Transistores Unipolares

Al estudiar los transistores bipolares de juntura (TBJ) se observó que éstos basan su funcionamiento en dos tipos de portadores: electrones y huecos. Los transistores unipolares, en cambio, basan su funcionamiento en un solo tipo de portador: electrones o huecos.

JFET (Transistor de Efecto de Campo de Juntura)

Este transistor fue inventado en 1948, al mismo tiempo que el TBJ, pero no fue posible su implementación hasta 1970 debido a la alta tecnología necesaria para formar sus junturas. Existen dos tipos de transistores JFET: de canal N o de canal P.

Este componente está formado por una delgada capa de material semiconductor tipo N denominado canal. A ambos lados de éste canal se observan dos regiones de material semiconductor tipo P. En cada uno de los extremos del canal se ubica un terminal, así tenemos un terminal “Fuente” que en inglés es “Source” (S) y otro denominado “Drenaje” que en inglés es “Drain” (D). Las dos regiones tipo P se interconectan entre sí y aparece al exterior un terminal denominado “Puerta” que en inglés es “Gate” (G).

Polarización del JFET

Para las explicaciones se tomará el sentido de circulación convencional de la corriente (positivo a negativo). Teniendo en cuenta el funcionamiento del dispositivo explicado anteriormente podremos establecer algunos parámetros característicos. En este tipo de transistor la juntura G-S debe polarizarse en forma inversa. En estas condiciones la corriente IG tomaría solo el valor correspondiente a una corriente de portadores minoritarios, la cual, en los cálculos puede despreciarse, por lo que en este tipo de transistores, tanto de canal N como de canal P, consideraremos IG=0

Características de salida

Observando el circuito de polarización de la figura anterior podremos trazar y analizar las curvas características de salida del JFET. Estas curvas relacionan dos parámetros de salida que son ID=f(VDS), para una dada VGS.

Interruptor analógico con JFET

Es una de las aplicaciones del JFET. El transistor conduce entre drenaje y fuente una señal. Para este tipo de funcionamiento VGS se restringe a dos valores: 0V o un valor más negativo que Vp. De esta forma el JFET funciona en la zona de corte o en la zona resistiva.

Multiplexor analógico con JFET

Utilizando al JFET como interruptor serie, controlado por V1, V2 o V3 (ver figura) se puede lograr, según corresponda, una señal a la salida. V1, V2 y V3 conmutan al JFET entre el corte y la saturación. Cuando estas tensiones son más negativas que Vp todas las señales de entrada están bloqueadas. Al hacer V1, V2 o V3 cero, según sea, se logra el paso de una de las señales de entrada (según el transistor en saturación). Así:

  • si V1=0 y las demás permanecen más negativas que Vp, entonces vo=vi1
  • si V2=0 y las demás permanecen más negativas que Vp, entonces vo=vi2
  • si V3=0 y las demás permanecen más negativas que Vp, entonces vo=vi3

MOSFET (Transistor de Efecto de Campo de Semiconductor-Óxido-Metal)

Al igual que el JFET, el MOSFET posee los tres terminales fuente (S), drenaje (D), y puerta (G) pero se diferencia en que en este último la puerta está aislada eléctricamente del canal, a través de una delgada capa de óxido de Silicio (de allí el nombre MOS). Este aislamiento hace que la corriente de puerta sea prácticamente nula y además permite una polarización positiva de VGS. Dentro de los MOSFET encontramos dos tipos: “de empobrecimiento” y “de enriquecimiento”.

MOSFET de empobrecimiento (canal permanente)

Consiste en una pieza de material tipo N (canal) con una zona P a un costado y la puerta aislada mediante una capa de SiO2 (dióxido de Silicio). La línea de trazos indica que existe una interconexión entre la fuente y la zona P.

Polarización

Los electrones circulan desde la fuente hacia el drenaje pasando por el estrecho canal existente entre la puerta y la zona P. Debido a que la puerta está aislada del canal, circula una corriente de puerta IG despreciable aún para tensiones positivas de VGS. Al igual que en un JFET, a medida que VGS va tomando valores negativos, el canal se hace más estrecho, ya que el campo eléctrico generado en la puerta empuja a los electrones del canal contra la zona P, y también se puede alcanzar un determinado valor negativo de VGS que corta la circulación de electrones por el canal. Por esto podemos decir que para tensiones negativas de VGS, el MOSFET de empobrecimiento se comporta igual que un JFET.

MOSFET de enriquecimiento (canal inducido)

En este tipo de transistor ya no existe un canal físico. En el caso de los de canal N, la zona P se extiende a lo ancho de todo el canal.

Polarización

Cuando la tensión de puerta es nula, la corriente ID es también nula, ya que en este transistor no existe canal. Este transistor está en corte cuando la tensión de puerta es cero o inferior. Cuando la puerta toma valores positivos atrae electrones libres de las regiones N hacia la región P, y estos comienzan a recombinarse con los huecos cercanos a la capa de óxido en la zona de la puerta. Cuando la tensión de puerta es suficientemente positiva se recombinan todos los huecos cercanos a la zona de la puerta, desapareciendo estos, y los electrones libres comienzan a circular desde la fuente hacia el drenaje a través del canal inducido que se formó a un costado de la zona P. A esta capa conductora que aparece como canal se la denomina “capa de inversión tipo N”. Cuando esta existe, los electrones libre pueden circular de la fuente al drenaje.

Característica de transferencia

Se observa que mientras VGS es menor a VGS(th) no hay ID. A partir de VGS(th) la ID se incrementa rápidamente hasta alcanzar la corriente de saturación ID(sat). A partir de este punto, el dispositivo queda polarizado en la zona resistiva en la que ID no crece aunque aumente VGS. El MOSFET de enriquecimiento puede polarizarse en la zona resistiva o en la zona activa.

MOSFET en conmutación digital

Es sabido que manejando el valor de VGS en un MOSFET de enriquecimiento se puede hacer variar a este entre el corte y la saturación, lo que lo hace ideal como dispositivo de conmutación. En técnicas digitales se utilizan señales que cambian bruscamente su valor entre dos extremos. Estas señales representan un código numérico (números binarios formados por 1 y 0). A cada función a realizar le corresponde un código.

FET de potencia

Cuando el MOSFET de enriquecimiento se utiliza en aplicaciones de potencia (tensiones y corrientes elevadas) se lo llama FET de potencia. El fabricante emplea diferentes geometrías del canal para aumentar sus limitaciones máximas, pudiendo llegar a manejar corrientes de hasta 200A y potencias de más de 500W, con tensiones que pueden ser inferiores a 10V.

Embalamiento térmico

Los transistores bipolares pueden destruirse por embalamiento térmico: se sabe que si la temperatura interna del TBJ aumenta hay más recombinaciones (aumenta la ganancia de corriente) produciendo un aumento en la corriente de colector. Este aumento de corriente hace aumentar más la temperatura interna, repitiéndose el procedimiento descrito.

Conmutación de los MOSFET

En los TBJ, durante una polarización directa, los portadores minoritarios se almacenan en la zona de la juntura. Cuando se pone en corte estas cargas almacenadas circulan por un tiempo impidiendo una desconexión rápida. Como un FET de potencia no tiene portadores minoritarios, la conmutación con altos valores de corriente es mucho más rápida (de 10 a 100 veces más rápido).

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor: Transistor Bipolar de Puerta Aislada)

El IGBT es un transistor que reúne las mejores características de los transistores bipolares y de los FET. Estas características son:

  • baja tensión de saturación con gran corriente de colector (TBJ)
  • baja corriente de excitación (FET)

Estas características permiten acercar a este dispositivo a un interruptor estático ideal. A contrapartida existe una desventaja debido a las características del TBJ que es la velocidad de conmutación, la cual es más lenta que los FET.