ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

Transcripción

1 ELECTRÓNICA INDUSTRIAL TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO: Introducción Construcción y características de los JFET Transistores de efecto de campo de compuerta aislada (MOS o MOSFET) El transistor MOSFET de potencia El transistor IGBT 6 B ELECTRÓNICA

2 William Bradford Shockley nació en Londres el 13 de febrero de 1910, aunque sus padres eran norteamericanos y sólo 3 años después de su nacimiento se lo llevaron a vivir a Palo Alto, California. Su padre era un ingeniero y su madre una topógrafa de minas. Considerando que le podrían dar a su hijo una mejor educación en casa, los Shockleys mantuvieron a William sin ir a la escuela hasta que cumplió 8 años. Aunque su educación probaría más tarde ser de excelente nivel, este aislamiento hizo que el pequeño William tuviera muchos problemas para adaptarse a su entorno social. En el otoño de 1927 ingres só a la Universidad de California en Los Angeles, pero tras sólo un año ahí ingresó al prestigioso Instituto de Tecnología de California, en Pasadena. William terminó su licenciatura en física en 1932 y posteriormente obtuvo una beca para estudiar en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), de donde se doctoró en Con el apoyo de Bell Telephone Laboratories en 1936 comenzó los experimentos que le llevaron al descubrimiento y posterior desarrollo del transistor de unión. Durante la segunda Guerra Mundial ejerció como director de investigación en el grupo de investigaciones de operaciones de combate antisubmarino. Trabajó, igualmente, como consejero experto en la oficina del secretario para la guerra. Al finalizar la guerra, volvió a Bell Telephone como director de la investigación física del transistor. La investigación de Shockley estuvo centrada en las bandas de energía de los sólidos, la difusión propia del cobre, el orden y el desorden en los enlaces, experimentos y teoría en los campos ferromagnéticos, experimentos de fotoelectrones en cloruro de plata y varios temas en la física del transistor. Su trabajo fue recompensado con muchos honores. Recibió la Medalla al Mérito en 1946, por su trabajo en el departamento de guerra. El premio en memoria de Morris Leibmann del Instituto de Ingeniería de la Radio en 1952; los siguientes años, el premio de la Sociedad Americana de la Física de Oliver E. Buckley por su investigación del estado físico sólido y un año después el premio Cyrus. B. Comstock de la Academia Nacional de las Ciencias. El mayor honor fue el Premio Nobel en Física que le fue otorgado en 1956, juntamente con sus dos antiguos colegas de los laboratorios "Bell Telephone", John Bardeen y Walter H. Brattain por el desarrollo del transistor William B. Schokley falleció el 12 de Agosto de 1989 en Palo Alto (California) a los 79 años de edad.. 2

3 1. INTRODUCCIÓN El transistor de efecto e campo (FET) (por las siglas en inglés de Field Effect Transistor) es un dispositivo de tres terminales que se utiliza para aplicaciones diversas que se asemejan, en una gran proporción, a las de los transistores bipolares (BJT) (por las siglas en inglés de Bipolar Junction Transistor). Aunque existen importantes diferencias entre los dos tipos de dispositivos, también es cierto que tienen muchas similitudes. La diferencia básica entre los dos tipos de transistores es el hecho de que el transistor BJT es un dispositivo controlado por corriente, mientras que el transistor FET es un dispositivo controlado por tensión. En otras palabras, la corriente de colector es una función directa del nivel de la corriente de base. Para el FET la corriente de drenador es función de la tensión compuerta-surtidor aplicada al circuito de entrada. En cada caso, la corriente del circuito de salida está controlada por un parámetro del circuito de entrada, en un caso se trata de un nivel de corriente y en el otro de una tensión aplicada. De la misma manera que existen transistores bipolares npn y pnp, hay transistores de efecto de campo de canal-n y canal-p. Sin embargo, es importante considerar que el transistor BJT es un dispositivo bipolar; el prefijo bi indica que el nivel de conducción es una función de dos portadores de carga, los electrones y los huecos. El FET es un dispositivo unipolar que depende únicamente de la conducción o bien, de electrones (canal-n) o de huecos (canal-p). El término efecto de campo merece cierta explicación. Es muy bien conocida la capacidad de un imán permanente para atraer limaduras de metal hacia el imán sin la necesidad de un contacto real. El campo magnético del imán permanente envuelve las limaduras y las atrae al imán por medio de un esfuerzo por parte de las líneas de flujo magnético con objeto de que sean lo más cortas posibles. Para el FET un campo eléctrico se establecee mediante las cargas presentes que controlaránn la trayectoria de conducción del circuito de salida, sin la necesidad de un contacto directo entre las cantidades controladoras y controladas. Uno de los rasgos más importantes del FET es una gran impedanciaa de entrada, que va desde 1 a varios cientos de mega-ohms excediendo por mucho los niveles típicos de resistencia de entrada de las configuraciones con transistores bipolares, un punto muy importante en el diseño de amplificadores lineales de C.A. Por otro lado, el transistor BJT tiene una sensibilidad mucho más alta a los cambios en la señal aplicada; es decir, la variación en la corriente de salida es obviamente mucho mayor para el BJT que la que produce en el FET para el mismo cambio de voltaje aplicado. Por esta razón, las ganancias normales de tensión en C.A para los amplificadores con transistores bipolares son mucho mayores que para los FET. En general, los FET son más estables con respecto a las variaciones de temperatura que los transistores bipolares y además, constructivamente son de un tamaño menor, lo cual los hace mucho más útiles en la fabricación de circuitos integrados (C.I). Fundamentalmente tenemos dos tipos de FET: el transistor de efecto de campo de unión (JFET) (por las siglas en inglés de, Junction Field Effect Transistor) y el transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) (por las siglas en inglés de, Metal-Oxideser de canal-n o de Semiconductor Field Effect Transistor). Los transistores JFET pueden canal-p; estos, se utilizan para amplificar señales de baja frecuencia y potencia (señales de audiofrecuencia). La categoría MOSFET se desglosa en los tipos incremental o de enriquecimiento y decremental o de empobrecimiento. Los MOSFET del tipo decremental pueden ser de canal-n o canal-p; estos tienen aplicaciones limitadas en amplificadores de radiofrecuencia, en sus etapas de entrada por su bajo nivel de ruido. Los MOSFET del tipo incremental (canal-n o canal-p) se utilizan ampliamente en los sistemas digitales de alta densidad de integración como memorias semiconductoras, microprocesadores, microcontroladores, etc. También tiene gran aplicación como elemento discreto en aplicaciones de potencia. 3

4 2. CONSTRUCCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS JFET Básicamente el JFET esta constituido por una barra semiconductora tipo n o tipo p con dos terminales en sus extremos denominados drenador (D) y fuente o surtidor (S) (por su sigla en inglés, Source). A los lados de esta barra, se crean dos zonas con impurezas opuestas a la de la barra, zona que se denomina puerta o compuerta (G) (por su sigla en inglés, Gate). La región que queda entre las dos zonas de puerta, se denomina canal. La corriente de este dispositivo, cuyo valor se quiere controlar, circula entre los terminales drenador-surtidor, cuando se aplica una tensión eléctrica entre esos terminales. Esta corriente, atraviesa la zona denominada canal, cuya conductividad es controlada por medio de la tensión de control puerta-surtidor (V GS ). Si tomamos como referencia al terminal de surtidor podemos decir que la magnitud de la corrientee en el terminal de drenador (i D ) es controlada por la tensión de puerta V G. Figura Estructura interna y simbología de un transistor JFET. 2.1 ANÁLISIS DE SU FUNCIONAMIENTO Para analizar su funcionamiento consideremos un JFET de canal-n polarizado según la figura 2.2, para la situación V GS = V GG = 0 voltios, es decir la puerta cortocircuitada con el surtidor y a su vez con el canal. Si ahora aplicamos una tensión pequeña entre el drenador y surtidor, se producirá una circulación de corriente entre estos terminales. A medida que 4

5 aumenta la tensión aplicada, la corriente de drenador I D ira creciendo en forma lineal, de acuerdo a la ley de ohm (región resistiva). Figura JFET canal-n con V GG = 0 volt Como la puerta está al potencial de la fuente y a medida que la corriente de drenador va creciendo, también va creciendo la caída de tensión dentro del canal. Esta caída de tensión, se manifiesta como una tensión inversa aplicada entre la puerta y el canal. Como entre puerta y canal tenemos una juntura tipo p-n (similar a la de un diodo), los portadores de carga en esta zona (electrones en el caso del canal-n o huecos en el caso del canal-p), comienzan a alejarse de la juntura. Esto provoca una disminución efectiva de portadores de carga en la zona del canal, que produce una disminución de su conductividad. La corriente de drenador comienza a disminuir su incremento, respecto a sus valores anteriores. Es decir que la corriente de drenador no aumenta en la misma proporción que lo hace la tensión drenador surtidor. Si seguimos aumentando V DS, el canal seguirá aumentando su resistencia (se dice que se estrecha conductivamente) hasta que se llega a un valor de equilibrio (figura 2.3), donde la corriente de drenador prácticamente se mantiene constante, por más que V DS siga aumentando. La zona de I D = cte. se denomina de saturación o región de saturación. Figura Características del JFET canal-n con V GS = 0 volt 5

6 Resumiendo: en la zona de saturación, la corriente I D no puede aumentar, debido a la caída de tensión que produce su propia circulación por el canal que, a su vez, como el canal esta unido a la fuente y esta a la puerta por el cortocircuito, se produce una tensión inversa en la juntura puerta canal que hace que este ultimo aumente su resistencia al paso de la corriente. El termino transistor de efecto de campo, se emplea para describir el mecanismo de control de la corriente por la variación del campo eléctrico asociado a la región de las cargas no neutralizadas (iones de los átomos de Si) en la zona de la juntura puerta canal. Si ahora aplicamos una tensión externa entre el terminal de puerta y el de surtidor que suministre una tensión inversa adicional (figura 2.4) a la provocada por la caída de tensión en el canal, la contracción del canal se va a producir con valores menores de V DS y la corriente de drenador de saturación será menor. Si seguimos aumentando V DS, se llega a un punto donde la corriente i DS, comienza a aumentar drásticamente (sale de la zona de saturación) por efecto avalancha que produce la ruptura del dispositivo. Figura JFET canal-n con V GG = -12 volt Figura Características del JFET canal-n con V GS = -12 volt 6

7 Normalmente para el JFET de canal-n, V GS toma valores negativos. Si tomara valores positivos, modificaría la corriente de drenador, haciéndola mayor, pero tendríamos circulación de corriente de puerta (para V GS > 0,5 V, figura 2.5) por lo que perderíamos una de las ventajas de estos semiconductoress que es la alta impedancia de entrada. Las características de salida tensión-corriente del JFET de canal-p, son similares pero debemos cambiar las polaridades y sentido de las tensiones y corrientes respectivamente. En la figura 2.5 tenemos: I DSS : corriente que circula entre drenador y surtidor para V GS = 0V. V p : tensión de contracción del canal para V GS = - V p resulta I D = 0. El límite entre la zona resistiva y la zona de saturación, esta dado para V DS = V p. 2.2 ZONAS DE FUNCIONAMIENTO A continuación vamos a analizar las distintas zonas de funcionamiento y establecer matemáticamente las relaciones entre los distintos parámetros intervinientes ZONA RESISTIVA Esta zona comprende desde el origen para V DS = 0 volt, hasta la contracción del canal que para V GS = 0 volt resulta V DS = V. En está región el JFET se le usa en realidad como una resistencia variable (posiblemente para un sistema de control de ganancia automática) cuya resistencia se encuentra controlada por medio del voltaje de la compuerta-fuente. Obsérvese en la figura 2.6 que la pendiente para cada curva, y por tanto la resistencia del dispositivo entre el drenador y la fuente para V DS < V P, es una función del voltaje aplicado V GS. Mientras VGS se convierte en más negativo, la pendiente de cada curva se hace más horizontal, correspondiendo a un nivel creciente de la resistencia. La siguiente ecuación ofrecerá una buena y primera aproximación del nivel de resistencia en términos del voltaje aplicado V GS. De esta manera se fabrican las resistencias variables con la tensión VDR. V GS. Donde r o es la resistencia con r d ro = V 1 GS VP V GS = 0V y d 2 r es la resistencia en un nivel particular de Figura Zona resistiva 7

8 2.2.2 ZONA DE SATURACIÓN Esta zona también se denomina de corriente constante I D cte. y corresponde para -V GS > -V P y para V DS (V GS -V P ). La corriente de drenaje la podemos expresar como: i D V 1 GS V = I DSS P 2 La ecuación anterior epresenta la característica de transferencia o sea la relación funcional entre la variable de salida (I D ) y la variable de entrada del semiconductor (V GS ). La gráfica es la siguiente. Figura Característica de transferencia Como vemos en la figura 2.7, la corriente de drenador es función de la tensión puerta-fuente o sea V GS. Para un JFET de canal N, la corriente de drenador, disminuirá a medida que V GS sea más negativa y se aproxime a V P ZONA DE CORTE Esta zona correspondee a -V GS -V P (canal-n). En el limite, donde -V GS = -V P, la corriente de drenador es cero, significando ello que el canal esta cerrado. La tensión puerta-fuente que cierra el canal también se la denomina V GS(off). En la practica i D 0 = i D(off) ZONA DE RUPTURA Esta zona es similar al transistor bipolar, respecto a las consecuencias que provoca. A partir de V DS(MAX), se ingresa a una región de ruptura por avalancha, que produce la destrucción del semiconductor ZONA DE POLARIZACIÓN DIRECTA PUERTA-CANAL Para un JFET de canal-n, corresponde para valores positivos de V GS. En este caso la corriente de drenador aumenta pero también lo hace la corriente de puerta I GS. Para el canal-n esta ingresa al canal (de allí el símbolo de la flecha hacia dentro en el JFET de canal-n). Para este caso, la impedanciaa de entrada disminuye, perdiéndose una de las características interesantes de los transistores de efecto de campo. 8

9 2.3 DISPOSITIVOS DE CANAL-P El JFET de canal-p está construido exactamente de la misma manera que el dispositivo de canal-n pero con una inversión de los materiales tipo-p y tipo-n. Las direcciones de las corrientes están invertidas, como las polaridades reales para los voltajes V GS y V DS. Para el dispositivo de canal-p, éste será estrechado mediante voltajes crecientes positivos de la compuerta a la fuente. 3. TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO DE COMPUERTA AISLADA (MOS o MOSFET) Daremos una explicación simplificada sobre la construcción y funcionamiento interno de estos semiconductores. En general podemos decir que tienen más importancia comercial que los JFET y amplia aplicación en los circuitos integrados digitales de muy alta densidad de integración. Básicamente, están constituidos por un sustrato de base tipo-p o tipo-n, ligeramente dopados con impurezas, en el que se difunden dos regiones de tipo-n + o tipo-p +, fuertemente dopadas, que actúan como drenador y surtidor, separados unos 10 a 20µm. Sobre la superficie se deposita una fina capa aislante de dióxido de silicio (Si O 2 ) ( Aº). Sobre la superficie de la estructura se practican ventanas para permitir el contacto del drenador y el surtidor. Posteriormente, se cubre la región entera del canal con una superficie metálica que hace a la vez de puerta. El área metálica de la puerta, conjuntamente con la capa de dióxido de silicio y el canal semiconductor, forma un condensador de placas planas paralelas. La placa aislante proporciona una resistencia de entrada, extremadamente alta de alrededor de Ω. Las zonas que forman el drenador y el surtidor, están fuertemente dopadas, a los efectos de lograr una unión resistiva respecto al canal semiconductor. Veamos un dibujo simplificado de la estructura de un transistor MOS, implantado sobre un circuito integrado monolítico: Figura Transistor MOS 9

10 3.1 MOSFET DEL TIPO DECREMENTAL Se difunde un canal-n entre fuente y drenador lo cual hace circular una apreciable corriente de drenador I DSS cuando hacemos V GS = 0 Volt y aplicamos una tensión V DS entre los terminales drenaje y fuente. Figura MOSFET de tipo decremental de canal-n Si ahora aplicamos una tensión negativa en el terminal de puerta, respecto al canal (a través del terminal del sustrato unido a la fuente), se inducen cargas positivas en el canal, por debajo del dióxido de silicio, en la zona que cubre el área metálica de la puerta (similar a la carga de un condensador). Como en el canal los portadores mayoritarios que conducen la corriente, son electrones, las cargas inducidas hacen el canal menos conductor y la corriente de drenaje se hace menor, cuando V GS se hace más negativo. La redistribución de cargas en el canal provoca un debilitamiento efectivo de los portadores mayoritarios. Si hacemos ahora a V GS positivo, se inducen cargas negativas en el canal lo que produce un aumento de la conductividad (enriquecimiento) y con ello un aumento en la corriente de drenador. Veamos las características de transferencia y de salida tensión-corriente de este tipo de transistor: Figura Características de drenador y transferencia para un MOSFET del tipo decremental de canal-n 10

11 El espaciamiento vertical (figura 3.3) entre las curvas de V GS = 0V y V GS = +1V es una clara indicación de cuanto ha aumentado la corriente por el cambio en un volt en V GS. Debido al rápido incremento, hay que tener en cuenta el valor máximo de la corrientee de drenador ya que puede excederse con un voltaje positivo en la entrada. Como se dijo antes, la aplicación de un voltaje positivo en la compuerta ha incrementado el nivel de portadores libres en el canal comparado con aquel encontrado con V GS = 0V. Por esta razón la región de voltajes positivos de la entrada sobre el drenador o las características de transferencia es a menudo conocida como la región incremental con la región entre el nivel de corte y de saturación de I DSS denominada como la región de agotamiento MOSFET DEL TIPO DECREMENTAL DE CANAL-P La construcción de un MOSFET de tipo decremental de canal-p es exactamente al inverso del que aparece en la figura 3.2. Esto es, ahora existe un substrato de tipo-n y un canal de tipo- 3.2, pero todas las p. Los terminales permanecen como se encuentran identificados en la figura polaridades de los voltajes y las direcciones de las corrientes están invertidas. La inversión en V GS traerá como resultado una imagen de espejo (con respecto al eje I D ) para las características de transferencia. En otras palabras, la corriente de drenador aumenta desde el corte en V GS = V P en la región positiva de V GS a I DSS, y después continúa su crecimiento para valores negativos mayores de V GS. Los transistores MOSFET de empobrecimiento, tienen una ganancia de tensión moderada. Como ventaja sobre otros dispositivos es la generación de ruido interno de baja magnitud, por lo que se lo utiliza en etapas de entrada de amplificadores de radiofrecuencias como receptores de radiocomunicaciones y televisión. Otra característica es la variabilidad de la ganancia con la variación de V GS, por lo que también se lo utiliza como control automático ganancia. Figura Símbolos gráficos para los MOSFET del tipo decremental de canal-n y canal-p 11

12 3.2 MOSFET DEL TIPO INCREMENTAL Figura MOSFET del tipo incremental de canal-n A diferencia del MOSFET de empobrecimiento, cuando V GS = 0 Volt, no existe un canal conductor entre el drenador y surtidor. Ahora si colocamos el sustrato al potencial de masa (negativo), y aplicamos una tensión positiva a la puerta, aparecerá un campo eléctrico perpendicular a la capa aislante. Este campo eléctrico, inducirá cargas negativas en el sustrato, que son portadores minoritarios. Se forma una capa denominada de inversión. Cuando el valor de la tensión de puerta se hace más positiva, la carga inducida aumenta, por lo tanto la región debajo de la capa aislante, en la región de la puerta, presenta portadores de tipo n o sea electrones. En consecuencia, en esta zona, la conductividad eléctrica aumenta; si ahora en estas condiciones, aplicamos una tensión eléctrica entre drenador y surtidor, se producirá una circulación de corriente que será mayor cuanto mayor conductividad tenga el canal inducido o sea cuanto mayor sea la tensión eléctrica aplicada entre la puerta y el sustrato. En los circuitos prácticos, en general la fuente se conecta con el sustrato, por lo tanto en estas condiciones la corriente de drenador la controlamos con la tensión puerta surtidor V GS S. En la figura 3.6 se observan las graficas de la característica V-I de salida y la de la característica de transferencia para un MOSFET de enriquecimiento de canal-n. En la figura 3.7 se observan los símbolos gráficos correspondientes. Los MOS de enriquecimiento o acumulación, tienen amplia aplicación en los circuitos integrados de alta y muy alta densidad de integración. Las memorias semiconductoras, microprocesadores, etc. se construyen con una variante de este semiconductor como lo es el CMOS. 12

13 Figura Características de drenador y transferencia para un MOSFET del tipo incremental de canal-n Figura Símbolos gráficos para los MOSFET del tipo incremental de canal-n y canal-p 13

14 3.3 ZONAS DE FUNCIONAMIENTO A continuación vamos a analizar las distintas zonas de funcionamiento y establecer matemáticamente las relaciones entre los distintos parámetros intervinientes ZONA DE CORTE Esta se produce para un valor de tensión de puerta-surtidor V GS V T, siendo está ultima la tensión umbral (se conoce como V T por la sigla en inglés de Threshold). Debido a que el canal no existe con V GS = 0 Volt y se forma al incrementar la conductividad mediante la aplicación de un voltaje puerta-surtidor, es por está razón que recibe el nombre de MOSFET de tipo incremental. Aunque el MOSFET de tipo decremental también posee una zona incremental, el nombre se aplicó al anterior debido a que ese es su único modo de operación ZONA DE SATURACIÓN Cuando V GS se incrementa más allá del nivel de umbral, la densidad de los portadores libres en el canal inducido se incrementan, dando por resultado un nivel mayor de corriente de drenador. Sin embargo, si se mantiene V GS constante y sólo se aumenta el nivel de V DS, la corriente de drenador eventualmente alcanzará un nivel de saturación así como le ocurrió al JFET y al MOSFET de tipo decremental. La saturación de I D se debe a un proceso de estrechamiento descrito por un canal más angosto al final del drenador del canal inducido. Por lo tanto, la zona de saturación se produce para V GS V T y la tensión drenador-surtidor V DS (V GS V T ). En este caso la corriente de drenador se puede expresar por la siguiente fórmula: i D = K ( v V ) 2 GS T El término K es una constante denominada factor de transconductancia que depende de la fabricación del dispositivo. Esta zona es de corriente constante teóricamente; no obstante la corriente de drenador aumenta con el aumento de V DS. 3.4 MOSFET DEL TIPO INCREMENTAL DE CANAL-P La construcción de un MOSFET de tipo incremental de canal-p es exactamente al inverso del que aparece en la figura 3.5. Esto es, ahora existe un substrato de tipo-n y regiones dopadas p bajo las conexiones del drenador y del surtidor. Los terminales permanecen tal como se indicaron, pero están invertidas todas las polarizaciones del voltaje y las direcciones de corriente. Las características de transferencia serán una imagen de espejo (respecto al eje I D ) de la curva de transferencia de la figura 3.6, pero con I D creciendo con los valores cada vez más negativos de V GS después de V T. Se aplican las mismas ecuaciones que para los MOSFET de canal-n. 3.5 DATOS TÍPICOS DE UN MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO El valor de V T, tensiónn umbral, varía de 1,5 a 4 Volt dependiendo del tipo de MOSFET. El fabricante suele dar datos en la zona de saturación como ser un valor de la corriente de drenador con un determinado valor de la tensión compuerta surtidor denominados I D(on) y V GS(on). Otro valor que se suministra, es la resistencia aproximada del canalal o sea R DS. 3.6 CARACTERÍSTICAS DE CONMUTACIÓN El MOSFET de potencia que se utiliza como dispositivo de conmutación es el de tipo incremental. A diferencia de los transistores bipolares, el MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje, y solo requiere de una pequeña corriente de entrada. La 14

15 velocidad de conmutaciónn es muy alta y los tiempos de conmutación son del orden de los nanosegundos. Si no tiene señal de compuerta, un MOSFET incremental de canal-n se puede considerar como dos diodos conectados espalda con espalda, o como un transistor NPN. La estructura de la compuerta tiene capacidades parasitas C gs respecto al surtidor y C gd respecto al drenador. El transistor NPN tiene una unión con polarización inversa, del drenador al surtidor, y forma una capacidad C ds. La figura 3.8(a) muestra el circuito equivalente de un transistor bipolar parasito en paralelo con el MOSFET. La región de base a emisor del transistor NPN se pone en corto en el microcircuito, al metalizar el terminal del surtidor y la resistencia de la base al emisor, resulta de un valor bajo por lo que se la desprecia. Por consiguiente, se puede considerar al MOSFET con un diodo interno (figura b), por lo que las capacitancias parasitas dependen de sus voltajes respectivos. a) b) Figura a) Modelo con capacidad bipolar. b) Modelo con diodoo interno 4. EL TRANSISTOR MOSFET DE POTENCIA Figura Estructura interna de un transistor MOSFET de potencia. 15

16 Muchas de las tecnologías utilizadas en la fabricación de circuitos integrados utilizan los transistores MOSFET estudiados en la sección anterior. Estos tienen una estructura en la cual los terminales de drenador, surtidor y compuerta están ubicados en la superficie superior del dispositivo. Sin embargo esta estructura no es conveniente para la fabricación de dispositivos discretos debido a la gran longitud de canal que deben tener (distancia entre drenador y surtidor) para mantener el aislamiento. Los transistores MOSFET de potencia se fabrican manteniendo una estructura vertical, como la que se observa en la figura 4.1, en la cual el terminal de surtidor y drenador se encuentran en lados opuestos. Existen varias estructuras verticales utilizadas para la fabricación de transistoress MOSFET de potencia: V-MOSFET, U-MOSFET, D-MOSFET (figura 4.1) y S-MOSFET. El transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) o transistor bipolar de compuerta aislada tiene una estructura interna similar a la de un MOSFET de potencia, pero del lado del drenador (colector) tiene una juntura p-n, la cual inyecta portadores minoritarios en el canal cuando el IGBT se encuentra en estado de conducción y de esta manera se reduce considerablemente la disipación de potencia. Debido a esta estructura, el IGBT exhibe una mezcla de propiedades del MOSFET y el transistor bipolar. Estas son: Con el MOSFET: Compuerta controlada por tensión. La capacidad de entrada debe ser cargada y descargada durante el encendido y el apagado del dispositivo. Peligro de avería o daños debido a cargas electroestáticas. Con el Bipolar: 5. EL TRANSISTOR IGBT Tensión de saturación poco dependiente de la corriente de colector. La resistencia en estado de conducción no se incrementa con la temperatura, por lo tanto tiene bajas pérdidas en el estado de conducción. Luego del apagado los portadores minoritarios necesitan un tiempo para la recombinación, el cual resulta en una corriente inversa. No tiene diodo parásito. Figura Estructura interna de un transistor IGBT asimétrico. 16

17 Debido a la capa adicional tipo p, el IGBT tiene en la zona entre el colector y el emisor una estructura de cuatro capas, formando un tiristor parásito (figura 5.1).. Este tiristor puede dispararse a corrientes altas de colector y en esta condición el IGBT no podría bloquearse por su compuerta, no obstante este fenómeno se elimina constructivamente. En la figura 5.2 se observan los símbolos utilizados para la representación de un transistor IGBT canal N (no se fabrican de canal P). 5.1 ESTADO DE CONDUCCIÓN Figura Simbología para un transistor IGBT canal N. Si se aplica una tensión positiva al colector con respecto al emisor, cuando V GE supera la tensión de umbral, se origina una redistribución de cargas en la región central formándose un canal dentro de dicha región. Este canal permite que la región de deriva n - se una con la región de difusión de emisor n + (figura 5.1) lo que provoca una corriente de electrones del emisor al colector. La juntura J1 queda polarizada en forma directa y por lo tanto los huecos de la capa de inyección p + ingresan a la región de deriva n - recombinándose con los electrones de esa región. Los huecos remanentes tan pronto ingresan en la región central p, comienzan a atraer a los electrones del emisor recombinándose rápidamente. Podríamos establecer un circuito equivalente formado por un transistor MOSFET de canal N en configuración Darlington con un transistor PNP. La región central p constituirá el terminal de colector y drenador de cada uno de los transistores, la región de deriva n - representará la base del transistor PNP, mientras que la región p + de la capa de inyección constituirá el emisor del transistor PNP. Figura Circuito equivalente de un transistor IGBT. A diferencia del circuito Darlington convencional, el transistor MOSFET de mando es el que soporta la mayor parte de la corriente total. Esta división desigual en el flujo de la corriente es 17

18 deseable ya que evita el posible encendido del tiristor parásito. En esta situación, la caída de tensión en el estado de conducción, según el circuito equivalente de la figura 5.3, se puede expresar como: La caída de tensión a través de la unión J 1, polarizada en forma directa, tiene un valor constante que puede ir de los 0,7 a 1 V. La caída a través de la región de deriva es prácticamente constante, siendo mucho menor en el IGBT que en el MOSFET, lo que hace que la tensión en conducción del IGBT sea mucho menor. Por otro lado, la caída de tensión en el canal se debe a la resistencia óhmica de éste. 5.2 ESTADO DE BLOQUEO Cuando se aplica una tensión negativa al colector con respecto al emisor, la juntura J 1 se polarizará inversamente por lo que el dispositivo se encuentra bloqueado. La tensión compuerta-emisor (V GE ) controla el estado del dispositivo. Si se aplica una tensión positiva al colector respecto al emisor cuando V GE es menor que la tensión de umbral (V GEth ), el dispositivo estará en estado de bloqueo. La unión J 1 está directamente polarizada y la tensión colector- corriente de fuga. emisor (V CE ) aplicada cae a través de la juntura J 2 fluyendo sólo una pequeña Este funcionamiento en bloqueo es prácticamente idéntico al del MOSFET. La zona libre de cargas de la juntura J 2 se extiende principalmente sobre la región de deriva n -, ya que la región central tipo p se encuentra dopada mucho más fuerte que la región de deriva. Si el espesor de la región de deriva es lo suficientemente grande como para que la zona libre de cargas no alcance a la capa de inyección p +, no es necesaria la capa amortiguadora n +. Este tipo de IGBT se conocen como simétricos y pueden bloquear tensiones inversas tan altas como las directas, ésta capacidad de bloqueo es una característica deseable sobre todo en aplicaciones de corriente alterna. Sin embargo, es posible reducir el espesor necesario de la región de deriva aproximadamente a la mitad si se usa una estructura asimétrica similar a la que se emplea en diodos de potencia. Con esta geometría, la zona libre de cargas se puede extender en todas las direcciones a través de la región de deriva con tensiones significativamente menores al límite de ruptura. El contacto entre la zona libre de cargas y la capa p + se evita insertando la capa amortiguadora n +. Este tipo de estructura se conoce como asimétrica. Si la longitud de la región de deriva es más corta, las pérdidas en conducción son más bajas pero la presencia de esta capa amortiguadora trae como consecuencia que la capacidad de bloqueo inversa sea bajaa (unas pocas decenas de voltios) y, por consiguiente, esta capa aparece sólo para aplicaciones muy concretas. En la figura 5.4 se observa el circuito básico de aplicación, la característica tensión-corriente de salida y la característica de transferencia, es decir corriente de colector versus voltaje de compuerta. Las especificaciones de un solo IGBT pueden llegar hasta 1200V, 400A con una frecuencia de conmutación de hasta 20kHz. Los IGBT tienen aplicaciones crecientes en potencias intermedias, como por ejemplo propulsores para motores de C.C y C.A, fuentes de corrientes, relevadores de estado sólido y contactores. A medida que los limites superiores en las especificaciones de los IGBT aumentan (hasta 6500V y 2400A), están comenzando a reemplazar a los transistores bipolares y MOSFET principalmente en las aplicaciones donde funcionan esencialmente como interruptores. En la figura 5.5 se observa la fotografía de un modulo IGBT de 1200A, 3300V 18

19 Figura Circuito de polarización típico y características de entrada y salida de un transistor IGBT. Figura Modulo IGBT de 3300V y 1200A. 19