semiconductores para transistores · 2017. 2. 21. · ilustración 41 usos grafeno ... ilustración...
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SEMICONDUCTORES PARA TRANSISTORES
Ciencia de materiales
ÍNDICE
1 INTRODUCCIÓN. QUÉ ES UN TRANSISTOR .....................................................................5
2 LOS TRANSISTORES. HISTORIA Y EVOLUCION ................................................................6
3 COMPORTAMIENTO PRACTICO DE LOS SEMICONDUCTORES .........................................8
3.1 UNIÓN PN.......................................................................................................................8
3.1.1 Polarización Directa ..............................................................................................9
3.1.2 Polarización Inversa ..............................................................................................9
4 MATERIALES SEMICONDUCTORES. .............................................................................. 10
4.1 TIPOS DE SEMICONDUCTORES ............................................................................................11
4.1.1 Semiconductores intrínsecos...............................................................................11
4.1.2 Semiconductores extrínsecos ..............................................................................12
4.2 DOPAJE DE SEMICONDUCTORES .........................................................................................12
4.2.1 Dopaje por difusión.............................................................................................13
4.2.2 Dopaje por implantación de iones ......................................................................15
5 SEMICONDUCTORES EN UN TRANSISTOR .................................................................... 16
6 OBTENCIÓN DE CRISTALES DE SEMICONDUCTOR ......................................................... 19
6.1 PURIFICACIÓN ................................................................................................................19
6.2 CRECIMIENTO DEL CRISTAL ...............................................................................................21
6.3 FUSIÓN POR ZONAS .........................................................................................................23
6.4 PREPARACIÓN DE OBLEAS .................................................................................................23
7 TRANSISTORES: FUNCIONAMIENTO Y TIPOS ............................................................... 24
7.1 FUNCIONAMIENTO DE LOS TRANSISTORES ............................................................................24
7.2 TIPO DE TRANSISTORES. ...................................................................................................25
7.2.1 Transistores de unión bipolar..............................................................................25
7.2.2 Transistores de efecto campo .............................................................................27
7.2.3 Transistores UJT ..................................................................................................29
7.2.4 Transistores de potencia .....................................................................................29
8 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORES ........................................................................ 31
8.1 APLICACIONES BJT ..........................................................................................................31
8.2 APLICACIONES FET ..........................................................................................................31
8.3 APLICACIONES UJT ..........................................................................................................32
9 INVESTIGACIONES ACTUALES EN TRANSISTORES ......................................................... 33
10 CONCLUSIONES ...................................................................................................... 35
11 BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................... 36
11.1 PÁGINAS WEB ................................................................................................................36
11.2 LIBROS ..........................................................................................................................37
ÍNDICE DE FIGURAS
Ilustración 1 Transistor real (izquierda) y símbolo del transistor en los circuitos electrónicos
(derecha) ..............................................................................................................................5
Ilustración 2 Tubo de vacío ..........................................................................................................6
Ilustración 3 Esquema unión PN ...................................................................................................8
Ilustración 4 Diodo polarizado en "directa" .................................................................................9
Ilustración 5 Diodo polarizado en "inversa" .................................................................................9
Ilustración 6 Órbitas electrónicas de un átomo..........................................................................10
Ilustración 7 Banda prohibida ....................................................................................................10
Ilustración 8 Semiconductor intrínseco ......................................................................................11
Ilustración 9 Semiconductor tipo P ............................................................................................12
Ilustración 10 Semiconductor tipo N ..........................................................................................12
Ilustración 11 Dopaje tipo Mesa ................................................................................................14
Ilustración 12 Dopaje planar ......................................................................................................14
Ilustración 13 Capa fotosensible ................................................................................................15
Ilustración 14 Implantación de iones .........................................................................................15
Ilustración 15 Circuito final ........................................................................................................15
Ilustración 16 Schematics by Altium: Transistor BJT NPN ..........................................................16
Ilustración 17 Movimiento de cargas en un transitor ................................................................17
Ilustración 18 Silicio mineral ......................................................................................................19
Ilustración 19 Proceso Siemens ..................................................................................................20
Ilustración 20 CIlindro de Silicio policristalino ............................................................................20
Ilustración 21 Proceso Czochralski .............................................................................................21
Ilustración 22 Esquema de funcionamiento proceso Czochralski ...............................................21
Ilustración 23 Diagrama de distribución de dopantes en el proceso Czochralski .......................22
Ilustración 24 Fusión por zonas ..................................................................................................23
Ilustración 25 Comparación oblea como materia prima final (abajo) y después de la impresión
de los circuitos....................................................................................................................23
Ilustración 26 Esquema funcionamiento de un transistor como amplificador ...........................24
Ilustración 27 Estados transistor ................................................................................................24
Ilustración 28 Intensidades en un transistor ..............................................................................25
Ilustración 29 Esquema tipos de transistores .............................................................................25
Ilustración 30 Transistor bipolar.................................................................................................26
Ilustración 31 fig 1 ......................................................................................................................26
Ilustración 32 Símbolos de los transistores NPN Y PNP ..............................................................26
Ilustración 33 Transistor FET canal N .........................................................................................27
Ilustración 34 Transistor FET canal P ..........................................................................................27
Ilustración 35 MOSFET canal N...................................................................................................28
Ilustración 36 MOSFET canal P ...................................................................................................28
Ilustración 37 Esquema funcionamiento MOSFET......................................................................28
Ilustración 38 Diagrama transistor UJT.......................................................................................29
Ilustración 39 Transistor UJT ......................................................................................................29
Ilustración 40 Esquema tiristor ..................................................................................................30
Ilustración 41 Usos grafeno ........................................................................................................33
Ilustración 42 Transistor Tri-Gate 3D ......................................................................................33
Ilustración 43 Oblea de Molibdenita ..........................................................................................33
Ilustración 44 Oblea de transistores orgánicos ..........................................................................34
1 INTRODUCCIÓN. QUÉ ES UN TRANSISTOR
Los transistores son unos dispositivos electrónicos semiconductores
presentes en prácticamente todo dispositivo eléctrico y electrónico.
Estos están formados por un sustrato, usualmente de hecho de
silicio y tres zonas dopadas artificialmente, dicho de otro modo,
contaminadas con materiales específicos en cantidades específicas a
las que llamamos terminales. A la primera de ellas la llamamos
emisor (E), a la segunda colector (C) y la tercera, que es una zona
intermedia entre las dos primeras y que actúa de base, es decir,
modula el paso de los portadores, base (B).
Los transistores nacieron cuando surgió la necesidad de comunicarse
a distancia, aproximadamente, en la época de la Primera Guerra Mundial. Con el paso de los
años y el desarrollo en la tecnología se les han ido incorporando mejoras. Una de las más
destacadas ha sido la reducción de su estructura y el aumento de sus propiedades. Esto ha
permitido que los transistores hayan pasado a tener un papel muy importante e
imprescindible en la electrónica que nos rodea actualmente. Sus buenas propiedades y su gran
funcionalidad y eficacia han permitido que en las últimas décadas se produzca un asombroso
avance en éste sector. Son los encargados de dejar pasar, modular o amplificar la corriente de
un circuito.
El mundo de los transistores, su tecnología y el gran abanico de aplicaciones que tienen es lo
que nos ha llevado a plantearnos los objetivos de éste trabajo. Por un lado, conocer su
funcionamiento interno, el porqué son conductores, los materiales que se utilizan y porqué,
los tipos que hay. En resumen, hacer un estudio de ellos, centrándonos en los materiales
semiconductores con los que están hechos.
Ilustración 1 Transistor real (izquierda) y símbolo del transistor en los circuitos electrónicos (derecha)
2 LOS TRANSISTORES. HISTORIA Y EVOLUCION
Los primeros transistores nacieron a raíz de la necesidad de hacer llamadas telefónicas a larga
distancia. Por esta razón, los descubridores de esta tecnología trabajaban para la American
Telephone and Telegraph Corporation fundada por A. Graham Bell.
Lee De Forest, inventó en el año 1906 el tríodo en un
tubo de vacío. Colocando este invento a lo largo de la
línea telefónica a conseguía amplificar la señal de tal
manera que permitía hacer llamadas a larga distancia.
El tríodo lo formaban tres partes. La primera de ellas
era un cátodo que emitía electrones, la segunda un
ánodo que los captaba y finalmente una rejilla situada
entre los dos a la que se podía aplicar una tensión. Si
variabas ligeramente la corriente de la rejilla, podías
variar enormemente el flujo de electrones entre el cátodo y el ánodo, en esto consistía la
amplificación de la señal eléctrica en la que se ha traducido la señal sonora.
Por otro lado, también podía utilizarse como rectificador, es decir, como dispositivo para
convertir corriente alterna en corriente continua, que fue la base de la electrónica y
computación posterior. Revolucionaron su época al permitir amplificar las señales de radio
dando un impulso a este medio de comunicación que le llevó a ser el más importante durante
la primera mitad del siglo XX.
La empresa que lo inventó, compró la patente i mejoró el tubo. No obstante, este dispositivo
presentaba serios problemas. Uno de ellos era que producía mucha calor por lo que necesitaba
mucha energía para funcionar. En ese momento surgió la necesidad de crear un nuevo
dispositivo que solventara los problemas anteriores hasta que unos años después apareció el
primer transistor.
El origen de los transistores se remonta al año 1947, cuando John Bardeen y Walter Brattain
inventaron el transistor de contacto puntual. Éste fue el primer transistor capaz de obtener
ganancia. Éste constaba de una base de germanio semiconductor sobre la cual se apoyaban,
muy juntas, dos puntas metálicas que constituían el emisor y el receptor. No obstante,
presentaba varios inconvenientes. Por un lado, era difícil de fabricar ya que las puntas se
tenían que ajustar a mano. Por otro lado, era muy frágil con lo que con un pequeño golpe se
podían desplazar éstas puntas. Finalmente, era muy ruidoso. Por estos motivos junto con los
avances y las mejoras de los años posteriores, éste tipo de transistor acabó por desaparecer.
Un año después, en 1948, apareció otro tipo de transistor, el transistor de unión bipolar
inventado también por John y Walter Brittain, y su principio de operación fue explicado por
W.Shockley un año después. Éste fue el primer dispositivo de tres terminales en la electrónica
de estado sólido y aún es un dispositivo de elección para muchas aplicaciones digitales y de
microondas.
En 1925 Julius Adgar Lilienfeld, patentó un nuevo dispositivo de transistores, el transistor de
efecto campo pero no fue hasta 1947 cuando los laboratorios Bell desarrollaron los
dispositivos semiconductores también fue entonces cuando el efecto transistor pudo ser
observado y explicado.
Ilustración 2 Tubo de vacío
Cabe destacar hasta una década después de su invención, el dispositivo bipolar permaneció
como el único dispositivo de tres terminales en aplicaciones comerciales. Esto era porque los
transistores de efecto de campo no podían ser fabricados confiablemente en esa época. Se
debía a que una de las interfaces, concretamente la Si-SiO2 presentaba serios problemas de
estado de interfaz de modo que el dispositivo de metal-óxido semiconductor (MOS) no era
muy confiable. Sin embargo, con el perfeccionamiento de ésta interfaz, el dispositivo MOS se
ha convertido en un serio retador para el dispositivo bipolar. Actualmente, en diversas
aplicaciones, los dispositivos MOS, han tomado la delantera.
En resumen, a raíz de la invención del primer transistor, se pudieron desarrollar gran variedad
de dispositivos electrónicos como radios portátiles, calculadoras de bolsillo o los primeros
dispositivos de telefonía hasta el día de hoy. Actualmente, los transistores han evolucionado
con el paso de los años y se han inventado más tipos pero siguen teniendo un papel muy
importante en la tecnología actual y teniendo un papel importante en el desarrollo de
tecnologías futuras.
3 Comportamiento Practico de los Semiconductores
Cuando unimos dos cristales de semiconductor de tipo P y N es donde su creación cobra
sentido. Esta unión genera el elemento electrónico comúnmente conocido como diodo. Este
elemento, a grandes rasgos, nos permite limitar el paso de electrones en un circuito en
solamente una dirección. Para facilitar las explicaciones utilizaremos las siguientes
ilustraciones, en las cuales los círculos con carga son átomos cargados, acompañados de un
electrón (verde) libre o de círculos blancos que representan huecos. Estos electrones
representaran la carga negativa de nuestro circuito, mientras que los huecos serán la carga
positiva.
3.1 Unión PN
En el momento de unión los electrones
libres de la zona N mas cercanos a la unión
difunden en los huecos que presenta el
cristal de tipo P. Esta difusión genera iones a
los lados de la unión, en el lado N habrán
iones positivos, mientras en el lado P,
restaran iones negativos. Estos iones
generarán lo que llamamos la zona de
agotamiento, la cual, conforme aumenta la
difusión, crece en tamaño. Este crecimiento
se detendrá cuando el campo eléctrico
generado por los iones compensé el
movimiento de cargas entre la región P y N.
Esto dejara una diferencia de potencial
entre ambas regiones, que dependerá del
semiconductor utilizado, en el caso del
silicio será de 0,7 V, mientras que en el caso del germanio de 0,3 V. A este elemento es al que
llamaremos diodo. Seguidamente vamos a estudiar el comportamiento de estas uniones, o
diodos, cuando aplicamos una diferencia de potencia entre ellos.
Ilustración 3 Esquema unión PN
3.1.1 Polarización Directa
Ahora vamos a considerar que aplicamos una
tensión entre los bornes N y P mediante la
conexión de una batería. Dependiendo de la
conexión que hagamos obtendremos un
resultado u otro.
Primero vamos a considerar que conectamos la
batería en lo que seria una polarización directa,
es decir, conectamos el polo positivo de la
batería al borne de material P, y el negativo al
material N. En este caso el potencial negativo de
la batería acercaría los electrones del material N
hacia la zona de agotamiento, mientras, los
electrones de valencia del material P se desplazaran hacia el borne, es decir, los huecos se
acumularan alrededor de la zona de agotamiento. En el momento en el que el potencia que
general la batería es mayor que el potencial de la zona de agotamiento, los electrones tendrán
,a suficiente energía como para saltar esta zona y podrán completar el circuito.
3.1.2 Polarización Inversa
Vemos que el comportamiento de un diodo en polarización directa es como la de un contacto
cerrado. Ahora consideraremos que polarizamos el diodo en inverso y estudiaremos su
comportamiento.
Esta vez, conectaremos el polo negativo de la batería al
positivo del diodo, el borne del material P, y el negativo
de la batería al negativo del diodo. En este caso el efecto
será inverso, el negativo de la batería aportara
electrones al material P, generando así iones negativos,
mientras que el positivo extraerá electrones del material
N, generando iones positivos. Este procesó provocara un
ensanchamiento de la zona de agotamiento hasta que el
potencial generado por esta compense el aportado por
la batería. Así, cuando conectamos el diodo en
Generalizando el comportamiento de las uniones PN en
el caso de un diodo podremos estudiar el
comportamiento de los transistores, que lo consideraremos como dos diodos unidos por el
mismo polo, así podremos explicar que hace exactamente el semiconductor para que produzca
el efecto que tiene el transistor.
Ilustración 4 Diodo polarizado en "directa"
Ilustración 5 Diodo polarizado en "inversa"
4 Materiales Semiconductores.
Desde el punto de vista eléctrico, todos los elementos o compuestos se pueden agrupar en
tres categorías en función de la capacidad para mover los electrones de los átomos del
material: conductores, aislantes o semiconductores.
Los electrones de los átomos se ordenan en
órbitas, siendo los electrones de la capa más
cercana al núcleo los que menos energía
poseen. Para cambiar de órbita a un electrón
es necesario aplicar suficiente energía para
que éste alcance la órbita deseada, de lo
contrario, volverá a caer a su capa original.
Por éste motivo, los electrones situados en
órbitas interiores necesitan un aporte de
energía mayor para poder ser liberados, ya
que deben pasar por todas las capas,
recibiendo el aporte de energía
correspondiente a cada cambio. En cambio, a
los electrones situados en la última capa del
átomo, aunque poseen más energía, es más
fácil liberarlos.
Debido a que es más fácil liberar los
electrones de la última capa del átomo,
también llamada capa de valencia, serán éstos los que se moverán entre los átomos y
permitirán el paso de corriente eléctrica por el material.
Los electrones de una misma órbita poseen una energía muy parecida pero no es exactamente
igual, debido a las influencias de las cargas eléctricas que les rodean, formando así las bandas
electrónicas. Cada banda está separada por una banda prohibida, que es un espacio no
ocupado por electrones. La banda prohibida que separara la banda de conducción, que es el
intervalo energético donde están aquellos electrones que pueden moverse libremente puesto
que están libres de la atracción del átomo, con la de valencia puede tener un rango muy
variado de energía en función de cada material y, en función de la magnitud de ésta banda se
determinará la facilidad para la conducción eléctrica de cada material.
En los materiales semiconductores,
la banda energética es lo suficiente
pequeña para permitir el paso de
algunos electrones cuando se
realiza un aporte energético como
por ejemplo con un aumento la
temperatura, luz o presión.
Algunos ejemplos de materiales
semiconductores son:
Material Símbolo Banda (eV) Material Símbolo Banda (eV)
Ilustración 7 Banda prohibida
Ilustración 6 Órbitas electrónicas de un átomo
Silicio Si 1.11 Sulfuro de cinc ZnS 3.6
Germanio Ge 0.66 Antimoniuro de galio GaSb 0.7
Arseniuro de aluminio AlAs 2.16 Óxido de cinc ZnO 3.37
Cuando un electrón es liberado de un átomo se rompe el enlace covalente que une dos
átomos del material, dejando un hueco vacío que ocupará otro electrón liberado de algún
átomo cercano. Este movimiento es el que permite el paso de la corriente a través de un
semiconductor.
4.1 Tipos de semiconductores
Debido al alto coste de purificación de los materiales, los semiconductores suelen contener
impurezas que alteran la conducción eléctrica. En función del número de impurezas que
contengan, los semiconductores, se clasifican en intrínsecos y extrínsecos.
4.1.1 Semiconductores intrínsecos
Los semiconductores intrínsecos son aquellos que son prácticamente puros ya que contienen,
como máximo, un átomo impuro por cada 1011 átomos de material semiconductor. Éstos
materiales, en condiciones normales, tienen un comportamiento aislante, ya que el número de
electrones libres y, por lo tanto los pares electrón-hueco, es prácticamente nulo.
Como se puede observar en la imagen, en el caso del silicio,
cada átomo del material tiene cuatro electrones de valencia
que son compartidos con los átomos adyacentes para unirse
entre ellos formando un enlace covalente. Esta unión crea
una red cristalina con enlaces fuertes, motivo por el cual los
electrones no pueden desplazarse por el material, formando
así un material aislante.
En cambio, si se aumenta la temperatura se otorga energía a
los electrones situados en la órbita más externa, permitiendo
que, algunos electrones, consigan liberarse del átomo y
permitan la conducción eléctrica.
Algunos electrones de un material semiconductor se pueden liberar de los átomos a
temperatura ambiente. En estos casos el número de pares electrón-hueco es muy pequeño,
por lo que no permiten la conducción. Aun así, si el material se somete a una diferencia de
potencial, los electrones libres se dirigen al polo positivo de la fuente dejando un hueco en la
red cristalina del material. Estos huecos producen un efecto similar al de una carga positiva.
Los huecos y los electrones libres son llamados portadores y permiten el paso de corriente
eléctrica ya que los electrones libres son atraídos por el polo positivo de la fuente de
alimentación, en cambio, los huecos actúan como portadores de carga positiva, permitiendo
adquirir un comportamiento conductivo.
Éstos semiconductores suelen ser usados para generar sistemas sensibles a la temperatura,
como por ejemplo termoresistencias.
Ilustración 8 Semiconductor intrínseco
Ilustración 9 Semiconductor tipo P
Ilustración 10 Semiconductor tipo N
4.1.2 Semiconductores extrínsecos
Los semiconductores extrínsecos son aquellos que poseen aproximadamente un átomo
impuro por cada 107 átomos de semiconductor. Estas impurezas mejoran las propiedades
permitiendo un mejor paso de corriente eléctrica a través de él.
Por ejemplo, el silicio puro a 27ºC tiene una resistividad de 150.000 Ω/cm2 y un ancho de
banda prohibida de 1,12 eV. En cambio, en un semiconductor extrínseco de silicio se
disminuye la resistividad a 150 Ω/cm2.
Para producir semiconductores extrínsecos se debe someter el material a un proceso de
dopaje, dónde se introducen átomos de otros elementos en la red cristalina con el fin de
aumentar la conductividad. En función de los electrones de valencia de los materiales
dopantes se puede distinguir un semiconductor de tipo P o de tipo N.
En los semiconductores de tipo P se usan elementos
trivalentes, es decir, sus átomos tienen tres electrones de
valencia. Los materiales más usados en la formación de estos
semiconductores son el boro, el indio o el galio.
Los materiales semiconductores tienen cuatro electrones de
valencia, en cambio, los agentes dopantes trivalentes
contienen únicamente tres electrones en la órbita más
externa. Por este motivo se originará un hueco en la red
cristalina que facilitará el paso
de electrones ajenos a la red. A estos materiales también se les
llama donadores de hueco o aceptadores de electrones.
En cambio, en los semiconductores de tipo N se usan elementos
pentavalentes como el arsénico, el fósforo o el antimonio. Estos
materiales, al tener un electrón de valencia más que el
semiconductor, aportarán un exceso de electrones que, al no
estar enlazado con los átomos, se moverá libremente por la red
cristalina, aumentando así la conductividad. Estos
semiconductores también se denominan donador de
electrones.
4.2 Dopaje de semiconductores
El proceso de dopaje consiste en agregar impurezas a un material semiconductor intrínseco
con el fin de modificar las propiedades eléctricas. Los dopajes pueden ser ligeros para formar
los semiconductores extrínsecos o pesados que dan lugar a un material degenerado cuyas
propiedades eléctricas son parecidas a las de los conductores.
Los dopajes ligeros se realizan añadiendo aproximadamente un átomo por cada 107 átomos de
semiconductor y dan lugar a material tipo P o tipo N. En cambio, en los dopajes pesados se
agrega aproximadamente un átomo por cada 104 átomos de semiconductor, dando lugar a
materiales degenerados de tipo P+ o N+.
Actualmente se puede dopar un material semiconductor mediante varios métodos. Aun así, los
más usados debido a la relación efectividad-precio son el dopaje por difusión, por aleación y
por implementación de iones.
4.2.1 Dopaje por difusión
La difusión es el mecanismo por el cual la materia se transporta a través de la materia. Este
proceso requiere un tiempo mayor que en otros procesos pero es barato y permite realizarse
con una cierta precisión. En el dopaje se puede emplear tanto la difusión sólida como la
gaseosa y suele realizarse a temperaturas elevadas para agilizar el proceso.
En el proceso de difusión gaseosa, los materiales se introducen en una atmósfera gaseosa que
aumenta el desorden molecular del sistema y permite una disolución de las partículas
difundidas en el soluto.
Este proceso necesita un coste energético bajo, por lo que se abarata notablemente el proceso
y lo convierte en el principal método de dopaje para un material semiconductor.
Existen varios métodos de dopaje para los transistores. El primer método usado debido a su
sencillez fue el llamado transistor de base difusa. En este método se usaban emisores de
aleación a los que se les difundía únicamente la base.
La doble difusión es otro método de dopaje que consiste en la difusión simultánea de la base,
el emisor y el colector. Este proceso se basa en la diferencia de velocidades de difusión en
función de la masa atómica de cada material. Por este motivo, la primera capa estará dopada
principalmente con los átomos del elemento más pesado y la más profunda, con los del
elemento más ligero.
Para obtener los transistores de mesa. Este proceso se inicia con una oblea de Ge (tipo P) o Si
(tipo N) que actuará como colector al que se le difunde arsénico o boro respectivamente. Acto
seguido, se constituye el emisor difundiendo indio o fósforo y se encapsulan los terminales
fijando los terminales por termocompresión para evitar la degradación de las uniones. Este
método fue el primero en tener ambas bases difundidas y emisores difusos. La principal
ventaja de este método es la disminución de la superficie de unión entre la base y el colector,
por lo que se elimina en gran parte la capacidad parásita de esta unión. Por el contrario, estas
uniones también son muy sensibles a agentes externos, por lo que también se deben sellar
herméticamente para evitar la degradación.
Ilustración 11 Dopaje tipo Mesa
La última técnica, y también la más usada, se llama proceso planar. Este proceso no permite
únicamente la obtención de transistores, sino que también permite unir aquellos que deban ir
juntos en los circuitos impresos. En esta técnica, se proyecta sobre un plano una imagen del
circuito que se desea realizar. Esto permite realizar procesos de exposición de diversas
sustancias que son silicio para el sustrato, algún oxidante para crear óxido del silicio para los
aislantes y dopantes para los conductores.
Para esta técnica se parte de un disco de silicio poco dopado que se oxida mediante calor
(1200ºC). Acto seguido se vierte una resina fotosensible que se ilumina con un negativo del
circuito que se desea realizar y, a continuación se usa fluoruro amónico para eliminar la resina
polimerizada y el óxido situado bajo esta. Dejando una superficie de silicio puro que se
procede a dopar mediante difusión atómica. Finalmente de repite este mismo proceso para
formar el emisor y el colector.
Ilustración 12 Dopaje planar
4.2.2 Dopaje por implantación de iones
Este proceso permite un control muy preciso de la zona que se desea dopar. Consiste en un
haz de luz cuyos iones se aceleran mediante un campo magnético y les permite chocar con la
superficie que se desea dopar del semiconductor. Variando el flujo de luz se consigue con
control de la cantidad de iones que se implantan en la superficie dopada.
Para conseguir un control aún más preciso de la zona que se desea dopar, se aplica una capa
fotoresistente sobre el material base con la forma de las zonas que no deben ser dopadas. A
continuación se provoca la colisión de los electrones con la oblea de sillico a una velocidad de
300.000 km/h que provoca la implementación de los iones en la oblea, alterando las
propiedades eléctricas iniciales de la oblea. Finalmente se elimina la capa fotosensible y se
sella el circuito de transistores para evitar la degradación debido a los agentes externos.
Mediante este proceso se puede obtener circuito muy complejos formados únicamente por
transistores como, por ejemplo, los circuitos formados por 774 millones de transistores que
forman los microporcesadores actuales.
Ilustración 13 Capa fotosensible Ilustración 14 Implantación de iones Ilustración 15 Circuito final
5 Semiconductores en un Transistor
El funcionamiento del transistor se caracteriza por el comportamiento de los semiconductores
de su interior y su distribución. Podemos considerar el transistor como un par de diodos
contrapuestos. El transistor presenta dos uniones, una entre el emisor y la base, y otra entre la
base y el colector, así podremos sepáralo como diodo emisor y diodo receptor. Esto generará
dos barreras iónicas, zonas de agotamiento, en el transistor, de un potencial característico
según el material utilizado (0,7 V a 25 ºC en el caso del silicio).
Esta seria la configuración normal del transistor sin polarización y desconectado. Una vez lo
conectamos a las fuentes y lo polarizamos es cuando vemos como actúa realmente un
transistor.
Un transistor nos permite mediante una pequeña corriente aplicada en la base, permitir el
paso de una corriente mucho mayor entre el emisor y el colector. Esto se genera por que la
polarización que existe entre el emisor y la base es directa, mientras la entre la base y el
colector es inversa, en seguida veremos como lo hace.
Ilustración 16 Schematics by Altium: Transistor BJT NPN
Para estudiar cómo se comporta el transistor nos centraremos en el NPN, ya que su
funcionamiento es extrapolable al resto de transistores. Un transistor, a grandes rasgos, es un
interruptor que puede estar abierto, apagado o medio abierto.
La línea que controlamos es la vertical, podemos ver dibujada la representación de su malla
correspondiente al lado. Si únicamente tenemos este circuito conectado no existirá circulación
de corriente. Esto es debido a que entre el emisor y el colector aparece un diodo, el cual
impide la transmisión de electrones entre el tierra, a potencial 0, y la fuente a potencial VCC.
Cuando aplicamos un voltaje entre la base y el emisor, de modo que el potencial 0 está
conectado al emisor, que es N, y el positivo a la base, que es P, en esta malla, que tenemos
representada a la izquierda, se produce una circulación de corriente. Lo electrones se mueven
de la zona de menor potencia a la de mayor, arrastrando los electrones por el material N del
emisor y los huecos de la base y seguidamente por el positivo. De esta manera conseguimos
generar un flujo de electrones por la malla de emisor/base. Eso conllevara que la base, que
estaba llena de huecos y nos generaba un diodo para la circulación de la malla principal,
contenga electrones, que una vez se acerquen a la banda superior y al colector comenzaran a
“sentir” el potencial generado por el circuito principal y atravesaran la capa de agotamiento. La
presencia del colector nos permite ajustar el flujo de electrones generado entre el emisor y el
colector, ensanchando o reduciendo la capa de agotamiento de la junta PN, de esta manera, el
numero de electrones que consigue entrar en la zona P es mayor o menor.
Ilustración 17 Movimiento de cargas en un transitor
De esta manera podemos controlar la corriente de un circuito mediante otro “independiente”
de este. No es completamente independiente ya que la intensidad que circulara por la malla
emisor/base es proporcional a la corriente de la malla emisor/colector. Así un transistor
también nos puede servir de amplificador, ya que controlando una corriente bastante pequeña
podemos manipular otra mucho mas grande. Las corriente que circulan por ambas mallas
vendrán determinadas por la resistencia de cada malla y por el voltaje aplicado. Mediante las
leyes de Ohm y Kirchhoff podremos relacionar ambas mallas, aun que no entraremos en este
ámbito.
6 Obtención de cristales de semiconductor
Los semiconductores se utilizan en forma de obleas, planchas finas de semiconductor que se
utilizan para la fabricación de componentes electrónicos. Para poder obtener estas obleas del
semiconductor primero se deber purificar, ya que deben contener muy pocas impurezas,
seguidamente se obtiene el mono cristal y a partir de este la oblea. Para ejemplificar cada
proceso utilizaremos el silicio puesto es el semiconductor mas común.
6.1 Purificación
El objetivo de este proceso es conseguir que el
semiconductor que se esta trabajando obtenga
unos grados de impurezas muy muy bajos. Por
ejemplo, el grado de calidad del silicio debe
rondar entre 8N y 11N, que significa que debe
haber únicamente una impureza en un volumen
atómico de entre 10^8 y 10^11 átomos. Esto
implica una pureza de entre el 99,999999% y el
99,999999999%, donde el 8 y el 11 son la
cantidad de nueves que contiene el porcentaje
de pureza.
Para obtener Si de esas calidades primero se
refina químicamente a 2000ºC mediante
carbono, produciendo la siguiente reacción:
SiO2 + 2C = Si + 2CO2 (gas)
Una vez obtenido el silicio de grado metalúrgico deberemos reducir sus impurezas hasta
obtener silicio de alta pureza. Esto lo conseguiremos mediante un proceso de cloración,
seguido de la destilación selectiva, de lo que obtenemos barras de silicio policristalino.
Si (sólido) + 3 HCl (gas) = SiHCl3 (gas) + H2 (gas) + calor (Cloración)
SiHCl3 (gas) + 3H2 (gas) = 2 Si (sólido) + 6 HCl (gas) (Destilación selectiva)
Ilustración 18 Silicio mineral
Este procesó se denomina proceso
Siemens, mediante la cloración se
obtiene un producto que es sencillo de
purificar, después se descompone el
triclorosilano en un reactor Siemens y
obtendremos de nuevo el Si policristalino
con mayor pureza.
Una vez obtenemos el grado de pureza
que requeriremos de nuestro silicio
policristalino, podremos proceder con la
formación del monocristal del
semiconductor.
Ilustración 20 CIlindro de Silicio policristalino
Ilustración 19 Proceso Siemens
6.2 Crecimiento del Cristal
Una vez tenemos el semiconductor
debemos “transformarlo” para que
pase de tener una estructura
policristalina a una estructura
monocristalina. En este proceso
podemos incluir la introducción del
dopaje correspondiente al
semiconductor, aun que también
existen procesos de dopaje después
de la obtención del monocristal.
Para el Si el proceso de crecimiento
mas común es el método Czochralski,
que dependiendo del material, del
grosor deseado y características será
más rápido o más lento, pero rondara
los 50-100 mm/hr.
Para el procedimiento se deposita el Si de alta pureza policristalino en un crisol de cuarzo,
puesto que no es reactivo, y seguidamente se funde a una temperatura superior a 1420ºC en
atmosfera inerte. Seguidamente se coloca el cristal semilla en el silicio fundido y una vez se
han soldado se extrae poco a poco la semilla del crisol mientras rotan ambos elementos en
sentidos opuestos. De esta manera se solidifica el semimetal lentamente formando así un
cristal único. Mediante la velocidad de extracción y la temperatura podemos controlar el
diámetro del cilindro que queremos formar.
Ilustración 21 Proceso Czochralski
Ilustración 22 Esquema de funcionamiento proceso Czochralski
Las principales fuentes de contaminación son el propio crisol y el oxigeno, que es impureza
aceptora profunda no deseada, que es mas difícil de extraer.
Durante este proceso también podemos proceder con el dopaje de los cristales, añadiendo las
impurezas directamente sobre la mezcla fundida. El problema de este proceso aparece cuando
tenemos en cuenta la segregación de dopantes, la concentración de impurezas en la fase
líquida (Cl) es diferentes a la fase sólida (Cs), según la siguiente relación:
k0= CS / CL
La K0 viene determinada por el propio dopante y en ningún caso es mayor de 1, el coeficiente
más alto es el del Boro, que es 0,8. Esto quiere decir que la concentración de dopante será
siempre mayor en la fase liquida que en la solida. Esto conllevara que la concentración del
dopante a lo largo del Silicio no será constante, sino que ira aumentando conforme mas
dopante haya acumulado en la fase liquida.
Ilustración 23 Diagrama de distribución de dopantes en el proceso Czochralski
6.3 Fusión por Zonas
Otro efecto que nos ofrece la segregación es que podemos purificar el lingote de
semiconductor mediante el mismo principio de segregación anterior. Para mejorar las
propiedades de pureza podemos
aprovechar la fusión de una zona
del lingote determinada, que por
segregación tendrá la capacidad
de acumular impurezas. Esta
zona fundida se desplaza a un
extremo con las impurezas para
acumularlas y poder eliminar el
material. Gracias a la tensión
superficial la zona fundida no se
desplazara. Utilizando este
método se pueden obtener los
cristales de silicio mas puros, los
cuales se pueden utilizar
también en aplicaciones
optoelectrónicas.
6.4 Preparación de Obleas
Para preparar el material final se requiere primero una inspección del monocristal,
imperfecciones, propiedades, resistividad…En el proceso suele representar la perdida de la
mitad del lingote. Seguidamente se tornea la superficie para delimitar el diámetro del lingote y
se bisela para los equipos de procesado y su identificación.
Primero se corta el cilindro en discos circulares
mediante una sierra de diamante de alta
velocidad para proporcionar una elevada calidad
de corte. Seguidamente se procede con el pulido
de las obleas, comenzando por su nivelado con
una resina de oxido de aluminio, seguido del
grabado, que mediante acido se eliminan los
daños superficiales, después le sigue un pulido
mecánico químico, con diferentes granos y por
ultimo la limpieza de partículas orgánicas,
óxidos, impurezas metálicas o partículas que
pudieran permanecer en la oblea.
Por ultimo deben pasar por un proceso de inspección de defectos, dislocaciones o cualquier
error que pueda existir en el cristal.
Ilustración 24 Fusión por zonas
Ilustración 25 Comparación oblea como materia prima final (abajo) y después de la impresión de los circuitos
7 TRANSISTORES: FUNCIONAMIENTO Y TIPOS
7.1 Funcionamiento de los transistores
Como hemos introducido anteriormente, los transistores son
dispositivos que forman parte de los circuitos eléctricos y
que tienen la función de dejar pasar la corriente o
amplificarla. Dentro de un circuito, el transistor puede
adoptar tres estados distintos. El primero de ellos es el
estado activo. En éste, el transistor deja pasar más o menos
corriente. También puede estar en corte, cuando no deja
pasar corriente. Finalmente, podrá estar en saturación, es
decir,
dejará pasar toda la corriente.
Para facilitar el entendimiento de su
funcionamiento utilizaremos un ejemplo
más sencillo pero que funciona de igual
manera. Consideraremos el corriente como
un flujo de agua y el transistor como la llave
de agua. Para que el agua pueda pasar de E a C la llave deberá moverse por lo que tendrá que
haber algo en la pequeña tubería B que la haga subir o bajar.
Si no pasa agua por la tubería B, significa que la válvula está cerrada por lo que no se produce
un paso de fluido del emisor (E) al colector (C). Entonces decimos que el transistor está en
corte. Por otro lado, si se abre la válvula debido a una cierta presión en B, el agua empezará a
pasar de E a C. En este caso, el transistor estará en activa. Finalmente, si llega suficiente
presión por B, la válvula se abrirá completamente y pasará la máxima cantidad posible de agua
de E a C. Cabe destacar que por más presión a la que sometamos B, la cantidad de agua que
pasará será la misma, es decir, la máxima que permita la tubería. Por lo tanto, vemos que para
una pequeña cantidad en B hace pasa mucha más agua entre E y C. Cuando sucede esto
decimos que el dispositivo actúa como amplificador.
Como hemos dicho, este ejemplo funciona igual que un transistor. Cuando a un transistor no le
llega nada de corriente a la base, no hay pase de corriente entre el emisor y el colector,
funciona como un interruptor abierto entre el emisor y el colector. Cuando tiene la corriente
máxima su funcionamiento es como el de un interruptor cerrado dejando que deja pasar la
corriente entre el emisor y el colector, pasando así la máxima corriente permitida por el
transistor. Finalmente puede darse el caso que a la base del transistor le llegue una corriente
más pequeña que la corriente máxima. En este caso, entre el emisor y el colector pasará una
corriente intermedia que no llegará a la máxima.
Ilustración 26 Esquema funcionamiento de un transistor como amplificador
Ilustración 27 Estados transistor
En resumen, podemos considerar el funcionamiento de un transistor
como uno parecido al de un interruptor, que deja pasar o corta la
corriente de un circuito, pero en este caso, en lugar de activarse
manualmente, se activa aplicando una corriente a la base. En este
caso, dejara pasar o cortara señales eléctricas a partir de una
pequeña señal de mando. Por otro lado, también puede funcionar
como amplificador del corriente que pasa por el circuito. Al emisor le
llega una señal pequeña que al pasar por el transistor, se convierte
en una más grande. No obstante, tal y como hemos dicho en un
principio, también puede funcionar como oscilador, conmutador y
rectificador.
Finalmente cabe destacar que en un transistor existen tres corrientes distintas. Por un lado la
de la base (Ib), por otro lado la que llega al emisor
(Ie) y en último término, la que sale por el colector (Ic).
7.2 Tipo de transistores.
Actualmente existen muchos tipos de transistores, aunque los más comunes son los
transistores bipolares y los transistores de efecto campo. No obstante, los comentaremos
todos.
A continuación se muestra un pequeño esquema con todos ellos:
7.2.1 Transistores de unión bipolar
Ilustración 28 Intensidades en un transistor
Ilustración 29 Esquema tipos de transistores
Los transistores de unión bipolar, son unos dispositivos electrónicos que como hemos
anunciado anteriormente, pueden servir como un amplificador de corriente. Estos dispositivos,
constan de dos uniones pn que se forman de manera
secuencial en un solo cristal de un material semiconductor
como el silicio.
En la figura 1, se muestra de manera esquemática un
transistor de unión bipolar tipo npn y se identifican las tres
partes principales del transistor; emisor, base y colector. El emisor del transistor emite
portadores de carga. Puesto que el emisor del transistor npn es de tipo n, emite electrones. La
base del transistor, controla el flujo de portadores de carga y
es de tipo p para el transistor npn. La base se hace muy
delgada y se hace ligeramente impurificada, de modo que
sólo una pequeña fracción de los portadores de carga del
emisor se recombinarán con los portadores mayoritarios de
la base cargados de modo opuesto. El colector BJT colecta
portadores de carga, sobre todo del emisor. Puesto que la
sección del colector del transistor npn es de tipo n, ésta
colecta principalmente electrones del emisor.
Como hemos anunciado, existen dos tipos de transistores de unión bipolar, los NPN y los PNP.
La principal diferencia entre estos dos transistores, está relacionada con la entrada y la salida
de la corriente en ellos. Como acabamos de ver, en los transistores NPN, la corriente entra por
el colector y sale por el emisor, mientras que en el caso de les PNP la corriente de salida entre
el emisor y el colector.
Para diferenciarlos, se utilizan distintos símbolos de circuito tal y
como muestra la imagen. Las distintas letras hacen referencia a las
capas de material semiconductor que se ha usado para construir el
transistor.
Ilustración 30 Transistor bipolar
Ilustración 31 fig 1
Ilustración 32 Símbolos de los transistores NPN Y PNP
7.2.2 Transistores de efecto campo
Los transistores de efecto campo (FET), son dispositivos electrónicos que se usan mucho en los
sistemas microelectrónicos debido a su bajo costo y a su calidad de compacto. Es un
dispositivo de tres terminales y dos junturas, creado en un material semiconductor con
diferentes contaminaciones, que permiten regular la circulación de una corriente eléctrica
mediante una corriente de control, mucho menor. Los FET pueden plantearse como
resistencias controladas por una diferencia de potencial.
En los transistores podemos diferenciar tres zonas semiconductoras juntas dopadas
alternativamente con purezas donadoras o aceptadoras de electrones. Estas tres terminales se
denominan puerta, drenador, y fuente. El contacto donde los electrones entran se conoce
como la fuente, y el contacto donde sales recibe el nombre se drenaje. La puerta es la terminal
equivalente a la base en los BJT. El transistor de efecto campo se comporta como un
interruptor controlado por la tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que
fluya o no el corriente entre el drenador y la fuente.
Esta alternación es la que permite diferenciar, en los transistores MOSFET, entre NMOS (canal
N) o PMOS (canal P) y, en los transistores JFET, entre JFET-N (canal N) o JFET-P (canal P).
Modelo de transistor FET de canal N
Ilustración 33 Transistor FET canal N
Modelo de transistor FET de canal P
Ilustración 34 Transistor FET canal P
El caso particular y más usado de los dispositivos FET, son los transistores MOSFET, que son los
que se explican a continuación más detalladamente.
En el MOSFET, se coloca, en el lado del semiconductor, una delgada capa de material aislante
formada por óxido de silicio. También se coloca una capa de metal en el lado de la compuerta.
A diferencia de los transistores bipolares, donde la corriente que circula por el colector está
controlada por la corriente que circula por la base, en los transistores FET la corriente de salida
es controlado por una tensión de entrada, es decir, por un campo eléctrico.
Los transistores MOSFET se pueden dañar con facilidad por lo que hay que manipularlos con
cuidado. Se pueden destruir con facilidad si existe una alta tensión o si hay electricidad estática
debido a la fina capa de óxido.
Tal y como hemos anunciado anteriormente, existen dos tipos de transistores MOSFET, los de
canal N y los de canal P.
Los de tipo n o NMOS, se crean dos islas de silicio tipo
n en un sustrato de silicio tipo p, como se muestra en
la imagen. Entre el silicio tipo n de la fuente y el
drenaje, hay una región tipo p sobre cuya superficie se
forma una delgada capa de dióxido de silicio que actúa
como aislante. En la parte superior del óxido de silicio
otra capa de polisilicio (metal) se deposita para
formar el tercer contacto del transistor, denominado
la compuerta. Puesto que el dióxido de silicio es un
excelente aislador, la conexión de la compuerta no
está en contacto eléctrico directo con el material tipo
p debajo del dióxido.
El MOSFET, al igual que el transistor bipolar, es capaz también de amplificar corriente. La
ganancia en dispositivos MOSFET suele medirse en términos de un cociente de voltaje en vez
de un cociente de corriente como en el transistor bipolar. Los MOSFET tipo p con huecos para
los portadores mayoritarios pueden fabricarse de manera similar, utilizando islas tipo p para la
fuente y el drenaje en un sustrato tipo n. Puesto que los portadores de corriente son
electrones en los dispositivos NMOS y huecos en los dispositivos PMOS, éstos se conocen
como dispositivos de portadores mayoritarios.
Ilustración 35 MOSFET canal N
Ilustración 36 MOSFET canal P
Ilustración 37 Esquema funcionamiento MOSFET
7.2.3 Transistores UJT
Los transistores de unijuntura (UJT), se utilizan
fundamentalmente como dispositivos de generación de
pulsos de disparo. Su funcionamiento es muy diferente al
de los transistores expuestos anteriormente. No
obstante, como en todos los casos, también está formado
por tres terminales, aunque ahora son dos bases y un
emisor.
Estos transistores, están compuestos por una
barra semiconductora de tipo N o P, y dos
conexiones eléctricas a sus dos extremos.
Dependiendo de si la barra semiconductora es
N o P clasificaremos los transistores en UJT-N
(canal N) o UJT-P (canal P). Se contamina el
cristal P con un gran número de impurezas con
la intención de crear un gran número de
huecos. Sin embargo, al cristal N, se le dopa con
muy pocas impurezas, por lo que existirán muy
pocos electrones libres en su estructura.
7.2.4 Transistores de potencia
Los transistores de potencia tienen un funcionamiento y una utilización muy parecida a la de
los transistores de unión bipolar y a los FET. No obstante, tienen características propias. Éstos
pueden soportar altas tensiones e intensidades y por lo tanto son capaces de disipar altas
potencias. Podemos diferenciar dos grupos importantes: los transistores IGBT y los tiristrores.
7.2.4.1 Transistores IGBT
Los IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) se pueden considerar, desde el punto de vista de
su empleo, como una mezcla entre los transistores bipolares y los MOSFET ya que combina
ventajas de ambos. Contienen la sencillez de ataque de los últimos aunque por otro lado tiene
bajas pérdidas de conmutación como los BJT aunque puede trabajar a elevada frecuencia y
con grandes intensidades.
Este tipo de transistores se inventaron no hace mucho tiempo, pero su evolución ha sido muy
rápida debido a que han demostrado tener una resistencia en conducción muy baja y una
elevada velocidad de conmutación, es decir, la transmisión desde el estado de conducción al
de bloqueo se puede considerar de unos microsegundos, y la frecuencia puede estar alrededor
de los 50 KHz. Por otro lado, también cuentan con una elevada tensión de ruptura.
Como en todos los transistores podemos diferenciar tres zonas semiconductoras: el emisor, la
puerta y el receptor. La estructura recuerda mucho a la de un transistor MOSFET donde se
utilizan obleas de tipo N sobre la que se deposita una fina capa semiconductora. El IGBT está
constituido de forma casi idéntica. La capa fina semiconductora presenta el mismo espesor y
se dopa igual que en un FET. Sin embargo, existe una diferencia importante: el material de
Ilustración 39 Transistor UJT
Ilustración 38 Diagrama transistor UJT
partida es una oblea dopada de tipo P en lugar de de tipo N. La unión PN, inyecta portadores
(huecos) en la región semiconductora fina tipo N reduciendo si resistividad y rebajando la
caída de tensión en conducción. Este proceso también se conoce con el nombre de
"Modulación de la Conductividad" y contribuye a aumentar la capacidad de conducción.
7.2.4.2 Tiristor
Un tiristor, es un transistor que tiene dos estados de funcionamiento, el de bloqueo y el de
conducción. Lo forman dos terminales, el ánodo y el cátodo a las que se añade la puerta. Está
constituido por cuatro capas semiconductoras que forman una estructura pnpn. Por lo tanto,
se puede modelar como dos transistores típicos PNP y NPN. Actúa como un
interruptor, está abierto hasta que la tensión directa aplicada alcanza un
cierto valor, entonces se cierra y permite la conducción continua hasta que
la corriente se reduce por debajo de un valor específico. El tiristor es capaz
de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente
sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar
grandes sobrecargas de corriente.
Ilustración 40 Esquema tiristor
8 Aplicaciones de los transistores
El transistor es el componente más importante de la electrónica y, por lo tanto ha
evolucionado notablemente. En sus inicios, los transistores tenían un tamaño muy elevado, ya
que los primeros transistores comerciales median aproximadamente 7,5cm. Debido a la gran
importancia en el sector, estos elementos han
evolucionado disminuyendo su tamaño a
aproximadamente 130 nanómetros.
La evolución no solo ha afectado al tamaño, sino
que también ha mejorado sus propiedades,
permitiendo el paso de mayor voltaje, intensidad o
durabilidad de los elementos que lo forman.
Estas evoluciones han provocado el
descubrimiento de nuevas técnicas para su
obtención y, por lo tanto, diferentes tipos de
transistores como ya se ha explicado
anteriormente.
Aunque todos los transistores funcionen bajo el mismo principio, se pueden optimizar sus
características en función del campo en el que se apliquen. Es por este motivo que las
aplicaciones para cada tipo de transistor son muy variadas.
8.1 Aplicaciones BJT
Los transistores BJT fueron de gran importancia en el pasado pero debido a su baja impedancia
se han ido sustituyendo. Aun así continúan siendo elementos de gran importancia en la
electrónica.
Su principal aplicación se centra en la amplificación de corriente, puesto que tienen la
capacidad de amplificar la corriente que pasa entre los terminales del emisor y el colector en
función de la corriente aplicada en su base.
Por el mismo principio explicado anteriormente, si el transistor trabaja en modo de saturación,
no sólo pueden usarse como amplificadores, sino que también es habitual su uso como
interruptores controlados eléctricamente.
8.2 Aplicaciones FET
Los transistores tipo FET se caracterizan por ser dispositivos controlados por tensión con una
impedancia de entrada muy elevada. Las principales ventajas que tiene respecto los BJT son
una menor generación de ruido y su mayor estabilidad a altas temperaturas, por lo que
permiten disipar una gran potencia y conmutar corrientes elevadas. También cabe destacar
que la obtención de este tipo de transistores es más fácil que la de los tipo BJT.
Los transistores FET también pueden comportarse como resistencias controladas por tensión
para valores pequeños de tensión drenaje-fuente.
Debido a estas propiedades, se pueden usar en una gran variedad de aplicaciones como
pueden ser:
- Aislador o separador: Debido a su impedancia alta en la entrada y baja en la salida los
convierten como los mejores dispositivos para separar líneas. Los principales usos en
este campo son en equipos de media o receptores de señales.
- Amplificadores de radiofrecuencia: Son óptimos para estos usos debido al bajo ruido
que generan: Se usan principalmente en sintonizadores de radio y televisión o en
cualquier dispositivo de comunicación.
- Mezclador: La principal ventaja por la que se usan como mezclador es la baja
distorsión de intermodulación. Se suelen usar como mezcladores en los receptores de
ondas.
- Amplificador con CAG: Gracias a la facilidad para controlar la ganancia de estos
transistores se pueden usar como generadores de señales.
- Oscilador: Los transistores FET tienen una mínima variación de frecuencia por lo que
son los adecuados para usarte en generadores de frecuencias patrón para ser
comparadas al tomar otras medidas.
Las principales desventajas que limitan su uso son la respuesta de frecuencia baja debido a la
alta capacidad de entrada, su baja linealidad y el hecho de que se puedan dañar con facilidad
debido a la electricidad estática.
8.3 Aplicaciones UJT
La principal ventaja de estos transistores es su bajo coste. Además, si trabajan en condiciones
normales, tienen una muy baja absorción de potencia, tienen una resistencia característica
negativa y el consumo de intensidad en corte es muy bajo.
Las principales aplicaciones de los transistores UJT son en la fabricación de los osciladores, en
circuitos de disparo, para generar oscilaciones en forma de sierra, para controlar la fase de
circuitos temporizados y en las redes biestables.
9 INVESTIGACIONES ACTUALES EN TRANSISTORES
- Una de las nuevas investigaciones e innovaciones que se está
llevando a cabo actualmente en el sector de la electrónica y
concretamente en el ámbito de los transistores es la creación de
nuevos transistores transparentes de grafeno y nanotubos de
carbono con dieléctricos arrugados. No es fácil fabricar
transistores transparentes que se puedan estirar o pegar sobre
cualquier superficie. Hasta ahora se había intentado con
transistores de tipo FET pero presentaban un gran problema. Éste
era el dieléctrico poco robusto que contenían, ante
deformaciones y estiramientos. Por esta razón la nueva propuesta para conseguir este nuevo
dispositivo se basa en la utilización de nuevos materiales, el grafeno y los nanotubos. El
grafeno es un material derivado del grafito que está compuesto tan solo por una capa de
átomos de carbono y tiene unas propiedades extraordinarias. Se cree que éste podría ser el
sustituto del silicio como material básico para toda la industria de la electrónica. No obstante,
existen problemas para procesar el material. En el caso de los transistores, el uso de este
nuevo material, soluciona el problema del dieléctrico usando una capa de Al2O3 arrugada que
atrapa aire, capaz de resistir estiramientos de hasta el 20% sin degradación apreciable de sus
propiedades. Gracias a ello se pueden pegar a superficies arrugadas como un tubo de pasta de
dientes.
- Intel y los nuevos transistores Tri-Gate "3D" de sus Ivy Bridge.
Tri-Gate es el nombre que reciben los nuevos transistores creados
por Intel. Estos tienen una estructura tridimensional y buscan
mejorar muy notablemente la eficiencia de sus futuros
microprocesadores. Con la estructura tridimensional, se consigue
la implantación de un nuevo funcionamiento que permite
minimizar el consumo energético cuando es necesario. De este
modo, se logra optimizar el rendimiento. Se han tardado casi diez
años en desarrollar este nuevo producto hasta que ha podido
llegar, en los últimos tiempos, al mercado.
- Otro nuevo tipo de transistor considerado de alta
eficiencia está fabricado con disulfuro de molibdeno o
molibdenita. Al parecer, este nuevo transistor presenta
muchas ventajas con respecto a aquellos fabricados con
silicio o grafeno para aplicaciones electrónicas. La utilización
de este nuevo material, permitiría fabricar transistores más
pequeños y más eficientes que los actuales.
La molibdenita es un semiconductor abundante que se
encuentra en la corteza terrestre. Hasta ahora, nunca se
habían estudiado sus propiedades electrónicas de manera
exhaustiva de modo que, únicamente se había utilizado en
aleaciones de acero o como aditivo en lubricantes. También
Ilustración 41 Usos grafeno
Ilustración 42 Transistor Tri-Gate 3D
Ilustración 43 Oblea de Molibdenita
es importante destacar que, las láminas de molibdelina tienen un grosor extremadamente fino
imposible de conseguir, actualmente con el silicio. Por otro lado, un transistor de molibdenita
consumiría mucho menos energía en estado de reposo que un transistor tradicional de silicio.
- Otro de los estudios que se está realizando en el
mundo de los transistores son los transistores
orgánicos, hechos de base de carbono, finos y
transparentes. Aunque aún están en fase experimental,
se ha demostrado que consiguen velocidades de
operación muy altas y similares a las del silicio que es
más caro. Con esta nueva invención se cree que se
podrían llegar a fabricar productos como pantallas de
alto rendimiento muy baratas. Los científicos buscan
llegar a crear semiconductores orgánicos capaces de
realizar operaciones electrónicas a una velocidad
cercana a la de la tecnología que tenemos actualmente.
Ilustración 44 Oblea de transistores orgánicos
10 Conclusiones
Los transistores son unos dispositivos electrónicos semiconductores que nacieron para
solventar una necesidad humana, la de comunicarse a distancia. No obstante sus buenas
propiedades y su gran abanico de aplicaciones los han llevado a convertirse en una de las
bases más importantes de la electrónica actual. Su importancia en la industria electrónica de
hoy en día hace que sea un mundo todavía en investigación donde se continúan desarrollando
nuevas técnicas de fabricación e innovaciones con el objetivo de mejorar aún más sus
propiedades. Algunos ejemplos de ello, son los transistores orgánicos o los transistores en 3D
que buscan una eficacia mayor.
Son muchos los años de investigación y desarrollo que han transcurrido. Por este motivo,
actualmente contamos con muchos tipos de transistores con propiedades diferentes que
permiten aplicaciones distintas. Este hecho permite utilizar el transistor más adecuado en cada
circunstancia.
La base de los transistores son los materiales semiconductores. Éstos materiales se
caracterizan por ser materiales aislantes pero con capacidad para variar su conductividad
eléctrica en función de las condiciones a les que se les somete.
Los materiales semiconductores presentan una gran oposición al paso de corriente pero ésta
puede incrementarse mediante el uso de agente dopantes que, al impurificar el material,
permite la liberación de un electrón o la formación de un hueco entre átomos que facilitan el
movimiento de los electrones.
Los procesos de dopaje y creación de transistores se han perfeccionado hasta el punto de
poder disminuir su tamaño hasta los 14 nanómetros. Debido a estas dimensiones se pueden
crear elementos muy complejos en una superficie muy pequeña.
La unión de los semiconductores se ha convertido en uno de los avances de la ciencia y la
tecnología más importantes de los últimos tiempos. El comportamiento de los electrones en su
interior permite realizar operaciones que hasta hace unos años habrían sido impensables y que
ahora han convertido el transistor en el elemento básico de la informática, la electrónica y las
telecomunicaciones.
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11.2 Libros
SMITH, William F. (2007). Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales (Cuarta
edición). Madrid: McGraw Hill.
PIERRET, Robert F. Introduction to semiconductorsmaterials and devices (Segunda edición).
Introduction to semiconductorsmaterials and devices - M.S. TYAGI
Fundamentos de semiconductores - Robert F. Pierret - Segunda Edición