transistores
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TRANSISTORES
El transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor o MOSFET (en inglés Metal-oxide-semiconductor Field-efecto transistor) es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas.
Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales, aunque el transistor de unión bipolar fue mucho más popular en otro tiempo.
Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores MOSFET.
MOSFET
El término 'metal' en el nombre de los transistores MOSFET es actualmente incorrecto debido a que el material de la compuerta, que antes era metálico, ahora se construye con una capa de silicio policristalino.
En sus inicios se utilizó aluminio para fabricar la compuerta, hasta mediados de 1970 cuando el silicio policristalino comenzó a dominar el mercado gracias a su capacidad de formar compuertas auto-alineadas.
Las compuertas metálicas están volviendo a ganar popularidad, debido a que es complicado incrementar la velocidad de operación de los transistores sin utilizar componentes metálicos en la compuerta. De manera similar, el 'óxido' utilizado como aislante en la compuerta también se ha reemplazado por otros materiales con el propósito de obtener canales fuertes con la aplicación de tensiones más pequeñas.
MOSFET
MOSFET
Los transistores más conocidos son los llamados bipolares (NPN y PNP), llamados así porque la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante baja.
Existen unos dispositivos que eliminan este inconveniente en particular y que pertenece a la familia de dispositivos en los que existe un solo tipo de portador de cargas, y por tanto, son unipolares. Se llama transistor de efecto campo.
Físicamente, un JFET de los denominados "canal P" está formado por una pastilla de semiconductor tipo P en cuyos extremos se sitúan dos patillas de salida (drenado y fuente) flanqueada por dos regiones con dopaje de tipo N en las que se conectan dos terminales conectados entre sí (puerta).
JFET
Al aplicar una tensión positiva 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 drenado queda completamente cortado.
A ese valor de VGS se le denomina Vp. Para un JFET "canal N" las zonas p y n se invierten, y las VGS y Vp son negativas, cortándose la corriente para tensiones menores 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 drenado 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.
JFET
JFET
MESFET en inglés de campo de metal-semiconductor transistor de efecto. Es muy similar a un JFET en la construcción y la terminología. La diferencia es que en lugar de utilizar una unión pn para una puerta, se utiliza una unión Schottky (metal-semiconductor).
MESFETs se construyen normalmente en tecnologías de semiconductores compuestos que carecen de pasivación de superficie de alta calidad, tales como GaAs, InP o SiC, y son más rápidos pero más caros que los JFET MOSFET o basados en silicio.
MESFET de producción son operados hasta aproximadamente 45 GHz, y se utilizan comúnmente para las comunicaciones de frecuencia de microondas y de radar.
MESFET
Los primeros MESFETs se desarrollaron en 1966, y un año después su rendimiento extremadamente alto microondas RF frecuencia se demostró. Desde una perspectiva de diseño de circuitos digitales, cada vez es más difícil de usar MESFETs como base para circuitos integrados digitales, como la escala de integración aumenta, en comparación con la fabricación CMOS basado en silicio.
MESFET
MESFET
Los HEMT, acrónimo del inglés High electron mobility transistor (Transistor de alta movilidad de electrones), también conocidos como HFET, acrónimo de Heterostructure FET (FET de Heteroestructura, que a su vez es el acrónimo de Field Effect Trasistor, transistor de efecto de campo) o también MODFET, Modulation-doped FET (Transistor FET de dopado modulado) son un tipo de transistor de efecto de campo que incorporan una unión entre dos materiales con diferentes bandas prohibidas, una heterounión, como canal de conducción en vez de una región dopada como es generalmente el caso de los MOSFET.
La composición más habitual de estos transistores es una combinación de Arseniuro de galio, GaAs, con Arseniuro de galio-aluminio, AlGaAs; aunque existe una gran variabilidad en función de la aplicación a la que se destine.
Existen transistores que contienen Indio, que generalmente presentan mejores rendimientos a altas frecuencias, mientras que recientemente se han introducido transistores con Nitrito de Galio, GaN, que presentan mejor rendimiento en alta potencia.
HEMT
Los transistores HEMT evitan este problema mediante el uso de electrones de alta movilidad generados por la heterounión de una capa donadora de tipo N de banda prohibida ancha y altamente dopada, AlGaAs en la figura, y una capa canal de banda prohibida estrecha y no dopada, GaAs en la figura.
Los electrones generados en la fina capa de tipo N de AlGaAs caen todos en la capa de GaAs dejando completamente vacía la capa anterior debido a que la heterounión creada por dos materiales de diferente ancho de banda prohibida forma un pozo cuántico en la banda de conducción en el lado del GaAs donde los electrones se pueden mover rápidamente sin colisionar con ninguna impureza ya que esta capa no está dopada y de la que además no pueden escapar.
El efecto resultante es la creación de una capa muy fina y con mucha concentración de electrones conductores con muy alta movilidad, dando al canal una muy baja resistividad. Esta capa se la llama gas de electrones bidimensional. Como todos los transistores de efecto de campo, la tensión aplicada a la puerta (gate) del transistor modifica la conductividad de esta capa.
HEMT
HEMT
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 bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo.
El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.
IGBT
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 100 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 conmutación de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electrónica 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.
IGBT
IGBT