¿Qué es un transistor? El transistor es un dispositivo electrónico, desde sus inicios, 1925 aproximadamente, ha sido un elemento esencial en la mayor parte de equipos y aparatos electrónicos.
Por ejemplo, actualmente, podemos encontrar transistores por miles en ciertos microcontroladores y millones en los microprocesadores multinúcleo.
Existen diversos tipos de transistores, cada uno un sus ventajas y desventajas, eso permite que unos sean recomendables en algún tipo de aplicación u otra.
Sin embargo, todos pueden ser usados como amplificadores, osciladores, interruptores o conmutadores, principalmente. En esta publicación te platicaré sobre el principio de funcionamiento del transistor BJT, JFET y MOSFET.
Cabe señalar que, actualmente, todos se basan en materiales semiconductores, con algunas combinaciones de óxidos y metales.
Pero . . . ¿qué son los materiales semiconductores?.
Un material semiconductor, como indica su nombre, es el término medio entre uno conductor y uno aislante. Recordemos que los materiales conductores son aquellos que tiene la capacidad de conducir la corriente eléctrica fácilmente.
Por otro lado, los materiales aislantes no conducen la corriente eléctrica. Asimismo, los materiales semiconductores, en su estado puro, no son ni buenos conductores, ni buenos aislantes.
Para entender mejor el concepto de material semiconductor recurriremos al modelo atómico de Bohr. Este modelo representa a los átomos como un sistema planetario, donde en el centro se encuentra el núcleo, formado por protónes (carga positiva) y neutrones (carga neutra).
Alrededor del núcleo, giran los electrones (carga negativa) en diferentes órbitas. Los que se encuentran en órbitas mas cercanas al núcleo, son atraídos con mayor fuerza por los protones y por lo tanto, más difíciles de desprender del átomo, para combinarse con otros.
Mientras más lejos se encuentren los electrones girando alrededor del núcleo, más fácil se podrán desprender. Es decir, requieren menos energía para fluir o moverse y combinarse con otros átomos.
El orbital más lejano de un átomo se conoce como capa de valencia y los electrones que se encuentran en ella son los electrones de valencia.
Es decir, son los que intervienen en las reacciones químicas y a los enlaces existentes dentro de la estructura de un material, determinando sus diferentes propiedades. Cabe señalar que los mejores materiales conductores como el oro, plata y cobre tienen un sólo electrón de valencia.
Por otro lado, los aislantes generalmente tienen mayor número electrones de valencia, fuertemente unidos al núcleo, lo que les impide permitir el flujo de electrones.
Semiconductores intrínsecos, tipo P y tipo N.
El átomo de un material semiconductor puro (silicio o germanio), tiene 4 electrones de valencia, que al unirse a otro átomo del mismo material forman enlaces covalentes.
Es decir, cada átomo tiene 4 electrones disponibles, que puede compartir con otros 4 átomos a su alrededor. Es decir, le comparte un electrón a cada átomo vecino.
Por lo tanto, cada átomo tendrá 8 electrones girando a su alrededor, aunque 4 sean compartidos. Como resultado, este tipo de enlaces crea una gran estabilidad en el material semiconductor puro.
Cabe señalar que a este tipo de material se le conoce como material semiconductor intrínseco.
Cuando se altera o dopa un material semiconductor intrínseco se convierte en extrínseco y puede ser de dos tipos, P o N. Un material tipo P es aquel que se forma al dopar o insertar átomos de materiales con 3 electrones de valencia (boro, indio y galio), en un material instrínseco.
Con este tipo de materiales se crean enlaces con 7 electrones girando alrededor de cada átomo, quedando un lugar disponible, para lograr el enlace covalente.
Es importante recordar que a este lugar disponible se le conoce como hueco y se considera que tiene carga positiva. Es decir, un material tipo P, es un material extrínseco con mayor número de huecos, que electrones.
Por lo tanto, un material intrínseco tendrá el mismo número de huecos y de electrones.
Ahora, un material tipo N, se forma al introducir o dopar un material instrínseco con átomos que cuenten con 5 electrones de valencia (arsénico, fósforo, bismuto y antimonio).
Es decir, se formarán enlaces covalentes, con 8 electrones, generando que sobre un electrón por cada átomo de dopaje. En este tipo de materiales extrínsecos hay mayor número de electrones que de huecos. Por lo tanto, el material será de tipo N.
El transistor BJT
El BJT (transistor de unión bipolar), es un dispositivo de tres capas de material semiconductor. Existen dos tipos de BJT, el tipo NPN y el tipo PNP. Como su nombre lo indica, en el caso del tipo NPN, se tienen dos capas en los extremos de material tipo N y en el centro material tipo P.
Por otro lado, en el tipo PNP, se tienen dos materiales P en el extremo y en el centro material tipo N. Cada material está conectado a un pin o terminal, por que el BJT tienen tres, la base, el colector y el emisor. Cabe resaltar que su principal aplicación es como amplificador.
Asimismo podemos encontrar el BJT en circuitos donde trabaja como interruptor electrónico. Un ejemplo de esta aplicación es en las salidas de alguno PLCs (controladores lógicos programables).
Para que un BJT opere adecuadamente en cualquier aplicación, las uniones de materiales que corresponde a la base y colector, deben estar polarizadas directamente, por una fuente externa.
Tomaremos como ejemplo el tipo NPN, para el otro tipo deberán considerarse al contrario la conexiones. Por lo tanto, con una fuente de alimentación de CD, el polo positivo va a la base (material P) y el negativo de la fuente al emisor (material N). Asimismo, se debe polarizar la unión base – colector de forma inversa.
Esto quiere decir que ahora la base (material P), debe ser mas negativo que el colector (material N). Por lo que el colector se conectará al polo positivo de la fuente de CD.
Cabe señalar que existen diversos tipos de circuitos de polarización que nos aseguran que sea como se explicó. Asimismo, existen diversas configuraciones y modos de conectar el transistor, siendo el circuito Emisor Común, el mas usado.
Transistor BJT como amplificador
En este tipo de circuito se conecta la señal que se requiere amplificar (voltaje de entrada), en el circuito formado por la unión base – emisor del BJT.
La señal a amplificar inyectará electrones en el circuito mencionado, generando que por cada uno que se agregue, se obtenga un múltiplo en la salida. Cabe señalar, que la salida es en la terminal colector del transistor.
El factor que multiplica los electrones aplicados en la entrada se llama ganancia, la cual se ajusta con resistencias externas, conectadas al transistor. De acuerdo al circuito de polarización utilizado, se deben calcular las resistencias externas para lograr la ganancia requerida, así como la estabilidad del transistor.
Cabe señalar que existen diferentes tipos de amplificadores (A, AB y C), siendo el tipo A, el mas común.
El transistor JFET.
El transistor JFET (transistor de efecto de campo de unión), es un tipo de transistor FET. Cabe señalar que trabaja con uniones de material tipo P y tipo N polarizadas inversamente. Con este tipo de transistores se busca regular el flujo de electrones a través de un canal. Por lo tanto, se tendrán de canal N y canal P.
Como se muestra, considerando el de canal N, en los extremos de éste se tiene una terminal. Por ejemplo, el drenaje se encuentra en el extremo superior y la terminal fuente en el inferior.
Asimismo, se incrustan dos materiales tipo P, en el material tipo N, que es la base. Estos materiales P se unen en una sola terminal denominada compuerta. Debido a la construcción que se menciona, se forma un canal.
Al aplicar un voltaje entre los extremos del canal, entre Drenaje y Fuente, se genera una corriente que fluye entre estas dos terminales.
Asimismo, se debe conectar una fuente, con polarización inversa, entre las terminales compuerta – fuente. Cabe señalar, que lo anterior genera una región de empobrecimiento en las uniones entre los materiales tipo P y tipo N.
Lo anterior incrementa la resistencia eléctrica en el canal, a la altura de las uniones con los materiales diferentes al tipo de material del canal. Es decir, se estrangula o reduce el ancho del canal, evitando el flujo de electrones. Por lo tanto, es posible controlar el ancho del canal.
Asimismo se ajusta el flujo de electrones del drenaje a la fuente, mediante el voltaje aplicado en la compuerta.
Consideraciones del JFET
Es importante consultar el voltaje de ruptura del transistor JFET, en la hoja de datos del fabricante. Esto es debido a que si el voltaje entre compuerta y fuente alcanza este valor, el JFET se dañará, irremediablemente.
Asimismo, se debe recordar que para que opere adecuadamente se debe cumplir la siguiente condición de polarización. El voltaje aplicado entre las terminales compuerta y fuente debe ser inverso.
Es decir, para el caso del canal N, el negativo de la fuente va a la terminal compuerta y el polo positivo de la fuente a la terminal fuente. También, para el voltaje que se aplica entre las terminales de drenaje y fuente, el polo positivo de la fuente va en el drenaje y el polo negativo en la fuente.
El transistor MOSFET.
Es un transistor de efecto de campo semiconductor metal – óxido. Es un tipo de JFET, pero a diferencia de éste, la compuerta se encuentra aislada de la unión con el canal, mediante una capa de bióxido de silicio.
Existen dos tipos de transistores mosfet, de enriquecimiento y de empobrecimiento. Cabe señalar, que en ambos casos se tienen disponibles en canal N y en canal P. Prácticamente, su funcionamiento es similar al JFET.
Es un dispositivo controlado por voltaje, con alta impedancia de entrada. Por lo tanto, requiere poca corriente para su activación o funcionamiento.
Aparte de trabajar como amplificador, el mosfet es ampliamente utilizado como conmutador o interruptor electrónico. Es decir, literalmente, puede hacer la función de un switch, accionado electrónicamente. Esto es debido a que puede conmutar a gran velocidad.
Este tipo de aplicación es muy común en fuentes conmutadas o convertidores cd-cd y cd-ca. Cabe señalar que en este tipo de aplicaciones, el pulso de encendido se aplica entre la compuerta y fuente.
Generalmente, ese pulso es una señal PWM, lo que permite tener diferentes tiempos de encendido y apagado.
Al modificar el ancho del pulso de la señal PWM, se puede controlar el voltaje que tendrá la carga del circuito. Esto se puede hacer mediante los circuitos que se explican a continuación.
En ambos circuitos, al controlar el voltaje en la carga puede controlarse, por ejemplo, la velocidad de un motor de CD. También se podría modificar la luminosidad de un LED o la potencia y temperatura de una resistencia.
Conmutación inferior
En este tipo de conmutación la terminal de fuente va conectada directamente a tierra o polo negativo de la fuente. Asimismo, la carga se conecta entre la terminal de drenaje y el polo positivo de la fuente de alimentación.
Como se comentó, los pulsos de la señal PWM van entre la terminal de compuerta y la terminal fuente.
Conmutación superior
Para este tipo de conmutación, la carga va entre la terminal fuente y el polo negativo de la fuente de alimentación. También, se debe conectar la terminal drenaje directo al polo positivo de la fuente de alimentación.
En los dos circuitos anteriores, el diodo que está en paralelo con la carga sirve para dar camino a la corriente de ésta al apagar el mosfet. Se utiliza principalmente cuando la carga es de tipo inductiva.
El circuito formado por el diodo, capacitor y resistencia, así como la bobina, se utilizan como protección. Cabe señalar que permiten evitar que se dañe el mosfet por cambios muy rápidos de voltaje y corriente, en intervalos de tiempo cortos. Se les conoce como red de snubber.
Conclusiones sobre los transistores
Aprendiste que los transistores se construyen con materiales semiconductores. Si el material es puro, es decir, sin alteraciones se le conoce como intrínseco. Si el semiconductor intrínseco se dopa, se convierte en extrínseco.
Cabe señalar que tenemos dos tipos de semiconductores extrínsecos, tipo P y tipo N. Para el caso del transistor BJT tenemos dos tipos, NPN y PNP. Su mayor aplicación es como amplificador e interruptor.
En el caso del JFET y MOSFET, hablamos de transistores de efecto de campo. Cabe señalar que en ambos casos se controla la corriente que fluye a través de un canal. Asimismo, para el mosfet, se agrega óxido y metal a su construcción.
Como resultado se tiene un transistor con características importantes para utilizarse como interruptor electrónico.