Parametros Del Transistor

Tutoriales

Animacion es

Prácticas Práct icas guiada s

Laboratorios virtuales

Autoevaluació Autoev aluació n

Ayuda

Historia del transistor

Historia sobre los transistores

Caracte Caracte rísticas rísticas del t ransistor stor

Tales de Mileto - allá por el año 600 antes de la era cristiana - inició sus experimentos con una resina fósil que provenía de las playas del mar Báltico, el ámbar, y con sus propiedades propiedades de atraer pequeñas plumes plumes o hilos, hilos, en lo que muchas generacion generaciones es se consideraría el inicio de los estudios sobre electrostática. El desarrollo de los dispositivos con semiconductores ha sido muy rápido desde que fue descubierto el funcionamiento del transistor por Bardeen y Brattain Brattain,, en los Estados Unidos en 1948. Desde un princicipio se vió claro que los transistores tenían la ventaja sobre las válvulas debido a su pequeño tamaño y robustez mecánica; que la alimentación de calefacción era innecesaria y hacia posible la amplificación con voltajes bajos de alimentación. Los desarrollos continuos en el diseño del transistor han mejorado su capacidad en el manejo de potencia, en el rango de frecuencia, características de ruido, vida útil, y tolerancias en el manufacturado, así es que hoy en día se fabrican transistores en masa para sustituir a las válvulas válvulas en la mayor parte de los sistemas sistemas electrónicos. electrónicos. Muchos de los dispositivos en uso son transistores de unión; se obtienen mediante técnicas diferentes para las distintas aplicaciones, y, por supuesto, difieren considrablemente de sus características; pero la acción de transistor básico de unión es común en todos ellos. En el año 1883, cuando Thomas A.Edison descubrió que si ponía un alambre en las proximi proximidades dades de un filamento filamento en incandescenci incandescencia, a, se formaba un flujo de electrici electricidad dad entre ambos a través del espacio que los separaba. Como Edison no vió utilidad a éste fenómeno para sus aplicaciones inmediatas, la generación de luz a partir de la electricidad, simplemente registró el hecho y siguió con sus trabajos en pos de una lámpara eléctrica eficiente. Fue hasta 1904 cuando John Ambrose Fleming, Fleming, aplicó el efecto que descubrió Edison rodeando un filamento incandescente con un cilindro metálico que llamó placa, encontrando que aunque la placa se cargara alternativamente de positiva y negativa, la corriente resultante siempre era en un sólo sentido. J.A.Fleming construyó un dispositivo con capacidad de rectificar una corriente eléctrica, la primera válvula de vacío que, en un sentido más estricto, en realidad era un diodo (término derivado de su construcción a partir de "dos electródos": el filamento y la placa). En 1907 Lee De Forest agregó un tercer elemento, una rejilla, que también podía ser cargada eléctricamente para incrementar o disminuir de forma controlada el flujo de electrones entre el filamento y la placa, inventó así el Triodo, el primer dispositivo con capacidad amplificadora de corriente. Estos trabajos mostraron que los electrones en el vacío son más finamente regulables que cuando forman una corriente eléctrica en un conductor por lo que pueden realizar tareas que son impensables en un mecanismopuramente eléctrico. Nació la Electrónica la Electrónica..

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción Parámetros del transistor Regiones de trabajo Curvas características El transistor como amplificador ficador Otros datos

Comprobación de los transistores Tipos de transistores stores 1. El transistor bipolar bipolar 2. Transistores stores de efecto campo (FET) JFET MOSFET 3. Transistores UJT 4. Transistores IGBT 5. Transistores stores de pote ncia Tipos de transistores según proceso de fabricación 1. 2. 3. 4. 5.

Introducción Disipación pación té rmica Fabricación Fabricación de transistores Circuito Circuito s integ rados monolíticos Otros métodos de fabrica fabricación ción

Si bien las vávulas de vacío - los bulbos - tuvieron el papel principal hasta los años '40 en el desarrollo de las transmisiones de radio y televisión, llevaron a los aliados a desarrollar el radar que les ayudó a ganar la Segunda Guerra Mundial y permitieron la construcción de máquinas computadoras como la gigantesca ENIAC con sus 18.000 tubos al vacío, pero aún adolescían de varias desventajas: para poder contener los elementos necesarios el tubo no podía ser más reducido, era frágil, requería un tiempo de calentamiento hasta que el filamento puediera empezar a emitir electrones y consumía mucha potencia. Seguramente no hubiéramos llegado muy lejos - no hablemos ni siquiera de la Luna - usando sólo tubos de vacío y relevadores electromecánicos que en aquellos tiempos formaban los primeros sistemas de procesamiento de información. rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/historiatrans.html

1/3

La revolución llegó en Dicembre de 1947, cuando Walter Brattain y John Bardeen, un par de físicos investigadores investigadores de Bell Laboratories Laboratories que trabajaban bajo la dirección dirección de William Bradford Shockley, Shockley, utilizaron una pequeña pieza de germanio y una delgada tira de una hoja de oro montadas en una estructura de plástico, para formar un arreglo capaz de amplificar una señal eléctrica sin la utilización de un tubo al vacío. Nació el primer amplificador basado en un material semiconductor: el Transistor , como habría de ser llamado, y que se dió a conocer oficialmente al mundo en una conferencia de prensa de Laboratorios Bell, el 30 de Junio de 1948. Así, aunque en un inició la Electrónica surgió como una rama de la física dedicada al estudio del comportamiento de los electrones en el vacío, ahora trasladaba su dominio a los semiconductores, iniciando la era de la electrónica de estado sólido que rige hasta nuestros días. En realidad la historia es un poco más compleja. Al finalizar la Segunda Guerra Mundial, Shockley, reinició sus interrumpidas investigaciones sobre cristales semiconductores, pero sus diseños de amplificado amplificadores res nunca funcionaron; funcionaron; entonces dejó la tarea en manos de Bardeen, el cerebral matemático profundo, y Brattain, hábil en la implementación técnica de las ideas imaginativas que Shockley les llevaba; el producto fue el transistor de punto de contacto de Bardeen y Brattain. Algo frustrado por no haber obtenido él mismo el primer diseño funcional, Shockley creó en 1948 el transistor de unión, unión, dispositivo más fácil de fabricar y de usar y que finalmente se impuso sobre su predecesor. La relación relación entre estos tres investig investigadores adores se volvió volvió algo algo difícil difícil por la presunción presunción de Shockley Shockley de su superioridad. superioridad. Así, Bardeen dejó Bell Labs en 1951 para tomar un puesto académico en la Universidad de Illinois y Brattain, por su parte, se trasladó a otras áreas donde pudiera conducir sus propias investigaciones; en 1955 Shockley fundó su propia compañía llamada Shockley Semiconductor Laboratory en un valle al norte de California, la primera de tantas empresas que hoy forman el mundialmente famoso Silicon Valley. Valley. Los caminos de Shockley, Bardeen y Brattain se cruzaron de nuevo en 1956, cuando compartieron el Premio Nobel de Física por su invención. Para 1954 los transistores eran una curiosidad de laboratorio de aplicaciones muy especializadas en centros de investigación e instalaciones de comunicaciones militares, hasta que a inicios de los años 60 una empresa de Dallas empezó a producir transistores para radios portátiles; portátiles; Sin embargo, embargo, Texas Instruments abandonó luego este mercado para ver como una pequeña compañía japonesa, Sony, Sony , empezó a construir radios más pequeños y televisi televisiones ones de transistores. transistores. La electrónica de consumo había llegado a los hogares de quienes podían permitírselo, pero apareció otro problema problema en ámbitos menos mundanos: teóricamente teóricamente los transistores transistores permitían permitían la construcción construcción de computadoras muy potentes, el detalle detalle es que hacer manualmente las conexiones de varios transistores era caro, se necesitaba hacer conexiones redundantes para minimizar los errores y la velocidad de estas máquinas todavía enormes se veía mermada por la longitud de los conductores necesarios para interconectar sus múltiples transistores. La solución llegó en 1958 cuando Jack Kilby y su grupo de Texas Instruments, pudieron crear un circuito completo en un bloque monolítico de germanio,el primer germanio,el primer Circuito Circui to Integrado que contenía un transistor y otros componentes en un sólo dispositivo. Unos meses después Robert Noyce, Noyce, de Fairchild Semiconductor desarrolló una idea similar y ahora a ambos se les considera creadores del circuito integrado. Noyce, que falleción en 1990, ayudó en el inició de una compañía fabricante de semiconductores llamada Intel Corporation y Kilby muri ó en 2005 en Dallas. A partir de la invención del primer transistor ha sido posible la creación de las radios portátiles, portátiles, las calcula calculadoras doras de bolsill bolsillo o y los reproductores de discos compactos, hasta las supercomputadoras; gracias a los transistores nos comunicamos y conocemos eventos que se suceden a kilómetros de distancia; textos, imágenes, sonidos y transacciones monetarias dan la vuelta al mundo por Internet y automáticamente se regulan múltiples mecanismos que - inadvertidamente - nos facilitan

rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/historiatrans.html

2/3

Tutoriales

Animacion es




Ayuda

Características Características de los transistores transistores

Histo Histo ria sobre sobre los t ransistores stores Características del transistor

El transistor produce resultados que pueden ser comparables a los de un tubo de vacío, pero hay una diferencia diferencia básica entre los los dos dispositi dispositivos. vos. El tubo de vacío es un dispositivo controlado por tensión mientras que el transistor es un dispositivo controlado por corriente. Un tubo de vacío funciona normalmente con su rejilla polarizada en el sentido negativo, o de alta resistencia, y su placa está polarizada en sentido positivo, o de baja resistencia. El tubo conduce sólo por medio de electrones, y su contrapartida en cuanto a conducción es el transistor NPN, cuyos portadores mayoritarios son siempre electrones. No hay equivalente de tubo de vacío para los transistores PNP, cuyos portadores mayoritarios son los huecos. El transistor se puede conmutar en corte y conducción variando la polarización en el electrodo de base con respecto al potencial de emisor. Ajustando la polarización a un punto situado situado aproximada aproximadamente mente a mitad de camino camino entre el corte y la saturación saturación se situará el punto de trabajo del transistor en la región activa de funcionamiento. Cuando funciona en esta región el transistor es capaz de amplificar. Las características de un transistor polarizado en la región activa se pueden expresar en términos de tensiones de electrodo y de corrientes lo mismo que en los tubos de vacío. El comportamiento del transistor se puede analizar en términos matemáticos por medio de ecuaciones que expresan las relaciones entre sus corrientes, tensiones, resistencias y reactancias. Estas relaciones se denominan parámetros híbridos y definen los valores instantáneos de tensión y de corriente que existen en el circuito sometido a examen. Los parámetros permiten predecir predecir el comportamiento comportamiento del circuito circuito en particular particular sin construirlo construirlo realmente.

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción

Parámetros del transistor Regiones de trabajo Curvas características El transistor stor como amplificador ficador Otros datos

Comprobación de los transistores Tipos de transistores 1. El transistor bipolar polar 2. Transis Transistores tores de efecto campo (FET) JFET MOSFET 3. Transistores UJT 4. Transistores IGBT 5. Transis Transistores tores de potencia Tipos de transistores según proceso de fabricación 1. 2. 3. 4. 5.

Introducción Disipación pación té rmica Fabricación cación de transistores Circuito Circuito s integ rados monolíticos Otros método s de fabricación cación

A continuación se enumeran algunos de los parámetros más útiles en las aplicaciones del transistor: 1. Ganancia de tensión: Se expresa como razón de la resistencia de salida a la resistencia de entrada. La resistencia de entrada de un transistor típico es baja, aproximadamente 500 ohmnios, mientras que la resistencia de salida es relativamente alta, ordinariamente más de 20.000 ohmnios. Para un transistor de unión la ganancia de resistencia suele ser mayor de 50. 2. Ganancia de tensión: Es el producto de alfa y la ganancia de resistencia. Aunque un transistor de unión tenga un valor de alfa menor que la unidad, si por el contrario posee una ganancia de resistencia del orden de 2.000 a causa de que su resistencia de salida es extremadamente alta, la ganancia de tensión será aproximadamente 1.800 3. Ganancia de potencia: Es el producto de alfa elevado al cuadrado y la ganancia de resistencia. Es del orden de 400 o 500. Hay tres configuraciones básicas: conexión de base a masa, conexión de emisor a masa y conexión de colector a masa. Las tres corresponden, aproximadamente, a los circuitos de rejilla a masa, cátodo a masa y placa a masa en la terminoogía del tubo de vacío. El circuito de base a masa tiene baja impedancia de entrada y alta impedancia de salida, y desde el circuito de entrada hasta el de salida no se produce inversión de fase de la señal. El circuito de emisor a masa tiene una impedancia de entrada más alta y una impedancia de salida más baja que el circuito de base a masa, y se produce una inversión de fase entre la señal de entrada y la de salida. Esto proporciona rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/caracteristicastrans.html

1/2

ordinariamente la máxima ganancia de tensión en un transistor. El circuito de colector a masa tiene impedancia de entrada relativamente alta, impedancia de salida baja y no produce inversión de fase de la señal desde e circuito de entrada hasta el de salida. La ganancia de potencia y la ganancia de tensión son ambas bajas.

Proyecto realizado por: Directoras:

Álvaro León Ruiz. Pilar Martínez Jiméne z. Marta Varo Martínez.

rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/caracteristicastrans.html

Mapa web Otros laboratorios virtuales disponibles en: http://rabfis15.uco.es/lvct/index.php?q=node/18

2/2

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Ayuda

Parámetros característicos del transistor

Histo ria sobre los t ransistores Características del transistor

En este capítulo, se exponen los principales parámetros que se utilizarán para el trabajo con transistores.

Parámetro α El parámetro α de un transistor indica la relación de semejanza que se produce en la corriente de colector y las variaciones de las corrientes del emisor.

Así por ejejmplo, en el caso de que en un transistor se haya medido una variación de la corriente de colector de 7.92 mA, entre dos puntos de funcionamiento, y una variacioón de 8 mA en la corriente de emisor, tendremos que:

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción Parámetros del transistor

Regiones de trabajo Curvas características El transistor como amplificador Otros datos

Comprobación de los transistores Tipos de transistores 1. El transistor bipolar 2. Transistores de efecto campo (FET) JFET MOSFET 3. Transistores UJT 4. Transistores IGBT 5. Transistores de potencia Tipos de transistores según proceso de fabricación

Dado que la corriente de base, suele ser muy pequeña, en la mayor parte de los transistores el valor del parámetro α se acerca a la unidad.

Ganancia de corriente o parámetro β de un transistor

1. 2. 3. 4. 5.

Introducción Disipación té rmica Fabricación de transistores Circuito s integ rados monolíticos Otros método s de fabricación

La circunstancia de que una pequeña corriente de base controle las corrientes de emisor y colector mucho más elevadas, indica la capacidad que posee un transistor para conseguir una ganancia de corriente. Así, la ganancia de corriente de un transistor es la relación que existe entre la variación o incremento de la corriente de colector y la variación de la corriente base.

Así, por ejemplo, en el caso de que en un transistor se obtenga una variación de corriente de colector de 8 mA y de 0.08 mA en la corriente de base, la ganancia será:

La ganancia de corriente de los transistores comerciales varía bastante de unos a otros. Así, nos podemos encontrar transistores de potencia que poseen una β de tan sólo 20. Por otro lado, los transistores de pequeña señal pueden llegar a tener una β de 400. Por todo ello, se pueden considerar qe los valores normales de este parámetro se encuentran entre 50 y 300. En las tablas de especificaciones técnicas, que facilitan los fabricantes de transistores, en vez de utilizarse la β para identificar la ganancia de corriente, se suele utilizar h FE. Así por ejemplo, para el transistor de referencia BC108 se lee en sus hojas de características, una hFE entre 150 y 290; lo que nos indica que la ganancia de corriente de este transistor, puede encontrarse entre estos valores. ¿Cómo es posible que en las hojas de características del transistor BC 108 nos indiquen que posee una ganancia comprendida entre 150 y 290? La respuesta está en que la ganancia de corriente de un transistor varía de una forma rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/parametrostrans.html

1/3

sustanciosa con la corriente de colector. Además, la temperatura ambiente influye positivamente en el aumento de dicha corriente. Hay que pensar que al aumentar la temperatura de la unión del diodo colector aumenta el número de portadores minoritarios y, por tanto, se produce un aumento de la corriente de colector. Para poder cuantificar este fenómeno, los fabricantes de transistores proporcionan, en las hojas de especificaciones técnicas, curvas de ganancia de corriente, donde se relacionan las variaciones que sufre β con respecto a la corriente de colector y a la temperatura ambiente. En estas curvas, se puede apreciar cómo la ganancia de corriente aumenta hasta un valor máximo mientras la corriente de colector aumenta; sobrepasado ese límite, para mayores valores de dicha corriente, la ganancia decrece. También, se hace observar la existencia de tres curvas distintas, que indican diferentes condiciones de trabajo para diferentes temperaturas ambiente. Cuando se diseña un circuito con transistores hay que tener en cuenta estas variaciones de la ganancia de corriente, de lo contrario se podrían cometer errores sustanciales, que invalidarían las condiciones de trabajo requeridas por el diseño inicial.

Relación entre los parámetros α y β Combinando las expresiones de los parámetros anteriores: α = I C/IE y β = IC/IB y teniendo en cuenta la relación existente entre las diferentes corrientes que se dan en el transistor I E = IC+IB, se pueden encontrar las expresiones matemáticas que relacionen ambos parámetros, tal como se indica a continuación.

Así, por ejemplo, para determinar el parámetro α de un transistor que tuviese una ganancia de corriente de 150, operaríamos así:

Tensiones de ruptura Al igual que ocurría con los diodos, cuando se polariza inversamente cualquiera de las uniones de un transistor aparecen pequeñas corrientes inversas, que no provocarán la ruptura de dichas uniones si la tensión que se aplica no supera los valores máximos fijados en las hojas de especificaciones técnicas. 1. Tensión inversa colector-base (VCBO) con el emisor abierto En este caso, la unión formada por la base y el colector están polarizadas inversamente con la tensión VCB. Como ocurría con los diodos, esto provoca la circulación de una pequeña corriente de fuga (ICBO) que no será peligrosa hasta que no se alcance la tensión de ruptura de la unión. Normalmente esta tensión suele ser elevada (del orden de 20 a 300 V). Nunca deberá trabajarse, por supuesto, con una tensión superior a la indicada por el fabricante en sus hojas técnicas. Este dato suele aparecer indicado con las siglas VCBO. 2. Tensión inversa colector-emisor con la base abierta En este otro caso, se ha abierto la base, por tanto, se aplica una tensión entre el colector y el emisor que es igual a la suma de las tensiones de las rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/parametrostrans.html

2/3

fuentes de emisor a colector. Esta fuerte diferencua de potencial provoca un pequeño flujo de electrones que emite el emisor y que se sienten fuertemente atraídos por el potencial positivo de la fuente. El resultado es una pequeña corriente de fuga de emisor a colector ICEO. Al igual que ocurría anteriormente, el valor de esta corriente está determinado por la tensión colector-base (V CEO) aplicada. En las hojas técnicas también aparece la tensión máxima de funcionamiento (VCEO) que en ningún caso debe ser superada, para evitar el peligro de destrucción del semiconductor. Así, por ejemplo, para el transistor BC 108, en las hojas de especificaciones técnicas aparecen los siguientes valores para las tensiones de ruptura: V CBO = 30V y VCEO = 20V, lo que significa que este transistor nunca deberá operar con tensiones superiores a estos valores especificados.

Resistencia de entrada Se podría decir que la resistencia de entrada de un transistor es la que presenta éste, visto desde los bornes de entrada. Al observar la característica de transferencia del transistor, representada en la figura de abajo, se puede ver que la intensidad de base aumenta con la tensión base-emisor. Pues bien, a la relación existente entre las variaciones de tensión base-emisor y las de la corriente de base, que se corresponden con la tensión y la corriente de entrada, se la denomina resistencia de entrada, es decir:

Para realizar el cálculo de la resistencia de entrada nos valdremos de la curva característica de transferencia.



rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/parametrostrans.html


3/3

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Ayuda

Regiones de trabajo

Historia sobre los transistores Características del transistor

Existen cuatro condiciones de polarización posibles. Dependiendo del sentido o del signo de los voltajes de polarización en cada una de las uniones del transitor, éste se puede encontrar en alguna de las cuatro regiones que se pueden observar en el gráfico de la derecha. Estas regiones son; Región activa directa, Región de saturación, Región de corte y Región activa inversa. A continuación podemos observar el comportamiento de cada una de estas regiones. La región activa directa corresponde a una polarización directa de la unión emisor base. Esta es la región de operación normal del transistor para amplificación. La corriente de colector es proporcional a la corriente de base

Centrando la atención en la recombinación de los electrones en la base procedentes del emisor podemos observar que allí donde había un hueco pasa a haber, tras la recombinación, un ión negativo inmóvil. Si desaparecen los huecos de la base y se llena de iones negativos, se carga negativamente, y se repelen los electrones procedentes del emisor. En este caso se impediría la circulación de la corriente, es decir, es necesario que la corriente de base reponga huecos para que haya corriente de colector.

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción Parámetros del transistor Regiones de trabajo Curvas características El transistor como amplificador Otros datos

Comprobación de los transistores Tipos de transistores 1. El transistor bipolar 2. Transistores de efecto campo (FET) JFET MOSFET 3. Transistores UJT 4. Transistores IGBT 5. Transistores de pote ncia Tipos de transistores según proceso de fabricación 1. 2. 3. 4. 5.

Introducción Disipación té rmica Fabricación de transistores Circuito s integ rados monolíticos Otros métodos de fabricación

Por tanto, por cada electrón recombiando hay que introducir un hueco nuevo que neutralice la carga negativa. Si la reposición de huecos es lenta (corriente I B pequeña) la capacidad de inyectar electrones será baja, debido a la repulsión eléctrica. Este fenómeno tiene la propiedad de ser aproximadamente lineal, con lo que se puede establecer que:

en donde es un coeficiente adimensional, denominada ganancia directa de corriente, o bien ganacia estática de corriente. Por lo tanto, los electrones inyectados desde el emisor a la base, atraídos por el potencial positivo aplicado al colector, pueden atravesar la unión BC, y dar origen a la corriente de colector IC Mediante el emisor, se inunda la base de electrones, aumenta drásticamente el número de portadores minoritarios del diodo base-colector , con lo que su corriente inversa rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/regionestrabajo.html

1/4

aumenta también

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 aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto (IC 0).

En este caso las dos uniones están polarizadas en inversa, por lo que existen zonas de deplección en torno a las uniones BE y BC. En estas zonas no hay portadores de carga móviles, por lo tanto, no puede establecerse ninguna corriente de mayoritarios. Los portadores minoritarios sí pueden atravesar las uniones plarizadas en inversa, pero dan lugar a corrientes muy débiles. Por lo tanto, un transistor en corte equivale a efectos prácticos, a un circuito abierto.

Región de saturación Corresponde a una polarización directa de ambas uniones. La operación den 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 mácima 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 entre en un proceso de ruptura similar al rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/regionestrabajo.html

2/4

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 dicha polarización se crea un campo magnético trransversal 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 V CE, 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 inferior derecha). 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 límite 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 cruvas 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 la 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 reflejados en las curvas RBSOA dadas por el fabricante.

rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/regionestrabajo.html

3/4

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Curvas características

Ayuda


Al ser el transistor bipolar un dispositivo triterminal son necesarios seis parámetros para determinar el estado eléctrico del mismo: tres tensiones y tres corrientes. Aplicando las leyes básicas de resolución de circuitos pueden presentarse dos ecuaciones:

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción Parámetros del transistor Regiones de trabajo Curvas características

El transistor como amplificador Otros datos

Comprobación de los transistores

Por ello, los parámetros independientes se reducen a cuatro. En un circuito determinado y bajo la acción de unas excitaciones concretas, existirán unos valores de estos cuatro parámetros que caracterizan por completo el estado del transistor. Dicho cuarteto se denomina punto de operación (Q). Las curvas características más empleadas en la práctica son las que relacionan V BE con IB y VCE con IC e IB. Con frecuencia, estas curvas son facilitadas por los fabricantes.

Características V -I BE

B

Mediante esta curva podemos determinar los efectos que producen las variaciones de la tensión de polarización VBE sobre la corriente de base IB. Estas gráficas reciben el nombre de curvas características de transferencia. Las curvas que se obtienen son muy similares a la de un diodo cuando se polariza directamente.

Tipos de transistores 1. El transistor bipolar 2. Transistores de efecto campo (FET) JFET MOSFET 3. Transistores UJT 4. Transistores IGBT 5. Transistores de potencia Tipos de transistores según proceso de fabricación 1. 2. 3. 4. 5.


Estas tensiones permanecen prácticamente constantes, por lo que serán de gran ayuda para localizar averías en circuitos con transistores. La función que liga VBE con IB es la característica de un diodo, y puede aplicarse dado que la unión base - emisor, es una pn normal, igual que la de diodo, y al polarizarla, seguirá el mismo comportamiento que aquel. La curva representada en la figura sigue la expresión:

Características V -I CE

C

Estas características también son conocidas como familia de colector, ya que son las correspondientes a la tensión e intensidad del colector. En la siguiente figura, se muestran una familia de curvas de colector para diferentes valores constantes de la corriente base. Idealmente, en la Región Activa, la corriente de colector depende exclusivamente de la de base, a través de la relación I C=β+IB. Por lo tanto, en el plano VCE-IC la representación estará formada por rectas horizontales (independientes de V CE) para los diversos valores de IB (en este caso se ha representado el ejemplo para β=100). Evidentemente, no se dibujan más que unos valores de I B para no emborronar el gráfico. Para IB=0, la corriente de colector también debe ser nula. La región de corte está representada por el eje de abscisas. Por contra, para VCE=0 el transistor entra en rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/curvascaracteristicas.html

1/5

saturación, luego esta región queda representada por el eje de ordenadas. Hasta aquí se presenta la característica ideal, pero como era de esperar, la realidad es un poco más compleja, y las curvas quedarán como representa la siguiente figura: Las diferencias son claras: En la Región Activa la corriente del colector no es totalmente independiente de la tensión colector-emisor . Para valores altos de la corriente cobra importancia la resistencia interna del transistor. La región de saturación no aparece bruscamente para VCE=0, sino que hay una transición gradual. Típicamente se suele considerar una tensión de saturación comprendida entre 0.1V y 0.3V. Estas curvas representan, en cierto modo, la forma de funcionamiento del transistor. Se puede comprobar que, para una tensión constante de colector-emisor, si se producen pequeñas variaciones de la corriente de base (del orden de µA) esto origina unas variaciones en la corriente de colector mucho más elevadas (del orden de mA), de lo cual se deduce la capacidad del transistor para amplificar corrientes. Observa que, en la mayor parte de las curvas, la tensión VCE afecta muy poco a la corriente de colector IC. Si se aumenta VCE demasiado (por encima de VCEO), la unión del colector entra en la región de ruptura y éste puede llegar a destruirse. Sin embargo, si la tensión VCE es muy pequeña (por debajo de los 0.7V), la corriente de colector será muy débil, obteniéndose una ganancia de corriente muy baja. En conclusión, para conseguir que el transistor trabaje como amplificador de corriente, la tensión de polarización inversa VCE debe mantenerse por encima de 0.7V y por debajo de la tensión de ruptura.

Recta de carga del transistor Hemos de conocer el comportamiento del transistor trabajando con una determinada resistencia de carga y averiguar el punto de funcionamiento del mismo. Para ello, trazamos la recta de carga del transistor en las curvas de colector para poder determinar los puntos de funcionamiento. Para determinar la corriente que circula por el colector (emisor común), podemos aplicar la ley de Ohm entre los extremos de la resistencia de carga R L. La tensión aplicada a esta resistencia se corresponderá con la tensión total aplicada por la fuente V CC menos la caída de tensión que se produce entre el colector y el emisor V CE. De esta forma obtendremos la siguiente expresión, que se corresponderá con la ecuación de la recta de carga:

Para dibujar esta recta sobre la cruva característica, lo primero que hay que hacer es encontrar sus extremos (IC=0 y VCE=0). Para VCE=0

Para IC=0

Llevando estos valores a la curva característica de colector, obtendremos la recta de carga para una determinada resistencia de carga R L y una fuente VCC. rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/curvascaracteristicas.html

2/5

A lo larga de esta recta se pueden distinguir tres partes fundamentales: puntos de corte, punto de saturación, punto de trabajo. El punto de corte es donde la línea de carga corta a la curva correspondiente a la corriente de base igual a cero (IB=0). Dada la escasa polarización directa a que queda sometido el diodo de emisor-base, la corriente que aparece por el colector es prácticamente nula (sólo circula una pequeñísima corriente de fuga ICEO). Haciendo una aproximación, se puede decir, sin equivocarse mucho, que el punto de corte se da en la intersección de la recta de carga con el eje horizontal, es decir cuando VCecorte =VCC. El punto de saturación aparece donde la línea de carga corta a la intensidad de base de saturación. En este punto, la corriente de colector es la máxima que se puede dar para la operación de transistor, dentro de los límites de la recta de carga. Haciendo una aproximación, se puede decir que el punto de saturación aparece en la intersección de la recta de carga con el eje vertical, es decir, cuando:

Para corrientes de base superiores a la de saturación se produce también el efecto de saturación en el transistor. El punto de trabajo es aquél donde el transistor trabaja de una forma normal y que, normalmente, se encuentra entre la zona de corte de saturación. P ara determinar el punto de trabajo (Q) de transistor para una determinada corriente de base (IB), se busca el punto de intersección de la recta de carga con la curva correspondiente a dicha corriente de base. Por último, hay que indicar que, cuando se diseña un circuito para un transistor, se tiene que procurar que el transistor nunca opere por encima de la curva de potencia máxima. Esto se consigue eligiendo valores adecuados de la tensión de fuente V CC y de la resistencia de carga R L, de tal forma que la recta de carga trazada con dichos valores, esté siempre por debajo de la curva de potencia máxima. En la figura siguiente, es esquematiza esta situación:

Obtención de la Ganancia a partir de las curvas características La ganancia en corriente de un transistor se definía como la relación que se da entre la variación de la corriente d el colector y la variación de corriente de base. Para determinar dicha ganancia se puede recurrir a las características del colector. Como ejemplo, supongamos que las curvas características del transistor ensayado es la que se muestra en la figura de la izquierda. Para un punto de funcionamiento situado en V CE=20V, según las cruvas de la figura de la izquierda, la intensidad de colector variará entre I C=28mA e IC=43mA, mientras que la intensidad de base lo hará entre I B=0.10mA e IB=0.15mA. La ganancia se calcula así:

rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/curvascaracteristicas.html

3/5

Hemos de tener en cuenta que punto de funcionamiento se encuentra trabajando el transistor, es decir, la tensión que se le está aplicando al mismo, y con ello, la ganancia calculada, será para esa tensión de trabajo, siendo para otra, otra ganancia diferente de la calculada en otro punto.

Curva de transistor

máxima

potencia

del

Una de las aplicaciones de las curvas características de un transistor, es que, a partir de éstas se pueden determinar los límites de funcionamiento del mismo. Estos límites están determinados por una potencia máxima que puede desarrollar un transistor sin provocar su destrucción. Veamos en qué consiste éste fenómeno: El transistor posee una resistencia entre el colector y el emisor, que varía en función dela intensidad que se le aplique a su base I B. Por esta resistencia variable circula una corriente IC, relativamente grande, que provoca en la misma una potencia calorífica o calentamiento, debido al efecto Joule. Esta potencia se calcula realizando el producto de la tensión VCE, aplicada entre el colector y el emisor, por la instensidad de colector IC. (P = VCE·I C). Como esta potencia se transforma íntegramente en calor, provoca un aumento de la temperatura en el transistor que, en el caso de salirse de los límites admisibles, provocará la destrucción del mismo. La potencia máxima trabajo de un transistor es un dato que proporciona los fabricantes en las hojas de especificaciones técnicas. Así, por ejemplo, para el transistor BC107 se indica una potencia máxima de 300mW. Con este dato se puede trazar una curva de potencia máxima sobre la familia de curvas de colector, para así poder determinar para qué tensiones de colector-emisor y corrientes de colector es posible trabajar con el transistor sin que se deteriore. Por ejemplo, para no superar los valores límite, en el caso del transistor BC107 se deberá cumplir en todo momento la expresión:

Luego la curva de potencia máxima para este transistor será tal que el producto VCE·IC=0.3W. En la figura de la derecha, se muestran las curvas correspondientes a la familia de colector del transistor BC107, y en las que se ha añadido la curva de potencia máxima. La hipérbola divide a la característica en dos zonas diferenciadas: la zona prohibida de funcionamiento, que queda por encima de la misma (sombreado con naranja), en la cual la potencia es mayor de 300mW y, por lo tanto, es donde el transistor corre peligro de destrucción por la acción del calor; y la zona de trabajo, que queda por debajo de la hipérbola, y en la cual la potencia es inferior a 300mW.

Influencia de la temperatura ambiente en la potencia máxima de un rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/curvascaracteristicas.html

4/5

transistor La potencia máxima que puede disipar un transistor, en forma de calor, depende de la temperatura máxima permitida en la unión colector T j (max). Esta temperatura nunca debe ser superada, ya que a partir de ella se puede destruir el transistor. Este dato aparece en las hojas de características del componente. Así, por ejemplo, el transistor BC107 posee una T j (max) de 175ºC. La potencia máxima a que puede trabajar un transistor también depende de la temperatura ambiente. Hay que tener en cuenta que el calor producido en las uniones se conduce a través del encapsulado del transistor y se disipa al aire que le rodea. Cuanto mayor sea la temperatura de este aire (temperatura ambiente), peor será la ventilación del transistor, y por lo tanto, menor la potencia máxima que se le puede exigir al mismo. Por lo general, en las hojas de características técnicas se indica la potencia máxima para una temperatura ambiente de 25ºC. En el caso de que la temperatura ambiente fuese superior habría que encontrar la potencia máxima de funcionamiento para que el transistor trabaje dentro de sus límites de temperatura admisibles. En algunas hojas de especificaciones técnicas aparece la curva de reducción, como la que se encuentra en la figura de la derecha. Esta curva, nos indica que para una temperatura ambiente de 25ºC, la potencia máxima es de 125mW. Sin embargo, para 55ºC, la potencia máxima disminuye a 50mW. En el caso de que se desee aumentar la potencia de un transistor, se puede acoplar un disipador de calor, o aleta de refrigeración en la superficie de la cápsula del mismo, de esta forma, se consigue que el calor se evacúe con mayor facilidad hacia el aire exterior.



rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/curvascaracteristicas.html


5/5

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Ayuda

El transistor como amplificador


Introducción 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 de la que absorben. El análisis de un amplificador mediante su asimilación a un cuadrípolo (red de dos puertas), resulta interesante ya que permite caracterizarlo mediante una serie de parámetros relativamente simples que nos proporcionan información sobre su comportamiento. En los amplificadores, gracias a los transistores se consigue la intensidad de los sonidos y de las señales en general. El amplificador posee una entrada por donde se introduce la señal débil y otra por donde se alimenta con C.C. La señal de salida se ve aumentada gracias a la aportación de esta alimentación, siguiendo las mismas variaciones de onda que la de entrada. La señal de entrada, de bajo nivel, del orden de unos pocos milivotios, la aportan dispositivos como el micrófono (transforman ondas sonoras en señales eléctricas que siguen las mismas variaciones que las primeras), sensores térmicos, luminosos, etc.

1. 2. 3. 4. 5.

Introducción Parámetros del transistor Regiones de trabajo Curvas características El transistor como amplificador

6. Otros datos

Comprobación de los transistores Tipos de transistores 1. El transistor bipolar 2. Transistores de efecto campo (FET) JFET MOSFET 3. Transistores UJT 4. Transistores IGBT 5. Transistores de potencia Tipos de transistores según proceso de fabricación 1. 2. 3. 4. 5.


Cuando un amplificador realiza la función de elevar la señal que ha sido aplicada a su entrada, se dice que ha producido una determinada ganancia. Se puede decir que la ganancia de un amplificador es la relación que existe entre el valor de la señal obtenida a la salida y el de la entrada. Dependiendo de la magnitud eléctrica que estemos tratando, se pueden observar tres tipos de ganancia: ganancia en tensión, ganancia en corriente y ganancia en potencia . De esta forma podemos definir los siguienteas parámetros: 1. 2. 3. 4. 5.

Ganancia de tensión (normalmente en decibelios): Av = Vo / Vi Impedancia de entrada (ohmnios): Zi = Vi / Ii Impedancia de salida (ohmnios): Zo = Vo / Io (para Vg = 0) Ganancia de corriente (normalmente en decibelios): Ai = Io / Ii Ganancia de potencia (normalmente en decibelios): A p = P o / P i Un amplificador será tanto mejor cuanto mayor sea su ganancia 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 rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/eltransistorcomoamplificador.html

1/4

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 (V p) o Voltios pico-pico (V pp).

Ampliación Para comprender el funcionamiento del transistor como amplificador, se partirá del circuito de la figura, en el que el transistor se conecta en la configuración denominada de emisor común. El generador Veb asegura que la unión base-emisor esté polarizada en sentido directo. Una batería Vc (Vc >> V be) proporciona la tensión de polarización inversa a la unión del emisor. El circuito de entrada, en el que se aplicará la señal que se desea amplificar, es el que contiene a la base y el emisor. El circuito de salida está conectado a las terminales del colector y del emisor. R c es la resistencia de carga del circuito de salida. Supondremos que, cuando la tensión de entrada es nula (terminales de entrada cortocircuitadas), las corrientes que circulan por cada terminal son I e, I b e I 0, con los sentidos indicados en la figura. A continuación, se calcularán cuales son los incrementos que se producen en dichas intensidades si se modifica ligeramente la tensión Web, aplicando una ddp adicional a la entrada. En este desarrollo, se admitirá que el incremento de tensión aplicado, es lo suficientemente pequeño para que las variaciones de intensidad que provoca estén relacionadas linealmente con él. Asimismo, se despreciarán los efectos dinámicos producidos por la aplicación de una diferencia de potencial, aplicada muy lentamente. a. Variación de la intensidad de salida (-I 0). Como se muestra en la figura siguiente, la corriente de salida es -I 0. Dicha intensidad tiene, tres componentes: I pb, I bb e Inc. Ahora bien, en un transistor polarizado en el modo activo, la corriente I pb es muy superior a las otras dos (unas mil veces superior en el ejemplo anterior) por lo que, a efectos de cálculo de las variaciones en la intensidad del colector, es admisible suponer que:

Suponiendo que la variación de Veb, incremento de V, es pequeño, la variación de la corriente de salida es:

... y llamando transconductancia, gm , al factor I0/VT, resulta que:

La transconductancia tiene las dimensiones de una conductancia y su valor depende de la temperatura y del punto de funcionamiento. A la temperatura ambiente, gm vale unos 0.04 mOhmnios por mA de intensidad en el colector. b. Variación de la intensidad de entrada (-Ib) La corriente de base, tiene, según hemos expuesto, tres componentes: I ne, I bb e Inc. De ellas, tan sólo las dos primeras dependen directamente de la tensión Veb. Nos limitaremos, por tanto a calcular sus variaciones. De las ecuaciones anteriores se deduce que: rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/eltransistorcomoamplificador.html

2/4

Por otra parte, el término exponencial puede expresarse en función de la intentsidad del colector:

El incremento de la corriente de base es:

Denominando a todo el término entre corchetes, tendremos que:

El parámetro o cuantifica el efecto que, sobre la corriente de base, produce un incremento de la tensión Veb. Así al disminuir la barrera de potencial en la unión emisor-base, se produce un aumento de huecos inyectados desde el emisor, aumentando la concetración de portadores minoritarios en la base, lo que conduce a un incremento de la tasa de recombinación. Debido a ello, I bb crece. Por otra parte, la disminución de la barrera de potencial antes citada, supone un incremento del número de electrones inyectados en el emisor desde la base, con lo que se produce un aumento de la corriente I ne. c.

Variación de la tensión colector-emisor (Vce ).

La tensión colector-emisor es:

Por tanto, si Veb se incrementa, Vce variará como:

La expresión anterior implica que el incremento de la tensión colectoremisor puede aumentar sin límite, sin más que incrementar suficientemente la resistencia de carga R 0. Tal suposición no es cierta cierta ya que hay que tener presente que, en el modelo simplificado que se ha desarrollado, no se ha tenido en cuenta el efecto de la tensión de polarización inversa V cb sobre la anchura de la base, W. Valores muy elevados de gm R m suponen una importante variación de Vcb, lo que modificaría notablemente la anchura W, no siendo válidas entonces las premisas del modelo utilizado. d.

Ganancias de corriente y de tensión:

Supongamos que, a la entrada del circuito de la siguiente figura, se aplica una señal alterna de pequeña amplitud, y frecuencia lo suficientemente pequeña para que puedan ser despreciados los efectos dinámicos que no han sido tenidos en cuenta en el modelo anterior. En estas condiciones, por el circuito de entrada circulará una corriente alterna -I b-AI b. Es decir, sobre la corriente -I b que existía para un incremento de tensión 0, se superpone una corriente alterna de amplitud incremento de la intensidad de base. De forma análoga, en el circuito de salida aparecerá una corriente alterna de amplitud igual al incremento de la intensidad de colector, superpuesta a -I c (corriente de colector para un incremento de tensión 0). Se define ganancia en intensidad como:

Obsérvese que, al ser no mucho menor que 1, la ganancia de instensidad rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/eltransistorcomoamplificador.html

3/4

puede tomar valores muy elevados. De forma análoga, se defina la ganancia de tensión como:

En definitiva, la señal de entrada, se ve amplificada tanto en intensidad como en tensión.



rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/eltransistorcomoamplificador.html


4/4

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Ayuda

Otros datos - Limitaciones en los transistores

Historia sobre los transistores Características del transistor

El transistor es un componente real y como tal tienen unos límites electrónicos que condicionan su utilización. Teniendo en cuenta que el transistor se compone de diodos, es de suponer que los límites serán parecidos a los del diodo; los más importantes son la tensión inversa máxima, la potencia máxima y la corriente máxima. Tensión máxima inversa: Si aumentamos en exceso la tensión colector-emisor podemos llegar a la tensión de ruptura del diodo base-colector y destruir el diodo. Corriente máxima: Es análogo al introducido para los diodos: una corriente excesiva destruiría al dispositivo. Potencia máxima: Dependiendo de cómo este fabricado el transistor, será capaz de disipar un máximo de potencia.

Algunas aplicaciones de los transistores El concepto de transistor bipolar permite una amplia variedad de aplicaciones relacionadas con la electrónica de señal y la electrónica de potencia. La electrónica de señal, o más bien conocido como pequeña señal, es aquél entorno electrónico que trata señales de baja potencia, relacionado tanto con el espectro de baja frecuencia como con el de frecuencias medias y altas. Estamos hablando de circuitos de rececpción de audio, de recepción de radio, de adaptadores de líneas de transmisión, etc. Todas ellas poseen un denominador común: los níveles de potencia empleados.

1. 2. 3. 4. 5. 6.




Los transistores se utilizan especialmente en tres campos: En amplificación, ya sea de tensión o corriente. En estos casos el transistor opera en la zona lineal de trabajo. El concepto de amplificación viene impuesto por las condiciones eléctricas de numerosos dispositivos electrónicos. En el tratamiento de la señal. Para este tipo de aplicaciones el transistor puede operar tanto en la zona lineal como en la zona no lineal, todo depende del tipo de aplicación que se desee implementar. Estamos hablando de dispositivos como los generadores de corriente, los multiplicadores de dos señales, etc. Como elementos adaptadores y aisladores entre etapas distintas de un circuito eléctrico. Se puede emplear el transistor para aislar dos etapas de un determinado dispositivo y eliminar problemas que pudieran aparecer. Por último, podemos generalizar que los transistores sin pequeños dispositivos empleados en todo tipo de circuitos, ya sea relacionados con la electrónica digital o analógica, ya que forman el alma mater de los actuales microprocesadores y demás elementos digitales.

Las tres configuraciones: base común, emisor común, colector común

rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/otrosDatos.html

1/4

Análisis de un transistor en corriente continua En la zona de corte el transistor no deja pasar corriente ni a la entrada ni a la salida. En saturación, con pequeñas variaciones de tensión se producen grandes variaciones de corriente, mientras que en activa la corriente de colector de mantiene proporcional a la corriente de base. Podemos pensar que en activa la corriente de colector se mantiene proporcional a la corriente de base. P odemos pensar que en la zona activa, si la corriente de base sufre pequeñas variaciones, éstas serán transmitidas a las corrientes de colector. Esas variaciones en la corriente de colector producirán a su vez variaciones en la tensión colector-emisor.

Al realizar el análisis en corriente continua, se eliminan todas las fuentes de señal alterna y sustituiremos los componentes por su equivalente para continua. En corriente continua, el circuito de entrada ejerce un control sobre el circuito de salida. La aplicación por excelencia, posiblemente se encuentra en el concepto de amplificación: bajo determinadas condiciones podemos conseguir que la corriente de colector sea proporcional a la corriente de base.

Análisis de un transistor en corriente alterna Los transistores tienen un modelo equivalente que permite aplicar los métodos tradicionales de análisis de circuitos (mallas, nodos). Estos modelos se obtienen del estudio de las ecuaciones que rigen el comportamiento de los transistores. Existen varios modelos para simular el comportamiento del transistor en alterna, el más popular es del modelo en parámetros h.


2/4

A la entrada, la señal se encuentra con una resistencia h ie y un generador de tensión pendiente de la tensión colector-emisor, hre *Vce . A la salida, un generador de corriente refleja la dependencia entre la corriente de colector y la corriente de base, h fe *i b y la resistencia 1/hoe representa la resistencia de salida.

Trabajar con los parámetros h constituye una gran ventaja ya que podemos sustituir el transsitor por este sencillo circuito que nos permitirá hallar la expresión de la señal de salida en función de la señal de entrada y de los parámetros de transistor.

Condensadores de acoplo y desacoplo La resistencia de un condensador al paso de una corriente eléctrica depende de la frecuencia. De ahí que se hable de diferentes comportamientos en continua y en alterna: Condensadores de acoplo: Se utilizan para transmitir o conectar señales alternas de un punto de un circuito a otro sin que afecte el comportamiento en continua. En continua el condensador se abre y por lo tanto impide que la señal alterna llegue al nodo. Sin embargo, en alterna es un corto y l señal pasa sin problemas. Condesadores de desacoplo:Tienen como misión proporcionar un camino directo a masa para las señales alternas sin alterar el comportamiento del circuito en continua.


3/4

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Ayuda

Comprobación de transistores

Histo ria sobre los t ransistores Caracte rísticas del t ransistor

La mejor forma de identificar un transistor es anotar su referencia t, posteriormente, consultar sus características en las hojas de especificaciones técnicas del fabricante, o en un libro de características de transistores. Mediante un método sencillo se puede determinar si un transistor desconocido es del tipo PNP o NPN. Este método consiste en tomar varias medidas, con el polímetro utilizado como óhmetro en el rango de 100, de las resistencias que aparecen entre los diferentes terminales del transistor. La medición de un transistor es análoga a la de un diodo. Tanto entre base y emisor como también entre base y colector deben obtenerse resultados como un diodo normal. Primeramente, determinemos cuál de los terminales del transistor corresponde a la base. Esto se consigue midiendo la resistencia en el óhmetro entre los diferentes terminales. En un transistor en buen estado, la resistencia entre el colector y el emisor es siempre muy alta, cualquiera que sea la polaridad aplicada por el óhmetro (que no olvidemos que en las puntas del polímetro actúa como una fuente de tensión); cuando hagamos esta verificación, el otro terminal corresponderá a la base. Una vez localizada la base, conectamos la punta de prueba positiva en la misma y la negativa en cualquiera de los otros dos terminales del transistor: si la resistencia obtenida es muy baja (se ha polarizado la unión de uno de los diodos por el efecto de tensión positiva aplicada con el óhmetro a la base P) se trata de un transistor NPN; si obtenemos una resistencia muy baja (no se ha polarizado la unión) se trata de un transistor PNP.

1. 2. 3. 4. 5. 6.



Tipos de transistores 1. El transistor bipolar 2. Transistores de efecto campo (FET) JFET MOSFET 3. Transistores UJT 4. Transistores IGBT 5. Transistores de potencia Tipos de transistores según proceso de fabricación 1. 2. 3. 4. 5.


Nos puede servir de ayuda la siguiente tabla donde se indican las medidas de r esistencia que se dan en cada caso para los dos tipos de transistores.

Punta roja

Punta negra

PNP - Medida del NPN - Medida del Óhmetro Óhmetro

Colector Emisor

Alta resistencia

Alta resistencia

Emisor

Colector

Alta resistencia

Alta resistencia

Emisor

Base

Baja resistencia

Alta resistencia

Base

Emisor

Alta resistencia

Baja resistencia

Base

Colector

Alta resistencia

Baja resistencia

Baja resistencia

Alta resistencia

Colector Base

Por este sencillo procedimiento también se puede llegar a averiguar cuál de los terminales corresponde al emisor y cuál al colector. Para ello, hay que tener en cuenta que: La resistencia y tensión de barrera de la unión base-colector es algo menor que la correspondiente a la unión base-emisor. Esta diferencia es más apreciable si medimos la tensión de barrera con un polímetro digital.

Denominaciones rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/comprobaciontransistores.html

1/3

A menudo, no es fácil reconocer un transistor como tal. El criterio de las tres patillas no es suficiente, ya que hay más componentes electrónicos que poseen este número de patillas. La siguiente tabla ofrece notas sobre la clasifiación y las denominaciones. Muchos fabricantes también AD... T ransistor de potencia (germanio) producen series AF... Transistor de alta frecuencia (germanio, 4 patillas) a medida para un gran volumen AN... T ransistor de pequeña señal (japonés) destinado a BC. .. T ransistor de baja frecuencia (silicio) determinados clientes. Estas BD... Transistor de potencia, conmutación (silicio) series están BF... Transistor de (potencia) alta Frecuencia (Si,4p) optimizadas para ser empleadas en BU... Transistor de potencia de alta tensión (silicio) una determinada parte de un BUZ..., IRF... MOSFET de alta potencia circuito concreto. Normalmente llevan puesto la señal del productor y un número irreconocible. A veces cuando una compañía quiebra o termina la producción se libra de estos transistores, los cuales acaban en packs de oferta para aficionados. AC. ..

T ransistor de baja frecuencia (germanio)

No hay forma de reconocer estos dispositivos, así que sólo son utilizables como conductores de LED, buffers, etc, donde el parámetro actual no es importante. Ten cuidado cuando compres Una vez que identifiques tu componente hay que acceder a la hoja de características o libro de equivalencias.

Disposición de las patillas El capítulo de disposición de las patillas de transistores es bastante pesado. Como punto de partida, sepa que los tipos de cápsula que se muestran en la figura de la izquierda, reflejan las disposiciones más habituales. Sin embargo, los fabricantes parecen no poder seguir un modelo sistemático; a raíz de ésto, especialmente los transistores en cápsulas de plástico, pueden tener formas muy variadas. En muchos casos se puede averiguar qué elemento es el colector con una medición entre la cápsula y uno de los terminales de conexión, que debería ser de 0 Ω. Para comprobar si un transistor está en buen estado utilizaremos el óhmetro. Con él verificaremos la resistencia entre los terminales del transistor con las diferentes posibilidades de polarización, teniendo en cuenta que: a. Con cualquier polaridad, la resistencia obtenida al aplicar el óhmetro entre el colector y el emisor es siempre muy alta para un transistor en buen estado. b. Al polarizar directamente cualquiera de las uniones entre base-colector y baseemisor la resistencia obtenida para un transistor en buen estado debe ser baja, ya que la unión se polariza directamente. Por otro lado, los polímetros digitales suelen ir equipados con un dispositivo, llamado transistómetro, para poder conectar el transistor y así poder determinar su ganancia. Para ello dispone de dos filas de tres conexiones, una para transistores PNP y otra para rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/comprobaciontransistores.html

2/3

NPN, tal como se muestra en la siguiente figura. Proyecto realizado por: Directoras:


rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/comprobaciontransistores.html


3/3

Tutoriales

Animacion es




Ayuda

El transistor bipolar

Histo Histo ria sobre sobre los t ransistores stores Caracte Caracte rísticas rísticas del t ransistor stor

Introducción Se denomina transistor de unión a un dispisitivo electrónico constituido por un cristal semiconductor en el que se han formado dos uniones p-n consecutivas. Esto puede conseguirse creando dos zonas de tipo p separadas por un zona de tipo n (transistor PNP) o bien creando dos zonas tipo n separadas por una zona p (transistor NPN).

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción Parámetros del transistor Regiones de trabajo Curvas características El transistor stor como amplificador ficador Otros datos


El transistor es el caballo de batalla de la electrónica. Como elemento amplificador activo, ha sustituido casi por completo a las válvulas o tubos electrónicos. La estructura interior muestra que el transistor es una especie de "diodo doble", con dos uniones (una entre base y emisor y otra entre base y coelctor). Esto deja claro rápidamente las dos formas posibles, a saber: el transistor PNP y el transistor NPN. Como el cristal base es extremadamente delgado, una pequeña corriente de control, entre base y emisor, puede regular una corriente mucho más alta entre colector y emisor.

Tipos de transistores

La principal aplicación del transistor es su fuincionamiento como amplificador. Para ello es preciso polarizar una de las uniones en sentido directo y la otra en sentido inverso. La zona exterior de la unión polarizada en sentido directo se denomina emisor, mientras que la zona exterior de la unión polarizada en sentido inverso se denomina colector. La parte central recibe el nombre de base.

Tipos de transistores según proceso de fabricación

1. El transistor bipolar 2. Transis Transistores tores de efecto campo (FET) JFET MOSFET 3. Transistores UJT 4. Transistores IGBT 5. Transis Transistores tores de potencia

1. 2. 3. 4. 5.

Introducción Disipación pación té rmica Fabricación cación de transistores Circuito Circuito s integ rados monolíticos Otros método s de fabricación cación

Los transistores son fundamentales en la mayoría de los circuitos electrónicos que realizan la función de amplificación, control, estabilización de la tensión, etc. Hay que pensar que los dispositivos dispositivos electrónicos electrónicos que generan generan las señales señales de control, control, como una resistencia NTC en un termostato, una LDR en una barrera fotoeléctrica, un micrófono de audio, etc, producen señales eléctricas muy débiles que, en la mayor parte de las aplicaciones, hay que aumentar (proceso de amplificación) para poder conseguir alimentar a dispositivos o receptores, que necesitan de un aporte mayor de energía para su funcionamiento (relés que ponen en marcha una lámpara o motor, o altavoces, etc.) Antes de descubrirse en transistor (1950), los circuitos electrónicos estaban constituidos a base de válvulas de vacío. Estas eran muy voluminosas y necesitaban para su funcionamiento de una resistencia de caldeo, que provocaba un consumo de energía excesivo y acortaba la vida de las mismas. El invento del primer transistor por Schockley dio paso a una nueva era. A partir del transistor bipolar se han ido desarrollando otro tipo de transistores, como el transistor de efecto campo "JFET" y el transistor de campo de óxido metálico "MOSFET" que por sus especiales características les hace ideales para el tratamiento de señales de radio frecuencia y en el diseño de circuitos digitales. Con ellos, también se han desarrollado los circuitos integrados o "chips", que reunen en un solo componente multitud e transistores de todo tipo, diodos, resistencias, etc, consiguiendo miniaturizar y simplificar enormemente los circuitos. Los circuitos integrados consiguen realizar múltiples funciones con un solo componente, como las que realiza el micropocesador de, por ejemplo, un ordenador. El transistor es un componente fácilmente identificable por sus tres terminales de conexión que salen al exterior a través de una de las bases de su cápsula. Estos, suelen estar dispuestos en línea o según los vértices de un triángulo imaginario. Cada uno de estos terminales está unido a un cristal tipo P o tipo N. De esta forma, nos encontramos con un terminal de emisor, un terminal de base y otro de colector. rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistorbipolar.html

1/5

Existen dos tipos de transistores, los PNP y los NPN. En la siguiente figura, se muestra la disposición de los cristales en cada uno de los dos tipos, así como su símbolo correspondiente. Obsérvese que si el transistor es PNP (PeNetra) la flecha correspondiente al emisor se dibuja hacia dentro, y si es NPN (No PeNetra) dicha flecha se dibuja hacia fuera. En el proceso de fabricación de un transistor NPN, se hace que el cristal semiconductor correspondiente al emisor esté muy contaminado, por lo que contendrá un exceso de portadores de carga; su tarea consistirá en enviar o emitir estos portadores de carga carga (electrones) a la base. El cristal semiconductor de la base se fabrica en una dimensión extremadamente delgada y un grado tenue de contaminación o dopaje; los electrones emitidos por el emisor atraviesan, prácticamente en su totalidad, a este cristal, para acabar dirigiénd dirigiéndose ose al colector. colector. La misión misión de la base consistirá consistirá en controlar controlar dicho dicho flujo de electrones. El cristal semiconductor del colector se fabrica con un grado de contaminación intermedio y recibe este nombre porque recoge los electrones enviados por el emisor. emisor. Cuando la unión emisor base está polarizada en sentido directo y la unión base colector lo está en sentido inverso, se dice que el transistor está funcionando en el modo activo. Este tipo de funcionamiento presenta propiedades de amplificación, ya que la corriente del colector puede experimentar grandes cambios con pequeñas variaciones en la tensión emisor-base. En efecto, al polarizar en sentido directo la unión emisor-base, se inyecta un exceso de huecos en la base, exceso que se difunde hacia el colector. Si el espesor de la base es muy pequeño (menor que una longitud de difusión) una gran parte de los huecos inyectados desde el emisor llega hasta la unión base-colector por lo que la corriente que atraviesa esta unión es mucho más intensa que la corriente inversa correspondiente a una unión p-n aislada. Por otra parte, pequeñas variaciones en la tensión emisor-base provocan grandes grandes variacione variacioness en la corriente corriente que atraviesa atraviesa dicha dicha unión unión (recuérdese la elevada pendiente de la característica I(V) de una unión polarizada en sentido directo), y por tanto la corriente corriente de colector también también sufrirá grandes grandes variacion variaciones. es. En definitiva, en un transistor funcionando en modo activo, se produce un traslado de corriente desde un circuito de baja resistencia (el circuito que contiene la unión emisor base) a otro circuito circuito de resistencia resistencia elevada elevada (circuito (circuito con la unión unión base-colector), base-colector), produciéndose produciéndose una amplifi amplificaci cación ón de potencia. De lo expuesto hasta ahora, se deduce que, para que el transistor funcione como tal, es preciso preciso que la base sea muy delgada. delgada. Un dispositivo pnp con una base cuya anchura sea mucho mayor que la longitud de difusión no se comporta como un transistor, sino como dos uniones p-n separadas.

Funcionamiento del Transistor. Transistor. Para estudiar el funcionamiento del transistor nos vamos a referir exclusivamente al tipo NPN. Primeramente, entenderemos, o monaremos en un entrenador didáctico el siguiente circuito, para el estudio del modo de comportamiento del transistor: Al conectar la fuente de tensión, el LED habrá de encenderse, ya que al conectar el polo positivo positivo de la pila pila a la base (cristal de tipo P) y el negativo negativo al emisor (cristal tipo N), la unión queda polarizada directamente y, por tanto, circulará una elevada corriente a través del cristal (como si se tratase de un diodo), que hace que el LED se encienda. rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistorbipolar.html

2/5

Esto se puede observar en la figura de superior: Si se permutan los conductores en los terminales del transistor según se indica el esquema siguiente, el Led, al ser cerrado el circuito, no se habrá de encender, debido a que si se polariza la unión emisor-base PN en sentido inverso, la corriente a través del cristal será prácticamente nula y por lo tanto, el diodo LED permanecerá apagado tal y como se muestran en las dos imagenes que vienen a continuación.

Como se puede observar en la figura de la derecha, la zona de puntos, representa la anchura que adquiere la región de transición, y el componente se comporta como un diodo polarizado inversamente, la región de deplexión crece. Seguidamente, se conectan los terminales de colector y emisor como se muestra a continuación, podrás comprobar como en este caso el diodo LED no se enciende.

Veamos cuál es la explicación a todos estos fenómenos. Los electrones libres del cristal N del emisor son repelidos por el polo negativo de la fuente de alimentación, mientras que los electrones libres del cristal N del colector son atraídos por el polo positivo. De todo esto, se deduce que se produce un desplazamiento de electrones en el sentido del emisor al colector. A pesar de ello, los electrones del emisor no poseen la suficiente energía para atravesar las barreras AB y CD de las uniones, las cuales los repelen. La corriente emisor-colector es por tanto muy pequeña y por eso el diodo LED no se enciende, considerándose a efectos prácticos como una corriente de fuga. Si ahora conectamos una resistencia de 1000W y una fuente de alimentación de 1,5V realizando el montaje que se expone en la siguiente figura, podremos comprobar como en este caso si que se enciende el diodo LED. La principal barrera que se oponía al paso de los electrones desde el emisor al colector, la constituía la barrera AB, ya que una vez atravesada ésta, los electrones se encuentran bajo la influen influencia cia del campo campo eléctrico eléctrico del polo polo positivo. positivo. Al aplicar una pequeña tensión positiva a la base (cristal P), con respecto al emisor (cristal N), dicha barrera desaparecerá, por quedar polarizada directamente la unión de rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistorbipolar.html

3/5

los cristales PN que la componen, sintiéndose atraídos los electrones por los potenciales positivos de la base y del colector. Dado que el potencial positivo del colector es mucho más elevado que el de la base, los electrones se sentirán más atraidos por el primero, por lo que se obtiene una elevada corriente de colector (que hace que el diodo se encienda y una pequeña corriente de base. A esta explicación hay que añadir que, al ser el cristal de la base extremadamente delgado y estar débilmente contaminado con unos pocos huecos, la base se satura rápidamente al ser invadida por la gran cantidad de electrones procedentes del emisor, causando una difusión de los mismos hacia la zona de empobrecimiento de la unión con el colector. Una vez que los electrones han superado la unión, son atraídos con fuerza por el fuerte campo eléctrico positivo a que está sometido el colector. El número de electrones que fluyen hacia el colector será más elevado cuanto mayor sea la tensión de polarización directa del diodo base-emisor. Por lo que se puede decir que esta tensión, junto con la corriente de base, controla la corriente de colector. Haciendo un símil, podríamos decir que la tensión de polarización del diodo base-emisor abre más o menos una compuerta por donde pasan los electrones; esta compuerta se consigue abrir con un pequeño esfuerzo (débil corriente de base); sin embargo, por ella pasan una gran cantidad de electrones, que se dirigen hacia el colector, debido al fuerte potencial eléctrico que éste posee. Si tenemos en cuenta que la corriente de base es muy pequeña con respecto a la del colector y que esta última varía en consonancia con la primera, habremos comprendido la más importante propiedad del transistor, consistente en su capacidad de amplificación de corriente. Este fenómeno nos permitirá que, con la débil corriente que puede tener cualquier forma de variación en el tiempo, como pueden ser señales de radio, TV, sonido, etc, podamos obtener la misma forma de variación en el tiempo sobre una corriente mayor, procedente de una fuente de alimentación, lo que da lugar a poder transformar señales débiles en otras suficientemente fuertes para producir, por ejemplo, sonido en un altavoz, imagen en un televisor, etc. El estudio que se ha hecho para el transistor NPN es igualmente válido para el P NP, con la única diferencia de que en el caso del transistor PNP la conducción se produce cuando se aplica una tensión negativa en el colector con respecto al emisor y una tensión ingualmente negativa, aunque de inferior valor a la base, con respecto al emisor. La siguiente figura, muestra la distribución de portadores en un transistor pnp sin polarizar, así como las barreras de potencial que aparecen en las uniones. Estas distribuciones corresponden a las de un transistor típico, en el cual el emisor está más intensamente dopado que el colector, y ambos están más dopados que la base. Pot tanto, las concentraciones de portadores mayoritarios verifican que:

Por el contrario, portadores minoritarios cumplen las desiualdades: rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistorbipolar.html

las

concentraciones

de

4/5

...donde los subíndices e, b y c hacen referencia al emisor, base y colector, respectivamente. El segundo subíndice, o, se refiere a que las concentraciones corresponden a las del equilibrio térmico. Las barreras de potencial que aparecen en las uniones emisor-base y base-colector se representan por V0 y V'0, respectivamente. Dadas las diferencias en el dopado emisor, base y colector, antes citadas, resulta evidente que V0>V'0. Supongamos ahora un transistor polarizado en el modo activo. La tensión directa aplicada a la unión emisor base es Veb' y la tensión de polarización inversa aplicada a la unión base-colector es Vbo'. En la siguiente figura, se representan las barreras de potencial correspondientes a cada unión, y en un tercer lugar, se muestran las concentraciones de portadores a lo largo del transistor. Para obtener dichas concentraciones se pueden seguir los razonamientos expuestos en el estudiados en otros capítulos, para el caso del modelo unidimensional de la unión p-n. Así, la disminución de la barrera de potencial de la unión del emisor provoca una inyección de huecos desde el emisor a la base, y una inyección de electrones desde la base al emisor. Las concentraciones de portadores minoritarios a ambos lados de la unión son:

Donde el exceso de huecos de la base P b(O), suele ser mucho mayor que el exceso de electrones en el emisor, no(O), ya que como se ha indicado anteriormente el emisor está mucho más dopado que la base y, por tanto, P bo>> neo. Por otra parte, las concentraciones de portadores minoritarios a ambos lados de la unión de colector, porlarizada inversamente, son mucho menores que las correspondientes a una unión sin polarizar, haciéndose prácticamente despeciables. Hay que señalar que, en las proximidades de las dos uniones, las concentraciones de portadores mayoritarios, se modifican ligeramente con respecto a las del equilibrio térmico. No obstante, y dado el elevado valor de P eo, n bo y P co, las variaciones relativas son muy pequeñas frente a las modificaciones en las concentraciones de los portadores minoritarios. Por ello, en la figura donde se muestran, las concentraciones aparecen representadas mediante rectas horizontales. Si la anchura de la base fuese varias veces la longitud de difusión, P b decrecería exponencialmente hasta P bo y luego, en las proximidades de la unión del emisor, disminuiría hasta un valor casi nulo. No obstante, y dado que el espesor de la bse es muy inferior al de una longitud de difusión, la disminución de la concentración de huecos desde el borde de la unión emisor-base hasta el borde de la unión base-emisor es prácticamente lineal, tal como se muestra en la figura anterior. Esta aproximación está fundamentada en el hecho de que, al recombinarse muy pocos huecos de los inyectados desde el emisor, la corriente de difusión de huecos a través de la base es prácticamente constante, lo que requiere un gradiente de concentraciones prácticamente uniforme y, por tanto, una distribución lineal.



rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistorbipolar.html


5/5

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Ayuda

Transistores de efecto campo FET


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 sólo 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.

1. 2. 3. 4. 5. 6.


Comprobación de los transistores Tipos de transistores

1. El transistor bipolar Transistores de efecto campo (FET)

2. 3. 4.

JFET MOSFET Transistores UJT Transistores IGBT Transistores de potenc ia

Tipos de transistores según proceso de fabricación 1. 2. 3. 4. 5.


La Figura anterior 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 V ds = 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. rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistoresFET.html

1/2

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 sustancialmente 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 V p 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.

Parámetros del FET La corriente de sumidero I d 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:

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 V ds y Vgs en esta forma.

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



rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistoresFET.html


2/2

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Ayuda

El JFET

Historia sobre los transistores Caracte rísticas del t ransistor

Vamos a tratar en este tema el transistor de efecto campo JFET, y para ello, el capítulo, está dividido en varias secciones. Puedes acceder a cada una de las secciones, mediante el menú local que puedes encontrar en la parte derecha de la página. Introducción

El JFET, transistor de efecto de campo o transistor unipolar, fue inventado en 1948, al mismo tiempo que el transistor normal o bipolar, pero no fue posible su implantación hasta 1970 debido a la alta tecnología necesaria para formar sus uniones. No es muy común encontrarse en un circuito un JFET aislado, éstos suelen aparecer, más bien, insertos en circuitos integrados. Otras veces aparecen incorporados, por ejemplo, en las cápsulas microfónicas, como un pequeño amplificador de la señal débil que se produce en éstas. Un JFET reúne las características más interesantes de las válvulas electrónicas, con las grandes ventajas de los componentes semiconductores. Según su composición, existen dos tipos de transistores JFET, los JFET de canal N y los de canal P. En la siguiente figura, se muestra la estructura de un transistor unipolar JFET de canal N con su símbolo correspondiente:

1. 2. 3. 4. 5. 6.



1. El transistor bipolar 2. Transistores de efecto campo (FET) JFET

MOSFET 3. Transistores UJT 4. Transistores IGBT 5. Transistores de pote ncia Tipos de transistores según proceso de fabricación 1. 2. 3. 4. 5.


Este componente está formado por una delgada capa de material semiconductor tipo N denominado canal. A los lados de ésta aparecen dos regiones de material semiconductor tipo P. En cada uno de los extremos del canal se sitúa un terminal. Así, tenemos un terminal de fuente o surtidor (del inglés source) y otro de sumidero o drenador (drain). Las dos regiones P se interconectan entre sí, y hacia el exterior, constituyendo el terminal de puerta o graduador (gate). Este componente funciona de la siguiente forma: en los transistores de unión bipolares, la corriente de colector emisor se controlaba gracias a la variación de la pequeña corriente que se aplica a la base, realizándose la conducción tanto por electrones como por huecos. Sin embargo, los transistores de efecto campo funcionan solamente con un tipo de portadores de carga: huecos o electrones, según el tipo de canal. Así, por ejemplo, en un JFET de canal N, lo portadores son los electrones. El transistor de la figura de la derecha conduce siempre del terminal de surtidor al de drenador (sentido electrónico de la corriente). El canal N posee suficientes electrones libre como para que se pueda establecer un paso de corriente. Si ahora sometemos al terminal de puerta a una tensión negativa, los electrones libres serán expulsados por repulsión fuera del canal. Esto hace que el canal se quede con menos portadores de carga y, por lo tanto, su resistencia aumente considerablemente, lo que provoca una disminución de la corriente que atraviesa el canal del surtidor al de drenaje. En el caso de que la tensión sea suficientemente negativa, la corriente puede dejar de fluir. rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/JFET.html

1/5

A esta forma de trabajo se la denomina de empobrecimiento, es decir, que la tensión de control aplicada a la puerta empobrece o extrae los portadores del canal, lo que hace que éste se estreche al paso de la corriente. En el JFET de canal P de la siguiente figura, se utiliza material semiconductor P para el canal y N para la puerta. Observa, cómo en este caso, la flecha del canal, en el símbolo, apunta hacia afuera. La tensión aplicada a la puerta se hace ahora positiva, consiguiendo, así, repeler los huecos existentes en el canal P y controlar de esta forma, la corriente del surtidor. En cualquiera de los dos tipos de transistores unipolares, la tensión de polarización del diodo formado por la puerta y el canal se polariza inversamente. De esta forma evita que por esta unión fluya corriente eléctrica. Todo el estudio que vamos a realizar a continuación del JFET, lo hacemos para el de canal tipo N.

Curvas características de drenador de un JFET

En las siguientes figuras, se muestra un ejemplo de la familia de curvas características de surtidor común de un transistor JFET de canal N y el circuito correspondiente con el que se han obtenido dichas curvas. Examinando estas curvas podemos observar que la corriente de drenaje ( ID ) se hace más pequeña a medida que aumenta la tensión negativa aplicada entre la puerta y el surtidor ( VGS ). Al igual que ocurría con los transistores bipolares, en estas curvas se pueden apreciar cuatro zonas de operación: región de ruptura, región activa, región de corte y región de saturación. En la región de ruptura, cuando la tensión drenador-surtidor ( VDS ) aumenta excesivamente, el JFET entra en la región de ruptura y se produce una avalancha que puede destruir el transistor. En las curvas, tomadas como ejemplo, de la figura anterior, es del orden de 16 V. En la región de corte, el transistor entra en corte, es decir, no conduce (se comporta como un interruptor abierto). Esto ocurre cuando la tensión negativa del graduador o puerta es suficiente para estrangular totalmente el canal. En las curvas anteriores, se rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/JFET.html

2/5

observa que esta tensión VGS es de -1.2 V. A esta tensión se la representa por VGS(apag). En la región de saturación, el transistor se convierte en un buen conductor (se comporta como un interruptor cerrado). Esto ocurre cuando se cortocircuitan los terminales de puerta y fuente, y VGS=0. Para este valor (observa las curvas características), la corriente se mantiene prácticamente constante (aproxiamdamente ID=4 mA) a partir del codo de la curva (aproximadamente VDS=3V). A esta corriente se la conoce por IDSS y es la máxima que se puede dar en el drenador de un JFET con la puerta en cortocircuito. Según las curvas de la figura, IDSS=4mA. La región activa del JFET se encuentra entre las regiones de saturación y ruptura. Según las curvas expuestas, esta región se encontrará para los valores de 3 a 16 V de VDS. Corriente de fuga de graduador o compuerta.

La unión que se establece entre los cristales del graduador y el surtidor se comporta como si fuese un diodo de silicio polarizado inversamente, por lo que la corriente inversa que fluye por el graduador es muy pequeña, prácticamente despreciable. Ésta es la razón por la que sólo se tiene en cuenta una corriente, la ID. Resistencia de entrada.

Debido a que la corriente que circula por el terminal graduador es prácticamente cero, la resistencia o impedancia de entrada se hace elevadísima, del orden de miles de kilohmios. Por esta razón, este transistor se emplea más en aquellos casos en que se requiera una mayor impedancia de entrada. Curvas de transferencia o transconductancia.

Estas curvas nos indican los valores que toma la intensidad de drenador (ID) en función de las variaciones que experimenta la tensión de graduador-surtidor (VGS) para valores de VDS constantes. En general, la curva de transconductancia de cualquier JFET posee la forma de una parábola, tal como se muestra en la figura anterior. Esta gráfica se corresponde con las curvas de drenador del JFET. Esta curva se corresponde con la siguiente ecuación:

De esta forma, conociendo los valores de IDSS y VGS(apag) (datos que suele proporcionar el fabricante en las hojas técnicas) se puede determinar el valor de la corriente ID para cualquier valor de la tensión VGS aplicada a la puerta. Aplicaciones

El JFET posee bastantes aplicaciones, como son: interruptores analógicos, multiplexores, control automático de ganancia "CAG" en receptores de radio, amplificadores de pequeña señal en receptores de radio y TV, troceadores o choppers, etc. En la figura de la izquierda, se muestra un ejemplo de interruptor analógico con un JFET. Si a este circuito se le aplica una tensión VGS=0, el transistor entrará en saturación y se comportará como un interruptor cerrado. Por otro lado, si la tensión aplicada es VGS=VGS(apag), el transistor se pondrá en corte y actuará como un interruptor abierto. rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/JFET.html

3/5

Cuando se utiliza un JFET como interruptor, se le hace trabajar únicamente en dos estados, corte y saturación. Fabricación JFET de canal N.

La siguiente figura representa un JFET en el que difusión se realiza por una cara solamente. Se representa en ella la sección del plano AA' de la vista superior de la figura b). El sustrato es de material tipo P en el que se ha formado por crecimiento epitaxial el canal n. Seguidamente, se difunde una puerta P en el canal N. La puerta difundida es de un material de muy baja resistividad permitiendo que la región de deplexión se extienda más en el canal tipo N.

JFET de canal P.

Este tipo se obtiene a partir de la estructura de la resistencia MOS, añadiendo una conexión metálica al emisor, que la resistencia no necesitaba para a su construcción. Este contacto conductor constituye el terminal de puerta mientras que los otros dos terminales actúan de fuente y drenador. El canal lo constituye la fina región P que forma la resistencia. Obsérvese que el FET de canal P requiere dos operaciones de difusión P contrariamente a lo que ocurre al FET de canal N de la anterior figura. Con lo dicho, resulta evidente que tal resistencia es fuertemente no lineal. La resistencia es igual a la inversa de la pendiente de la curva tensión-corriente (dVDS/dID) y por tanto su valor depende de VDS. Si VDS aumenta hasta provocar la estricción de la sección recta del canal y llegar a la corriente de saturación, la resistencia llega a adquirir valores sumamente elevados.

rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/JFET.html

4/5

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Ayuda

Histo ria sobre los t ransistores

El MOSFET

Caracte rísticas del t ransistor

Introducción al MOSFET

Los MOSFET, o simplemente MOS (Metal-Oxide Semiconductor, Field Effect Transistor) son muy parecidos a los JFET. La diferencia entre estos estriba en que, en los MOS, la puerta está aislada del canal, consiguiéndose de esta forma que la corriente de dicho terminal sea muy pequeña, prácticamente despreciable. Debido a este hecho, la resistencia de entrada de este tipo de transistores es elevadísima, del orden de 10.000 MW , lo que les convierte en componentes ideales para amplificar señales muy débiles. Existen dos tipos de MOSFET en función de su estructura interna: los de empobrecimiento y los de enriquecimiento. Los primeros tienen un gran campo de aplicación como amplificadores de señales débiles en altas frecuencias o radio-frecuencia (RF), debido a su baja capacidad de entrada. Los segundos tienen una mayor aplicación en circuitos digitales y sobre todo en la construcción de circuitos integrados, debido a su pequeño consumo y al reducido espacio que ocupan. MOSFET de empobrecimiento

Para que un transistor de efecto de campo funcione no es necesario suministrar corriente al terminal de puerta o graduador. Teniendo en cuenta esto, se puede aislar totalmente la estructura de la puerta de la del canal. Con esta disposición se consigue eliminar prácticamente la corriente de fuga que aparecía en dicho terminal en los transistores JFET. En la siguiente figura se puede apreciar la estructura de un MOSFET de canal N.

1. 2. 3. 4. 5. 6.



1. El transistor bipolar 2. Transistores de efecto campo (FET) JFET MOSFET

3. Transistores UJT 4. Transistores IGBT 5. Transistores de potencia Tipos de transistores según proceso de fabricación 1. 2. 3. 4. 5.


Este componente, puede funcionar tanto en la forma de empobrecimiento como de enriquecimiento, como puede observarse en la siguiente figura: La forma de trabajo de empobrecimiento se explica debido a que los electrones de la fuente pueden circular desde el surtidor hacia el drenador a través del canal estrecho de material semiconductor tipo N. Cuanto mayor sea la diferencia de potencial VDD aplicada por la fuente, mayor será esta corriente. Como ocurría con el JFET, la tensión negativa, aplicada a la puerta, produce un estrechamiento en el canal, debido al empobrecimiento de portadores, lo que hace que se reduzca la corriente de drenador. Aquí se aprecia claramente que, el fenómeno de control se realiza a través del efecto del campo eléctrico generado por la tensión VGG de la puerta. Debido a que la puerta está aislada del canal, se puede aplicar una tensión positiva de polarización al mismo. De esta manera, se consigue hacer trabajar al MOSFET en enriquecimiento. Efectivamente, la tensión positiva del graduador provoca un aumento o enriquecimiento de electrones libres o portadores en el canal, de tal forma que, al aumentar la tensión positiva VGG, aumenta también la corriente de drenador. Curvas características rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/MOSFET.html

1/4

En la siguiente figura, abajo a la izquierda, se muestra el ejemplo de una familia de curvas de drenador de un MOSFET de empobrecimiento de canal N.

Obsérvese cómo en esta curva aparecen tanto tensiones negativas de VGS (trabajo en modo de empobrecimiento), como positivas (trabajo en modo de enriquecimiento). La corriente más elevada se consigue con la tensión más positiva de VGS y el corte se consigue con tensión negativa de VGS(apag). De esta familia de curvas se puede obtener la curva de transconductancia, que nos indica la relación que existe entre VGS e ID. Ésta posee la forma que se muestra en la siguiente curva abajo a la derecha: Obsérvese cómo esta curva aparece dibujada en los dos cuadrantes del eje de tensiones. Esto es debido a que el MOSFET puede operar tanto con tensiones positivas como negativas. Por esta razón, la corriente IDSS, correspondiente a la entersección de la curva con el eje ID, ya no es la de saturación. Como ocurría con el JFET, esta curva de trasconductancia es parabólica y la ecuación que la define es también:

Según se puede apreciar en la curva de transconductancia de un MOSFET, este tipo de transistor es muy fácil de polarizar, ya que se puede escoger el punto correspondiente a VGS=0, ID=IDSS. Cuando éste queda polarizado así, el transistor queda siempre en conducción o, normalmente, encendido. Símbolos de los MOSFET

En la siguiente figura, podemos ver un transistor MOSFET de canal N (punta hacia adentro) con cuatro terminales disponibles. El terminal de sustrato está libre, en algunos casos, para dar al transistor un mayor control sobre la corriente de drenador.

rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/MOSFET.html

2/4

Tipo de enriquecimiento

Este tipo de MOSFET está diseñado de tal manera que sólo adminte la forma de trabajo en modo de enriquecimiento. La aplicación fundamental de este transistor se realiza en circuitos digitales, microprocesadores, etc. En las siguientes figura (a), se muestran un ejemplo de las curvas de drenador y en la (b) las de transconductancia de este tipo de MOSFET. Como se podrá observar en las curvas características, este transistor sólo conduce cuando son aplicadas tensiones positivas al drenador, por lo que normalmente estará en no conducción o apagado. El símbolo que representa al MOSFET de enriquecimiento son los que se indican en las siguientes figuras, siendo el (a) de enriquecimiento y canal N y en el (b) MOSFET de enriquecimiento y canal P.

Observa cómo la línea del canal en estos transistores se representa como una línea punteada. Protecc ión de los MOSFET

Tanto los MOSFET de empobrecimiento como los de enriquecimiento, poseen una capa extremadamente delgada de aislante que separa la puerta del canal. Esta capa se destruye con suma facilidad si se aplica una tensión VGS por encima de la máxima soportable. Por esta razón, nunca debe operarse con una tensión superior a la VGS(max) prescrita en las características del MOSFET. Aún así, dicha capa aislante es tan delicada que puede destruirse por otras causas, como pueden ser las sobretensiones provocadas al insertar o retirar un MOSFET del circuito sin haber desconectado la fuente de alimentación. También puede ocurrir, en ciertos casos, que al tocar con las manos los terminales de un MOSFET se produzca una descarga electrostática entre ellos, que los destruya. Por esta razón los MOSFET se almacenan con un conductor que cortocircuita sus terminales. Este conductor se retira una vez conectado el MOSFET a su circuito. Consideraciones sobre el MOSFET

En un transistor de unión de efecto campo, se aplica al canal un campo eléctrico a través de un diodo p-n. Empleando un electrodo de puerta metálico separado del canal semiconductor por una capa de óxido, como se muestra en la figura, se obtiene el efecto de un campo básicamente distinto. La disposición Metal-Óxido-Semiconductor (MOS) permite que un campo básicamente distinto afecte al canal si se aplica una tensión rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/MOSFET.html

3/4

externa entre puerta y sustrato, y ésto, también posee un efecto negativo sobre el comportamiento del MOSFET. En efecto, si observamos la figura de la derecha, donde en azul marino se representa la capa de Dióxido del Silicio y en Rojo las zonas tipo N y el canal, vemos que al aplicar una tensión sobre la puerta se necesitará un campo mínimo que inversione el canal. Esta tensión, llamada tensión umbral y representada por VTH es aquella que acumula una concentración de cargas capaz de invertir el canal. Esto da lugar a que los niveles entre los circuitos digitales MOS y TTL sean incompatibles, porque los MOS no pueden trabajar a 5 V, puesto que quedaría un margen de ruido muy pequeño para su trabajo. Se puede buscar entonces, reducir esa tensión umbral para la compatibilidad de las dos familias de dispositivos, y se ataca este problema en la fase de fabricación del dispositivo, teniendo en cuenta que la tensión umbral se debe a: El espesor del SiO2: A más espesor,

menos campo aplicado.

A los espacios de registro de la puerta.

El contacto de puerta, en su fabricación, no cubre el 100% de la capa, por lo que baja su efectividad. Para reducir la tensión umbral del dispositivo, hemos de atacar estos dos conceptos, en la fase de fabricación de estos dispositivos, por ejemplo, mediante fabricación con la técnica SATO. Además, los dispositivos MOS, presentan otro problema: las capacidades asociadas al contacto de puerta y los contactos de drenador y surtidor por el hecho de estar solapados. Esta capacidad, introduce cortes o polos a altas frecuencias. Si disminuimos las capacidades, el transistor, podrá trabajar a más altas frecuencias, sobre todo dirigido para aplicaciones digitales y computacionales.



rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/MOSFET.html


4/4

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Ayuda

El transistor de Unijuntura (UJT)


Este dispositivo se utiliza, fundamentalmente, como generador de pulsos de disparo para SCR y TRIACs. El UJT es un componente que posee tres terminales: dos bases y un emisor, tal como se muestra en la siguiente figura: En la figura se puede apreciar la constitución de un UJT, que en realidad está compuesto solamente por dos cristales. Al cristal P se le contamina con una gran cantidad de impurezas, presentando en su estructura un número elevado de huecos. Sin embargo, al cristal N se le dopa con muy pocas impurezas, por lo que existen muy pocos electrones libres en su estructura. Esto hace que la resistencia entre las dos bases RBB sea muy alta cuando el diodo del emisor no conduce. Para entender mejor cómo funciona este dispositivo, vamos a valernos del circuito equivalente de la figura siguiente:

1. 2. 3. 4. 5. 6.



1. El transistor bipolar 2. Transistores de efecto campo (FET) JFET MOSFET 3. Transisto res UJT 4. Transistores IGBT 5. Transistores de potencia Tipos de transistores según proceso de fabricación 1. 2. 3. 4. 5.


R 1 y R 2 equivalen a la resistencia de los tramos de cristal N comprendidos entre los terminales de las bases. El diodo D equivale a la unión formada por los cristales P-N entre el terminal del emisor y el cristal N. Mientras el diodo del emisor no entre en conducción, la resistencia entre bases es igual a:

Si en estas condiciones aplicamos una tensión de alimentación VBB entre las dos bases, la tensión que aparece entre el emisor y la base será la que corresponda en el circuito equivalente a R1; es decir, en el divisor de tensión se cumplirá que:

Si llamamos η=R 1/R BB, la ecuación queda: V1 = η VBB. El término η representa la relación intrínseca existente entre las tensiones V1 y VBB. Así, por ejemplo, si un UJT posee una relación intrínseca característica igual a 0,85 y queremos determinar la tensión que aparecerá entre el terminal de emisor y la base 1 al aplicar 12V entre bases, bastará con operar de la siguiente forma:

Al valor de V1 se le conoce como tensión intrínseca, y es aquélla que hay que aplicar para que el diodo comience a conducir. En nuestro ejemplo, si aplicamos una tensión de 8V al emisor, éste no conducirá, ya que en el cátodo del diodo D existe un potencial rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistoresUJT.html

1/3

positivo de 10,2V correspondiente a la tensión intrínseca, por lo que dicho diodo permanecerá polarizado inversamente. Sin embargo, si aplicamos una tensión superior a 10,9V (los 10,2V de V1 más 0,7V de la tensión de barrera del diodo D), el diodo comenzará a conducir, produciéndose el disparo o encendido del UJT. En resumen, para conseguir que el UJT entre en estado de conducción es necesario aplicar al emisor una tensión superior a la intrínseca. Una vez que conseguimos que el diodo conduzca, por efecto de una tensión de polarización directa del emisor respecto a la base 1, los portadores mayoritarios del cristal P (huecos) inundan el tramo de cristal de tipo N comprendido entre el emisor y dicha base (recordar que el cristal P está fuertemente contaminado con impurezas y el N débilmente). Este efecto produce una disminución repentina de la resistencia R 1 y, con ella, una reducción de la caída de tensión en la base 1 respecto del emisor, lo que hace que la corriente de emisor aumente considerablemente. Mientras la corriente de emisor sea superior a la de mantenimiento (Iv), el diodo permanecerá en conducción como si de un biestable se tratase. Esta corriente se especifica normalmente en las hojas de características y suele ser del orden de 5mA. En la figura de la derecha, se muestra el aspecto de una de las curvas características de un UJT. V p (punto Q1) nos indica la tensión pico que hay que aplicar al emisor para provocar el estado de encendido del UJT (recordar que V p = V1 + 0,7). Una vez superada esta tensión, la corriente del emisor aumenta (se hace mayor que I p), provocándose el descebado del UJT cuando la corriente de mantenimiento es inferior a la de mantenimiento I v (punto Q2).

Aplicaciones del UJT Una de las aplicaciones del UJT más común es como generador de pulsos en diente de sierra. Estos pulsos resultan muy útiles para controlar el disparo de la puerta de TRIACS y SCR. En la siguiente figura, se muestra el esquema de uno de estos circuitos. Su funcionamiento es como sigue: Al aplicar una tensión VCC al circuito serie R-C, formado por la resistencia variable R S y el condensador C S, dicho condensador comienza a cargarse. Como este condensador está conectado al emisor, cuando se supere la tensión intrínseca, el UJT entrará en conducción. Debido a que el valor óhmico de la resistencia R 1 es muy pequeño, el condensador se descargará rápidamente, y en el terminal de B 1 aparecerá un impulso de tensión. Al disminuir la corriente de descarga del condensador, sobre el emisor del UJT, por debajo de la de mantenimiento, éste se desceba y comienza otro nuevo ciclo de carga y descarga del condensador. Así, se consigue que en el terminal de la base 1 aparezca una señal pulsante en forma de diente de sierra, que puede utilizarse para controlar los tiempos de disparo de un SCR o de un TRIAC. Para regular el tiempo de disparo es suficiente con modificar el valor óhmico de la resistencia variable R S, ya que de ésta depende la constante de tiempo de carga del condensador. En la siguiente figura, se muestra una típica aplicación del generador de pulsos de diente de sierra con UJT para controlar el disparo de un SCR. Mediante este circuito controlamos la velocidad de un motor serie (o de cualquier otro tipo de carga: estufas, lámparas, etc) gracias a la regulación de la corriente que realiza sobre medio ciclo del SCR. Para controlar rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistoresUJT.html

2/3

la velocidad del motor, basta con modificar la frecuencia de los pulsos en dientes de sierra, lo cual se consigue variando el valor del potenciómetro RS. Proyecto realizado por: Directoras:


rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistoresUJT.html


3/3

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Transistores IGBT

Ayuda


Los IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) constituyen, desde el punto de vista de su empleo, un híbrido entre los transistores bipolares y los MOSFET para aprovechar tanto la sencillez de ataque de los últimos, como la capacidad para conducir altas corrientes y baja resistencia en conducción de los primeros. La estructura básica, así como el circuito equivalente se muestra en la siguiente figura:

1. 2. 3. 4. 5. 6.



1. El transistor bipolar 2. Transistores de efecto campo (FET) JFET MOSFET 3. Transistores UJT 4. Transistores IGBT 5. Transistores de potencia Tipos de transistores según proceso de fabricación

La estructura recuerda mucho la de un transistor MOSFET de potencia donde se utilizan obleas dopadas de Tipo N sobre las que se deposita una fina capa epitaxial. El IGBT está construido de forma casi idéntica. La capa epitaxial presenta el mismo espesor y se dopa igual que en un FET. Sin embargo, existe una importante diferencia: el material de partida es una oblea dopada Tipo P en lugar de Tipo N. La unión PN adicional, así creada, inyecta portadores (huecos) en la región epitaxial Tipo N reduciendo su resistividad y rebajando la caída de tensión en conducción.

1. 2. 3. 4. 5.


A este proceso se le conoce también por "Modulación de la Conductividad" y puede contribuir a incrementar la capacidad de conducción de corriente hasta 10 veces más. Por otro lado, la adición de esta capa Tipo P, introduce un nuevo transistor parásito que con el NPN inherente a la estructura de un MOSFET, conforma un Tiristor parásito, el cuál en caso de ser activado puede destruir al IGBT. Desde el punto de vista económico, los IGBT, al utilizar el principio de los FET tan sólo para el circuito de ataque y no el de potencia, dejando éste en manos de una estructura bipolar, reducen sustancialmente los requerimientos en cuanto a superficie de Silicio necesaria. Tenemos entonces que, para tensiones superiores a los 400V, la superficie de un IGBT es típicamente un tercio de la del MOSFET comparable. El techo de frecuencia se sitúa alrededor de los 75kHz, debido a que la corriente principal se controla con un transistor bipolar. En estos dispositivos sin embargo, se han conseguido tiempos de conmutación de 0,2 ms con muy bajas caídas de tensión, lo que les hace muy útiles en conmutaciones rápidas. La facilidad de control, similar a la de un MOSFET, unida a sus pérdidas relativamente bajas, les convierten en la elección idónea para aplicaciones de control de motores conectados directamente a la red (hasta 480 V). Para tensiones de 400 a 1200 V, los IGBT ofrecen ventajas sustanciales frente a los transistores bipolares de potencia, por lo que están sustituyendo a éstos en un amplio campo de aplicaciones. rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistoresIGBT.html

1/2

Actualmente, con la aparición de la 2ª generación de IGBTs, los fabricantes ofrecen una amplia gama de estos dispositivos, y se pueden elegir bien por su rapidez o bien por su caída de tensión en conducción; esto es muy interesante ya que permite optimizar la utilización de éstos dispositivos en función de las distintas aplicaciones. Se encuentran ya dispositivos capaces de soportar 1200 V y 400 A.



rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistoresIGBT.html


2/2

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Ayuda

Histo ria sobre los t ransistores

El transistor de potencia

Caracte rísticas del t ransistor

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:

1. 2. 3. 4. 5. 6.


Bipolar


Unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo)

Tipos de transistores

IGBT Parámetros

MOS

Impedancia de entrada

Alta Ohmios)

Ganancia en corriente

Alta (107)

Media (10-100)

Resistencia ON (saturación)

Media/alta

Baja

Resistencia OFF (corte)

Alta

Alta

Voltaje aplicable

Alto (1000 V)

Alto (1200 V)

Alta (200ºC)

Media (150ºC)

Frecuencia de trabajo

Alta 500Khz)

Baja (10-80Khz)

Coste

Alto

Máxima operación

temperatura

de

Bipolar

(1010 Media Ohmios)

(100-

(104

1. El transistor bipolar 2. Transistores de efecto campo (FET) JFET MOSFET 3. Transistores UJT 4. Transistores IGBT 5. Transistores de potencia Tipos de transistores según proceso de fabricación 1. 2. 3. 4. 5.


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 rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistoresdepotencia.html

1/9

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 baseemisor 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 sustancialmente 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 I C. 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 I C 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 :

rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistoresdepotencia.html

2/9

Cabe destacar, 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. Ejemplo 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. V CBO: tensión entre los terminales colector y base cuando el emisor está en circuito abierto. V EBO: 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 R DSon 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 di recta: 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. rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistoresdepotencia.html

3/9

Región acti va 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 (I C=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 (V CE=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 se dan en 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 rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistoresdepotencia.html

4/9

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 I C 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 rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistoresdepotencia.html

5/9

colector se anule. P or 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 han de ser menores (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 de la derecha 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 ICmax vale:

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

Sustituyendo, obtenemos:

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: rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistoresdepotencia.html

6/9

Cálculo de potencias disipadas en conmutación con carga inductiva A la derecha podemos observar la gráfica de la iC(t), VCE(t) y p(t) para carga inductiva. La energía perdida durante 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 dada por la ecuación:

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 ayuda al transistor a pasar a saturación (y por tanto reduce el ton) y otro tramo 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, el proceso ideal a seguir sería poder atacar a la base del dispositivo con una señal como la que se mostraba en la figura anterior. Para conseguir este objetivo se puede emplear el circuito de la figura que aparece a la izquierda de este párrafo.

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


7/9

Durante el semiperiodo t1, la tensión de entrada (Ve) se mantiene a un valor Ve (max). 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 constante 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 I B 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 I B (min):

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:


8/9

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 sea mayor que la del diodo D2, obtendremos que I C sea mayor que IL:

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





9/9

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Ayuda

Tipos de transistores segun fabricación


Existen millares de tipos de transistor, pertenecientes a numerosas familias de construcción y uso. Las grandes clases de transistores, basadas en los procesos de fabricación son: 1. Transistores de punta de contacto : El transistor original fue de esta clase y consistía en electrodos de emisor y colector que tocaban un pequeño bloque de germanio llamado base.El material de la base podía ser de tipo N y del tipo P y era un cuadrado de 0.05 pulgada de lado aproximadamente. A causa de la dificultad de controlar las características de este frágil dispositivo, ahora se le considera obsoleto. 2. Transistor de unión por crecimiento : Los cristales de esta clase se obtienen por un proceso de "crecimiento" partiendo de germanio y de silicio fundidos de manera que presenten uniones muy poco separadas embebidas en la pastilla.El material de impureza se cambia durante el crecimiento del cristal para producir lingotes PNP o NPN, que luego son cortados para obtener pastillas individuales. Los transistores de unión se pueden subdividir en tipos de unión de crecimiento, unión de alineación y de campo interno. El transistor del último tipo es un dispositivo de unión de alineación en que la concentración de impurezas que está contenida dentro de una cierta región de la base a fin de mejorar el comportamiento en alta frecuencia del transistor. 3. Transistor de unión difusa: Esta clase de semiconductor se puede utilizar en un margen más amplio de frecuencias y el proceso de fabricación ha facilitado el uso de silicio en vez de germanio, lo cual favorece la capacidad de potencia de la unidad. Los transistores de unión difusa se pueden subdividir en tipos de difusión única (hometaxial), doble difusión, doble difusión planar y triple difusión planar. 4. Transistores epitaxiales: Estos transistores de unión se obtienen por el proceso de crecimiento en una pastilla de semiconductor y procesos fotolitográficos que se utilizan para definir las regiones de emisor y de base durante el crecimiento. Las unidades se pueden subdividir en transistores de base epitaxial, capa epitaxial y sobrecapa (overlay). 5. Transistores de efecto de campo: El transistor de efecto de campo de unión (JFET), o transistor unipolar, fue descubierto en 1928, pero hasta 1958 no se construyó el primer transistor práctico de efecto de campo. Se puede considerar a este dispositivo como si fuese una barra, o canal, de material semiconductor de silicio de cualquiera de los tipos N o P. En cada extremo de la barra se establece un contacto óhmico, que representa un transistor de efecto de campo tipo N en su forma más sencilla. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N (desde los extremos opuestos del canal N) y se conectan externamente entre sí, se produce una puerta o graduador. Un contacto se llama surtidor y el otro drenador. Si se aplica una tensión positiva entre el drenador y el surtidor y se conecta la puerta al surtidor, se establece una corriente. Esta corriente es la más importante en un dispositivo de efecto de campo y se le denomina corriente de drenador con polarización cero (IDSS).Finalmente, con un potencial negativo de puerta denominado tensión de estrangulamiento (pinch-off) cesa la conducción en el canal.

1. 2. 3. 4. 5. 6.



1. 2. 3. 4. 5.

Introducción

Disipación té rmica Fabricación de transistores Circuito s integ rados monolíticos Otros método s de fabricación

Las técnicas de fabricación, las aplicaciones a que son destinados y las restricciones a que están sometidos dan por resultado una multitud de tipo de transistores, la mayoría de los cuales pertenecen a los grupos generales que acabamos de mencionar. Por otra rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/tiposTransistoresFabricacion.html

1/2

parte, los transistores pueden ser agrupados en familias dentro de las cuales cada uno de sus miembros es un tipo único, pero entre ellos se pueden establecer sutiles diferencias en cuanto a la aplicación, ganancia, capacidad, montaje, caja o cápsula envolvente, terminales, características de tensión de ruptura, etc. Además, el estado actual de la técnica permite tener en cuenta los parámetros del transistor en el diseño para que se adapten a los diversos equipos en condiciones de economía, en vez de diseñar el equipo basándose en los tipos disponibles de transistor. Esto da lugar a que gran número de equipos de transistores tengan características generales casi idénticas.



rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/tiposTransistoresFabricacion.html


2/2

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Ayuda

Disipación térmica


Como se ha visto en otros capítulos, la temperatura de la unión ejerce un efecto decisivo sobre el comportamiento de la misma, por lo que será éste un parámetro importante de controlar, debido a que la unión, podrá destruirse debido a un exceso de temperatura de la misma, además de que una mayor temperatura de la misma, hace variar sus características de conducción, lo que también la puede llevar a la destrucción. Es muy importante, por lo tanto, que el calor que en un funcionamiento normal se produce en la unión, pueda ser evacuado al exterior (al aire circundante) mediante el uso de disipadores, bien sea con ventilación natural (por convección) o bien mediante ventilación forzada (con ventiladores). De esta forma, el semiconductor , podrá soportar una mayor potencia, un mayor paso de corriente a través de él sin que quede destruido, además de ser más estable ante las variaciones puntuales de intensidad.

Introducción El estudio térmico de los dispositivos de potencia es fundamental para un rendimiento óptimo de los mismos. Esto es debido a que en todo semiconductor, el flujo de la corriente eléctrica produce una pérdida de energía que se transforma en calor. El calor produce un incremento de la temperatura del dispositivo. Si este incremento es excesivo e incontrolado, inicialmente provocará una reducción de la vida útil del elemento y en el peor de los casos lo destruirá.

1. 2. 3. 4. 5. 6.



1. 2. 3. 4. 5.

Introducción Disipación térmica

Fabricación de transistores Circuito s integ rados monolíticos Otros método s de fabricación

En electrónica de Potencia la refrigeración juega un papel muy importante en la optimización del funcionamiento y vida útil del semiconductor de potencia.

Propagación del calor En todo semiconductor el flujo de la corriente eléctrica produce una pérdida de energía que se transforma en calor. Esto es debido al movimiento desordenado en la estructura interna de la unión. El calor elevará la energía cinética de las moléculas dando lugar a un aumento de temperatura en el dispositivo; si este aumento es excesivo e incontrolado provocará una reducción de la vida útil del dispositivo y en el peor de los casos su destrucción. Es por ello que la evacuación del calor generado en el semiconductor es una cuestión de gran importancia para asegurar el correcto funcionamiento y duración del dispositivo. La capacidad de evacuación del calor al medio ambiente podrá variar según el tipo de cápsula pero en cualquier caso será demasiado pequeña, por lo que necesita una ayuda adicional para transferir el calor disipado mediante un dispositivo de mayor volumen y superficie conocido como disipador de calor, el cual hace de puente para evacuar el calor de la cápsula al medio ambiente.

Formas de transmisión del calor La experiencia demuestra que el calor producido por un foco calorífico se propaga por todo el espacio que lo rodea. Esta transmisión del calor puede producirse de tres formas: 1. Conducción:Es el principal medio de transferencia de calor. Se realiza por la transferencia de energía cinética entre moléculas, es decir, se transmite por el interior del cuerpo estableciéndose una circulación de calor. La máxima cantidad de rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/disipacionTermica.html

1/6

calor que atravesará dicho cuerpo será aquella para la cual se consigue una temperatura estable en todos los puntos del cuerpo. En este tipo de transmisión se debe tener en cuenta la conductividad térmica de las sustancias (cantidad de calor transmitido por unidad de tiempo, superficie, gradiente de temperatura). 2. Convección :El calor de un elemento sólido se transmite mediante la circulación de un fluido que le rodea y este lo transporta a otro lugar, a este proceso se le llama convección natural. Si la circulación del fluido está provocada por un medio externo se denomina convección forzada. 3. Radiación:El calor se transfiere mediante emisiones electromagnéticas que son irradiadas por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor a cero grados Kelvin. El estado de la superficie influye en gran medida en la cantidad de calor radiado. Las superficies mates son más favorables que las pulidas y los cuerpos negros son los de mayor poder de radiación, por este motivo se efectúa un ennegrecimiento de la superficie radiante. La transferencia de calor por radiación no se tiene en cuenta puesto que a las temperaturas a las que se trabaja, ésta es despreciable.

Parámetros que intervienen en el cálculo Para que un semiconductor disipe la potencia adecuada, hay que mantener la temperatura de la unión por debajo del máximo indicado por el fabricante. El paso de la corriente eléctrica produce un aumento de la temperatura de la unión (T j ). Si ésta se quiere mantener a un nivel seguro, debemos evacuar al exterior la energía calorífica generada por la unión. Para que se produzca un flujo de energía calorífica de un punto a otro, debe existir una diferencia de temperatura. El calor pasará del punto más caliente al más frío, pero aparecen factores que dificultan este paso. A estos factores se les denomina resistencias térmicas. Por lo tanto, aprovechando la ley de ohm realizamos la siguiente comparación eléctrica mostrada en la figura adjunta. Asemejaremos las temperaturas a tensiones, las resistencias térmicas a las resistencias óhmicas. Al igual que en un circuito eléctrico, se puede decir que:

De la figura se obtiene la expresión:

Resistencias térmicas En la siguiente figura se muestra la igualdad entre el circuito equivalente de resistencias térmicas y los elementos en un montaje real: R jc : Resistencia unión-contenedor. R cd: Resistencia contenedor-disipador. R d: Resistencia del disipador. T j: Temperatura de la unión. Tc : Temperatura del contenedor. Td: Temperatura del disipador.

: Temperatura ambiente.

Ta

Resistencia Unión-Contenedor (Rjc)

En este caso el foco calorífico se genera en la unión del propio cristal semiconductor, de tal forma que el calor debe pasar desde este punto al exterior del encapsulado. Generalmente este dato lo suministra el fabricante, y dependerá del tipo de cápsula del dispositivo. Aparecerá bien directamente o indirectamente en forma de curva de reducción de potencia. En la figura siguiente se muestra este tipo de curva. rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/disipacionTermica.html

2/6

Esta muestra la potencia en función de la temperatura del contenedor. En ella la pendiente de la recta dada es la resistencia unión contenedor. La fórmula que se utiliza para el cálculo de esta resistencia es:

Donde estos datos se obtienen de la curva de reducción de potencia, que será propia de cada dispositivo. Deberemos de tener en cuenta que P d es la dada por el fabricante y no la que disipará el dispositivo en el circuito. Normalmente T c vale 25 ºC. Si tomamos de un manual los datos correspondientes a un 2N3055 serán:

Sustituyendo estos valores en la siguiente ecuación, se obtiene el valor de la R jc :

y ésta es, precisamente, la Rjc indicada en los manuales para el 2N3055. Resistencia Contenedor-Disipador (Rcd)

Es la resistencia térmica entre el semiconductor y el disipador. Este valor depende del sistema de fijación del disipador y el componente, y del estado de planitud y paralelismo de las superficies de contacto, puesto que a nivel microscópico, solo contactan por unos puntos, quedando huecos de aire que entorpecen la transmisión del calor. También depende del tipo de material que se interponga entre ambas superficies de contacto. Los elementos que se sitúan entre la cápsula y el disipador pueden ser de dos tipos: a. Pastas conductoras de calor, que pueden ser o no ser conductoras de la electricidad. b. Láminas aislantes eléctricas que se pueden emplear conjuntamente con siliconas conductoras de calor como mica, kelafilm, etc. También las hay conductoras de calor que no precisan pasta de silicona. El tipo de contacto entre cápsula y disipador podrá ser: Directo. Directo más pasta de silicona. Directo más mica aislante. Directo más mica aislante más pasta de silicona. El valor de esta resistencia térmica influye notablemente en el cálculo de la superficie y longitud que debe disponer la aleta que aplicaremos al dispositivo a refrigerar. Cuanto más baja es R cd menor será la longitud y superficie de la aleta requerida. Por ejemplo, para una cápsula TO.3 se tiene que con contacto directo más pasta de silicona la R cd = 0,12 ºC/W, que con contacto directo R cd = 0,25 ºC/W, que con contacto directo más mica y más pasta de silicona R cd = 0,4 ºC/W, y que con contacto directo más mica R cd = 0,8 ºC/W. Por lo tanto podemos decir, que cuando no sea necesario aislar el dispositivo, el tipo de contacto que más interesa es el directo más pasta de silicona, ya que da el menor valor de R cd y si hubiese que aislar con mica interesa montar mica más pasta de silicona ya que la R cd es menor que si se monta solo con mica. Por ello podemos obtener la siguiente conclusión: La mica aumenta la R cd mientras que la pasta de silicona la disminuye y como se ha dicho cuanto más pequeña sea la R cd menor superficie de aleta refrigeradora. Resistencia del disipador (Rd)

Representa el paso por convección al aire del flujo calorífico a través del elemento disipador. Este dato será, en la práctica, la incógnita principal de nuestro problema, rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/disipacionTermica.html

3/6

puesto que según el valor que nos de el cálculo, así será el tipo de aleta a emplear. Depende de muchos factores: potencia a disipar, condiciones de la superficie, posición de montaje y en el caso de disipadores planos factores como el grosor del material y el tipo de encapsulado. Para el cálculo de la resistencia se pueden utilizar las siguientes fórmulas:

Este valor de R ja no es el que da el fabricante ya que éste la suministra sin disipador, y la que hay que utilizar es con disipador. El fabricante la facilita como suma de R jc y R ca puesto que ignora el tipo de disipador que utilizaremos. Una vez calculada la R d se pasa a elegir la aleta refrigeradora. Para la elección de la aleta, habrá que tener en cuenta que el tipo de encapsulado del dispositivo a refrigerar sea el adecuado para su montaje en la aleta disipadora que se haya elegido. Después de cumplir la condición anterior hay que calcular la longitud o la superficie del disipador elegido. Para ello es necesario disponer de uno de los dos tipos de gráficas que ofrecen los fabricantes de disipadores, la R d-longitud y la R d- superficie. Según la gráfica de que se disponga se obtendrá un valor de longitud o un valor de superficie de disipador que hay que montar para refrigerar adecuadamente el dispositivo semiconductor. Resistencia Unión-Ambiente (Rja)

Como su nombre indica es la resistencia que existe entre la unión del semiconductor y el ambiente. Con esta resistencia deberemos de distinguir dos casos, el de resistencia unión ambiente con disipador y sin disipador. Cuando se habla de resistencia unión ambiente sin disipador, nos referimos a la resistencia unión contenedor junto con la contenedor ambiente:

Este valor es suministrado por el fabricante en función del tipo de contenedor. Cuando se habla de la resistencia unión ambiente con disipador nos referimos a la suma de la resistencia unión contenedor (R jc ), la resistencia contenedor disipador (R cd) y la resistencia disipador ambiente (R d):

Este valor no es conocido ya que varía según el tipo de disipador que se utilice. El valor de R ja dependerá de los valores de R d y de R cd. Como no es un valor fijo, no existe una tabla de valores típicos.

Temperaturas Temperatura de la unión (Tj)

La temperatura máxima de la unión es el límite superior de temperatura a la que no se debe llegar y menos sobrepasar si queremos evitar la destrucción de la unión. Este dato es un valor que se suele suministrar, normalmente, en los manuales de los fabricantes de semiconductores. Si este valor no se reflejara en dichos manuales o, simplemente, no se encuentra, podremos adoptar unos valores típicos en función del dispositivo a refrigerar como los mostrados en la tabla que se expone a continuación: Dispositivo

Rango de TTjmax

de unión de Germanio Entre 100 y 125ºC de unión de Silicio

entre 150 y 200ºC

JFET

entre 150 y 175ºC

rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/disipacionTermica.html

4/6

MOSFET

entre 175 y 200ºC

Tiristores

entre 100 y 125ºC

Transistores de Unión entre 100 y 125ºC Diodos de Silicio

entre 150 y 200ºC

Diodos Zener

entre 150 y 175ºC

En algunas ocasiones, en lugar de la temperatura de la unión se suministra el OPERATING TEMPERATURE RANGE que es el rango de valores entre los que puede funcionar el semiconductor, pero que no tiene relación con la temperatura de la unión. Se debe distinguir entre la temperatura máxima de la unión permitida para un dispositivo y la temperatura real de la unión a la que se pretende que trabaje dicho elemento o dispositivo que, lógicamente, siempre será menor que la máxima permitida. El objetivo del que diseña será mantener la temperatura de la unión por debajo de la máxima. Para ello se utiliza un coeficiente (K) de seguridad cuyo valor dará una temperatura de la unión comprendida entre el 50% y el 70% de la máxima. Por lo tanto K estará comprendido entre 0,5 y 0,7. Le asignamos el valor según el margen de seguridad que queremos que tenga el dispositivo. La temperatura de la unión que se utilizará en los cálculos será:

Las condiciones de funcionamiento en función de k serán: Para valores de k=0.5.

Dispositivo poco caliente. Máximo margen de seguridad, pero el tamaño de la aleta refrigeradora será mayor. Para valores de k=0.6 .

Dimensión menor de la aleta refrigeradora sin que el dispositivo se caliente demasiado.

Para valores de k=0.7 .

Máximo riesgo para el dispositivo, máxima economía en el tamaño de la aleta refrigeradora. Este coeficiente de seguridad exige que la aleta se sitúe en el exterior.

Temperatura de la Cápsula (Tc)

Este dato no se suministra en los manuales ya que depende del valor de la potencia que disipa el dispositivo, de la resistencia del disipador y de la temperatura ambiente. Por lo tanto sólo podemos calcularla cuando conozcamos todos los datos reflejados en alguna de las siguientes expresiones:

Temperatura del disipador (Td)

Este valor se obtiene a partir de la potencia disipada P d, de la resistencia térmica de la aleta R d y finalmente de la temperatura ambiente T a. Se calculará con cualquiera de estas expresiones:

La temperatura obtenida será siempre inferior a la temperatura de la cápsula aunque será lo suficientemente alta en la mayoría de los casos como para no poder tocar el disipador con las manos. Esto, sin embargo, no es motivo de preocupación ya que se han tomado las medidas necesarias como para que la temperatura de la unión disponga de un margen de seguridad dentro de los márgenes ya explicados. Puede suceder que la temperatura de la aleta sea bastante elevada, tanto que si se toca con un dedo notaríamos que quema. Pero en todo momento la temperatura de la unión entrará con amplio margen dentro de los límites permitidos. No obstante, si se quiere disminuir esta temperatura, solo hay que calcular de nuevo la resistencia térmica R d de la aleta, poniendo esta vez 0,5 como factor (k) necesario para determinar T j . Ello llevará a adoptar una aleta más grande, pero tanto la Tc, como la T d disminuirán como se desea. Temperatura ambiente (Ta)

En la interpretación de este dato puede haber alguna confusión ya que se puede tomar su rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/disipacionTermica.html

5/6

valor como la temperatura del medio ambiente, cuando en realidad es la temperatura existente en el entorno donde está ubicado el disipador.

Potencia disipada La potencia máxima es un dato que nos dará el fabricante. Este dato es para las mejores condiciones de funcionamiento del dispositivo, es decir, para una temperatura del contenedor de 25 ºC y un disipador adecuado. Por ejemplo, si de un determinado transistor nos dice el fabricante que puede disipar un máximo de 116 Watios, a primera vista se puede pensar que disipando 90 Watios no se corre ningún riesgo puesto que hay un margen con respecto al máximo y no se necesita disipador. Si conocemos que la temperatura de la unión es de 200 ºC y Rja de 35 ªC/W se tiene:

Esta es la máxima potencia disipable sin disipador. Se puede ver que este valor se queda muy por debajo del indicado por el fabricante. Si consideramos una aleta con una buena resistencia térmica como puede ser una de 0.6 ºC/W y unas resistencias térmicas contenedor-disipador (R cd) y unión-contenedor (R jc ) de 0.12 ºC/W y de 1.5 ºC/W respectivamente, ambos valores también bastante adecuados, se tendrá:

Si hiciéramos disipar 90 W como pretendíamos se destruiría la unión. Como se puede observar la potencia obtenida es superior a la disipable sin disipador e inferior a la que nos suministra el fabricante. Ello es debido a que el fabricante ha calculado la P dmax manteniendo la temperatura del contenedor a 25 ºC, cosa que en la práctica es imposible:

Como se ha dicho este dato de 116 W es para las mejores condiciones de funcionamiento y el fabricante debe indicar en cuales se realizó esa medida. Resumiendo, es importante saber interpretar adecuadamente los datos suministrados por el fabricante, de lo contrario pueden aparecer sorpresas desagradables. Sabemos que la máxima potencia que se puede hacer disipar a un semiconductor sin disipador viene dada por el cociente entre el incremento de la temperatura y la resistencia térmica unión ambiente:

Donde R ja es la que nos suministra el fabricante que no incluye R d. Cuando se utiliza un disipador, la resistencia térmica se divide en tres parámetros: la resistencia entre la unión y el contenedor (R jc ), entre el contenedor y el disipador (R cd) y entre el disipador y el ambiente (R d):



rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/disipacionTermica.html


6/6

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Fabricación de Transistores

Ayuda


Los transistores suelen construirse de Ge o de Si según la técnica usada. Los transistores de aleación prácticamente se usan sólo con el Ge, debido en gran parte a su temperatura de fusión mucho más baja que la del Si.

Transistores de aleación Por este procedimiento se puede realizar transistores PNP de Ge de pequeña y mediana potencia (hasta 150 W). Normalmente se parte de discos de Ge monocristalino tipo N. Se coloca en un molde de grafito, a la vez que se introducen dos bolitas del componente de la aleación que se quiere formar (para este caso In). La de mayor tamaño se coloca en la cara destinada al colector y la más pequeña para el emisor. El conjunto se introduce en un horno con una atmósfera neutra o ligeramente reductora y se realiza el proceso de vuelco. A una temperatura de 600 ºC se forma una aleación eutéctica de InGe que contiene el 24% de Ge, una vez girado el molde 90ºC. A continuación se gira dicho molde 180 ºC para la formación del emisor. Los tiempos de permanencia en cada fase determinan la profundidad de las uniones base-emisor y base-colector. Las aplicaciones más importantes de estos transistores son para baja frecuencia y conmutación media de baja potencia, así como para usos generales que no exijan rendimientos elevados.

1. 2. 3. 4. 5. 6.



1. 2. 3. 4. 5.

Introducción Disipación té rmica Fabricación de transistores

Circuito s integ rados monolíticos Otros método s de fabricación

Existe una variante para señales débiles que son las de aleación difusa. Estos son básicamente iguales a los de aleación, pero haciendo que el emisor forme en una aleación de In como Ge tipo N fuertemente dopado como muestra la figura de la izquierda. Esto es debido a que entre las dos capas de conductividades diferentes, existe un campo acelerado, disminuyendo el tiempo de tránsito.

Transistores por difusión. Técnica Mesa Sobre una oblea de Ge tipo P o Si tipo N, que constituye el colector, se difunde arsénico o boro según se trate de Ge o Si respectivamente. El emisor se obtiene por difusión (a veces aleación) de Indio para el Ge o de Fósforo para el Si. Se metalizan las conexiones y se fijan los terminales por termocompresión. Como se ha podido observar, se obtienen transistores PNP de Ge y NPN de Si. La técnica mesa reduce las superficies de unión colector-base, eliminando en gran parte la capacidad parásita asociada a esta unión (ya que normalmente está polarizado en inversa). También permite obtener un reducido espesor de base, con lo que se llega a frecuencias de corte de 500 Mhz. Además de estas características, podemos reseñar la elevada superficie de colector, con lo que sus aplicaciones se pueden enfocar hacia transistores de Radiofrecuencia (RF) de potencia. Algunos variantes más perfeccionados con métodos epitaxiales se usan para VHF y en general para conmutación rápida.

Transistores planares El nombre de planar se debe a que la superficie de la pastilla permanece plana, es decir, rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/fabricacionTransistores.html

1/2

no presenta irregularidades geométricas como los transistores de aleación, mesa, etc. El proceso comienza por la obtención de máscaras de una escala 500:1 aproximadamente, para luego reducirse a tamaño natural mediante fotolitografía. Estas máscaras van a determinar las zonas donde se han de hacer las difusiones correspondientes a cada parte del transistor, incluidas las metalizaciones. Hay que decir que las máscaras definitivas que se aplicarán a las obleas de Si, están constituidas por una multiplicidad de máscaras elementales correspondientes a un solo transistor. Es decir, que se fabrican unos 4000 transistores a la vez en la misma oblea y a continuación se separan para su encapsulación. El proceso de fabricación se va a explicar respecto a un transistor aislado, aunque como ya se ha dicho no sea fiel reflejo de la realidad. Se parte de un disco de Si tipo N, poco dopado (alta resistividad). Se procede a una oxidación global en un horno a 1200 ºC. A continuación se recubre la cara superior con una resina fotosensible, para después colocarle la máscara correspondiente e iluminarla, generalmente con luz actínica. Se ataca el disco mediante fluoruro amónico y fluorhídrico para eliminar la resina polimerizada y el óxido, donde se ha de hacer la difusión a una temperatura de 1200 ºC y se realiza una difusión de B en forma de vapor, obteniéndose la base tipo P. Se introduce vapor de agua en el horno y se forma nuevamente SiO2 para proteger la zona difundida. Para la formación del emisor se procede de la misma forma que para la base, con su máscara correspondiente y con una difusión tipo N con Fósforo o Arsénico. La pureza de la oblea inicial es muy importante, pues las dos difusiones posteriores (la de base tipo P y la de emisor tipo N) tienen que contrarrestar las impurezas que hubiera, disminuyendo por consiguiente la resistividad del material, y no se puede admitir un emisor con una resistividad demasiado baja. Para terminar, se procede a la metalización mediante la apertura de ventanas de forma análoga a la formación de la base y el emisor. Por último, se sueldan los terminales dummets de la base y el emisor por termocompresión, mientras que el colector suele ir conectada a la cápsula para obtener una mejor disipación térmica. Existe una variante de esta técnica denominada planar-epitaxial. Esta se diferencia de aquella en que se parte de una oblea de Si fuertemente dopado (menos puro) llamado sustrato, sobre la cual se hace crecer una capa epitaxial tipo N de elevada resistividad. A partir de aquí, el proceso es idéntico al planar. Con esta técnica se obtiene la ventaja de que la tensión inversa máxima que puede soportar la unión base-colector, es elevada gracias a la gran resistividad de la capa epitaxial, pero permite, a diferencia de la técnica planar, que la tensión de saturación sea pequeña gracias a la baja resistividad del sustrato, mejorando los tiempos de conmutación y la potencia útil respecto a los planares. Las aplicaciones de los transistores planares, son innumerables, como principales podemos citar transistores de señales fuerte o de potencia y VHF para los planares-epitaxiales, así como para conmutaciones rápidas. Cuando se requieren transistores de potencia para alta frecuencia, se suele aumentar la longitud de difusión del emisor adoptando estructuras interdigitadas en forma de cruz o peines como puede observarse en la figura de la derecha. Esto es debido a la elevada concentración de portadores sobre los bordes del emisor, por las elevadas densidades de corriente que ha de soportar. Los transistores de efecto campo, también se fabrican mediante la técnica planar-epitaxial, sólo que mediante un proceso distinto.



rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/fabricacionTransistores.html


2/2

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Transistores en circuitos integrados

Ayuda


Destinado a realizar una función determinada, el circuito integrado monolítico constituye un conjunto indivisible de componentes producidos simultáneamente en el curso de un mismo proceso de fabricacíon. El material de partida es una pequeña placa monocristalina de silicio de tipo p, llamada substrato, de 3 a 5 cm de diámetro aproximadamente y de 0,25 mm de espesor. Sobre ésta son creados sucesivamente todos los elementos de un cierto número de circuitos idénticos cuyas dimensiones se procura reducir por razones evidentes de economía, pero también con el fin de disminuir las capacidades parásitas. Cada circuito integrado está pues elaborado sobre una pequeña parte del substrato, precisamente sobre un "cristal" de dimensiones comprendidas entre 2*2 mm y 0,5 *0,5 mm. Una vez terminado el proceso físico de fabricación, se corta la placa original a fin de obtener los microcircuitos elementales. Entonces comienza la segunda fase de fabricación, el montaje, o encapsulación: cada circuito integrado se monta en su caja o cápsula y es provisto de sus conexiones. Desde luego, estas diferentes etapas se obtienen por una serie de manipulaciones. No se trata, pues, de técnicas fundamentalmente diferentes de las que se emplean para la realización de los transistores planares, por ejemplo. Sin embargo, hay que solventar una dificultad: la de aislar eléctricamente los componenetes individuales de un sólo y único circuito integrado. En efecto, sería totalmente inadmisible que estos componetes pudiesen ser cortocircuitados por el substrato semiconductor. Uno de los principios de aislamiento entre los componentes, que conduce a la realización de zonas de aislamiento, como veremos, está ilustrado en la siguiente figura.

1. 2. 3. 4. 5. 6.



1. 2. 3. 4.

Introducción Disipación té rmica Fabricación de transistores Circuitos integrados monolíticos

5. Otros método s de fabricación

Consideremos los dos transistores npn representados en a y realizados sobre un substrato de tipo p; su esquema eléctrico equivalente está representado en b. rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/circuitosIntegrados.html

1/3

Evidentemente el substrato está a un potencial más negativo que el de los colectores, por lo que las uniones colector-substrato constiturán diodos polarizados en sentido inverso, y por tanto bloqueados. En consecuencia, el aislamiento queda asegurado entre estos dos transistores. También existen otros métodos de aislamiento, los cuales consisten en crear zonas dieléctricas.

Fotograbado Estando recubierta la superficie de la placa con la capa de dióxido, antes de cada difusión es necesario destruir dicha capa por encima de las zonas a tratar y abrir ventanas en que quede nuevamente al descubierto el silicio. Esto se consigue mediante una operación de fotograbado que comprende siete etapas sucesivas: 1. Depósito, sobre la placa oxidada, de una película de barniz o laca fotosensible de 0,6 a 0,8 um de espesor, extendida por centrifugación. 2. Cocción del barniz a una temperatura de 90º C para endurecerla. 3. Aplicación sobre la película de barniz de una máscara (cromo sobre vidrio) cuya finalidad consiste en delimitar con rigurosa precisión la superficie y la forma de los elementos análogos que se producirán en el curso de la difusión. Las partes cromadas de la máscara, o motivos corresponden a las ventanas que se han de abrir. La máscara evidentemente contiene el mismo motivo tantas veces como circuitos integrados se fabriquen sobre la placa. 4. Aislamiento del barniz por medio de rayos ultravioleta a través de la máscara, no polimerizando ésta más que en los sitios no protegidos por los motivos confeccionados en cromo. 5. Revelado en un producto apropiado que disuelve el barniz no polimerizado y deja que subsista la laca polimerizada. El dióxido reaparece en los lugares correspondientes a las ventanas. 6. Cócción de la placa a 150º C para endurecer el barniz que subsista y hacerlo más resistente a ataque químico a que luego será sometido. 7. Abertura de las ventanas por desoxidación de las superficies correspondientes en una solución de ácido fluoridríco y de fluoruro de amonio que disuelve el dióxido dejando intacto el silicio. Es evidente que después de cada difusión que sigue a una operación de fotograbado, será necesario eleminar el barniz que quede en la placa en las inmediaciones de las ventanas. Esto se consigue por medio de solventes (tricloroetileno, acetona, etc.) o ácidos (sulfúrico, nítrico, etc.) de acuerdo con la naturaleza del barniz.

Realización de los cricuitos monolíticos Ahora vamos a exponer las diversas operaciones sucesivas de fabricación de los circuitos integrados. Desde luego, el esquema simplificado que presentaremos relativo a la fabricación de un transistor npn es susceptible de muchas variantes en la práctica. En la placa de silicio, de tipo p se obtiene por crecimiento una capa epitaxial de silicio n. Después es oxidada la placa en toda su superficie, y recubierta con un barniz fotosensible. Sobre el barniz, previamente insolado, se aplica una máscara que representa con extremada precisión el dibujo que se desea obtener. En el proceso de fotograbado descrito, el barniz no insolado se disuelve, y quedan abiertas las ventanas en la capa de óxido. Luego se elimina el resto del barniz. Estas ventanas corresponden a lo que van a constituir las zonas de aislamiento, es decir, las uniones inversamente polariadas que separan los componentes elementales. En un primer tiempo se deposita una capa de boro destinada a crear una zona p fuertemente dopada en la superficie de las ventanas abiertas por el fotograbado. A esto sigue la difusión del aislamiento propiamente dicho, en el curso de la cual penetra el depósito p en las ventanas hasta una profundidad que debe ser superior a la de la capa epilaxial. Así se crea un conjunto de zonas de aislamiento separadas entre sí por uniones pn que se polarizarán en sentido inverso para aislar los elementos situados en zonas de aislamiento diferentes. Cada ventana es pues un fragmento de silicio n completamente rodeado de silicio de tipo p. Durante la difusión del aislamiento, operación que puede durar varias horas, se forma una nueva capa de óxido en la superficie, en virtud de un fenómeno de reoxidacción propio de toda difusión. rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/circuitosIntegrados.html

2/3

Una segunda operación de fotograbado, seguida de la abertura de nuevas ventanas en la capa de oxido, permitirá la difusión simultánea de todas las bases de los transistores, así como eventualmente la de resistencias. A continuación se procede a la operación de difusión en una profundidad del orden de 2 a 5 um. Esta difusión constituye la fase más crítica de fabricación; en efecto, los valores de las resistencias obtenidas son función de su geometría y de la resistencia de la capa correspondiente a la zona difundida. Son pues las características físicas de los elementos activos las que determinan a su vez las características de los elementos pasivos. Para obtener los valores deseados de las resistencias, sólo es posible actuar sobre las características geométricas de éstas, para lo que si es necesario, se recurre a darles una forma acodada. En la operación siguiente de fotograbado se abren ventanas en la capa de dióxido, en los emplazamientos o lugares previstos, para que se produzcan simultáneamente los emisores de los transistores y las zonas n+ fuertemente dopadas que se utilizarán para establecer los contactos, de modo que se evite el efecto rectificador metalsemiconductor. La conductividad n requerida se obtiene por depósito y después por difusión del fósforo con una fuerte concentración en superficie y una profundidad de difusión de 2 a 5 um para las uniones emisor-base de los transistores. Esta difusión se puede emplear también para la producción de condensadores difundidos. Estando ahora prácticamente terminados sus circuitos, sólo falta preparar los contactos en los diferentes terminales o bornes del montaje y las interconexiones. La cuarta operación de fotograbado va seguida, pues, de la abertura de las ventanas que corresponden a los contactos que se han de establecer, y después se recubre toda la superficie de la placa con una capa de aluminio de 1 a 2 um. Esta operación se realiza en una cámara de vacío, en la cual se calienta la placa a la temperatura de + 200º C. Por último, se deja subsistir el aluminio en las superficies necesarias para los contactos o para las interconexiones y se elimina el resto. Este resultado se obtiene en una quinta y última operación de fotograbado seguida de un ataque por ácido ortofosfórico. A continuación se introduce la placa en un horno de aleación en donde se calienta a 550º C aproximadamente, con lo que se aumenta la adherencia del alumnio al silicio.



rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/circuitosIntegrados.html


3/3

Tutoriales

Animacion es

Prácticas guiada s


Autoevaluació n

Ayuda

Otros métodos de fabricación de transistores

Historia sobre los transistores Caracte rísticas del t ransistor

Adherirse a los requerimientos para una mínima complejidad en los procesos, a menudo obliga a bastantes compromisos restrictivos en los dispositivos y características de circuitos, siempre que los métodos de fabricación adicionales sean compatibles con el proceso básico, pueden ser aprovechados y por tanto se pueden introducir adicionalmente hasta cierto grado de libertad, permitiendo estos al diseñador mejorar la ejecución de circuitos. Comenzaremos discutiendo las alternativas del método de aislamiento por difusión de una unión. Aquí los beneficios no sólo son de mejora de características, sino también de disminución de tamaño y por tanto un incremento de la densidad de componentes. Después consideraremos las alternativas para la difusión de componentes en un único cristal monolítico. Están descritas y discutidas las modificaciones de los procesos de difusión y las técnicas de implantación iónica. Se describen los recursos alternativos para los monocristales monolíticos en términos de recursos compatibles de película fina. Finalmente se discuten los métodos de interconexión, incluyendo técnicas "beam-lead".

Métodos de aislamiento El aislamiento convencional por difusión de una unión p-n tiene las siguientes desventajas:

1. 2. 3. 4. 5. 6.




1. El tiempo necesario para la difusión del aislamiento es considerablemente más largo que cualquiera de las otras difusiones. 2. Como la difusión lateral es importante durante la difusión de aislamiento, un espacio considerable debe de usarse para las regiones de aislamiento. Puesto que las difusiones de aislamiento suceden en la periferia de las regiones aisladas, el área usada con el fin de aislar es una importante porción del área del chip. Esta área de aislamiento debe considerarse utilizada en lo que interesa a densidad de componentes. 3. La relativa profundidad de las caras laterales y lo extenso del área de las regiones aisladas contribuyen a importantes capacidades parásitas que degradan las características del circuito. Note que no sólo las paredes laterales del aislamiento, sino que además el fondo del substrato epitaxial de la unión de las regiones aisladas contribuye a las capacidades parásitas. El substrato epitaxial de la unión debe, por tanto, considerarse como parte del método de aislamiento. Diversos métodos de aislamiento han sido desarrollados para evitar el uso de una difusión de aislamiento. Estos son el método Fairchild Isoplanar II, el proceso Raytheon V-ATE y el Proceso Motorola Multiphase Memory. Todos ellos evitan las dificultades de las grandes áreas y de las capacidades de las caras laterales, pero a pesar de esto sufren las capacidades del substrato epitaxial. Un proceso conocido de aislamiento de dieléctricos evita este último problema.

El proceso Isoplanar II La fabricación de los transistores n-p-n epitaxiales de difusión doble por el proceso Isoplanar II comienza, como en el proceso básico; por una capa enterrada (buried-layer) y el crecimiento de una capa epitaxial como se muestra en la figura de abajo. A continuación se deposita una capa de Si 3 N4 sobre la cara de la oblea y una fotorresistencia es usada para quitar el Si3 N4 de las áreas donde se va a aislar. Se utiliza rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/otrosMetodos.html

1/7

ahora un ataque con ácido para quitar el silicio como se muestra en la figura. Se hace crecer térmicamente dióxido de silicio para llenar las regiones que han sido atacadas. El Si3 N4 evita el crecimiento del óxido en las otras partes de la oblea. Una difusión es realizada para el contacto del colector y se quita el Si3 N4 dejando la oblea como aparece en la figura. Note que el óxido aislante no solo se usa para aislar el transistor sino además para separar la región del contacto del colector del resto del dispositivo. Esto ha hecho eliminar los espacios que ordinariamente tendrían que ser dejados cuando el emisor se difunde en la región de base. A partir de este punto el proceso es similar al proceso básico; el dispositivo completo está en la figura. La reducción de la geometría de las caras que acompaña el proceso Isoplanar II, puede verse en la figura de abajo . Puesto que la región de base está enteramente rodeada por óxido en lugar del material epitaxial del colector, no hay peligro de desajustes causando un corto en la superficie de la unión base-colector o en el solapamiento de la difusión del emisor y material del colector. Los únicos espacios que deben observarse son aquellos entre el emisor y la región de contacto de base. La doble franja de base del dispositivo de la figura (a) ocupa menos de la mitad del área del dispositivo convencional de la figura (b). Con los mismos procesos y dificultades litográficas. Si bien el proceso Isoplanar II es compatible con el proceso básico, tiene la desventaja de requerir material epitaxial fino a fin de que las regiones atacadas que tienen que ser llenadas con óxido no sean demasiado hondas y de requerir mucho tiempo de oxidación. Este proceso se ha mostrado muy prometedor para memorias de gran escala, donde la alta densidad de componentes es muy importante.

El proceso V-ATE El proceso V-ATE (ataque vertical anisotrópico) hace uso de una técnica de ataque preferencial, la cual ataca 30 veces más rápido a lo largo del plano del cristal 100 que a lo largo del plano 111. Si la oblea usada tiene una cara 100, atacando el silicio queda abierta una ventana en forma de ranura en V, como se muestra en la figura (abajo). La naturaleza preferencial del ataque es la causa para que forme un ángulo de 54º con la superficie. Puesto que el ángulo es fijado, la profundidad de la ranura está determinada por la anchura de la apertura en la superficie. No hay penetración por debajo del óxido. En el ataque ordinariamente uniforme, si diversos canales de profundidad micrométrica son atacados y se deposita metal sobre ellos, sucederán burbujas en el metal a causa del corte de las paredes de los canales. Es por esta razón que regiones atacadas deben ser rellenadas con óxido en el proceso Isoplanar II. No obstante en el caso de la ranura V el ángulo de la ranura provee una pendiente suficiente a las paredes para permitir la deposición del metal sin que se produzcan burbujas. El proceso V-ATE comienza con la difusión de la capa enterrada y el crecimiento del estrato epitaxial como en el proceso básico. Seguidamente la región de base es difundida como se muestra en la figura (abajo). Son abiertas ventanas para las ranuras de aislamiento en el óxido y las ranuras son atacadas. Puesto que no hay nada en este método análogo a la difusión lateral de la región de aislamiento del proceso básico, las ranuras aislantes ocupan muy poco espacio. El óxido es ahora quitado y un sandwich de Si3 N4-SiO2 se deposita. rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/otrosMetodos.html

2/7

Se abren ventanas para el emisor y el colector y se realizan las correspondientes difusiones. Posteriormente se abre la ventana de la base. Se usa un tipo de terminales sobre los bordes de la tableta de interconexión metálica del sistema. Este diseño consiste en tres capas de metalTitanio, platino y oro y se usa porque permite el cierre de los espacios con un modelo metálico bien definido, necesario para geometrías pequeñas. En el V-ATE, se emplean dos capas en el proceso de metalización; el primero es empleado para hacer el fino, requiere estrechas líneas para contacto en la pequeña geometría del dispositivo. Se deposita entonces un estrato de óxido y el segundo estrato de metalización se deposita encima del óxido. El segundo estrato de metal es galvanizado de doble espesor que el primero y es usado para aquellas interconexiones que deben llevar más corriente. Como puede verse de la discusión anterior, el proceso V-ATE requiere muchos pasos y tiene un complicado esquema de metalización. Una ventaja del proceso de metalización es que es compatible con los requerimientos para la fabricación de diodos de barreraSchottky.

El proceso Multifase Motorola El proceso multifase motorola, conocido además como VIP, hace uso de una ranura en V formada por ataque anisotrópico como en el caso del V-ATE. Sin embargo, el proceso motorola es más simple. Después que las ranuras han sido atacadas para el aislamiento, se hace crecer un estrato de óxido estándar. Las ranuras son entonces rellenadas hasta la superficie, no con óxido, sino al contrario con silicio policritalino crecido por métodos epitaxiales estándar. El metal es aluminio; una sección transversal de la oblea completa aparece en la figura de abajo. Este proceso tiene la ventaja de lo simple del comienzo como el V-ATE y de retener la superficie plana característica del Isoplanar II. Aunque el metal puede ser depositado sobre las ranuras en V, como fue previamente apuntado, la seguridad de las interconexiones metálicas está mejorada si la superficie es plana.

Aislamiento dieléctrico El proceso básico de aislamiento dieléctrico comienza con una oblea de tipo n que tenga la resistividad seleccionada normalmente para el estrato epitaxial tipo n en el proceso estándar. Las difusiones de la capa enterrada son realizadas en el sitio deseado y los canales son ahora abiertos hasta una profundidad de aproximadamente 8 micras. Se hace crecer el óxido sobre toda la superficie de la oblea. Después se hace crecer un estrato de silicio de estrictamente unas milésimas de pulgada de espesor sobre la cara por los métodos epitaxiales estándar. Puesto que el silicio crece sobre el estrato óxido, al contrario que sobre la oblea, de silicio, será policristalino. Sin embargo, como se verá, solo tiene la función de proveer los dispositivos para el soporte mecánico; este hace el papel de substrato. El montaje entero se vuelve sobre si y la cara trasera de la oblea tipo n es pulida hasta que la profundidad que había originalmente en los canales atacados se alcance. Los restos que hay son islas de la oblea n original rodeadas de óxido y silicio policristalino. El proceso de difusión estándar es ahora utilizado para difundir la base y rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/otrosMetodos.html

3/7

emisor centro de estas islas, y las ventanas de contactos y encapsulamiento son realizadas de la manera usual, el material policristalino forma un sustrato, y las islas de material n son rodeadas, sobre el fondo así como en las caras, por óxido. Ya que el óxido usualmente es más grueso que la región de deslexión de la unión del substrato, y puesto que la permitividad dieléctrica del óxido es un tercio de la del silicio, las capacidades parásitas son fuertemente reducidas. Además, el aislamiento no envuelve a ninguna unión, de manera que se eliminan los problemas de polarización usuales de los aislamientos convencionales. Además el sistema de aislamiento es menos susceptible a la degradación por radiaciones, puesto que la unión no está envuelta. Este método de aislamiento utiliza pasos extra y es dificultosa la realización de la operación de pulido con la precisión que se requiere. El aislamiento dieléctrico es por ésto usado solo en casos en que se necesitan bajas capacidades parasitas y fuertes radiaciones.

Transistores PNP En muchos circuitos, notablemente circuitos de polarización y circuitos lógicos, es deseable o esencial tener disponible un transistor PNP, preferiblemente uno cuyas características complementen a las del dispositivo NPN. Es difícil conseguir una estructura complementaria PNP sin añadir una serie de pasos adicionales, pero si el diseñador se inclina por disminuir el requisito para las características complementarias, pueden conseguirse dispositivos razonables P NP sin pasos extra. Consideramos primero el proceso extra requerido para los dispositivos PNP compatibles.

Transistores P NP de triple difusión La estructura del PNP triple difundido es quizás la estructura compatible más obvia. Mientras que hay muchos caminos para hacer circuitos integrados. Con transistores PNP usando múltiples capas profundas, selectivas capas epitaxiales y complicados pasos de difusión adicionales, la estructura del PNP triple difundido es muy similar a la estructura NPN doble difundida. Una difusión p adicional es usada para formar al emisor PNP . Esta PNP es doblemente aislada una vez por la oblea de sustrato tipo p y difusiones de aislamiento y otra vez por la capa epitaxial tipo n, de modo que todo PNP triple difundido en un circuito dado, podría ser colocado en la misma región de aislamiento. El principal problema en la fabricación de triple difusión es la concentración de superficies cada vez más alta, a lo largo de los tres pasos de la difusión. Es difícil controlar la difusión del fósforo, la cual forma el emisor del transistor NPN por causa de efectos de difusión anormales que se presentan con el fósforo. La segunda difusión tipo n debe por tanto tener una concentración de superficie muy fuerte; de hecho, no es siempre posible conseguir una estructura trabajable, la cual no requiera excesivamente la solubilidad sólida del difuso p. Existe también un problema considerable en los tiempos y temperaturas de difusión específicos en orden a conseguir la estructura deseada. A causa de la total compensación de impurezas necesarias para un transistor triple difundido bueno, la vida de los huecos en la base de los PNP será pequeña. La movilidad será también baja en el emisor y en la base. Finalmente, a causa de las fuertes concentraciones involucradas, la eficiencia del emisor en dispositivos de triple difusión es pobre. Para aliviar algunos de los anteriores problemas deberíamos escoger valores pequeños de concentración de la primera p de difusión para obtener concentraciones más bajas en las sucesivas difusiones. La dificultad inherente en el diseño entre reducción del nivel de impurezas y diseño PNP es que una superficie tipo p ligeramente dopada podría rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/otrosMetodos.html

4/7

invertirse, produciendo un canal conductor tipo n que cortocircuite la región p. En el transistor NPN la superficie invertida cortocircuitaría colector y emisor, mientras que en el PNP cortocircuitaría la base y la región de aislamiento. Hay siempre la posibilidad para transistores MOS de acción parásita, particularmente en circuitos donde las superficies están ligeramente dopadas o donde altos voltajes aparecen sobre la interconexión metálica. La canalización puede ser terminada difundiendo anillos de protección rodeando completamente todas las regiones p. El anillo protector en la triple difusión p-n-p-n-p-n compatible con estructura puede ser fácilmente usando la tercera difusión p+. Desde la precedente discusión, da la impresión de que el transistor de estructura triple difundida tiene serias dificultades de diseño y fabricación, las cuales no compensan las mejoras que podríamos obtener. Los transistores de triple difusión también tienen el inconveniente de tener gran tamaño, grandes capacidades parásitas y bajas tensiones de ruptura. Así el transistor de estructura de triple difusión tiene limitada aplicación para circuitos integrados.

Transistores verticales PNP Hemos visto ya que existe un transistor PNP parásito entre la base, colector y sustrato del dispositivo del NPN standard. Es difícil hacer este transistor complementario y es una desventaja adicional que el colector es el sustrato, el cual estará conectado a la tensión más negativa. Esta desventaja limita seriamente la aplicabilidad del dispositivo en circuitos. De cualquier modo, existen algunos casos, tal como seguidor por emisor, donde un sustrato PNP puede ser empleado. La sección transversal del sustrato PNP está mostrada en la figura . Por la inspección de esta figura pueden deducirse diferentes razones para la producción de transistores de sustrato complementario PNP. Primero, el ancho de la base es la diferencia entre la profundidad de la unión de colector del PNP y la profundidad de la unión del sustrato. Para una capa epitaxial de 8 µm de espesor, la anchura de la base será aproximadamente de 6 µm. Cuando comparada con la anchura de base típica de 0.5 µm para los NPN, estos 6 µm parecen intolerablemente grande, ya que el factor de transporte depende del cuadrado de la anchura de la base. Sin embargo, el problema es mitigado en parte por el hecho de que el material epitaxial no ha sido compensado, y por consiguiente tiene razonables buenos valores de longitud de difusión y tiempo de vida media. Longitudes de difusión del orden de 30 µm pueden ser fácilmente conseguidas; por ello, valores de 50 para la B son accesibles. Si bien esto es aún mucho más bajo que los valores típicos para los NPN, es todavía suficientemente elevado para obtener características razonables. La anchura de base del sustrato PNP puede por supuesto, ser reducida por el uso de material epitaxial más delgado. De cualquier modo, esto compromete al comportamiento del NPN, por que el material del colector del NPN, puede ser completamente vaciado incluso por tensiones inversas de colector bajas, resultando la perforación del colector. Al mismo tiempo, la resistencia de colector del NPN aumentará. El segundo factor degradante del rendimiento del PNP viene por la relativa alta resistividad del colector. Esta capa epitaxial típica tiene una resistencia de hoja de 1250 ohmios por cuadrado. La región bajo la difusión p, siendo sólo 6 µm de espesor tiene una resistencia de hoja de 1660 ohmios por cuadrado. De este modo, la resistencia de base lateral del dispositivo debe ser considerablemente mayor que la del NPN. Un tercer factor degradante del rendimiento del PNP es el aumento de la resistencia de base. El estrechamiento de corriente se fijará a niveles mucho más bajos que para el paso del dispositivo NP N. Esto significa que para dispositivos NP N y PNP de tamaño comparable, el decrecimiento de B con Ic, empezará a valores mucho más pequeños de Ic para el PNP, que para el NPN.

El transistor PNP lateral La restricción impuesta sobre el circuito por el uso del substrato de colector de un p-n-p puede ser quitado haciendo un p-n-p lateral, cuya sección transversal y superficie geométrica son expuestos en la figura siguiente.

rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/otrosMetodos.html

5/7

Parametros Del Transistor

Recommend Documents