TRANSISTOR

CONCEPTO

El Transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción en inglés de “transfer resistor” (resistencia de transferencia). Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los enseres domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadores, reproductores de audio y vídeo, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, celulares, etc.

Sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos o triodo, el transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EEUU en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956.

CLASIFICACIÓN

Los transistores se clasifican por:

• Material semiconductor: germanio, el silicio, arseniuro de galio, el carburo de silicio, etc.

• Estructura: BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, "otros tipos".

• Polaridad: NPN, PNP en los BJTs;  N-canal, P-canal en los FETs.

• Potencia máxima calificación: bajo, medio, alto.

• Frecuencia máxima de funcionamiento: bajo, medio, alto, la frecuencia de radio (RF), de microondas, etc.

• Aplicación: cambiar, de propósito general, audio, de alta tensión, super-beta, par.

• Física embalaje: a través de agujeros de metal, a través de agujeros de plástico, montaje en superficie, la bola de la red matriz, módulos de potencia.

• Factor de amplificación Hfe.

Así, un transistor puede describirse como: silicio, de montaje superficial, BJT, NPN, de baja potencia, el interruptor de alta frecuencia, de propósito general.

ESTRUCTURAS DE LOS TRANSISTORES

BJT

El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica. También en algunas aplicaciones de electrónica digital como la tecnología TTL (Del acrónimo en Inglés de Transistor-Transistor Logic o "Lógica Transistor a Transistor") o BICMOS. Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta forma quedan formadas tres regiones:

• Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal.
• Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
• Colector, de extensión mucho mayor.

La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, que por ser muy angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de operación: estado de corte, estado de saturación y estado de actividad.

JFET

El JFET (Junction Field-Effect Transistor, en español transistor de efecto de campo de unión) es un circuito que, según unos valores eléctricos de entrada, reacciona dando unos valores de salida. En el caso de los JFET, al ser transistores de efecto de campo eléctrico, estos valores de entrada son las tensiones eléctricas, en concreto la tensión entre los terminales S (fuente) y G (puerta), VGS. Según este valor, la salida del transistor presentará una curva característica que se simplifica definiendo en ella tres zonas con ecuaciones definidas: corte, óhmica y saturación.

Físicamente, un JFET de los denominados canal n está formado por una pastilla de semiconductor tipo P en cuyos extremos se sitúan dos patillas de salida (drenador y fuente) flanqueada por dos regiones con dopaje de tipo N en las que se conectan dos terminales conectados entre sí (puerta). Al aplicar una tensión negativa (en inversa) VGS entre puerta y fuente, las zonas N crean a su alrededor sendas zonas en las que el paso de electrones (corriente ID) queda cortado, llamadas zonas de exclusión. Cuando esta VGS sobrepasa un valor determinado, las zonas de exclusión se extienden hasta tal punto que el paso de electrones ID entre fuente y drenador queda completamente cortado. A ese valor de VGS se le denomina Vp. Para un JFET canal p las zonas p y n se invierten, y las VGS y Vp son positivas, cortándose la corriente para tensiones mayores que Vp.

Así, según el valor de VGS se definen dos primeras zonas; una activa para tensiones negativas mayores que Vp (puesto que Vp es también negativa) y una zona de corte para tensiones menores que Vp. Los distintos valores de la ID en función de la VGS vienen dados por una gráfica o ecuación denominada ecuación de entrada.

En la zona activa, al permitirse el paso de corriente, el transistor dará una salida en el circuito que viene definida por la propia ID y la tensión entre el drenador y la fuente VDS. A la gráfica o ecuación que relaciona estás dos variables se le denomina ecuación de salida, y en ella es donde se distinguen las dos zonas de funcionamiento de activa: óhmica y saturación.

IGFET

Transistor de efecto de campo con electrodo de control aislado o "Insulated Gate FET" (IGFET), se caracteriza por tener el gate aislado del canal por una capa de oxido de silicio.

Actualmente se fabrican entre otros, los siguientes dispositivos IGFET:

MOSFET o "MOS" ("Metal Oxide Semiconductor FET"), cuyo nombre deriva de los tres materiales que aparecen al realizar un corte vertical en su estructura, según puede observarse en la figura.

Hasta hace poco los términos IGFET y MOS eran sinonimos.

SILICON GATE FET, difiere de MOS en que el gate es de silicio policristalino, en lugar de ser metálico. Se consigue así controlar la conductividad del canal a partir de tensiones de gate mas bajas.

SOS("Silicon On Saphire FET"), en el cual el canal semiconductor de silicio esta depositado sobre un sustrato aislante de zafiro, en lugar de un sustrato semiconductor de silicio. De esta manera se alcanzan velocidades de conmutación mas altas.

DMOS (MOS de Doble Difusión), que presenta un canal de corta longitud para permitir muy altas velocidades de conmutación, gracias al breve tiempo de transito de los portadores por el citado canal.

Una segunda clasificación tiene en cuenta la conductancia del canal cuando al gate no se le aplica ninguna tensión. Asi se tiene:

FET de Canal Normalmente Conductor o de "vaciamiento" ("Depletion FET"), que permite en las condiciones mencionadas el pasaje de corriente entre los extremos drain y source del canal, cuando entre los mismos se aplica tensión. Los JFET solo admiten este tipo de funcionamiento, que también puede darse en los IGFET. Se representa este FET por una línea llena entre los terminales D y S que simboliza la continuidad citada.

FET de Canal Normalmente Abierto, o no conductor, o de "enriquecimiento" (enhancement FET): en este FET sin tensión en el gate no circula prácticamente corriente entre los terminales drain y source al aplicárseles tensión. Se simboliza con una línea de trazos entre drain y source. La manera de representarlos es la siguiente:

Por último, por la naturaleza del canal conductor, los transistores de efecto de campo pueden ser de dos tipos:

FET de Canal P: Los portadores mayoritarios que circulan por el canal son lagunas.

FET de Canal N: Los portadores que circulan por el canal son electrones.

Un MOS de canal P o "PMOS" se indica con una flecha dirigida hacia el sustrato, señalando que el mismo es de tipo N, aunque el canal será de tipo P. Del mismo modo, un MOS tipo N o "NMOS" se indica con una flecha saliendo del sustrato.

En los circuitos digitales integrados se emplean los IGFET, que reúnen las propiedades enunciadas. En conmutación se prefiere el FET de "enriquecimiento", que conduce corriente solo cuando la tensión aplicada al gate supera cierto nivel. Con referencia a la velocidad de conmutación, los NMOS son mas rápidos que los PMOS, puesto que la movilidad de los electrones es mas que el doble de la de las lagunas.

IGBT

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia.

Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y voltaje de baja saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada e control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.

Los transistores IGBT han permitido desarrollos hasta entonces no viables en particular en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en maquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida, etc.

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 KHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energía como fuente conmutada, control de la tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.

Se puede concebir el IGBT como un transistor darlington híbrido. Tiene la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutacion de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electronica de potencia es intermedio entre los tiristores y los mosfet. Maneja más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.

Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.

POLARIDAD DE LOS TRANSISTORES

NPN

NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.

Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector.

La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

PNP

El otro tipo de transistor bipolar de juntura es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.

Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.

La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

TIPOS DE TRANSISTOR

Los transistores mas comunes son:

• Transistor de punta de contacto.
• Transistor de unión bipolar

Pero también existen otros como:

•  Transistor de Heterojunction bipolar.
• Transistor de Aleación cruce.
• Transistor Tetrode.
• Transistor Pentode.
• Transistor de Superficie barrera.
• Transistor de Micro aleación.
• Transistor de micro aleación difusa.
• Transistor Drift-campo.
• Transistores de unifunccion

MATERIALES DE FABRICACIÓN

Materiales semiconductores

Las primeras BJTs fueron hechas de germanio (Ge) y algunos tipos de alta potencia todavía están hechos con este material, otros tipos son de Silicio (Si), pero actualmente predominan ciertos materiales avanzados de microondas de alto rendimiento y las versiones ahora emplean el compuesto material semiconductor de arseniuro de galio (GaAs) y la aleación de semiconductores de silicio y germanio (SiGe). Siendo estos materiales elementales para fabricación de semiconductores (Ge y Si).

Características de los materiales semiconductores:

 

NOMENCLATURA

Todos los semiconductores tienen serigrafiados números y letras que especifican y describen de que tipo de dispositivo se trata. Existen varias nomenclaturas o códigos que pretenden darnos esta preciada información. De todas destacan tres:

• PROELECTRON (Europea).
• JEDEC (Joint Electronic Devices Engineering Council) (Estados Unidos).
• JIS (Japanese Industrial Standards) (Japon).

PROELECTRON

Consta de dos letras y tres cifras para los componentes utilizados en radio, televisión y audio o de tres letras y dos números para dispositivos industriales. La primera letra precisa el material del que está hecho el dispositivo y la segunda letra el tipo de componente. El resto del código, números generalmente, indica la aplicación general a la que se aplica. Para la identificación de estos dispositivos se utiliza la tabla siguiente:

La primera letra indica el material semiconductor utilizado en la construcción del dispositivo.

A Germanio.

B Silicio.

C Arseniuro de Galio.

D Antimoniuro de Indio.

R Material de otro tipo.

La segunda letra indica la construcción y utilización principal del dispositivo.

A Diodo de señal (diodo detector, de conmutación a alta velocidad, mezclador).

B Diodo de capacidad variable (varicap).

C Transistor, para aplicación en baja frecuencia.

D Transistor de potencia, para aplicación en baja frecuencia.

E Diodo túnel.

F Transistor para aplicación en alta frecuencia.

L Transistor de potencia, para aplicación en alta frecuencia.

P Dispositivo sensible a las radiaciones.

R Dispositivo de conmutación o de control, gobernado eléctricamente y teniendo un efecto de ruptura (tiristor).

S Transistor de aplicación en conmutación.

T Dispositivo de potencia para conmutación o control, gobernado eléctricamente y teniendo un efecto de ruptura (tiristor).

U Transistor de potencia para aplicación en conmutación.

X Diodo multiplicador (varactor).

Y Diodo de potencia (rectificador, recuperador).

Z Diodo Zener o de regulación de tensión.

La serie numérica consta:

a) De tres cifras (entre 100 a 999) para dispositivos proyectados principalmente en aparatos de aplicación doméstica (radio, TV, registradores, amplificadores).

b) Una letra (X,Y,Z), seguida de dos cifras (de 10 a 99) para los dispositivos proyectados para usos principales en aplicaciones industriales y profesionales.

Ejemplos:

BC107 Transistor de silicio de baja frecuencia, adaptado principalmente para usos generales.

BSX 51 Transistor de silicio de conmutación, adaptado principalmente para aparatos industriales.

En algunos casos, para indicar variaciones de un tipo ya existente, la serie numérica puede ir seguida de una letra:

BSX51A Transistor similar al BSX51, pero especificado para una tensión más alta.

JEDEC

En Estados Unidos se utiliza la nomenclatura de la JEDEC (Joint Electronic Devices Engineering Council) regulado por la EIA (Electronic Industries Association), fue creado en 1960 para trabajar junto con la EIA y NEMA, para proteger la estandarización de dispositivos semiconductores y luego expandido en 1970 para incluir circuitos integrados. Esta nomenclatura consta de un número, una letra y un número de serie (este último sin significado técnico). El significado de los números y letras es el siguiente:

1N Diodo o rectificador 2N Transistor o tiristor 3N Transistor de Efecto de Campo FET o MOSFET

JIS

Los fabricantes japoneses utilizan el código regulado por la JIS (Japanese Industrial Standards), que consta de un número, dos letras y número de serie (este último sin ningún significado técnico). El número y letras tienen el siguiente significado:

Numero Primera Letra Segunda Letra.

0 Foto transistor S Semiconductor A Transistor PNP de A.F.

1 Diodo, rectificador o varicap B Transistor PNP de B.F.

2 Transistor, tiristor C Transistor NPN de A.F.

3 Semiconductor con dos puertas D Transistor NPN de B.F.

F Tiristor de puerta P

G Tiristor de puerta N

J FET de canal P

K FET de canal N

Ejemplo.- 2SG150: Tiristor de puerta N