1. HISTORIA Y FUNDAMENTOS FISICOS DEL TRANSISTOR

Una vez que se acabó la segunda Guerra Mundial se inició en los Bell Laboratories, en Estados Unidos, un programa de investigación básica sobre teoría de sólidos. Uno de los resultados de este esfuerzo fue el transistor. En esa época la teoría cuántica, es decir, la teoría física que describe los fenómenos microscópicos ya estaba bien establecida.

La teoría cuántica había abierto la posibilidad de entender las propiedades de los sólidos a partir de su estructura atómica. La dirección de los laboratorios Bell esperaba que a través de un proyecto de investigación interdisciplinaria se adquirieran suficientes conocimientos acerca de los sólidos para diseñar y fabricar materiales que se utilizaran en el desarrollo de nuevos y mejorados componentes y elementos para sistemas de comunicaciones.

Se formó el grupo para investigar los semiconductores, que estuvo integrado por los físicos Walter H. Brattain, William Schockley, John Bardeen, Gerald Pearson y el físico-químico Robert Gibney. Tanto Shockley como Barden habían estudiado a fondo la teoría cuántica mientras que Brattain había llevado un curso de posgrado en la materia.

En 1945 formaron otros grupos de estudio de semiconductores para estar al día en el campo. Se dieron cuenta de que durante la guerra se habían logrado notables avances en la utilización de los semiconductores silicio y germanio como detectores para el radar. Se había tenido que recurrir a estos semiconductores porque en el radar se empleaban señales eléctricas de muy alta frecuencia que los tubos al vacío, con todos los adelantos logrados, no podían manejar adecuadamente. En la primera parte del presente siglo ya se habían usado semiconductores (la galena, por ejemplo) como detectores de ondas electromagnéticas antes del invento del tubo al vacío. Durante la guerra varios laboratorios habían logrado progresos en la comprensión del comportamiento de los semiconductores, así como en la preparación de muestras de silicio y germanio.

Las propiedades eléctricas de las sustancias dependen del grado de libertad que tengan sus electrones. Para esto baste decir que los electrones de los átomos están acomodados alrededor del núcleo en capas, y en cada una hay un número máximo de electrones: dos en la primera capa, ocho en la segunda, 18 en la tercera, etc. Los electrones de un átomo van ocupando sucesivamente las capas, a partir de la interior, hasta llegar a agotar los electrones. Entonces, si un átomo tiene, digamos, ocho electrones (que corresponde al elemento oxígeno), dos ocupan la primera capa y los seis restantes ocupan la segunda; por lo tanto, en el oxígeno la última capa no queda completa. Se muestra un diagrama esquemático de la estructura de capas de los primeros once átomos de la tabla periódica. Así, el litio (Li) tiene solamente un electrón en su capa externa; el boro (B) tiene tres; el carbón, cuatro; el neón, ocho, o sea que queda completa. Con base a estos hechos se construye la tabla periódica de los elementos. En el siglo pasado el ruso Dimitri Mendeléev ideó esta tabla en forma empírica, y que sólo pudo ser explicada con fundamento una vez que se aplicó la mecánica cuántica a la estructura atómica en el presente siglo.

 

Estructura de las capas electrónicas de algunos átomos.

Los electrones que están en capas completas quedan fuertemente atrapados al átomo, mientras que la atracción es débil para los electrones de la última capa, si ésta no está completa; así, mientras menos electrones haya en la última capa, menor será la fuerza con la que queden atrapados. Por lo tanto, en aquellos elementos con un solo electrón en su última capa, como éste está muy débilmente unido al átomo podrá separarse de él con mucha facilidad, y así este electrón quedará disponible para que el elemento conduzca muy bien electricidad. Átomos con un solo electrón en su capa externa son el sodio, el cobre, la plata, el oro, etc., elementos que son buenos conductores de electricidad.

Los átomos que tienen capas externas llenas de electrones ejercen una fuerte atracción sobre ellos y por tanto no son buenos conductores de electricidad. Para que sirvieran a este propósito se requerirían fuerzas muy elevadas sobre los electrones externos, que implicaría aplicar voltajes muy altos a la sustancia. Los elementos que tienen sus capas externas completas son el helio, el neón, el argón, etc., llamados gases nobles.

Los átomos y moléculas son entes que tienen niveles de energía bien definidos para cada uno de ellos. El estado que tiene el valor más bajo de la energía se llama base, mientras que los estados con valores mayores de la energía se llaman excitados. A la secuencia de niveles mostrada en la figura se le llama el espectro de energía del átomo en cuestión. Distintos átomos tienen diferentes espectros de energía. En cualquier instante el átomo solamente puede tener una de las energías de sus niveles, es decir, el átomo no puede poseer una energía que tenga un valor que se encuentre entre dos valores de sus niveles. Se dice que la energía está cuantizada. Si el átomo experimenta determinado proceso es posible que cambie su energía, por ejemplo, a causa de una colisión con otro átomo, de una descarga eléctrica, de calentamiento, etc. En este caso, el átomo puede pasar del nivel de energía en que se encuentra a otro nivel, por ejemplo pasar del estado base al primer estado excitado, o al segundo, etc., pero solamente puede empezar y terminar en él alguno de sus niveles permitidos. Esto significa que en las transiciones del átomo, los cambios de energía que puede experimentar son iguales a las separaciones (ðE)1, (ðE)2 etc., que corresponden a las diferencias de las energías entre cualquier pareja de sus niveles. Así, se dice que hay una transición entre los niveles involucrados. Por otro tipo de motivos que no vienen al caso, puede ocurrir que alguna de estas transiciones esté prohibida.

 

 

Espectro de energía de un átomo.

Si la transición es de un nivel bajo a otro superior, se dice que el átomo absorbe energía (igual a la diferencia entre los valores de las energías de dichos niveles); mientras que si pasa de un nivel alto a otro más bajo, se dice que el átomo emite energía (igual a la diferencia entre los valores de las energías de dichos niveles). Lo anterior significa que un átomo solamente puede absorber o emitir energía en cantidades perfectamente determinadas, que son iguales a los valores de las diferencias de las energías entre las parejas de niveles cuyas transiciones sean permitidas.

Hasta este momento hemos hablado solamente de átomos aislados, que no experimentan ninguna fuerza. Sin embargo, cuando los átomos forman un sólido ocurren fenómenos colectivos entre ellos puesto que sus densidades son muy altas, lo que significa que están muy juntos, por lo que las fuerzas que ejercen unos sobre otros son de gran consideración; como consecuencia, los niveles de energía de los electrones se modifican considerablemente. Ahora, en lugar de tener un conjunto de valores bien precisos, se forman intervalos de energías permitidas separados por valores de energía que son prohibidos. En la siguiente figura se muestra un diagrama de la energía de un sólido hipotético. En este caso, los electrones pueden tener energías entre los valores E1 y E2, entre E3 y E4 etc. Sin embargo, no pueden tener energías entre E2 y E3. Al dominio de energías que sí pueden ser adquiridas se les llama bandas permitidas y al dominio en que no pueden tenerlas se les llama bandas prohibidas. Se dice que los sólidos tienen una estructura de bandas. Ahora bien, los electrones que tienen los átomos de un sólido van ocupando las bandas permitidas de abajo hacia arriba consecutivamente, de manera análoga a como lo hacen en átomos aislados. Una vez que se ocupa una banda, los electrones restantes, si es que los hay, empiezan a ocupar la siguiente banda permitida.

 

 

En un sólido, el espectro de energía forma bandas tanto permitidas como prohibidas.

Hay varias posibilidades, una de ellas es que los átomos de una sustancia vayan llenando las capas permitidas y que todavía queden electrones que al empezar a ocupar la última banda permitida no la llenen completamente. Los electrones que estén en la última banda incompleta podrán desprenderse de los átomos con mucha facilidad, por tanto, podrán conducir muy bien electricidad y la sustancia es, en consecuencia, un buen conductor de electricidad.

A las bandas que se ocupan completamente se les llama bandas de valencia y a las que se ocupan parcialmente se les llama de conducción.

Otra posibilidad es que los electrones de un sólido llenen completamente las bandas permitidas y al completar la última ya no haya más electrones disponibles. Por la tanto la siguiente banda permitida, que sería de conducción, queda vacía. Pueden ahora darse dos casos.

1) En el primero, la separación de ðE entre la última banda de valencia (completa) y la de conducción (vacía) es muy grande. En este caso, para que un electrón que está en la parte superior de la banda de valencia pueda pasar a la de conducción tiene que adquirir por lo menos la energía ðE, que en general es muy difícil de dar externamente. Hay varias maneras de proporcionar esta energía: por medio de un voltaje, que en nuestro caso sería extremadamente alto, o bien, aumentando la temperatura del sólido, que también tendría que ser un aumento desproporcionado. En consecuencia, los electrones quedan bien unidos a los átomos y no pueden dar lugar a una corriente eléctrica. Este es el caso de un aislador.

2) El segundo caso es cuando la separación entre la última banda de valencia (completa) y la de conducción (vacía) es muy pequeña. Si la temperatura es relativamente baja no hay electrones en la banda de conducción y por consiguiente la sustancia se comporta como un aislador. Sin embargo, con una energía muy pequeña que se le proporcione, por ejemplo, con un pequeño voltaje o bien con un ligero aumento de temperatura, varios electrones pasarán a la banda de conducción sin llenarla, y por tanto, la sustancia se comportará como un conductor. A este tipo de sólidos se les llama semiconductores. En su fase sólida el germanio y el silicio son ejemplos de semiconductores.

Otra forma de explicar lo anterior es la siguiente: los semiconductores están constituidos por átomos que tienen cuatro electrones en su última capa. Cuando forman un sólido cada electrón es compartido por dos átomos vecinos. Se puede decir que el electrón de un átomo se mueve hacia el hueco que hay en la última capa (que no está llena) del átomo vecino. A este tipo de comportamiento se le llama ligadura covalente. Por tanto, en esta sustancia no hay electrones disponibles para conducir electricidad. En esta situación la banda de conducción del sólido está vacía. Si se le aumenta un poco la temperatura al semiconductor, algunos de los electrones se escaparán y ya no formarán la ligadura covalente; estos electrones pasaron a la banda de conducción y están disponibles para conducir electricidad.

 

 

La última capa de un semiconductor (en este caso germanio, Ge) tiene cuatro electrones, que son compartidos con el átomo vecino. Esto es la covalencia. Los circulos negros denotran electrones.

Supongamos ahora que en el semiconductor se sustituye tino de los átomos por otro que tenga cinco electrones de valencia, por ejemplo un átomo de fósforo, en este caso, cuatro de los electrones de su capa exterior se ocuparán de formar ligaduras covalentes con los átomos de germanio vecinos, mientras que el quinto electrón, por decirlo así, queda libre. Este puede servir para conducir electricidad. En consecuencia, se puede mejorar la capacidad de conducir electricidad de un semiconductor introduciéndole impurezas o, como se dice en la jerga de los especialistas, "dopándolo" (del inglés dope). A un semiconductor así dopado se le llama N.

 

Una impureza de fósforo (P) permite que haya un electrón libre, que sirve para conducir la electricidad.

Otra posibilidad sería reemplazar uno de los átomos del semiconductor por otro que tenga solamente tres electrones en su capa externa, como por ejemplo, el boro. En este caso, los tres electrones del boro sirven de ligaduras con átomos vecinos, quedando la cuarta de las ligaduras vacía.

Ahora uno de los electrones de un átomo vecino forma la ligadura faltante, pero al hacerlo deja un hueco en el átomo que ocupaba originalmente. En seguida, un electrón de otro átomo pasa a ocupar el lugar faltante, dejando a su vez un hueco y así sucesivamente. Nos damos cuenta de que el hueco o agujero se ha ido propagando. Estos agujeros tienen la misma masa que el electrón, pero debido a que efectivamente es una ausencia de electrón, o sea de carga negativa, el agujero tiene carga efectiva positiva. Por tanto, este semiconductor con impurezas de boro da lugar a una corriente eléctrica de agujeros positivos que tiene sentido opuesto a la de una corriente de electrones. Los agujeros se comportan como si fueran partículas. A este tipo de semiconductor se le llama P. Lo que ocurre es algo similar a cuando se tiene una hilera de monedas con una faltante. Cuando cada moneda se mueve para ocupar el espacio vacío, el agujero se mueve a lo largo de la hilera en sentido opuesto a las monedas.

 

 

Una impureza de boro (B) da lugar a un déficit de un electrón, que equivale a un agujero positivo.

 

 

Al moverse las monedas hacia la izquierda, el agujero se mueve a la derecha.

En cualquiera de los dos casos, la conductividad eléctrica del semiconductor se aumenta sustancialmente si se le añaden impurezas de cualquiera de los dos tipos en partes por millón. Una consecuencia importante es que en semiconductores con impurezas el número de electrones que conducen electricidad puede ser controlado.

Juntemos dos bloques, uno de semiconductor P y otro N. La magnitud de la corriente eléctrica que fluya depende del sentido del voltaje aplicado. Si el bloque P se conecta a la terminal positiva de una batería y el N a la terminal negativa, entonces ocurre lo siguiente: como en el bloque P hay agujeros positivos, éstos son repelidos hacia el bloque N y atraídos hacia la terminal negativa B; por tanto, hay una corriente de agujeros de A a B, es decir, a través del dispositivo y llegan a la batería. Por otro lado, en el bloque N hay electrones negativos que son repelidos por B y atraídos por A; en consecuencia, los electrones fluyen de B a A cruzando el dispositivo y llegando a la batería. En resumen, hay una doble corriente eléctrica: de electrones negativos de B a A y de agujeros positivos de A a B. Estas corrientes son, en general, apreciables.

 

 

Un bloque N y otro P unidos permiten el paso de corriente eléctrica si están conectados a la batería como se muestra.

Veamos ahora qué ocurre si se conectan los bloques de manera opuesta. En este caso, los agujeros de P son atraídos hacia A y repelidos por B, con el resultado de que no cruzan el dispositivo. Por otro lado, los electrones de N son atraídos por B y repelidos por A, lo que ocasiona que tampoco crucen el dispositivo. En consecuencia, no hay corriente a través del dispositivo y el circuito está, de hecho, abierto.

En resumen, en el dispositivo mostrado en la figura anterior solamente circula electricidad cuando la polaridad de la batería es la que se muestra en la figura, mientras que si se invierte la polaridad, no hay corriente. Se puede también pensar que este fenómeno ocurre debido a que la resistencia del dispositivo no es la misma cuando la corriente circula en un sentido que cuando circula en el opuesto. En un sentido la resistencia es muy pequeña y por tanto es fácil que circule electricidad, mientras que en el sentido opuesto la resistencia crece enormemente impidiendo la corriente eléctrica. De esta forma se consigue un dispositivo que funciona de manera similar al diodo construido con un tubo al vacío y recibe el nombre de diodo semiconductor; debido a sus propiedades descritas se utiliza como rectificador de corriente.

Supóngase ahora que construimos otro dispositivo que consiste en dos bloques semiconductores tipo N y uno extremadamente delgado de tipo P; el bloque P, llamado base (denotado por B), queda entre los dos N. Si ahora se conecta uno de los bloques N, llamado emisor (denotado por E), a la terminal negativa de una batería, y el otro bloque N, llamado colector (denotado por C), a la positiva, entonces los electrones del emisor son repelidos por A y atraídos por D, por lo que cruzan la base y llegan al colector, dando lugar a que haya una corriente en el circuito a través de la batería (y si hubiera una carga como una resistencia, la corriente la atravesaría). La magnitud de la corriente que llegue a circular depende de varios factores. uno de ellos es el voltaje de la batería; mientras mayor sea éste, mayor será la corriente. Otro de los factores es la polaridad de la base. Si la base es positiva, los electrones que vienen del emisor serán atraídos por la base y se acelerarán, por lo cual habrá mayor corriente a través del dispositivo. Si por otro lado la base es negativa, entonces cierto número de electrones que vienen del emisor serán rechazados y se regresarán, disminuyendo la corriente neta; en el caso extremo en que la polaridad de la base, siendo negativa, tenga una magnitud muy grande, rechaza todos los electrones y prácticamente no hay corriente. Así, la polaridad de la base controla y modifica la corriente que circula a través del dispositivo. Asimismo, la corriente puede intensificarse, dependiendo del voltaje de la batería. En consecuencia, este dispositivo amplifica la señal que muestre la base. Pero este comportamiento es precisamente el que tiene el triodo construido con un tubo al vacío.

El cátodo equivale al emisor,

El ánodo equivale al colector,

La rejilla equivale a la base.

El dispositivo descrito se llama triodo NPN.

 

Esquema de un triodo semiconductor NPN.

También se puede construir un dispositivo en que un bloque N muy delgado queda entre dos bloques P, llamado triodo NPN. Su funcionamiento es completamente similar al triodo NPN, solamente que las polaridades quedan invertidas.

A los dispositivos que se construyen con combinaciones de bloques formados de semiconductores N y P se les llama genéricamente transistores.

Durante 1945 a 1949 el grupo de la compañía Bell desarrolló la teoría de los transistores, la verificó experimentalmente y construyó diodos y triodos. En el año de 1956 Bardeen, Shockley y Brattain recibieron el Premio Nobel de Física por el brillante trabajo que desembocó en la invención del transistor. Hemos de mencionar que Bardeen recibió en 1972 nuevamente el Premio Nobel de Física, ahora en compañía de J. R. Schrieffer y L. N. Cooper, por haber desarrollado la teoría de la superconductividad.

VENTAJAS DEL TRANSISTOR

Los transistores tienen varias ventajas sobre los tubos al vacío. En primer lugar, para que funcione un tubo al vacío su cátodo debe calentarse, y esto se logra pasando una corriente cercana a él. El voltaje típico que se requiere para lograr esto es de 250 V. Una vez conectado este voltaje se necesita esperar determinado tiempo hasta que se caliente el cátodo. Por tanto, cualquier aparato que use tubos al vacío no funciona inmediatamente después de haberse conectado. El transistor no requiere este calentamiento, por lo que empieza a funcionar inmediatamente después de su conexión. En consecuencia, el uso de un transistor en lugar de tubos al vacío ahorra mucha energía, y por tanto, resulta más económico.

En segundo lugar, la respuesta del transistor a señales de frecuencias muy altas es muy efectiva, lo cual no ocurre con los tubos al vacío.

Como el tamaño de un transistor es mucho menor que el de los tubos al vacío, con él se inició la miniaturización de los aparatos electrónicos.

El invento del transistor abrió una nueva era en la civilización moderna, ya que se le pudo utilizar de manera muy general en una gran variedad de aparatos. En las décadas de 1950 y 1960 se construyeron radios, computadoras electrónicas, aparatos de control industrial, etc., que gracias a los transistores fueron de tamaños relativamente pequeños, portátiles, con requerimientos de energía muy reducidos y de larga vida.

En gran medida, en las décadas mencionadas los transistores sustituyeron a los tubos al vacío. Sin embargo, para ciertas aplicaciones muy específicas los tubos han tenido ventajas sobre los transistores. Así, se emplean para transmisores de radio de potencia alta y mediana, para amplificadores de microondas y osciladores, para tubos de rayos catódicos como los que se usan en las televisiones, monitores, pantallas de diversos aparatos, etcétera.

2. FUNCIONAMIENTO BASICO DEL TRANSISTOR

En resumen, los transitores son dispositivos electrónicos de estado sólido, cuando sobre un semiconductor se ponian dos puntas metalicas y a una se le aplicaba una cierta tension, la corriente en la otra venia influenciada por la de la primera; a la primera punta se la denomina emisor; al semiconductor , base y a la otra punta, colector. Posteriormente se encontro que igual fenomeno ocurria si se unian dos semiconductores polarizados en sentido inverso a otro de distinto tipo; asi se construyen los transistores de union, que son los mas empleados. Segun la estructura de sus uniones, los transitores pueden se p-n-p o n-p-n; sustituyen con ventajas a los triodos de vacio y valvulas termoionicas multielectrodicas, al menos en lo que a bajas potencias se refiere.

El transistor cobra su importancia al ser un componente capaz de cambiar de estado, permitiendole cambiar o amplificar de acuerdo a las condiciones de trabajo y diseño, fluctuando entre un estado conductor y uno insulador.

Insulación

La grafica muesta al transitor en su efecto de cambio cuando el transistor esta hecho para alterar su estado de inicio de conductividad (prendido, la corriente al maximo) a su condicion final de insulacion (apagado y sin flujo de corriente). La corriente fluye desde el emisor (punto E) al colector (punto C). Cuando un voltaje negativo se le aplica a la base (punto B), electrones en la region base son empujados (como dos cargas que se repelan, en este caso dos negativas) creando la insulacion. La corriente que fluia desde el punto E al punto C se detiene.

Conductividad

La grafica muestra el efecto del transistor cuando pasa de su estado de insulación (apagado y sin flujo de corriente) a su estado final de conductividad (prendido, la corriente al maximo). El transistor trabaja al principio como un insulador. Para que pueda tener conductividad, voltaje positivo tiene que ser aplicado a la base (punto B). Como las cargas positivas se atraen (en este caso, positivo y negativo), los electrones se halados fuera de los limites y deja que siga el flujo de corriente como lo muestra la figura. El transistor se cambio de insulador a conductor.

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 aproximadamente a mitad de camino entre el corte y la 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 el comportamiento del circuito en particular sin construirlo realmente.

A continuación se enumeran algunos de los parámetros más útiles en las aplicaciones del transistor:

• Ganancia de resistencia: 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 ohmios, mientras la resistencia de salida es relativamente alta, ordinariamente más de 20.000 ohmios.Para un transistor de unión la ganancia de resistencia suele ser mayor de 50.

• Ganancia de tensión: Es el producto de alfa y la ganancia de resistencia.Un transistor de unión que tiene un valor de alfa menor que la unidad, no obstante, una ganancia de resistencia del orden de 2.000 a causa de que su resistencia de salida es extremadamente alta, y la ganancia de tensión es aproximadamente 1.800.

• Ganancia de potencia: Es el producto de alfa elevado al cuadrado y la ganancia de resistencia, y 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 terminología 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 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 el circuito de entrada hasta el de salida. La ganancia de potencia y la ganancia de tensión son ambas bajas.

3. NOMENCLATURA DE LOS TRANSISTORES

Los transistores generalmente se dividen en grupos de producción clasificados como " entretenimiento ", " industrial " y " militar ". Las dos últimas clasificaciones suelen requerir varios ensayos e implica tolerancias más estrechas y una documentación de calidad, mientras que los transistores procedentes de la misma línea de producción que tienen una especificación menos rigurosa se incluyen a menudo en la categoría primera, más económica. Los tipos de semiconductores se numeran de acuerdo con varios sistemas. El estándard más antiguo es el sistema JEDEC. El primer número de este identificador indica el número de uniones ( 1=diodo, 2= triodo, 3=tetrodo y 4=heptodo ). La letra N denota semiconductor, y va seguido de un número de orden por el cual se ha registrado el dispositivo.

Los fabricantes europeos emplean una nomenclatura o identificación consistente en número de tipo que se compone de dos o tres letras seguidas de dos o tres números, indicando las letras el tipo del transistor y el uso, y los números indican el número de orden en la clasificación particular. Los transistores japoneses suelen estar indentificados por el código 2S, seguido de una letra identificadora y un número de orden.Además de estos códigos generalmente reconocidos, se han adoptado muchos otros códigos por fabricantes individuales, y también están en uso.

 

4. TRANSISTORES DE POTENCIA Y DISTINTOS TIPOS DE TRANSISTORES.

Mientras los circuitos integrados se usan para aplicaciones de pequeñas señales y baja potencia, la mayoría de las aplicaciones de alta potencia todavía requieren transistores de potencia discretos. Las mejoras en las técnicas de producción han proporcionado potencias más altas en encapsulados de tamaño pequeño; también han aumentado el voltaje de ruptura máximo de transistor y han proporcionado transistores de potencia con una velocidad de conmutación mayor.

La potencia máxima manejada por un dispositivo particular y la temperatura de las uniones del transistor están relacionadas, debido a que la potencia disipada por el dispositivo causa un incremento de temperatura en la unión del dispositivo. Es obvio que un transistor de 100W proporcionará más capacidad de potencia que un transistor de 10W.

Se debe hacer notar que de los dos tipos de transistores bipolares (germanio y silicio),  aquellos de silicio proporcionan temperaturas nominales máximas. Por lo general, la temperatura máxima de unión de estos tipos de transistores de potencia es:

Silicio: 150-200°C
Germanio: 100-110°C

Para muchas aplicaciones, la potencia promedio disipada puede aproximarse mediante:

PD = VCEIC

Sin embargo, esta disipación de potencia se permite solamente hasta una temperatura máxima.

Por arriba de esta temperatura se debe reducir la capacidad de disipación de potencia del dispositivo (o pérdida de disipación) para que a temperaturas superiores del encapsulado se reduzca la capacidad de manejo de potencia, llegando a 0W a la temperatura máxima del encapsulado del dispositivo.

Entre mayor sea la potencia manejada por el transistor, mayor será la temperatura del encapsulado. En la actualidad, el factor limitante en el manejo de potencia por un transistor particular es la temperatura de la unión del colector del dispositivo. Los transistores de potencia están montados en encapsulados metálicos grandes para ofrecer un área grande a partir de la cual pueda radiar (transferirse) el calor generado por el dispositivo. Aun así, la operación de un transistor directamente en el aire (montado en una tarjeta de plástico, por ejemplo) limita severamente la potencia nominal del dispositivo. Si en vez de ello (como es lo usual) se monta el dispositivo en algún tipo de disipador de calor, su capacidad de manejo de potencia puede acercarse más al valor de su potencia nominal máxima.
 

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.

4.1. TIPOS DE TRANSISTORES

Existen tres tipos de transistores de potencia:

- Bipolar.

- Unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo).

- IGBT o Transistores Bipolares de compuerta aislada.

4.1. 1. Transistores Bipolares:

Los transistores Bipolares son dispositivos controlados por corriente, estos se forman por una capa de material tipo P emparedada entre dos capas de material tipo N, o una de tipo N emparedada entre dos de tipo P. En el primer caso se tiene un transistor NPN y en el segundo un transistor PNP.

La region central se denomina base (B) y los dos extremos emisor (E) y colector (C), la base es sumamente estrecha y poco dopada en relación con el emisor y colector, por lo que tiene muy baja concentración de portadores.

El emisor esta fuertemente dopado, y la concentracion de portadores mayoritarios disponibles supera ampliamente los de la base, mientras que el colector es bastante amplio y dotado con una alta concentración de portadores minoritarios en relación a la base y pocos mayoritarios respecto al emisor. En el caso de un NPN, la base no posee la suficiente cantidad de huecos para combinarse con todos los electrones que puede suministrar el emisor, por lo que la mayoria de electrones atraviezan la base en direccion al colector.

A continuación se muestra en la grafica las representaciones tipicas de transistores bipolares tipo NPN y PNP (izquierda), La estructura de capas de una configuración NPN (medio), Como se distribuyen las terminales en un transistor bipolar (derecha), el circuito equivalente resultante (abajo izquierda) y la curva caracteristica de estos transistores de Corriente del colector contra voltaje

Debido a como se alternan las capas P y N, existen 2 uniones PN (emisor-base EB y colector-base CB) y estas deben polarizarse de modo que se polarize la union EB directamente y CB inversamente, en este caso, la polarización de la unión EB la provee el voltaje Vbb y la de la union CB el voltaje Vcc. Por esto, en un transistor NPN la base debe ser positiva con respecto al emisor ynegativa con el colector. Analogamente, en un transistor PNP la base debe ser negativa respecto al emisor y positiva para el colector.

Como resultado de la polarización se producen 3 corrientes: la de base (Ib), la del emisor (Ie) y la del colector (Ic). Debido a que la unión BE esta polarizada directamente, los portadores mayoritarios de ambas regiones son obligados por el voltaje Vbb a cruzar la unión y combinarse mutuamente. En el caso de un transistor NPN, una parte de los electrones suministrados por el emisor (del 1% al 5%) se combinan con los pocos huecos disponibles en la base, esto origina una corriente de base (Ib) relativamente pequeña.

Los electrones restantes (95% al 99%) son atraidos hacia el colector por la fuerte tensión inversa de polarización Vcc de la unión CB, pasan a rtaves de la extensa región del colector y se dirigen hacia el polo positivo de la bateria Vcc, creando una corriente Ic muy intensa. Las corrientes de colector Ic y de base Ib estan relacionadas con la corriente del emisor de acuerdo a:

Ie = Ib + Ic

La capacidad de amplificación de un transistor se mide observando el efecto de la corriente de base Ib sobre la corriente de colector Ic para un determinado valor de Vce. La relación incremental entre ambas cantidades se denomina ganancia de corriente Beta y se representa mediante el simbolo  o hfe y corresponde a:

Hfe = ic / Ib

Encapsulado:

Los transistores se fabrican en serie, formando simultaneamente varios cientos o millares de unidades sobre una oblea semiconductora de 38 a 50 mm de diametro y luego cortandolos uno por uno. Las técnicas de fabricación mas utilizadas son la aleación, difusión, el proceso planar y el crecimiento epitaxial. Una vez construidos los transistores se hospedan en capsulas plasticas o metalicas. La capsula protege el transistor de la humedad y los contaminantes, sirve como disipador de calor, proporciona los pines de acceso, y facilita su manipulacion e identificacion.

4.1.2. Transistores de efecto de campo (FET)

Son dispositivos de tres terminales controlados por voltaje, se encuentran constituidos por un material de base tipo N o P llamado sustrato, dentro del cual se forma una region de tipo opuesto en forma de U llamada canal, ligeramente dopada. El sustrato actua como compuerta o gate (G), uno de los extremos del canal como fuente o source (S) y el otro como drenador o drain (D). Entre la compuerta y el canal se forma una unión PN, este tipo de FET se denominan FETs de unión o JFETs.

En la mayoria de los casos, el diseño del canal es simetrico, por lo que cualquiera de los extremos se puede utilizar como drenador o como fuente, sin embargo existen casos especiales en los cuales el canal es asimetrico y por consiguiente no se pueden intercambiar estos terminales. Los JFETs pueden ser de canal N o canal P, dependiendo del dopado del canal.

Polarización:

Los JFETs necesitan ser polarizados mediante dos tensiones externas. La tensión Vdd dirige el paso de los portadores de corriente por el canal y la tension Vgs regula su cantidad. Esta ultima polariza inversamente la union NP entre el canal y el sustrato. En un JFET de canal N, la fuente debe ser positiva con respecto a la compuerta y negativa con respecto al drenador.

El efecto neto de la polarización es la creación entre el drenador y fuente de una corriente de drenaje Id, la cual circula a lo largo del canal, y depende del voltaje Vgs. Por tanto, el canal actua como una resistencia variable. En el caso de un JFET de canal N, la tension Vgs crea en sus proximidades de la unión sustrato-canal una zona de agotamiento, libre de electrones. Esta se forma por completo dentro del canal debido a la fuerte concentración de huecos en el sustrato y una baja concentración de electrones en el canal.

El espesor de la zona de agotamiento determina el area util o efectiva del canal, y su capacidad de dejar pasar mas o menos electrones. La región de agotamiento se extiene a lo largo de las paredes del canal, siendo mas amplia en el lado del drenador que en el de la fuente, esto debido a que desde el punto de vista de la compuerta el drenador esta sometido a una tensión inversa de polarización mas alta (Vdd + Vgs) que la fuene (Vgs)

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 Vds = 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.

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 substancialmente 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 Vp 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.

Parametros de funcionamiento:

La corriente de sumidero Id 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:

Ig = 0   e      Id =
(Vds, Vgs)

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 Vds y Vgs en esta forma

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

Tiristores

Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor.

Para muchas aplicaciones se puede suponer que los Tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones.

 Un Tiristor es dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn tiene tres terminales: ánodo cátodo y compuerta. La fig. 1 muestra el símbolo del tiristor y una sección recta de tres uniones pn. Los tiristores se fabrican por difusión.

Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las uniones J1 y J3 tienen polarización directa o positiva. La unión J2 tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo o en estado desactivado llamándose a la corriente fuga corriente de estado inactivo ID. Si el voltaje ánodo a cátodo VAK se incrementa a un valor lo suficientemente grande la unión J2 polarizada inversamente entrará en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de ruptura directa VBO. Dado que las uniones J1 y J3 ya tienen polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones que provocará una gran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado.

 

La caída de voltaje se deberá a la caída ohmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo común 1V. En el estado activo, la corriente del ánodo está limitada por una impedancia o una resistencia externa, RL, tal y como se muestra en la fig. 2.

La corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL, a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a través de la unión; de lo contrario, al reducirse el voltaje del ánodo al cátodo, el dispositivo regresará a la condición de bloqueo. La corriente de enganche, IL, es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el tiristor en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal de la compuerta.

Una vez que el tiristor es activado , se comporta como un diodo en conducción  y ya no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguirá conduciendo, porque en la unión J2  no  existe una capa de agotamiento de vida a movimientos libres de portadores. Sin embargo si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento IH , se genera una región de agotamiento alrededor de la unión J2 debida al número reducido de portadores; el tiristor estará entonces en estado de Esto significa que ILbloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios  y es menor que la corriente de enganche, IL.  >IH . La corriente de mantenimiento IH es la corriente del ánodo mínima para mantener el tiristor en estado de régimen permanente. La corriente de mantenimiento es menor que la corriente de enganche.

Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto  al  del ánodo, la  unión J2 tiene polarización directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarización inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos. El tiristor estará en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga inversa, conocida como corriente de fuga inversa IR, fluirá a través del dispositivo.

Activación del tiristor:

Un tiristor se activa incrementándola corriente del ánodo. Esto se puede llevar a cabo  mediante una de las siguientes formas.

• TERMICA:   Si la temperatura de un tiristor es alta habrá un aumento en el número de pares electrón-hueco, lo que aumentará las corrientes de fuga. Este aumento en las corrientes hará que  1 y   2  aumenten. Debido a la acción regenerativa (1+2) puede tender a la unidad y el tiristor pudiera activarse. Este tipo de activación puede causar una fuga térmica que por lo general se evita.

• LUZ:   Si se permite que la luz llegue a las uniones de un tiristor, aumentaran los pares electrón-hueco pudiéndose activar el  tiristor. La activación de tiristores por luz se logra permitiendo que esta llegue a los discos de silicio.

• ALTO VOLTAJE:  Si el voltaje directo ánodo  a cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo VBO, fluirá una corriente de fuga suficiente para iniciar una activación regenerativa. Este tipo de activación puede resultar destructiva por lo que se debe evitar.

Si la velocidad de elevación del voltaje ánodo-cátodo es alta, la corriente de carga de las uniones capacitivas puede ser suficiente para activar el tiristor. Un valor alto de corriente de carga puede dañar el tiristor por lo que el dispositivo debe protegerse contra dv/dt alto. Los fabricantes especifican el dv/dt máximo permisible de los tiristores.

• CORRIENTE DE COMPUERTA:     Si un tiristor está polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo de compuerta entre la compuerta y las terminales del cátodo activará al tiristor. Conforme aumenta la corriente de compuerta, se reduce el voltaje de bloqueo directo.

 
 

Tipos de tiristores

 Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusión. La corriente del ánodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el área de la unión, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la señal de la compuerta para activar el tiristor. Para controlar el di/dt, el tiempo de activación y el tiempo de desactivación, los fabricantes utilizan varias estructuras de compuerta.

Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en nueve categorías:

1. Tiristores de control de fase (SCR).
2. Tiristores de conmutación rápida (SCR).
3. Tiristores de desactivación por compuerta (GTO).
4. Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).
5. Tiristores de conducción inversa (RTC).
6. Tiristores de inducción estática (SITH).
7. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR)
8. Tiristores controlados por FET (FET-CTH)
9.  Tiristores controlados por MOS (MCT)
 

Condiciones ideales de un transistor.

- 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 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 base - emisor y los tiempos de difusión y recombinación de los portadores.

4.3. Funcionamiento y comparación de tipos transistores:

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 substancialmente 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 IC.

- 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 IC 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 :

Es de hacer notar 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:

Corriente media: es el valor medio de la corriente que puede circular por un terminal (ej. 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.

VCBO: tensión entre los terminales colector y base cuando el emisor está en circuito abierto.

VEBO: 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 RDSon 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 directa: 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.

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 apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto (IC 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 (VCE 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 es para 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 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 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).

APLICACIONES TRANSISTORES

transistor en conmutación.

Tenemos un interruptor en posición 1, abierto:

 IB = 0
 IC = 0 CORTE (el transistor no conduce)

Recta de carga:

Esto era lo ideal, lo exacto sería:

Pero para electrónica digital no tiene mucha importancia ese pequeño margen, por lo tanto se desprecia.

Interruptor en posición 2:

Finalmente tenemos una gráfica de la siguiente forma:

Aplicación: Si tenemos en la entrada una onda cuadrada.

Me invierte la Vsal, invierte la onda de entrada en la salida. Ese circuito se utiliza en electrónica digital.

A ese circuito  le llamábamos "Circuito de polarización de base", que era bueno para corte y saturación, para conmutación. Pero este que hemos hecho no es exacto, lo exacto es:

Entonces se cogen los márgenes, pero como están muy separados se desprecia y no se le da importancia a ese pequeño error.

Transistores en circuitos con polarizacion de emisor

Si se quiere amplificar, se necesitan circuitos cuyos puntos Q sean inmunes a los cambios en la ganancia de corriente, esto es, interesa que el punto Q sea lo más estable posible.

Para este propósito ahora se analizará el "Circuito de polarización de Emisor", que es el siguiente:

El propósito es amplificar, por esa razón el transistor tiene que trabajar en la zona ACTIVA.

Como estamos en activa VBE = 0.7 V. Por lo tanto y viendo la malla de entrada la tensión VC será de 4.3 V. Entonces la intensidad IE por la resistencia RE será de:

Gráficamente:

Si  bcc  = 150 solo varía IB.

Varía la IB pero lo demás se mantiene y Q no varía, el transistor se autorregula y hace que varíe IB sin que nada más varíe, por lo tanto:

"El punto Q es muy estable".

Pero esto no es del todo exacto, porque algo varía, esto se verá si no se usa la aproximación de IC = IE. Sin esta aproximación tenemos:

Y ahora si influye el bcc.

Y tendríamos: VCE = 8,77 V

Con  bcc  = 150:

Con  bcc  = 50:

Varía algo, pero es bastante estable, es bueno para trabajar en activa.

TABLA DE CONTENIDO TRANSISTORES

Historia y Fundamentos físicos del transistor.

Funcionamiento Básico del transistor

Nomenclatura del transistor.

Transistores de Potencia y distintos tipos de transistores.

Tipos de Transistores.

Transistores Bipolares

Transistores de efecto de campo (FET)

Tiristores.

Condiciones ideales de un transistor.

Funcionamiento y comparación de distintos tipos de transistores.

Aplicaciones de los transistores.

Transistor en conmutación.

Transistor en circuitos con polarización de emisor.

Conclusiones.

CONCLUSIONES

El transistor es un gran aporte al campo del desarrollo cientifico y tecnologico, dado su amplia versatilidad y su gran aplicabilidad en la investigación y desarrollo. Sus fundamentos físicos son fundamentados en las bases de la mecanica cuantica, aprovechando sus concepciones y formulaciones teoricas es posible llevar a la practica elementos practicos e innovadores como el transistor. La incursion de los transistores sustituyo los tubos al vacio y permitio la reducción de sistemas y diseños electronicos, siendo estos mas estables y de mayor rendimiento.

El estudio del efecto de transición de niveles de energia y el espectro atomico fueron decisivos en la formulación teorica del transistor, ademas del estudio del atomo de la mecanica cuantica y la fisica atomica, permitiendo aprovechar las propiedades intrinsecas de los atomos de Germanio, fosforo entre otros, para el diseño de sistemas basados en las reacciones atomicas entre ellos por sus electrones, perfeccionando este proceso hasta llevarlo a lo que actualmente conocemos como transistores.

Curva de pérdida de disipación de potencia típica para os transistores de silicio.