Diferentes tipos de efecto de campo, unión bipolar, agotamiento, mejora, bipolar de puerta aislada y transistores especiales
El transistor es el componente más utilizado en los circuitos lógicos y electrónicos modernos debido a sus dos funciones principales: conmutación y amplificación. Se utilizan en circuitos analógicos y digitales, aplicaciones de baja y alta potencia y frecuencia. Hay varios tipos de transistores teniendo sus propias ventajas y desventajas. A continuación se muestran algunos tipos de transistores que se analizan en este artículo.
¿Qué es un transistor?
Un transistor es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se utiliza para conmutar o amplificar una señal. Se puede utilizar una corriente o voltaje pequeño en su entrada para controlar un voltaje o corriente de salida muy alto.
La palabra «Transistor» es la combinación de dos palabras «Trans» para «Transfer” y “istor” para “Resistor”. Esto se debe a que el transistor transfiere su resistencia de un extremo a otro en función de la señal de entrada.
Un transistor se clasifica principalmente en dos tipos:
- Transistor de unión bipolar – BJT
- Transistor de efecto de campo – FET
Transistor de unión bipolar – BJT
BJT o transistor de unión bipolar Es un tipo de transistor que es bipolar y tiene una unión. Bipolar significa que utiliza ambos tipos de portadores de carga, es decir, electrones y huecos. Mientras que la unión se refiere al límite entre dos materiales semiconductores diferentes, generalmente conocido como unión PN.
Un BJT está hecho de tres capas alternas de materiales semiconductores tipo P y tipo N que tienen dos uniones PN. Tiene 3 terminales, es decir, emisor, base y colector. Cada terminal está conectado con cada capa del transistor.
La base es la capa intermedia intercalada entre el emisor y el colector. La base es la capa menos dopada de todas. Tanto el emisor como el colector están fuertemente dopados y el emisor está comparativamente más dopado que el colector.
BJT es un dispositivo controlado por corriente. Significa que utiliza la corriente de entrada en su terminal base para controlar la corriente de salida o la corriente del colector. Al conectar la unión base-colector en sentido inverso y la unión base-emisor en polarización directa se permite el flujo de corriente entre el emisor y el colector. Esta corriente es directamente proporcional a la corriente base.
Dado que su unión o entrada base-emisor está polarizada directamente, la impedancia de entrada es muy baja. La impedancia de salida es muy alta debido a la polarización inversa colector-emisor. Por tanto, BJT tiene una ganancia muy alta.
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Hay dos tipos de BJT, es decir, transistores NPN y PNP.
Transistor NPN
El transistor NPN está formado por la combinación de dos materiales tipo N y un material tipo P. La región P está intercalada entre las regiones N. Los tres terminales Colector, Base y Emisor se elevan cada uno desde las regiones N, P y N respectivamente.
Los portadores de carga mayoritarios son los electrones mientras que los portadores de carga minoritarios son los huecos. Aplicando la corriente IB al terminal base permite que la corriente IC del colector al emisor. La corriente es directamente proporcional a la corriente base. Mientras que la corriente total del emisor Imi es la suma de ambas base Ib y corriente de colector IC.
IC = βIB
IE = IB + IC
El símbolo del transistor NPN también representa la dirección de la corriente. La pequeña punta de flecha que apunta hacia afuera del emisor muestra la dirección actual que sale del emisor.
El transistor NPN se enciende aplicando un voltaje positivo de base-emisor VSER y como los portadores mayoritarios son electrones, tiene una alta velocidad de conmutación.
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Transistor PNP
El transistor PNP está formado por la combinación de dos capas P y una capa N. La delgada capa N está intercalada entre dos gruesas capas P. La capa N intermedia se llama base, mientras que las dos capas circundantes se llaman colector y emisor.
Los portadores de carga mayoritarios son huecos mientras que los portadores de carga minoritarios son electrones.
La unión colector-emisor de polarización inversa y la unión base-emisor de polarización directa ponen el transistor en modo de conducción donde la corriente de salida es directamente proporcional a la corriente de base.
El transistor PNP se enciende cuando el voltaje negativo VSER se aplica a la región base y se apaga cuando se aplica un voltaje positivo.
Dado que la mayoría de los portadores son huecos, el tiempo de recuperación del transistor PNP es comparativamente alto, por lo que tiene una velocidad de conmutación baja que la del transistor NPN.
En el símbolo del transistor PNP, la punta de flecha que apunta hacia adentro representa la dirección de la corriente que fluye dentro del emisor hacia la base y el colector. Por lo tanto la corriente total IC es la corriente del emisor menos la corriente base
IC = IE – IB
Transistor de efecto de campo – FET
FET o transistor de efecto de campo Es un tipo de transistor que utiliza el campo eléctrico o voltaje para controlar el flujo de corriente. Es unipolar, es decir, el flujo de corriente se debe únicamente a los portadores de carga mayoritarios, que son electrones o huecos.
Los tres terminales de FET son Drenaje (D), Puerta (G) y Fuente (S). Por su construcción, FET cuenta con un canal entre su drenaje y fuente. El canal se refiere al camino para el flujo de corriente. El drenaje y la fuente están hechos del mismo material semiconductor. Sin embargo, el terminal de drenaje es el que tiene más voltaje positivo. Por lo tanto, los terminales de fuente y drenaje son intercambiables.
El ancho del canal está controlado por el voltaje aplicado en su puerta. Aplicar una puerta directa a la fuente de voltaje VGS aumenta el ancho del canal y por lo tanto la corriente de drenaje ID. Este modo se llama modo de mejora. Mientras aplica una V inversaGS Disminuye la longitud del canal y la corriente I.D. Este modo de operación se denomina modo de agotamiento. Por tanto, es un dispositivo controlado por voltaje.
Dado que la entrada (puerta) tiene polarización inversa, la impedancia de entrada del FET es muy alta en el rango de 100 M ohmios, por lo que no hay corriente de entrada ni de puerta. En consecuencia, tiene un consumo energético muy bajo y una alta eficiencia. Y la impedancia de salida es baja. Por lo tanto, FET tiene menor ganancia que BJT.
Dado que el FET utiliza solo un tipo de portador de carga, ya sea electrones o huecos, el tiempo de recuperación es muy rápido. Por tanto, su velocidad de conmutación es muy rápida y puede utilizarse para aplicaciones de muy alta frecuencia.
Hay dos tipos de transistores FET, es decir, JFET (FET de unión) y MOSFET (FET semiconductor de óxido metálico).
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Transistor de efecto de campo de unión JFET
JFET o transistor de efecto de campo de unión es un tipo de FET que tiene una unión PN entre la puerta y el canal. Tiene tres terminales Puerta (G), Drenaje (D) y Fuente (S). El canal está rodeado por la región de la puerta. El canal y la puerta están hechos de una capa semiconductora alterna. Los dos extremos del canal se denominan drenaje y fuente.
El canal se incorpora durante la fabricación. Por lo tanto, JFET puede conducir corriente cuando no hay voltaje en su puerta. La aplicación de un voltaje inverso a la puerta crea una región de agotamiento que rodea el canal que pellizca y reduce el ancho del canal. El flujo de corriente se reduce y finalmente se detiene cuando la región de agotamiento bloquea completamente el canal. Este modo de operación también se conoce como modo de agotamiento y JFET solo funciona en este modo.
El canal puede estar fabricado de material semiconductor tipo P o tipo N. Por lo tanto, JFET se puede dividir en
- JFET de canal N
- JFET de canal P
JFET de canal N
Un canal N El canal de JFET está hecho de material semiconductor tipo N, de ahí su nombre. Los portadores de carga responsables del flujo de corriente son los electrones. El tiempo de recuperación de los electrones es rápido, por lo que el JFET de canal N tiene una velocidad de conmutación rápida.
Con un voltaje de puerta cero, conducirá corriente entre su fuente y su drenaje ya que hay un canal. Aplicando una V negativaGS crea una región de agotamiento que reduce el ancho del canal. Reduciendo así el flujo de corriente.
JFET de canal P
El canal en el JFET de canal P está hecho de material tipo P y los orificios son los portadores de carga responsables del flujo de corriente. Los agujeros son relativamente más pesados y tienen una velocidad más lenta que los electrones. Por lo tanto, el JFET del canal P tiene una velocidad más lenta que el JFET del canal N.
El JFET del canal P conduce incluso cuando no hay voltaje en su puerta. La aplicación de un voltaje de compuerta positivo reduce el ancho del canal y reduce el flujo de corriente.
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MOSFET
Transistor de efecto de campo semiconductor MOSFET o óxido metálico es un tipo de FET cuyo terminal de puerta está aislado eléctricamente de su canal. Por lo tanto, también se le conoce como IGFET (Transistor de efecto de campo de puerta aislada). Tiene cuatro terminales; drenaje, compuerta, fuente y cuerpo. El terminal del cuerpo a menudo está en cortocircuito con la fuente, formando así tres terminales.
MOSFET tiene una capa aislante de dióxido de silicio entre su puerta y el canal. Aumenta la impedancia de entrada en el rango de mega ohmios y reduce la corriente de fuga.
El MOSFET tiene el mismo funcionamiento que cualquier otro FET. Se utiliza un voltaje en su puerta para variar el ancho del canal y la corriente a través de él. Puede disminuir o aumentar el ancho del canal. Por lo tanto, MOSFET opera en dos modos, es decir, modo de agotamiento y modo de mejora.
La desventaja de la capa aislante es que produce una capacitancia entre la puerta y el canal que la hace vulnerable a la acumulación de carga estática.
MOSFET de agotamiento
Agotamiento MOSFET o D-MOSFET es un tipo de MOSFET donde el canal se fabrica en el momento de la fabricación. Es un MOSFET normalmente ENCENDIDO que conduce corriente sin entrada o voltaje de fuente de puerta VGS = 0.
Puede funcionar tanto en modo de agotamiento como de mejora. Aplicando V hacia adelanteGS pone el D-MOSFET en el modo de mejora donde la corriente aumenta. mientras se aplica la V inversaGS lo pone en modo de agotamiento, donde la corriente disminuye y se apaga.
Según el canal, el D-MOSFET se puede clasificar en D-MOSFET de canal N y canal P.
El D-MOSFET puede funcionar tanto en modo de agotamiento como de mejora. Mientras que el MOSFET de mejora no puede funcionar en modo de agotamiento.
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D-MOSFET de canal N
En el D-MOSFET de canal N, el canal está hecho de material tipo N y el flujo de corriente se debe a los electrones. Un voltaje positivo de puerta-fuente VGS mejora el ancho del canal aumentando así el flujo de corriente. Mientras que una V negativaGS agota el canal de portadores de carga y reduce la corriente hasta apagarlo por completo.
MOSFET D de canal P
En el D-MOSFET de canal P, el canal está hecho de material tipo P que tiene orificios como portadores de carga. Una V positivaGS reduce el ancho del canal y la corriente mientras que un V negativoGS mejora el flujo de corriente en un D-MOSFET de canal P.
MOSFET de mejora
Mejora MOSFET o E-MOSFET es un MOSFET “normalmente apagado” que no conduce cuando no hay entrada. No tiene canal. El canal se induce aplicando voltaje directo VGS entre su puerta y su fuente. El voltaje mejora el ancho del canal y la corriente, de ahí el nombre.
E-MOSFET también se clasifica en E-MOSFET de canal N y canal P.
E-MOSFET de canal N
El canal se induce aplicando una V positiva.GS que acumula una capa de cargas negativas del sustrato P debajo de su puerta que forma el canal N. Al aumentar el voltaje, aumenta su ancho y su conductividad de corriente.
E-MOSFET de canal P
El canal se induce aplicando una V negativa.GS lo que mejora el ancho del canal para aumentar el flujo de corriente. El canal se forma acumulando los orificios del sustrato N debajo del electrodo de compuerta.
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Transistor bipolar de puerta aislada IGBT
IGBT o transistor bipolar de puerta aislada Es un tipo de transistor que combina la mejor parte de BJT y MOSFET. Tiene las características de entrada de MOSFET (Puerta aislante), que es una alta impedancia de entrada y una velocidad de conmutación rápida, y las características de salida de BJT, que son una gran capacidad de manejo de corriente de salida.
Tiene tres terminales Puerta (G), Colector (C) y Emisor (E). La puerta representa la parte MOSFET, mientras que el colector y el emisor representan la parte BJT. Es un dispositivo controlado por voltaje como MOSFET que no tiene corriente de entrada. Por lo tanto no tiene pérdidas de entrada. Sin embargo, es unidireccional, a diferencia del MOSFET que es bidireccional. Permite corriente sólo del colector al emisor.
Está hecho de la combinación de MOSFET y BJT usando la configuración de par Darlington como se muestra arriba, un MOSFET de canal N con un transistor PNP. Un voltaje positivo de puerta-emisor VGE enciende el MOSFET que inicia la corriente de base al PNP. El PNP se enciende y conduce una corriente enorme.
Esta combinación mejora la tensión general y la corriente nominal con pérdidas de entrada reducidas y una velocidad de conmutación decente. Es mucho más fácil de operar.
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Perforar IGBT
El IGBT Punch Through tiene una capa de amortiguación N+. Tiene capacidades de bloqueo de voltaje asimétrico, es decir, los voltajes de ruptura directos e inversos son diferentes. El voltaje de ruptura inverso es menor que el voltaje de ruptura directo. No pueden manejar voltajes inversos. Se utilizan en circuitos de CC ya que son unidireccionales como inversores y circuitos chopper. Tiene una velocidad de cambio más rápida.
IGBT sin perforación
Los IGBT sin perforación no tienen una capa de amortiguación N+. Tienen un voltaje de ruptura simétrico, es decir, los voltajes de ruptura directo e inverso son iguales. Se utilizan en circuitos de CA como rectificadores.
transistores especiales
Existen diferentes tipos de transistores diseñados para propósitos especiales. A continuación se muestran algunos de estos transistores.
Transistor de par Darlington
Un transistor Darlington o un par Darlington es una combinación de dos transistores NPN o PNP en una configuración tal que su ganancia total es igual al producto de su ganancia individual. Proporciona una ganancia de corriente muy alta. La corriente amplificada por el primer BJT es amplificada por el segundo BJT. Se utiliza en circuitos sensibles y ocupa menos espacio que los transistores individuales.
El emisor del primer transistor está conectado a la base del segundo transistor y sus colectores son comunes. Puede tener una ganancia alta pero también tiene caídas de emisor de base dobles. Está disponible en forma de un solo transistor que tiene tres terminales, es decir, base, emisor y colector.
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Transistor de par Sziklai
El par Sziklai, al igual que el par Darlington, es una combinación de dos BJT para mejorar su ganancia actual. Pero combina dos BJT diferentes en un solo transistor. La ventaja de esta configuración sobre el par Darlington es que tiene una única caída de voltaje base-emisor. tiene una ganancia actual ligeramente menor que el par Darlington.
El colector del primer BJT está conectado a la base del segundo BJT. El emisor del primero y el colector del segundo están conectados entre sí. El transistor Sziklai general actúa como primer transistor o transistor de entrada. Por ejemplo, si el primer transistor es NPN, el transistor general funcionaría como NPN. Transistor de alta ganancia.
fototransistor
El fototransistor, como su nombre indica, depende de la intensidad de la luz. Es un transistor simple pero en lugar del terminal base, hay una región sensible a la luz. Por tanto, cuenta sólo con dos terminales. La región fotosensible convierte la energía luminosa en energía eléctrica que se utiliza para controlar la corriente de salida.
Pueden estar hechos de BJT o FET. El fototransistor BJT convierte la energía luminosa en corriente de base, mientras que el fototransistor FET convierte la luz en voltaje para controlar la corriente grande.
Permanece apagado cuando está bajo una sombra o no hay luz en su región fotosensible. Se enciende cuando la luz incide en su unión, lo que produce la corriente de base o voltaje de puerta proporcional a la intensidad de la luz. A su vez controla el gran colector o corriente de drenaje.
Transistores de señal pequeña
Como sugiere el nombre, estos transistores se utilizan para amplificar y conmutar señales muy pequeñas. Tienen una ganancia muy alta de alrededor de 500 y la corriente nominal del colector está en miliamperios. Estos son transistores muy sensibles y sólo deben usarse para señales pequeñas.
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Pequeños transistores de conmutación
Estos transistores se utilizan principalmente para conmutar señales pequeñas. Pueden usarse para amplificación; sin embargo, su ganancia actual es mucho menor que la de un pequeño transistor de señal en el rango de 200. Ambos transistores están hechos de BJT como NPN y PNP.
Transistores de poder
Como sugiere el nombre, estos transistores se utilizan para aplicaciones de alta potencia. Pueden manejar corriente y voltaje de colector muy altos. Son más voluminosos que cualquier transistor normal. Cada región está diseñada con un tamaño mayor con el único propósito de manejar la gran corriente. Tienen un alto voltaje de ruptura. Sin embargo, también tienen una alta caída de voltaje en estado encendido. El transistor de potencia está disponible en todos los tipos de transistores, como BJT de potencia, MOSFET de potencia e IGBT de potencia.
Transistores de alta frecuencia
Estos transistores se utilizan para aplicaciones de conmutación de muy alta frecuencia y alta velocidad. También se les conoce como transistores RF (Radio Frecuencia). Pueden encender y apagar pequeñas señales a muy alta velocidad en el rango de 2000 MHz. Se utilizan tanto para conmutación como para amplificación a frecuencias tan altas.
Transistor de avalancha
Los transistores de avalancha son BJT diseñados específicamente para operar más allá del voltaje de ruptura llamado región de ruptura de avalancha. Esta es una región de resistencia negativa donde la corriente aumenta significativamente. Estos transistores operan en esta región conocida como operación en modo avalancha. En este modo, son capaces de conmutar corrientes muy altas a muy alta velocidad.
MOSFET de doble puerta
Dual Gate MOSFET es un tipo especial de MOSFET especialmente diseñado para aplicaciones de RF. Tiene dos electrodos de compuerta fabricados sobre un solo canal a lo largo de su longitud cuya conductividad se ve afectada por ambas compuertas. Por lo tanto, se puede utilizar para mezclar dos señales de entrada. Funciona como dos MOSFET en serie pero con un solo canal. Se utilizan en amplificadores y mezcladores de RF.
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Transistor de emisores múltiples
Un transistor de emisores múltiples es un transistor BJT con múltiples emisores. Se utiliza como entrada para la puerta NAND en los circuitos TTL (Transistor-Transistor Logic). BJT son simplemente dos diodos conectados espalda con espalda. Una lógica baja en cualquier emisor lleva la base a un voltaje bajo, deteniendo así la corriente del colector, mientras que la lógica alta en ambos emisores permite que la corriente del colector se utilice para impulsar el circuito lógico. Ayudan a reducir el tiempo de conmutación si se utilizan en lugar de diodos en DTL (lógica diodo-transistor).
Transistor Schottky
Un transistor Schottky es un BJT con un diodo Schottky conectado entre su base y su colector. Un diodo Schottky tiene una caída de voltaje más baja y una velocidad de conmutación alta. Debido a una caída de voltaje menor que la caída base-emisor, conducirá la corriente lejos de la base para evitar que el transistor se sature.
Transistores unijunción UJT
El transistor unijunción o UJT es un diodo con una sola unión PN pero tres terminales; emisor (E), base_1 (B1) y base_2 (B2). Al igual que un diodo, sólo se utiliza para conmutar, pero proporciona una conmutación controlada eléctricamente. A diferencia de los transistores, no puede amplificar ninguna señal. La entrada en el emisor se utiliza para controlar el flujo de corriente entre B1 y B2. Se activa la conducción aplicando un pulso positivo y se apaga aplicando un pulso negativo.
Transistor bipolar de heterounión (HBT)
Como sugiere el nombre, HBT es un tipo de BJT cuya base y emisor están hechos de diferentes materiales semiconductores para formar una heterounión. La ventaja de la heterounión es tener una resistencia base más baja y manejar frecuencias muy altas.
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