Transistores unipolares
(2 420)Los transistores unipolares, al igual que los transistores bipolares, son componentes electrónicos que amplifican las señales eléctricas. Mediante el uso de una señal de control de baja potencia, es posible controlar un voltaje alto o una corriente alta. Son entonces una especie de interruptor. Los transistores unipolares se utilizan en convertidores, amplificadores de potencia, inversores y dispositivos relacionados. Vale la pena mencionar aquí que, por ejemplo, los procesadores consisten en hasta mil millones de transistores unipolares muy pequeños, encerrados en una carcasa.
Tipos de transistores unipolares
Hay varios tipos de transistores unipolares, incluidos J-FET (del inglés: Junction Field Effect Transistor), MOSFET (del inglés: Metal Oxide Semiconductor FET) y TFT (del inglés: Thin Film Transistor). Hay varios otros tipos de transistores unipolares, pero en la práctica los primeros dos tipos se usan con mayor frecuencia en circuitos electrónicos. Por otro lado, los transistores TFT, debido a su estrecha gama de aplicaciones, se utilizan principalmente en pantallas de cristal líquido (LCD).
Construcción y operación de transistores unipolares.
Los transistores unipolares como estándar tienen tres conductores llamados drenaje, fuente y puerta. Teniendo en cuenta que los transistores unipolares y bipolares aparecen con mayor frecuencia en las mismas carcasas y cumplen funciones casi idénticas, es difícil distinguirlos entre sí a primera vista. Sin embargo, hay que recordar que ambos tienen una estructura diferente.
Los transistores de efecto de campo J-FET funcionan principalmente debido a las propiedades del fenómeno del campo eléctrico. La construcción de este tipo de transistor se basa en el uso de una capa de un semiconductor tipo N o tipo P, al que se conectan los conductores del drenaje y la fuente, y un semiconductor de tipo de dopaje débil y opuesto, que generalmente envuelve el llamado canal del transistor y al que está conectado el cable de la puerta. El dopaje del semiconductor de canal determina si se trata de un transistor J-FET de tipo N (N-JFET) o de tipo P (P-JFET), siendo este último utilizado con mucha menos frecuencia en la práctica.
Por ejemplo, describamos el funcionamiento de un transistor J-FET unipolar con canal N. Cuando hay voltaje en los pines de este elemento, marcados como drenaje y fuente, la corriente fluirá entre la fuente y el drenaje. En el caso de que la unión de la compuerta se polarice inversamente, es decir, en este caso el voltaje aplicado a la compuerta es negativo a la fuente, la corriente que fluye a través del canal del transistor comenzará a disminuir y luego se desvanecerá. Esto se debe a que el área agotada entre el drenaje y la fuente comenzará a aumentar. Si la diferencia de voltaje entre la puerta y la fuente es lo suficientemente alta, es decir, para un J-FET de canal N, el voltaje de la puerta es lo suficientemente bajo, la corriente dejará de fluir completamente a través del canal. Por lo general, este voltaje es de unos pocos voltios y depende del tipo específico de transistor. Este estado del transistor unipolar se denomina corte, y el valor de resistencia que se produce entonces entre el drenador y la fuente es muy elevado, del orden de los gigaohmios [GΩ]. Vale la pena señalar que el control del transistor unipolar es solo voltaje. La corriente que fluye entre la puerta y la fuente es prácticamente cero.
Transistores unipolares MOSFET
Otro tipo de transistores unipolares de uso común es el transistor MOSFET. En este tipo de elemento electrónico, la puerta, fabricada en metal, está galvánicamente aislada de los demás elementos del transistor con una fina zona de dióxido de silicio. La parte principal y más grande del MOSFET es el sustrato, es decir, un semiconductor de tipo P o tipo N débilmente dopado al que se conectan el cable base y dos áreas pequeñas con dopaje opuesto y fuerte. Los pines de fuente y drenaje están conectados a ellos. Determinan si el transistor es un canal tipo P o tipo N. Cuando no hay diferencia de voltaje entre los pines individuales del transistor unipolar, las dos uniones P-N entre la fuente y el drenaje forman dos diodos conectados en serie. En este caso, uno de ellos tiene polarización inversa, por lo que no hay posibilidad de que la corriente fluya a través del transistor (siempre que la tensión aplicada no exceda el valor máximo permitido). Sin embargo, si la puerta, que se encuentra entre la fuente y el drenaje, muestra un valor de voltaje suficientemente alto con la polarización adecuada (por ejemplo, en el caso de un transistor con un canal tipo N, será positivo a la fuente) y la llamada voltaje umbral, el efecto del campo eléctrico en la capa de un semiconductor débilmente dopado debajo de él dará como resultado la formación del llamado capa de inversión. Esto crea un canal que conecta eléctricamente los cables de la fuente y el drenaje. La intensidad de la corriente que puede fluir en este caso a través del transistor depende del valor del voltaje aplicado a la salida de la puerta y es una relación lineal, pero solo hasta cierto valor de la corriente de drenaje. Por supuesto, también hay un valor para el voltaje aplicado a la salida de la puerta por encima del cual la corriente ya no aumentará, y esto se llama voltaje de saturación.
El caso que acabamos de describir se refería a un transistor MOSFET con un canal mejorado. Un transistor de este tipo normalmente está cerrado y solo cuando se aplica el voltaje adecuado a la puerta, se abre, pero también hay transistores con un canal agotado, que son mucho menos comunes y en los que, si la puerta tiene el mismo potencial que la fuente, es abierta y puede conducir electricidad.
La construcción del transistor MOSFET hace que se comporte como un capacitor y puede tener una capacidad bastante grande. Por lo tanto, cambiar el estado de un transistor de este tipo a alta frecuencia puede ser problemático, ya que lleva algún tiempo cargar y descargar la capacitancia en la puerta y, por lo tanto, cambiar el estado de conducción de este elemento eléctrico. Por esta razón, los sistemas de control MOSFET deben caracterizarse por una alta eficiencia de corriente. Otra propiedad de los transistores MOSFET es tener un diodo entre el drenaje y la fuente, que a veces se denomina diodo parásito. Su existencia resulta de la estructura misma del transistor, que ya se ha mencionado. Esta es información importante en el caso del control de CA.
Los transistores unipolares se pueden encontrar en forma de elementos de montaje en superficie o de orificio pasante. Por esta razón, vienen en muchas carcasas diferentes, las más populares son DPAK, D2PAK, TO220, TO247 y SOT23. Por lo general, tienen tres pines (sin contar los transistores multicanal).
Parámetros y características de los transistores unipolares.
Los parámetros que son importantes al elegir el transistor correcto son, entre otros, tensión máxima entre drenaje y fuente (dada en voltios) [V]), voltaje máximo de fuente de puerta, que en este caso es el voltaje de control, corriente máxima de drenaje (dada en amperios [A]), potencia de disipación (dada en vatios [W]), así como la resistencia de conducción (dada en ohmios [Ω] o en miliohmios [mΩ]). Superar el voltaje o la corriente máximos puede provocar un mal funcionamiento del componente o daños irreversibles. Además, la disipación de demasiada energía en el transistor unipolar puede causar su sobrecalentamiento y daño. En la práctica, se utilizan disipadores de calor adicionales, que están en contacto con el componente y, por lo tanto, permiten una disipación de calor más eficiente hacia el medio ambiente. A veces (por ejemplo, al cambiar las fuentes de alimentación) también se utiliza la circulación de aire forzado, que es proporcionada por ventiladores y mejora la refrigeración.
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