Transistores: Tipos, Funcionamiento y Aplicaciones en Electrónica

Transistores en Conmutación

Hasta ahora se han visto los transistores trabajando en amplificación a lo largo de la recta de carga, unas veces con señales de corriente alterna y otras con señales de corriente continua. En este modo de trabajo, en amplificación, los extremos de esta recta de carga eran indeseables, ya que provocaban distorsiones en la señal.

Para trabajar con los transistores en conmutación se utilizan justo los extremos de la recta de carga, es decir, que únicamente se tendrán dos estados posibles: el corte y la saturación.

Se puede calcular el valor de la resistencia R1 sabiendo cuál es la intensidad de saturación del transistor.

R1 = VCC / IB

Cuando el interruptor SW está abierto, la resistencia R2 permitirá que por la base del transistor circule una corriente que lo ponga en saturación. Sabiendo la ganancia β del transistor, se puede calcular a qué corriente de colector se corresponderá esta corriente de base.

β = IC / IB IC = β x IB

Conociendo el dato de intensidad de colector IC, se puede calcular el valor de la resistencia R2 para la condición de saturación.

R2 = VCC / IC

Transistores de Efecto de Campo (FET)

El transistor de efecto de campo es un dispositivo de tres terminales cuyo rango de aplicabilidad coincide, en muchos casos, con el del transistor de unión bipolar BJT visto con anterioridad. A los transistores de efecto de campo se les conoce abreviadamente como FET (Field Effect Transistor).

El transistor de efecto campo FET es, en realidad, una familia de transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los transistores de efecto de campo FET pueden plantearse como resistencias controladas por diferencia de potencial.

Los extremos del canal se unen a los terminales Drenador (D, drain), Fuente (S, source), y el cinturón o estrechamiento se une al terminal Puerta (G, gate). La puerta es la terminal equivalente a la base del transistor de unión bipolar BJT.

• La fuente (source) recibe este nombre ya que los portadores que contribuyen a la corriente se desplazan desde el exterior hacia la parte interna del semiconductor a través de este contacto.
• El drenador (drain) recibe este nombre porque es por este contacto por donde salen los portadores del semiconductor.
• La puerta (gate), a su vez, recibe este nombre por su acción de control o compuerta, permitiendo el paso de un mayor o menor número de portadores.

El transistor de efecto de campo FET se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre la fuente y el drenador.

De forma análoga a como en los transistores bipolares existen dos tipos, NPN y PNP, en los transistores de efecto de campo se habla de transistores de efecto de campo de canal N y de canal P, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente.

Diferencias entre Transistores BJT y FET

• La principal diferencia entre ambos radica en el hecho de que el transistor BJT es un dispositivo controlado por corriente, mientras que los transistores FET son dispositivos controlados por tensión.
• Otra diferencia importante es que mientras que los transistores BJT son bipolares, es decir, en la corriente intervienen los dos tipos de portadores (electrones y huecos), los transistores FET son unipolares, en los que el nivel de conducción dependerá únicamente de un único tipo de portadores: de los electrones en los de canal N y de los huecos en los de canal P.
• Una de las características más importantes de los transistores FET es su alta impedancia de entrada, con niveles que pueden variar desde uno hasta varios cientos de MΩ.
• Sin embargo, el transistor BJT presenta mayor sensibilidad a los cambios en la señal aplicada, es decir, la variación de la corriente de salida es mayor en los transistores BJT que en los transistores FET para la misma variación de la tensión aplicada.
• Los transistores FET son más estables con la temperatura y, normalmente, más pequeños en construcción que los transistores BJT.
• Otra característica importante de los transistores FET es que se pueden comportar como si se tratasen de resistencias o condensadores.

Transistores de Efecto de Campo de Unión (JFET)

Los transistores de efecto de campo de unión (JFET, Junction Field Effect Transistor) se pueden clasificar en dos grandes grupos:

• Transistores JFET de canal N.
• Transistores JFET de canal P.

Los transistores de efecto de campo de unión JFET son dispositivos con tres terminales. La diferencia en el símbolo entre ambos tipos reside en el sentido de la flecha del terminal de Puerta (G). En el JFET de canal N, el terminal de Puerta se representa con una flecha entrante al dispositivo, mientras que en el de canal P es saliente.

El sentido de la flecha indica el sentido de circulación de la corriente si la unión P-N correspondiente estuviera polarizada en directa.

Para el funcionamiento más habitual, los transistores de canal N se polarizan aplicando una tensión positiva entre drenador y fuente (VDS) y una tensión negativa entre puerta y fuente (VGS).

Transistores de Efecto de Campo Metal Óxido Semiconductor (MOSFET)

Otro gran grupo de transistores de efecto de campo son los transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), también denominados IGBT (Isolated Gate FET) o FET de puerta aislada.

Existen dos tipos de transistores MOSFET:

• Transistor MOSFET de acumulación o de enriquecimiento.
• Transistor MOSFET de deplexión o empobrecimiento.

El Transistor MOSFET de Acumulación

En la estructura básica para un MOSFET de canal N, se parte de una zona de material semiconductor tipo P en la que aparecen dos zonas tipo N+ con contactos metálicos a los terminales de drenador y fuente.

La zona de material aislante corresponde a una capa aislante, normalmente, de óxido de silicio.

Por tanto, en el terminal de puerta, se puede ver como se tiene una zona metálica (correspondiente al contacto óhmico), una zona de óxido aislante y una zona de semiconductor. Es precisamente debido a esta estructura de donde le viene el nombre al dispositivo de Metal–Óxido–Semiconductor (MOS).

Además, este dispositivo podría tener un cuarto terminal, el terminal del Sustrato (SS), aunque habitualmente éste se encuentra conectado a la fuente.

Es preciso destacar una característica fundamental de este dispositivo y es que la puerta está aislada eléctricamente del dispositivo, es decir, no hay conexión eléctrica entre la puerta y el sustrato.

Hay que destacar dos aspectos significativos de los símbolos:

• En primer lugar, que el terminal de puerta no tiene conexión con el resto de terminales, ya que, tal y como se ha visto anteriormente, está aislado eléctricamente del resto del dispositivo.
• En segundo lugar, que los terminales de drenador y fuente están unidos a través de una línea discontinua; esta línea hace referencia al canal que se va a formar.

El Transistor MOSFET de Deplexión

El siguiente gran grupo de transistores MOSFET es el denominado MOSFET de deplexión o de empobrecimiento.

La estructura básica para un MOSFET de deplexión es similar al caso del MOSFET de acumulación, con la importante diferencia de que en este transistor se dispone de un canal inicial realizado en el proceso de fabricación del dispositivo.

Al igual que en el caso de los MOSFET de acumulación, en los transistores MOSFET de deplexión el terminal de puerta no tiene conexión con el resto de terminales, ya que, tal y como se ha visto anteriormente, está aislado eléctricamente del resto del dispositivo por una zona de material aislante, normalmente, de óxido de silicio.

Pero, a diferencia de los MOSFET de acumulación, en los transistores MOSFET de deplexión los terminales de drenador y fuente están unidos a través de una línea continua; esta línea hace referencia al canal que ahora sí que existe desde un principio.