Está seguro. Esta acción no se podrá deshacer.
Semiconductores
La historia del transistor es una fascinante saga que abarca décadas de esfuerzo científico y avances tecnológicos. Todo comenzó en 1926 cuando Julius Edgar Lilienfeld, un físico austro-húngaro-estadounidense, patentó un dispositivo que sentaría las bases para lo que más tarde se conocería como transistor. Lilienfeld imaginó un dispositivo de efecto de campo con un electrodo de metal separado de un semiconductor por una fina capa de óxido.
Sin embargo, a pesar de su visión pionera, las limitaciones tecnológicas de la época impidieron la materialización práctica de su invención. La idea quedó en el olvido durante décadas.
No fue hasta la década de 1940 cuando los avances en la comprensión de los semiconductores y la creciente necesidad de dispositivos de conmutación y amplificación en la electrónica llevaron a un renovado interés en la investigación de dispositivos de estado sólido.
En 1947, en los Laboratorios Bell, ubicados en Estados Unidos, se produjo el gran avance. John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley, trabajando en equipo, desarrollaron el primer transistor bipolar funcional. Este dispositivo consistía en un semiconductor de germanio con electrodos conectados a cada extremo. Utilizando corrientes de base, lograron controlar el flujo de corriente entre el emisor y el colector, lo que permitió amplificar señales eléctricas. Este hito marcó el comienzo de la era del transistor.
La invención del transistor bipolar también llamado BJT "Bipolar Junction Transistor" revolucionó la industria electrónica, proporcionando un reemplazo más eficiente y compacto para los bulbos de vacío utilizados hasta entonces. Desde radios portátiles hasta computadoras, los transistores se convirtieron en los bloques de construcción fundamentales de la electrónica moderna.
Sin embargo, la búsqueda de dispositivos más eficientes y versátiles continuó. En la década de 1950, Mohamed Atalla y Dawon Kahng, trabajando en Bell Labs, desarrollaron el transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (transistor MOSFET), que se basaba en el concepto inicial de Lilienfeld. Este dispositivo presentaba una estructura más simple y ofrecía mejores características de conmutación y eficiencia energética.
El MOSFET, patentado en 1959, se convirtió en la piedra angular de la industria de semiconductores, impulsando avances en electrónica de consumo, telecomunicaciones y computación. Su diseño refinado y su capacidad para integrarse en circuitos integrados lo convirtieron en el elemento central de la revolución digital.
Desde su modesto inicio en la década de 1920 hasta su evolución en el transistor MOSFET, la historia del transistor es un testimonio del poder de la investigación científica y la innovación tecnológica para transformar el mundo y además no para. En la década de 1980 fué inventado el transistor IGBT. Este transistor se considera un híbrido entre el transistor bipolar y el MOSFET. En este caso nosotros hemos preferido colocar los transistores IGBT fuera de este apartado y tienen apartado propio.
Las principales diferencias entre los cuatro tipos de transistores son:
Los transistores bipolar, FET, MOSFET e IGBT han sido fundamentales para el desarrollo de la electrónica moderna. Se utilizan en una amplia gama de dispositivos, desde radios hasta teléfonos móviles.
Los cuatro tipos de transistores han experimentado una evolución significativa desde su invención. Las principales mejoras se han centrado en:
La explicación del funcionamiento de un transistor bilpolar es muy extensa. Las siguientes líneas expresan de forma muy, pero que muy abreviada de dicho funcionamiento.
Primeramente es necesario introducir algunos conceptos físicos del transistor y para ello comentaremos brevemente su estructura semiconductora.
El transistor bipolar consiste en un dispositivo compuesto por tres regiones semiconductoras que están separadas por uniones PN. En la figura inmediata inferior, y a la izquierda, se muestra una representación útil para analizar el transistor bipolar. Es fundamental que el dopaje de las regiones sea alternado; es decir, si el emisor es de tipo P, entonces la base será de tipo N y el colector de tipo P, lo que resulta en un transistor bipolar tipo PNP. Por otro lado, si el emisor es de tipo N, entonces la base será de tipo P y el colector de tipo N, creando un transistor bipolar tipo NPN.
La fabricación del transistor se realiza sobre un sustrato de silicio, en el cual se difunden impurezas para obtener las tres regiones mencionadas anteriormente. En la figura superior y a la derecha, se muestra el aspecto típico de un transistor bipolar real que se encuentra en cualquier circuito integrado. Sobre una base de tipo n (que actúa como colector), se difunden regiones p y n+, en las que se colocan los contactos de emisor y base.
El emisor debe ser altamente dopado (indicado como p+). Cuanto mayor sea el dopaje del emisor, más portadores de carga podrá contribuir a la corriente.
La base debe ser estrecha y poco dopada para minimizar la recombinación en ella, permitiendo que la mayor parte de la corriente del emisor pase al colector, como se verá más adelante. Si la base no es lo suficientemente estrecha, el dispositivo puede no funcionar como un transistor y comportarse más como dos diodos en oposición.
El colector debe ser una región menos dopada que el emisor, y sus características están relacionadas con la recombinación de los portadores provenientes del emisor.
Como ya hemos visto anteriormente, el transistor bipolar consta de tres terminales: el emisor, el colector y la base. Según su construcción, puede clasificarse en dos tipos: NPN y PNP. En la inferior se muestran los símbolos de circuito y la nomenclatura de sus terminales. Para distinguir entre un transistor NPN y un PNP, se observa la dirección de la flecha en el terminal del emisor: en un NPN, la flecha apunta hacia afuera del transistor, mientras que en un PNP, la flecha apunta hacia adentro. Además, en condiciones de funcionamiento normales, la flecha indica el sentido de la corriente que fluye a través del emisor del transistor.
Por lo general, se establecen ciertas tensiones y corrientes en el transistor, como se ilustra en las dos figuras inferiores. Estas definiciones son las que se emplearán en estas líneas y siguen una representación física de las mismas, ya que en condiciones normales de funcionamiento todas las corrientes y tensiones definidas son positivas. Aunque existen otras formas de indicar estas tensiones y corrientes, no se abordarán en este apartado.
Las zonas de funcionamiento de un transistor bipolar están estrechamente relacionadas con su polarización. La polarización de un transistor se refiere a la aplicación de voltajes o corrientes a sus terminales para establecer las condiciones de operación deseadas. Dependiendo de cómo se polarice el transistor, puede operar en diferentes regiones que determinan su comportamiento y características de salida. Las principales zonas de funcionamiento son:
Estas zonas de funcionamiento están estrechamente relacionadas con la polarización del transistor, que puede lograrse mediante configuraciones específicas de circuitos. Por ejemplo, en una polarización por divisor de voltaje, los resistores se utilizan para aplicar voltajes específicos a la base y al emisor, lo que coloca al transistor en la región activa. En la práctica, se diseñan circuitos de polarización para asegurar que el transistor opere de manera deseada, ya sea como amplificador lineal en la región activa o como un interruptor en la región de saturación, según la aplicación específica.
La polarización del transistor consiste en fijar el punto de trabajo del mismo dentro de una zona de trabajo en ausencia de señal de entrada. A dicha zona de trabajo la llamamos punto Q. Tipicamente este punto se encuentra en la región activa del transistor, que es donde se puede amplificar señales de manera lineal y estable. Sin embargo, es posible que el punto Q se encuentre en las zonas de corte y saturación en circunstancias específicas, aunque esto no es deseable en la mayoría de las aplicaciones.
El punto Q se establece por los voltajes y corrientes en las terminales del transistor cuando está polarizado en un circuito específico. La polarización se refiere a la aplicación de voltajes o corrientes a las terminales del transistor para establecer su punto de operación deseado.
En un transistor bipolar, la polarización se logra mediante circuitos diseñados específicamente para establecer el punto Q en un nivel óptimo. Esto asegura que el transistor opere de manera estable y lineal en la región activa, donde puede amplificar la señal de entrada de manera efectiva.
La elección de la polarización adecuada depende de varios factores, como la linealidad deseada, la estabilidad térmica y los requisitos de eficiencia del amplificador. Los circuitos de polarización, como la polarización por divisor de voltaje o la polarización por emisor común, se diseñan para establecer el punto Q de manera óptima, teniendo en cuenta las especificaciones del transistor y las necesidades del circuito.
La temperatura también influye en el punto Q y, por lo tanto, en el rendimiento del transistor. A medida que la temperatura cambia, las características eléctricas del transistor, como la ganancia de corriente β y la corriente de saturación inversa IS, pueden variar.
Estos cambios en las características del transistor pueden afectar el punto Q y, por lo tanto, el comportamiento del circuito en el que está integrado. Por ejemplo, un aumento en la temperatura puede hacer que la corriente de saturación inversa aumente, lo que puede desplazar el punto Q y afectar la estabilidad del circuito.
Para compensar los efectos de la temperatura, a menudo se utilizan técnicas de compensación térmica en el diseño de circuitos. Esto puede implicar el uso de componentes con coeficientes de temperatura complementarios o el diseño de circuitos que minimicen los efectos de la variación de temperatura en el punto Q .
En resumen, el punto Q está estrechamente relacionado con la polarización del transistor y la temperatura. Establecer un punto Q adecuado es esencial para garantizar el funcionamiento óptimo y estable del transistor en un circuito electrónico, especialmente en condiciones variables de temperatura.
El funcionamiento del transistor bipolar se puede explicar utilizando la ecuación de Ebers-Moll, que describe las corrientes de portadores de carga (electrones y huecos) en un transistor bipolar. La ecuación de Ebers-Moll es una descripción simplificada del comportamiento del transistor y se basa en la teoría de transporte de carga en semiconductores.
La ecuación de Ebers-Moll para un transistor bipolar de tipo NPN es:
| Ic=IS * (eVBE/VT -1) - αR IS * (eVBC/VT -1) |
| IE = ßF IC + ßR IB |
Donde:
| Ic | es la corriente de colector |
| IE | es la corriente de emisor |
| IB | es la corriente de base |
| VBE | es el voltaje entre la base y el emisor |
| VBC | es el voltaje entre la base y el colector |
| IS | es la corriente de saturación inversa del emisor |
| VT | es el voltaje térmico |
| βF y βR | son las ganancias de corriente directa e inversa, respectivamente |
| αR | es la ganancia de corriente inversa |
El voltaje térmico VT vendría definido por K*T/q ; siendo K la constante de Boltzmann, T la temperatura en grados Kelvin y q la carga del electrón. Por tanto, es una constante relacionada con la temperatura absoluta del semiconductor y la carga del electrón. Su valor típicamente se sitúa alrededor de 25 o 26mV a temperatura ambiente (aproximadamente 300º Kelvin. Se le conoce también como voltaje de la unión base-emisor en los transistores bipolares.
El voltaje térmico es fundamental para describir el comportamiento del transistor. Es una cantidad esencialmente relacionada con la energía térmica de los portadores de carga (electrones y huecos) en el semiconductor. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía térmica de los portadores de carga y, por lo tanto, mayor será el voltaje térmico.
En la ecuación de Ebers-Moll, el término de voltaje térmico VT, aparece en el exponente de la función exponencial que describe la relación entre el voltaje VBE y la corriente de colector Ic. Este término refleja cómo el flujo de portadores de carga entre la base y el emisor varía con la temperatura. En resumen, el voltaje térmico define la sensibilidad del transistor a los cambios en la temperatura y afecta directamente su comportamiento y características de operación.
A temperatura ambiente, la ecuación de Ebers-Moll se puede simplificar mediante varias aproximaciones. La más común es la asunción de que el término exponencial eVBC/VT es aproximadamente igual a e0 debido a que VBE es relativamente pequeño en comparación con VT . Esto es válido en la mayoría de los casos típicos de operación de un transistor bipolar a temperatura ambiente..
Por lo tanto, a temperatura ambiente, la ecuación de Ebers-Moll se puede simplificar de la siguiente manera:
Ic∼IS (e0 -1) - αR IS * (eVBC/VT -1)
Ic∼ - αR IS * (eVBC/VT -1)
Esta simplificación se utiliza comúnmente en análisis y diseño de circuitos de transistores bipolares a temperatura ambiente, donde VBE es mucho menor que VT. Sin embargo, es importante recordar que esta simplificación es una aproximación y puede no ser válida en todos los casos, especialmente en aplicaciones donde se requiera alta precisión.
En la imagen inferior se muestran la gráfica de un transistor bipolar.
La corriente de colector depende de la corriente en la base, que a su vez depende de la tensión base-emisor. Tenemos dos zonas límite. Por un lado en la zona inferior y con trazos azules tenemos marcada la zona de corte, donde la corriente de coletor toma un avalor muy pequeño, próximo a ICO . Una vez superada la tensión umbral, la corriente de base crece exponencialmente con el voltaje bae-emisor, obteniéndose valores elevados en la corriente de colector, hasta que se alcanza la saturación del transistor. Esta tensión umbral en un transistor de silicio es del orden de 0,5V. A partir de 0,7V ya estaríamos en la zona activa, pero llegando a unos 0,8V ya estaríamos en saturación.
Como anteriormente dijimos el punto Q, tenemos que ubicarlo dentro de la zona activa en ausencia de señal. En la figura inferior tenemos la misma curva anterior, donde ya tenemos representado el punto de trabajo (Q). La línea verde representa la recta de carga. que depende de la polarización que tenga el transistor (en ausencia de señal). Si Q está muy cerca del eje de ordenadas significa que está próximo de la región de saturación, mientras que si Q está muy cerca del eje de abcisas significa que está próximo de la región de corte. En función de la corriente de base, el transistor está en un punto de funcionamiento u otro, a lo largo de la recta de carga.
Las tres configuraciones básicas de un transistor bipolar usado para amplificar una señal son tres y se denominan en función de como se conectan los terminales del transistor (emisor, base y colector) con respecto a la fuente de señal y la carga. En la figura inferior se muestran los tres montajes:
Vamos a explorar el análisis de un componente de tres terminales que comparte muchas aplicaciones con el transistor BJT o bipolar, que ya hemos estudiado. A los dispositivos de efecto de campo se les conoce comúnmente como FET (Field Effect Transistor) y existen dos tipos principales:
JFET (Junction Field Effect Transistor) - Transistor de Efecto de Campo de Unión.
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) - Transistor de Efecto de Campo Metal - Óxido - Semiconductor.
Empezaremos nuestro estudio de estos transistores comparando algunas de sus similitudes y diferencias con los BJT. La distinción principal entre ambos radica en que el BJT es controlado por corriente, mientras que los FET son controlados por voltaje. En ambos casos, la corriente en el circuito de salida se regula mediante un parámetro del circuito de entrada, ya sea el nivel de corriente o el nivel de voltaje aplicado.
Los FETs generan un campo eléctrico que modula la conductividad del camino de salida sin requerir contacto físico entre la corriente controlada y la tensión de control. Similar a los BJT que se clasifican en tipos npn y pnp, los FETs se distinguen por ser de canal n o de canal p.
Una diferencia clave entre estos tipos de transistores es que mientras los BJT son bipolares, implicando la participación de ambos tipos de portadores (electrones y huecos) en la corriente, los FET son unipolares, dependiendo únicamente de un tipo de portador: electrones para los de canal n y huecos para los de canal p.
Un rasgo esencial de los FETs es su alta impedancia de entrada, que puede llegar a varios cientos de megaohmios, muy superior a la de los BJT, que suelen tener impedancias de entrada en el rango de kiloohmios. Esto hace que los FETs sean ideales para aplicaciones en amplificadores.
Sin embargo, los BJT son más sensibles a los cambios en la señal aplicada, lo que significa que para una misma variación en el voltaje aplicado, la variación correspondiente en la corriente de salida es mayor en los BJT que en los FET. Esto se traduce en ganancias de voltaje en alterna generalmente más altas en amplificadores con BJT que con FET.
En general, los FET son más estables térmicamente y, típicamente, más compactos que los BJT, lo que los hace especialmente útiles en circuitos integrados, especialmente los MOSFETs.
Un aspecto destacado de los FETs es su capacidad para comportarse como resistencias o condensadores, lo que permite la creación de circuitos utilizando exclusivamente transistores FET.
En el contexto de los transistores bipolares (BJT), hemos observado que la corriente que fluye del colector al emisor es directamente proporcional a la corriente que fluye de la base, lo que permite que el BJT regule la corriente. Los BJT pueden controlar una gran cantidad de corriente de salida con una pequeña corriente de entrada en la base. Por otro lado, en el caso de los transistores de efecto de campo de unión (JFET), la corriente que fluye desde el drenaje hasta la fuente está determinada por el voltaje aplicado a su puerta. Por lo tanto, es un dispositivo que se controla mediante voltaje.
El JFET es más eficiente que el BJT y puede realizar todas las funciones que puede realizar un BJT. Se emplea ampliamente en la fabricación de chips CMOS digitales debido a su eficiencia, velocidad, coste reducido y tamaño compacto.
La ilustración inferior representa a un transistor JFET de canal N, con tres terminales mostrados: drenaje, fuente y puerta. El drenaje y la fuente están conectados a los extremos del bloque semiconductor de tipo n, permitiendo que la corriente fluya del drenaje a la fuente. En este caso los dos terminales de puerta están unidos por una fina línea de puntos, lo que significa que generalmente estos dispositivos tienen estos dos terminales unidos, pero en algunos casos los dos terminales de puerta están accesibles de forma independiente. Para regular esta corriente, se crean dos regiones tipo p cerca del canal tipo n en ambos extremos, que se conectan internamente para formar el terminal de la compuerta del JFET. Estas regiones forman dos uniones p-n, generando una pequeña región de agotamiento. Al polarizar estas uniones, podemos controlar el ancho de la región de agotamiento y, por ende, la cantidad de corriente que circula desde el drenaje hacia la fuente. Esta misma estructura se invierte en el JFET de canal P.
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D = Drenador: (Drain). Es el terminal por al que salen los portadores del dispositivo (los electrones en el JFET de canal n y los huecos en el de canal p) S = Fuente: (Source). Es el terminal por el que entran los portadores. G = Puerta: (Gate). Es el terminal mediante el que se controla la corriente de portadores a través del canal. |
Consideremos que al JFET de canal N anterior le conectamos el drenaje y la fuente a un suministro de voltaje (VDS) y cortamos la puerta a la fuente como se muestra. Una corriente comienza a fluir desde el drenaje a la fuente (corriente de drenaje). Aplicando un voltaje a la puerta y a la fuente podemos controlar esta corriente.
Si incrementamos el voltaje de drenaje a la fuente aún más, las uniones pn experimentarán una mayor polarización inversa y la región de agotamiento se expandirá, tal y como muestra la siguiente imagen. En consecuencia, la resistividad del canal también aumentará. Por lo tanto, la corriente de drenaje no seguirá aumentando de manera lineal.
Podemos ver que la región de agotamiento es más ancha en el lado del drenaje y más estrecha en el lado de la fuente. Esto ocurre debido a la resistividad del bloque de canal n. Cuando se conecta una fuente de energía al bloque tipo n, la corriente de drenaje comienza a fluir, creando una caída de voltaje a través de él. Cuanto mayor sea la resistencia, mayor será la caída de voltaje. En consecuencia, el lado del drenaje se carga más positivamente en comparación con el lado de la fuente. Como resultado, la polarización de la unión se vuelve más significativa en el lado del drenaje.
Si continuamos aumentando el voltaje a través del drenaje y la fuente del JFET, habrá un punto en el que ambas regiones de agotamiento se tocarán entre sí. Esta condición se conoce como condición de pellizco. El voltaje entre el drenaje y la fuente (VDS) en este punto se conoce como voltaje de pinzamiento o tensión de pinch-off (VP). En esta etapa, no habrá flujo de corriente desde el drenaje a la fuente.
Si no hay flujo de corriente a través del canal, no habrá ningún nivel de voltaje diferente en todo el canal. Por lo tanto, la región de agotamiento cambiará su forma y su ancho será igual alrededor de las uniones, lo que permitirá que el canal se abra nuevamente y permita que la corriente de drenaje fluya otra vez.
Contrario a lo que se pensaba anteriormente, después del pellizco no se detiene completamente el flujo de corriente de drenaje. En realidad, esto representa la corriente máxima (región de saturación) que puede fluir desde el drenaje hasta la fuente. Si aumentamos aún más el VDS, la corriente seguirá siendo constante. Esta es la corriente máxima en VGS = 0 y VDS > VP, conocida como corriente de drenaje a saturación de fuente (IDSS). Estas consideraciones se invierten en el caso del JFET de canal P.
Cuando aplicamos un voltaje negativo a través de la puerta a la fuente, la región de agotamiento se amplía, incluso si el voltaje de drenaje a la fuente es constante. De esta manera, podemos controlar la corriente que fluye desde el drenaje hasta la fuente.
Según vemos la única diferencia en el simbolo de un transistor JFET N y uno P es el sentido de la flecha. Entrante para los de canal N y saliente para los de canal P.
Para su funcionamiento típico, los transistores de canal n se polarizan aplicando una tensión positiva entre el drenador y la fuente (VDS), y una tensión negativa entre la puerta y la fuente (VGS). Esto permite que la corriente circule en dirección del drenador hacia la fuente. En el caso de los JFET de canal P, la polarización requiere una tensión VDS negativa y una tensión VGS positiva. Esto hace que la corriente fluya en dirección de la fuente hacia el drenador.
| CANAL N | CANAL P |
| VDS positivo | VDS negativo |
| VGS negativo | VGS positivo |
| ID positiva (entrante) | ID negativa (saliente) |
Si ahora combinamos en un mismo gráfico el impacto que tienen ambas tensiones (VDS y VGS) en el funcionamiento del dispositivo, obtenemos lo que se conoce como curvas características del transistor JFET.
En la Figura inferior se muestran las curvas características de salida para un JFET de canal n. En estas curvas, la corriente de drenador (ID) se representa en función de la tensión drenador-fuente (VDS) para distintos valores de la tensión puerta-fuente (VGS).
Observamos que el valor de la tensión VDS para el cual la corriente de drenador entra en saturación cuando VGS = 0, a veces se representa como VP, haciendo referencia al "estrangulamiento" o "pinch-off" que ocurre en el canal. Es importante destacar que esta tensión VP puede considerarse de igual magnitud pero con signo contrario a la tensión VGSoff, una característica del dispositivo.
Por otro lado, para otros valores de VGS, el valor de la tensión VDS en el que se alcanza la saturación de la corriente de drenador se puede calcular mediante la expresión VDSsat = VGS - VGSoff, donde todas las tensiones deben considerarse con su respectivo signo. Es decir, cuanto más negativa sea la tensión VGS, más pronto se alcanzará la saturación, lo que significa que el canal se estrechará para valores menores de VDS, lo cual tiene sentido ya que una VGS más negativa significa un canal inicial más reducido.
En esta gráfica, podemos identificar cuatro zonas bien definidas:
En esta área de la gráfica, que corresponde al eje horizontal, la corriente ID es igual a cero sin importar el valor de VDS. Esto ocurre cuando los valores de VGS son menores o iguales a VGSoff, indicando que el canal está completamente cerrado.
Este comportamiento se produce cuando los valores de VDS son menores que los de saturación, es decir, cuando VDS ≤ VGS - VGSoff. En esta situación, el canal se va estrechando principalmente desde el lado del drenador, hasta alcanzar el estrangulamiento completo en VDSsat. En esta región, el transistor se asemeja aproximadamente a una resistencia variable controlada por la tensión de la puerta, especialmente para valores bajos de VDS. A medida que nos acercamos a VDSsat para cada valor de VGS, la linealidad se va perdiendo debido al estrechamiento del canal que se aproxima al cierre.
En esta zona para VDS < VDSsat, el JFET se comporta como una resistencia variable con VGS.
Esta fase ocurre cuando los valores de VDS son mayores que VDSsat. Ahora, la corriente ID permanece constante ante cambios en VDS (siendo válido el supuesto de canal largo) y solo depende de la tensión VGS aplicada. En esta situación, el transistor funciona como una fuente de corriente controlada por la tensión de puerta, VGS.
La relación entre la tensión VGS aplicada y la corriente ID que fluye a través del canal en esta fase está definida por la siguiente ecuación:
| ID=IDSS (1- (VGS/vGSoff))2 |
Para VDS > VDSsat, el JFET actúa como una fuente de corriente controlada por VGS.
Cuando una unión p-n se polariza en inversa, la zona de carga de espacio aumenta. Sin embargo, esta tensión inversa tiene un límite, conocido como tensión de ruptura, que es característica de cada unión y se proporciona generalmente por el fabricante en las hojas de especificaciones. Si esta tensión de ruptura se supera, la unión se perfora, lo que provoca la ruptura del dispositivo.
