Publicado : 21/02/2022 Transistores unipolares (MOSFET) - Categorías : Otras novedades , Teoría Un transistor unipolar es uno de los componentes electrónicos más útiles, y probablemente te suenen como los ampliamente usados MOSFET. En este artículo vamos a ver sus múltiples tipos, características, configuraciones y ejemplos de uso, para que entiendas en profundidad este elemento. ¿Qué es un transistor? Primero de todo, vamos a ver que es un transistor. En términos de electrónica es un dispositivo semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Esta salida será controlada por el funcionamiento, y depende de este y de su configuración cumple funciones como amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. Principalmente hay 3 tipos de transistores: de unión bipolar, transistores unipolares y de contacto puntual. También podríamos añadir los fototransistores, que reaccionan a la luz. Sin embargo, en esta entrada nos centraremos en los transistores de efecto de campo, conocidos por transistores unipolares. Se llaman transistores de efecto de campo, o en inglés “field effect transistor” cuyas siglas son FET. Puede que, si hasta hora no te sonaba lo de unipolar, puede que por FET sí. Y a estos hay que darles las gracias de que existan circuitos digitales de alta velocidad y bajo consumo, ya que muy probablemente los microprocesadores actuales no existirían sin la tecnología fe los FET. ¿Qué es un transistor unipolar? Como definición, los FET son transistores que usan el campo eléctrico para controlar la forma y, por lo tanto, la conductividad de un canal que transporta un solo tipo de portador de carga, por eso se conocen como unipolares. Como hemos dicho los transistores son dispositivos semiconductores, y en los unipolares tienen cuatro terminales: puerta (representado con la G de “gate”), drenador (D de “drain”), fuente (S de “source”) y sustrato (B de “substrate”), pero el sustrato generalmente está conectado internamente al terminal de fuente y por este motivo se pueden encontrar casi siempre los dispositivos FET con tres terminales. La puerta está separada del cuerpo por medio de una capa de aislante (parte en blanco). El FET de unión fue descrito por primera vez en 1952 por Shockley y se llamó FET de unión o JFET. Más adelante se desarrolló el FET de puerta aislada (insulated gate FET) o MOSFET (metal-oxide-semiconductor FET). Estos últimos, los MOSFET, son los que trataremos con especial atención más adelante. Actualmente, se dispone también de transistores de metal semiconductor (MESFET) y de arseniuro de Galio (GASFET) para aplicaciones de muy alta frecuencia. De igual manera para aplicaciones de potencia nació el FET de estructura vertical o VMOS. A su vez, los transistores se clasifican según su “canal” ya que como hemos dicho transportan un solo tipo de portador de carga, que puede ser de tipo “p” o “n” (positivo o negativo). Podemos ver una rápida clasificación de los tipos de transistores de efecto de campo (transistores unipolares) a continuación. ¿Qué es canal n o canal p? ¿Qué diferencias hay entre un transistor de canal N o de canal P? O más bien, ¿a que se refieren con canal? El semiconductor de silicio de los transistores se dopa con otros elementos para formar así el adecuad, resultando de tipo N o tipo P. Las zonas N (en las que abundan portadores de carga Negativa) se obtienen contaminando el sustrato con átomos de elementos donantes de electrones, como el arsénico o el fósforo; mientras que las zonas P (donde se generan portadores de carga Positiva o «huecos») se logran contaminando con átomos aceptadores de electrones, como el indio, el aluminio o el galio. Por lo tanto, si añadimos al silicio los llamados dopantes, es decir, átomos que tienen un electrón de valencia más que el silicio (por ejemplo, el fósforo), obtenemos un semiconductor de tipo N. En un semiconductor de este tipo, los electrones libres procedentes del dopante se convierten en el portador de la corriente. Por otro lado, un semiconductor de tipo P se crea añadiendo los llamados aceptores, es decir, átomos que tienen un electrón de valencia menos que el silicio (por ejemplo, el aluminio). Esto crea los llamados “huecos”, que son entidades convencionales con carga positiva. Por ejemplo, los transistores de canal de tipo N (como el BS170) tienen un sustrato de tipo P, y el drenador y el surtidor son de tipo N. También existen transistores de canal tipo P, en este caso el sustrato está dopado con donantes y el drenador y el surtidor con aceptores. La simbología de estos dos tipos se diferencia por el sentido en el que irá la corriente, y además, puede incluir un diodo, según el tipo específico de FET, tal y como se ve a continuación. Además de los tipos de canal P y N, los MOSFET son fabricados como hemos visto en la clasificación, como dispositivos para modo de enriquecimiento y para modo de empobrecimiento. Un transistor en modo de enriquecimiento normalmente está apagado y se enciende con una tensión, mientras que un dispositivo en modo de agotamiento se encuentra encendido y se apaga con un nivel de tensión. El principio de funcionamiento del transistor MOSFET Las siglas MOSFET vienen de las palabras Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor, que en español significan transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor. Es el transistor más utilizado sobre todo para la conmutación y amplificación de señales. Debido a su popularidad, vamos a analizar los llamados transistores de canal enriquecido o canal inducido, en los que se forma un canal cuando se aplica una tensión entre la puerta y el surtidor. El segundo tipo de MOSFET, con el llamado canal difundido o de empobrecimiento, no se tratarán aquí. Por el transistor desconectado en el circuito drenador-surtidor (DS) no circula corriente. Esto se debe a que el drenador (D) está a un potencial más alto que el sustrato (B) que está en contacto con él (en cortocircuito con el surtidor), lo que polariza la unión p-n que se forma allí en una dirección negativa. En otras palabras, el diodo situado allí se bloquea "inadvertidamente". Este diodo suele colocarse incluso en los diagramas esquemáticos, dentro del MOSFET. Los fabricantes suelen incluirlo adicionalmente y con buenos parámetros porque se encarga de proteger muy eficazmente contra sobretensiones. Diodo rectificador interno en el transistor y el símbolo del transistor MOSFET Bien, la situación comienza a cambiar cuando comenzamos a aplicar un voltaje positivo a la puerta (G) con respecto a el surtidor (S). La puerta está aislada del resto del transistor, por lo que no fluye corriente a través de ella. Frente a la puerta, en el otro lado del aislante, hay un sustrato (B) con muchos portadores positivos. Para que un transistor se abra completamente, debe aplicarse una tensión varias veces superior a la tensión de umbral (es la tensión de encendido) entre la puerta y el surtidor (UGS). El potencial positivo de la puerta los empuja más profundamente en el sustrato, dejando los átomos dopantes y los electrones atraídos de todo el sustrato en el área debajo de la puerta. La acumulación de electrones en la zona bajo la puerta se denomina capa de inversión. Tiene el mismo tipo de conductividad que el drenador y el surtidor, y esto significa que el diodo en el drenador deja de existir y la corriente fluye a través del transistor. ¿De dónde vienen estos electrones? Se encuentran de forma natural en un semiconductor de tipo P (proceden del silicio), pero son muchos miles de veces menos abundantes que los huecos. Cuando la capa de electrones es lo suficientemente "gruesa", se forma un canal por el que puede circular la corriente entre el drenador y el surtidor. Este canal es de tipo N porque los electrones lo forman, de ahí el nombre, Negativos. Pero entonces, ¿a qué voltaje de puerta-fuente (DS) puede fluir la corriente a través del transistor? Este parámetro se denomina tensión umbral (UGSth): cuando se aplica, se forma un canal en el transistor. En realidad, la corriente fluye a través de un transistor con cualquier tensión puerta-fuente, pero puede tener un valor muy, muy pequeño. Los fabricantes siempre proporcionan un voltaje de umbral a una corriente de drenaje fija (ID). La corriente que fluye se considera entonces "significativa", lo cual es un problema contractual. Diferencia entre transistores bipolares BJT y MOSFET Ahora que conocemos las características de los unipolares, podemos hablar de su semejante transistor: el BJT. A pesar de que este es un transistor bipolar, tienen muchas cosas en común, por lo que no hay que confundirlos: Ambos dispositivos son transistores Ambos dispositivos tienen 3 terminales Ambos dispositivos pueden funcionar como interruptores (o conmutadores) y como amplificadores de señales Físicamente, ambos dispositivos lucen iguales e incluso su identificador puede confundirnos: A pesar de estas semejanzas no se deben confundir ya que tienen funcionamientos distintos, diferentes modos de trabajo y sus parámetros son distintos. En la foto anterior podemos observar la correspondencia con sus terminales, pero esto depende siempre del fabricante, por lo que debes fijarte en la hoja de características (datasheet) que proporcionan. En este otro ejemplo podemos observar como la configuración de los pines cambia de orden. Los parámetros más importantes de los transistores MOS Los transistores MOSFET, como los transistores bipolares, tienen muchos parámetros diferentes. Sin embargo, nos centraremos en aquellos que son los más importantes desde el punto de vista del "interruptor controlado", es decir, la aplicación para la que los aficionados al bricolaje los utilizan con más frecuencia. Resistencia de canal abierto Cuando el voltaje de el surtidor de la puerta (UGS) es varias veces mayor que el voltaje de umbral, entonces el canal creado es lo suficientemente ancho como para que su mayor ensanchamiento no cambie nada, porque hay otras restricciones involucradas, como el ancho del área de drenaje o la resistencia de contacto. En este estado, el transistor se comporta como una resistencia con una resistencia que va desde unos pocos ohmios hasta unos pocos miliohmios. Cuanto menor sea esta resistencia, menor será la disipación de potencia. Voltaje máximo de puerta-fuente La puerta y el surtidor están separadas por una capa muy delgada de dieléctrico, que puede perforarse si se le aplica un voltaje demasiado alto. Se debe tener cuidado de no excederlo, porque ignorar este problema puede terminar destruyendo el transistor. Corriente de drenador máxima La corriente máxima que puede controlar el transistor. El voltaje máximo de el surtidor de drenador, como con el UGS máximo, que exceda el UDS permitido puede destruir el transistor. Pérdida máxima de potencia Resulta del calentamiento del transistor durante el flujo de corriente. Influencia de la resistencia de puerta en los MOSFET – ejemplo práctico La resistividad que ofrece la puerta de los MOSFET hace que no consuma electricidad, por lo que a menudo estos transistores son usados como interruptores controlados por voltaje. Por otro lado, debido a la baja resistencia del canal abierto, presentan también muy pocas pérdidas. Es hora de verlo con un ejemplo, por lo que para este ejercicio práctico necesitaras de los siguientes componentes: 1 × zumbador con generador 1 × transistor BS170 1 × resistencia de 100 Ω 1 × Resistencia de 1 kΩ 1 × Resistencia de 1 MΩ 4 × baterías AA 1 × caja para 4 pilas AA 1 × placa de prototipo (Protoboard) juego de cables de conexión (jumpers) Una vez tengas todo listo, puedes montar el siguiente circuito simple el siguiendo el esquema. La resistencia de la puerta (G) la iremos intercambiando, usando en primer lugar la de 10k. En la práctica, sin las pilas podría verse tal que así: Una vez conectada la alimentación y si el circuito se ha ensamblado correctamente, el zumbador debería estar chirriando. En este caso, debemos medir la corriente que fluye a través del zumbador y el voltaje entre el drenador y el surtidor del transistor. También vale la pena medir el voltaje entre los terminales de la resistencia. Anota los resultados para hacer mejores comparaciones, y así entender el funcionamiento. Cuando las mediciones estén listas, reemplaza la resistencia por una más grande, es decir, 1 MΩ, y repite las mediciones, luego lo mismo para la resistencia de 100Ω. Por último, también vale la pena comprobar qué pasará si conectamos la puerta mediante una resistencia a tierra, tal y como se muestra a continuación. ¿Qué ha ocurrido en cada caso? En este experimento, el transistor fue accionado muy fuertemente cada vez, su tensión UGS superó el valor de la tensión umbral. Esto ocurría porque el surtidor (S) estaba conectada a tierra, y la puerta (G) a una tensión cercana a +6 V, mientras que la tensión umbral de este transistor era de 2 a 3V. Al pasar de esta tensión umbral, el transistor permite la conducción de corriente entre el drenador y el surtidor (IDS) Por último, la conexión de la puerta a tierra (es decir, donde también va el surtidor) provocaba la desaparición del canal y la ausencia de flujo de corriente entre el drenador y surtidor (IDS = 0) porque UGS = 0. Vamos ahora a analizar los valores de las mediciones que nos han resultado. En primer lugar, un voltímetro ideal tendría una resistencia infinitamente grande. Un voltímetro real, sin embargo, tiene una resistencia alta, de 1 MΩ como en nuestro caso, que introduce una gran distorsión cuando se mide en serie con R = 1 MΩ. Los datos recopilados en la tabla muestran claramente el estado de corte y saturación del transistor. En el estado saturado (cuando UGS es mucho mayor que UGSth), la resistencia entre el drenador (D) y el surtidor (S) es insignificante, por lo que la caída de voltaje es del orden de unos pocos mV y el drenador está limitado por una corriente limitada solo por el zumbador. En el estado de corte, la resistencia es tan alta que la corriente de drenador prácticamente no fluye y casi todo el voltaje se deposita entre el drenador y surtidor. Todas estas observaciones son independientes de la resistencia de puerta utilizada (la situación sería diferente en el caso de la base de los transistores bipolares). Si se quita una resistencia en un sistema en funcionamiento (lo que no recomendamos hacer debido a la posibilidad de dañar el transistor), es posible que el zumbador siga sonando. ¿Por qué? La puerta está separada del canal por un aislante, por lo que se crea una capacitancia allí, es decir, hay un pequeño capacitor interno allí. Si se ha cargado a través de una resistencia una vez, seguirá manteniendo ese voltaje cuando se retire. Solo después de algún tiempo, debido a la imperfección del aislante, se descargará. ¿Cuándo vale la pena usar MOSFET? Los transistores bipolares y unipolares son elementos especiales con su gracia, pero surge la pregunta: ¿cuándo usarlos? Ambos tipos tienen sus ventajas y desventajas, por lo que depende que aplicaciones uno obtiene la ventaja sobre el otro. El uso de transistores bipolares merece la pena cuando el circuito se alimenta con una tensión baja (por ejemplo, 1,5 V o 3,3 V), ya que sólo necesita una tensión de 0,7 V para funcionar. Un transistor unipolar puede seguir sin estar completamente abierto en esas condiciones. Los MOSFETs se recomiendan para controlar cargas que gastan corrientes del orden de los amperios, ya que el elemento de control (por ejemplo, Arduino) prácticamente no necesita suministrarles corriente, basta con establecer una diferencia de potencial (voltaje) suficientemente alto. Como hemos dicho, para que un transistor se abra completamente, debe aplicarse una tensión varias veces superior a la tensión de umbral (es la tensión de encendido) entre la puerta y el surtidor. ¡Los MOSFET no consumen prácticamente ninguna corriente del circuito que los controla! Se recomienda el uso de transistores unipolares cuando el consumo de corriente es importante. En algunas aplicaciones, especialmente en sistemas alimentados por baterías pequeñas, incluso unos pocos microamperios consumidos por la base de un transistor bipolar pueden reducir significativamente el tiempo de funcionamiento del dispositivo. Hay una tensión fija depositada entre el emisor y el colector de un transistor bipolar totalmente encendido (saturado): normalmente 0,2 V, pero este valor puede ser mayor en el caso de los transistores de alta potencia. Los transistores unipolares sólo tienen una resistencia de canal abierto, por lo que la caída de tensión en ellos depende de la corriente que circula. Por último, una observación práctica más. Si necesitamos accionar, por ejemplo, 10 de los llamados diodos emisores de luz súper brillantes, cada uno de ellos mediante un transistor independiente, habrá que utilizar 10 transistores bipolares, junto con 10 resistencias, una para la base de cada uno de ellos. Mientras tanto, el uso de MOSFETs eliminará la necesidad de resistencias adicionales, ahorrando espacio en la placa. Fuentes: https://www.cartagena99.com/recursos/electronica/apuntes/Transistores_Unipolares.pdf https://www.uv.es/~esanchis/cef/pdf/Temas/A_T3.pdf https://es.wikipedia.org/wiki/Transistor#Transistor_de_uni%C3%B3n_bipolar https://forbot.pl/blog/kurs-elektroniki-ii-komparatory-napiecia-id9357 https://www.puromotores.com/13121271/como-funciona-un-amplificador-operacional http://panamahitek.com/que-es-y-como-funciona-un-mosfet/ https://www.elprocus.com/mosfet-as-a-switch-circuit-diagram-free-circuits/ https://whatis.techtarget.com/definition/MOSFET-metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistor