ELECTRÓNICA TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO:

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1 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 IGBT 4 B 2010

2 W illiam 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 ingresó 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 º B Electrónica 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 establece mediante las cargas presentes que controlarán 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 impedancia 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-Oxide- Semiconductor Field Effect Transistor). Los transistores JFET pueden ser de canal-n o de 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 º B Electrónica 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, el cual su 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 corriente en el terminal de drenador (i D ) es controlada por la tensión de puerta V G ANÁLISIS DE SU FUNCIONAMIENTO Para analizar su funcionamiento consideremos un JFET de canal-n polarizado según la figura 2.1, 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 º B Electrónica 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 esta 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 2.2), 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 º B Electrónica 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 2.3) 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 º B Electrónica 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 2.4) por lo que perderíamos una de las ventajas de estos semiconductores 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 2.4 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 limite entre la zona resistiva y la zona de saturación, esta dado para V DS = V p 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 2.5 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 2 V GS = 0V y r d es la resistencia en un nivel particular de Figura Zona resistiva º B Electrónica 7

8 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 I V 1 GS V = DSS P 2 La ecuación anterior representa 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 2.6, 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 corresponde 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 impedancia de entrada disminuye, perdiéndose una de las características interesantes de los transistores de efecto de campo º B Electrónica 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 º B Electrónica 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 º B Electrónica 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 corriente 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 tipop. Los terminales permanecen como se encuentran identificados en la figura 3.2, pero todas las 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 º B Electrónica 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. 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 º B Electrónica 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 º B Electrónica 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 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 DATOS TÍPICOS DE UN MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO El valor de V T, tensión 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 canal o sea R DS 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 º B Electrónica 14

15 velocidad de conmutación 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 diodo interno 4. EL TRANSISTOR IGBT El transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo de compuerta aislada. Tiene una estructura interna similar a la de un MOSFET, pero en el lado del drenador (colector) tiene una juntura p-n, la cual inyecta portadores minoritarios en el canal cuando el IGBT esta 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: 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. Luego del apagado los portadores minoritarios necesitan un tiempo para la recombinación, el cual resulta en una corriente inversa. No tiene diodo parásito º B Electrónica 15

16 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. 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. Las dos estructuras que existen son: a) de perforación (PT, punch through) y b) NPT (non punch through). Como en un MOSFET incremental de canal-n, se hace positiva la compuerta respecto al surtidor, los portadores n son atraídos al canal p cerca de la región de la compuerta, produciendo una polarización directa de la base del transistor npn, lográndose el encendido. Entonces, un IGBT se enciende con un voltaje positivo en la compuerta y se apaga cuando le eliminamos el voltaje positivo aplicado en la compuerta. Dado que la activación y desactivación se efectúa con una tensión eléctrica, el circuito de control asociado a la activación y desactivación, resulta sencillo º B Electrónica 16

17 En las figuras anteriores se observa el circuito básico de aplicación, las características tensión-corriente de salida y la característica de transferencia o sea corriente de colector versus voltaje de compuerta. La especificación de corriente de un solo IGBT puede llegar hasta 1200V, 400A con una frecuencia de conmutación de hasta 20KHZ. Los IGBT tienen aplicaciones crecientes en potencias intermedias, como por ejemplo propulsores de motores de CD y CA, fuentes de corrientes, relevadores de estado sólido, y contactores. A medida que los limites superiores de las especificaciones de IGBT disponibles en el comercio aumentan (hasta 6500V y 2400A), están encontrando aplicaciones donde se usan los BJT y los MOSFET convencionales principalmente como interruptores llegando a sustituirlos º B Electrónica 17