de alta potencia. SIT es una conductividad multi-protón del dispositivo, su frecuencia de operación y MOSFET de potencia considerablemente, incluso más que el MOSFET de potencia, la capacidad de potencia mayor que el MOSFET de potencia, por lo que es adecuado para aplicaciones de alta potencia, ha estado en el equipo de comunicaciones del radar, la energía ultrasónica amplificación, amplificación de potencia del pulso y de calentamiento por inducción de alta frecuencia en ciertos ámbitos profesionales ha sido más aplicaciones.
Sin embargo SIT sin ninguna señal de la puerta es conductiva cuando la puerta de la polarización negativa, que se denomina como dispositivos del tipo de conducción normales, el uso no es conveniente. Por otra parte, la resistencia SIT-estado, e hicieron que las pérdidas en el estado son grandes, así que siéntese sin embargo, en la mayoría de los dispositivos electrónicos son ampliamente utilizados.
la región del canal está completamente agotada, fue estado de pinzamiento del canal cerca del lado del electrodo fuente en la distribución en forma de silla se produce de barrera de la fuente al drenaje actual está completamente controlado por esta barrera. Además de algunos de la tensión de drenaje, la barrera hacia abajo, la corriente de fuente-drenaje comienza a fluir. Cuanto mayor sea la tensión de drenaje, la más grande, es decir, entre el drenaje y la fuente de la tensión de drenaje SIT es por inducción electrostática para mantener la conexión eléctrica, así llamado transistor de inducción estática. SIT y el transistor de efecto de campo general (FET) en la estructura de la principal diferencia es: ① canal SIT concentración de dopaje es baja, por el 1012 ~ 1015 cm -3, FET en comparación con 1015 ~ 1017 cm-3; ② SIT tiene un canal corto,
Estructura:
Estructura de transistor de inducción estática, hay tres formas principales de formas estructurales:
Estructura de la puerta Buried
Estructura de la puerta Buried es una estructura típica (Figura 2), apto para dispositivos de baja potencia, estructura de la puerta enterrada
Simbólico transistor de potencia de inducción estática
Estructura de electrodos de superficie
Los medios de comunicación cubren la estructura de la puerta
Ventaja:
Y transistores bipolares en comparación, SIT tiene las siguientes ventajas:
① buena linealidad y bajo ruido. Hecho con amplificador de SIT, la calidad del sonido, el sonido, etc son mejores que los transistores bipolares.
② alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida, puede representar un circuito OTL directa.
③ SIT es un transistor sin base, sin portadores minoritarios en la región de la base del efecto de memoria, velocidad de cambio rápido.
④ Es un dispositivo multi-carrier, a alta corriente tiene un coeficiente de temperatura negativo, el propio dispositivo tiene una temperatura de auto-equilibrio, la capacidad anti-ardiendo.
⑤ Sin efecto descomposición secundaria, y de alta fiabilidad.
⑥ rendimiento a baja temperatura a -19 ℃ funcione correctamente.
⑦ resistencia a la radiación de 50 veces mayor que los transistores bipolares.
TRANSISTOR BIPOLAR DE COMPUERTA AISLADA (IGBT)
Transistor
IGBT. 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, esto dio lugar a la creación de los Transistores bipolar de puerta
aislada (IGBT). Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían
sido viables hasta entonces y se describirán más adelante. El mismo se puede
identificar en un circuito con la simbología mostrada en la figura I.
Estructura:
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.
Características
técnicas:
- VGEmax
Limitada por el espesor del óxido de silicio.
- Se
diseña para que cuando VGE = VGEmax la corriente de cortocircuito sea entre 4 a
10 veces la nominal (zona activa con VCE=Vmax) y pueda soportarla durante unos
5 a 10 us. y pueda actuar una protección electrónica cortando desde puerta.
- VCEmax
es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α es muy baja, será
VCEmax=BVCB0 Existen en el mercado IGBTs con valores de 600, 1.200, 1.700,
2.100 y 3.300 voltios. (anunciados de 6.5 kV).
- La
temperatura máxima de la unión suele ser de 150ºC (con SiC se esperan valores
mayores)
- Existen
en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp.
- En
la actualidad es el dispositivo mas usado para potencias entre varios kW y un
par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz.
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.
TRANSISTORES 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.
