SEMICONDUCTORES
IntroducciónLos semiconductores son uno de los adelantos técnológicos que más relevancia han tenido en este siglo principalmente por haber permitido un desarrollo extremo de la electrónica general. Su antecesor, el tubo termoiónico o válvula de vacío es un dispositivo caro, grande, frágil, lento y que requiere un consumo de potencia no despreciable sólo para hacerlo funcionar. Con él nunca se hubiesen podido alcanzar niveles que a día de hoy nos parecen de lo más normal como integrar decenas de millones de transistores en el tamaño de una uña, y esto se debe al bajo precio, reducido tamaño y bajo consumo que permite la tecnología de los semiconductores. No vamos a hacer una lista con las aplicaciones que ha permitido desarrollar, porque sería eterno y no podría calificarse cada adelanto en su justa medida, en su lugar vamos a hablar de porqué este artículo. En el diseño electrónico siempre existen fenómenos que alejan a los componentes de su comportamiento teórico, se suelen denominar efectos parásitos y no es posible sacar el máximo partido de un diseño sin conocerlos. Incluso en el campo digital, la implementación está sujeta a fenómenos analógicos que si no se tienen en cuenta impedirán un correcto funcionamiento. Conocer los mecanismos físicos de los semiconductores y su construcción interna permite comprender porqué suceden las cosas, y estas cosas pueden ser fenómenos de segundo orden, como la no linealidad de la capacidad parásita, o de vital importancia como la tensión de ruptura en inversa de un diodo. Permite saber qué componente será el óptimo en cada caso, porque no es lo mismo usar un mosfet que un BJT en un circuito de bajo ruido. También permite comprender qué variación supondrán fenómenos externos como temperatura, radiación, luz... en ellos. Muchas de las presunciones que se usan en diseño están sujetas a simplificaciones que permiten entender partes del funcionamiento pero que dan una idea errónea del comportamiento real, como por ejemplo que la corriente de puerta de un JFET es despreciable. Para llegar a un alto nivel se deben tener en cuenta todos los parámetros y sus condicionamientos externos, porque esta corriente de puerta presuntamente despreciable puede causar que un circuito de precisión dé medidas erróneas a medida que cambia la temperatura. Desgraciadamente las explicaciones no son sencillas, aunque la intención sea facilitar la compresión de los fenómenos en lugar de poner fórmulas que no va a usar. Muchas de las causas sólo tienen sentido cuando se examinan los semiconductores a nivel atómico, como porqué les afecta la temperatura, porqué se hacen de un material y no de otro... Teoría de funcionamiento.Niveles energéticosLas bandas energéticas de un átomo marcan los lugares donde es posible que se encuentren los electrones. Las bandas más próximas al átomo se llaman bandas de valencia y en ellas los átomos están fuertemente ligados al núcleo por fuerzas eléctricas. En el exterior la fuerza eléctrica es menor y además se tiene la repulsión eléctrica de los electrones de la capa de valencia, por lo que en esta banda los electrónes están débilmente ligados al átomo. Esta capa se denomina capa de conducción. En medio puede existir una banda denominada de energía prohibida, donde si hubiese un electrón inebitablemente caería a la capa de valencia (en caso de estar incompleta) o sería expulsado a la capa de conducción.
Semiconductores intrínsecosAl tipo de semiconductores mencionado anteriormente se le denomina semiconductor intrínseco, porque sólo posee un tipo de átomos que están en equilibrio eléctrico.
Recordamos que la corriente consiste en el movimiento de los electrones, y que si éstos están fuertemente ligados al átomo no será posible que exista conducción. Debe requerirse poca energía para mover los electrones y esta condición se cumple en la capa de conducción. Por otro lado, si en la estructura cristalina de enlaces covalentes hay déficit de electrones, o exceso de huecos, los electrones con energía, aunque no sea suficiente para escapar a la capa de conducción, pueden pasar a otro enlace, dando lugar así a la circulación de carga neta, es decir, corriente. Por este motivo, los semiconductores intrínsecos son muy sensibles a la temperatura, y a medida que aumenta se vuelven mejores conductores. Lo que permite la conducción, los electrones libres o los huecos se denominan portadores. Semiconductores extrínsecos
El resultado es que en los semiconductores extrínsecos la conducción es más fácil, ya que se necesita una energía notablemente menor para que exista circulación de carga, tanto de huecos como de electrones. El nivel de impurificación o dopado es bastante bajo y ésto ya permite una gran conductividad, la concentración habitual de impurezas es de un átomo de impureza por cada 1E+7 de no impurezas. Es importante destacar que habitualmente un semiconductor sólo se dopa con un tipo concreto de impureza, y que además de los portadores que se generan térmicamente, habrá tipo de portador generado por las impurezas, que a temperatura ambiente tendrá una concentración muchísimo mayor que los portadores generados térmicamente. Además, por haber sólo un tipo de impureza prodominará un tipo de ellos, y a este tipo se le llama portador mayoritario (electrones en semiconductor tipo N y huecos en tipo P). Relación de la temperatura con la conductividad.Sin embargo a los portadores no les afecta por igual la temperatura, hay una gran dependencia del tipo. A los minoritarios, que son los que se generan térmicamente si que les afecta y además en gran medida, existe un rápido crecimiento de estos portadores frente a la temperatura. Mientras que los mayoritarios son propios del material, introducidos de forma química y externa, y hasta que la contribución térmica no supere a su concentración inicial, no es posible que existan más, es por tanto algo que no sucederá a temperatura ambiente A todos los portadores les afecta el calor, en general es algo que sucede con todos los conductores porque disminuye su movilidad. Sin embargo en los portadores intrínsecos la generación de portadores frente a temperatura puede compensar esta disminución de la movilidad. Puede suceder incluso que un semiconductor extríseco pase a comportarse como intrínseco superada una cierta temperatura, en la cual la concetración de portadores de origen térmico supera a la de orígen químico. Esto es extremadamente importante para comprender las derivas térmicas y corrientes de fuga en los semiconductores. Aunque habitualmente no se las tiene muy en cuenta, tienen una importancia muy considerable. Movilidad de los huecos frente a los electrones.A la hora de producir una corriente eléctrica no es lo mismo trabajar con silicio tipo P, que con silicio tipo N. En el silicio tipo N la conducción la producen los electrones y en el tipo P la producen los huecos. Sin embargo no se requiere la misma energía para mover un electrón que para mover un hueco, a este parámetro se le denomina mobilidad. Se mide en cm/Vs (centímetros / (voltio·segundo), y depende el manterial y de la concentración de portadores. Además de otros factores, la masa efectiva de un electrón es un 30% menor que la de un hueco, lo que implica la necesidad de una menor energía para desplazar un electrón. En los semiconductores con impurezas pentavalentes (tipo N) el electrón "sobrante" sólo tiene que superar una barrera energética de 0,05eV para pasar a la banda de conducción, una 20 veces menor que la barrera de potencial en silicio puro. Mientras que los huecos en impurezas trivamentes requieren una energía mayor. Los resultados indican cifras de mobilidad aproximadamente tres veces mayores en electrones que en huecos, entre 1400 y 1600 cm/V·s para los electrones y 450-600 cm/V·s para los huecos. Esto afecta a la resistividad del material, y en dispositivos de conmutación donde estas pérdidas son críticas alcanza niveles muy importantes, si por ejemplo un dispositivo de potencia basado en silicio tipo P requiere un área notablemente mayor para ofrecer las mismas características que un equivalente basado en silicio tipo N, posiblemente sea más adecuado no usar el de tipo P aún a costa de mayor complejidad en el circuito. Como veremos, aparte del sustancial ahorro en área de silicio hay otros fenómenos derivados de las grandes áreas como capacidad parásita y velocidad de recombinación que afectan a las prestaciones dinámicas del dispositivo.
Generación e inyección externa de portadores.En un semiconductor existe equilibrio eléctrico y termodinámico, es decir su carga neta es nula porque aunque exista generación térmica de portadores, lo que se forma son pares electrón-hueco, que se compensan eléctricamente y energéticamente. Igualmente, en semiconductores extrínsecos, existe equilibrio eléctrico, con la diferencia de que se requiere una menor energía para romper ese equilibrio eléctrico. El equilibrio termodinámico implica que aunque térmicamente se produzca la ruptura de los enleces covalentes y el electrón salte a la banda de conducción (generación de un portador), también se producirá una recombinación, es decir, algún electrón de las capas de conducción quedará atrapado en un enlace covalente. La generación requiere energía y la recombinación la cede y el equilibrio termodinámico implica este equilibrio energético. Por esto, si no se producen variaciones externas (comunicación o cesión de energía), el equilibrio y el número de portadores se mantienen estables. En los semiconductores extrínsecos el equilibrio termodinámico marca que, como el número total de portadores será fijo y el número de portadores mayoritarios será fijo y dependiente del dopado, el número de portadores minoritarios lo marca N(min)=Ni^2/N(may), donde Ni es el número de portadores impuesto por el equilibrio termodinámico. Se producirá una recombinación de los portadores minoritarios y una considerable reducción en su número, mientras que como el número de portadores mayoritarios es tan alto en comparación con los minoritarios, no se verá reducido apreciablemente, porque si de cada millón se recombina uno no afectará notablemente a la cifra final. Esto tiene una gran importancia para comprender la velocidad en los transistores. La recombinación es un proceso que requiere energía y la recombinación de portadores minoritarios se ve dificultada ya que su número es escaso. Sin embargo, cuando se aplica energía (campo eléctrico, calor, luz...) esta situación de equilibrio se altera, deja de existir equilibrio termodinámico y no se cumple que el producto del número de portadores sea igual a lo que marca la condición de equilibrio termodinámico. Habrá más o menos, dependiendo de si se produce inyección (más) o extracción (menos).
Las condiciones anteriores pueden alterar el equilibrio termodinámico pero no alteran el eléctrico, cada par electrón-hueco tiene una resultante neutra. Sin embargo existe otro tipo de perturbación que puede alterar el equilibrio eléctrico, y es producir un campo eléctrico. En un semiconductor extrínseco se requiere poca energía para arrancar un electrón (tipo N) o recombinarlo (tipo P), y esta movilidad hará que en presencia de un campo eléctrico las cargas se desplacen y se redistribuyan por el semiconductor siguiendo el campo eléctrico. Se puede llegar incluso a una situación denominada capa de inversión, donde la concentración (por la inyección que produce el campo eléctrico) de portadores minoritarios es tan alta, y la extracción de mayoritarios por parte del campo eléctrico es también tan alta, que la concentración de minoritarios supera a la de mayoritarios, pasándo los minoritarios a ser mayoritarios. Esto tiene una gran importancia en el transistor de efecto de campo. CorrientesEn un estado de equilibrio un semiconductor no tiene carga neta, existen portadores libres, pero éstos se compensan unos a otros. Sin embargo, cuando se rompe el equilibrio, por ejemplo por la aplicación de un campo magnético externo se producirá una redistribución de las cargas, donde los eletrones tenderán a moverse en el sentido contrario del campo y los huecos siguiendo el sentido del campo. Lógicamente esta reubicación será proporcional al número de portadores y será más evidente en semiconductors extrínsecos, que poseen más portadores móviles, y estará dominada por los portadores mayoritarios. Aumentando el campo se puede llegar a un extremo en el que en un lado se acumulan tantos portadores mayoritarios que en el otro los minoritarios pasarán a ser mayoritarios, símplemente por la "desaparición" de los mayoritarios. Esta zona con predominio de portadores opuestos a los mayoritarios se denomina capa de inversión, y tiene una gran importancia en el funcionamiento de los transistores MOSFET. A la corriente que genera la reubicación de los portadores se la denomina corriente de deriva. Pero también puede suceder que en un mismo cristal se encuentren concentraciones de portadores desiguales, y entonces surgirán corrientes de portadores de las zonas donde están en exceso a las zonas donde están en menor concentración. A esta reubicación se la denomina corriente de difusión. Estas corrientes están asociadas a los dos tipos de portadores, no a uno sólo. Uniones P-NHemos descrito los semiconductores tipo N y tipo P, sus características de conducción, los portadores, qué sucede con la temperatura, con la luz, con la movilidad, etc y hasta ahora no parecía servir de nada. En realidad si que había tres aplicaciones, pero que no suelen usar silicio ni germanio como base, sino otros semiconductores más adecuados a cada tarea. Son:
Pero las posibilidades de los semiconductores van mucho más allá, y esto permite que mediante campos eléctricos o mediante inyección de portadores varíe la conductividad del material, violando la ley de Ohm. Lo más básico es la unión P-N, donde a una parte del cristal se le introducen impurezas de tipo P y a otra parte se le introducen impurezas de tipo N. En un principio pensaríamos que como son semiconductores extrísecos se debería formar un conductor, pero no es esto lo que ocurre.
Cuando los electrones del lado N abandonan su átomo se producirá un aumento de carga positiva, dado que el protón del átomo no ve compensada su carga con otro electrón. En el lado P pasará lo mismo, cuando los huecos abandonen sus átomos de origen se producirá una carga negativa.
Pero este comportamiento se puede variar mediante campos o voltajes externos. Lo veremos en el siguiente apartado.
Pero existiendo un campo eléctrico y un potencial que produce esa situación de equilibrio seguramente podrá alterarse por la acción de otro campo eléctrico. Podemos producir ese campo eléctrico de manera externa aplicando un voltaje (potencial). Polarización directa.Cuando se aplica un voltaje positivo en el ánodo (parte P) y el voltaje negativo en el cátodo (parte N) se produce una inyección de portadores, huecos en la parte P y electrones en la parte N. Se produce también una disminución de la barrera de potencial por la acción del volaje externo que la contrarresta.
Los huecos sufren un proceso similar, son portadores libres en el lado P, tienden hacia la unión donde se recombinan y sufren una difusión hacia las zonas deficitarias de huecos de la parte N. El potencial externo hace que los portadores minoritarios (electrones en el lado P y huecos en el lado N) que ya han atravesado la capa de deplexión abandonen el diodo hacia su respectivo electrodo en la fuente de tensión (electrones desde el lado P al ánodo(+) y huecos desde el lado N al cátodo (-). Dejan sitio así para que entren nuevos electrones por el lado N y nuevos huecos por el lado P.
Polarización inversa.En este tipo de polarización se aplica un voltaje en sentido inverso, en el que el voltaje positivo se aplica al cátodo (parte N) y el voltaje positivo se aplica al el ánodo (parte P).
No habrá más movimiento de cargas que el que corresponde a la redistribución causada por el campo aplicado. Es decir, no habrá circulación de carga y no habrá corriente. Sin embargo el potencial creado por los iones de la capa de deplexión produce un campo eléctrico, y a su vez este campo produce una corriente de deriva que hace que los portadores minoritarios (recordamos que se generan térmicamente) de cada lado atraviesen la capa de deplexión y lleguen a las regiones donde son mayoritarios. Esta corriente, como depende de los portadores minoritarios será muy débil y prácticamente independiente de la tensión aplicada. En cambio si que será muy dependiende de la temperatura, ya que ese fenómeno es el que causa el aumento de portadores minoritarios. Y como último punto, se puede producir un fenómeno llamado avalancha. Se produce cuando el campo eléctrico es tan intenso (potencial elevado) que algún electrón en la banda de valencia adquiere energía suficiente como para escapar de los enlaces covalentes de los átomos en la capa de deplexión, hacia la banda de conducción. La energía necesaria es alta, por eso se requiere que el campo eléctrico también lo sea.
Éste fenómeno multiplicativo se denomina multipicación en avalancha y produce un aumento irreversible de la corriente en inversa, destruyendo el diodo, lo que se denomina ruptura de la unión. Capacidad parásita.Existen dos fenómenos que crean un comportamiento capacitivo en los diodos. Uno se basa en que cada vez que varía el voltaje aplicado al diodo se produce una redistribución de cargas semejante a lo que ocurre en un dieléctrico de un condensador. Este comportamiento tiene lugar en polarización directa, pero en inversa resulta despreciable.
Esta es la base teórica del varicap, que es un diodo usado para poder controlar su capacidad controlando su tensión de polarización en inversa. |
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TransistoresUn transistor es un dispositivo con tres terminales (en la inmensa mayoría de los casos), cuya función es controlar el paso de corriente entre dos de sus terminales. Esta corriente sólo podrá ir en una dirección, y el control se realiza desde el tercer terminal, mediante corriente o mediante tensión relativa a otro terminal. Todos los transistores tienen tres modos de operación, que son: corte, lineal y conducción libre.
Los transistores rara vez permiten que la corriente pase en ambos sentidos, habitualmente sólo puede circular en uno. Y es más, aunque se pudiese sería muy difícil de controlar, porque cuando se aplica una tensión de control, se hace entre el terminal de control y uno de los terminales por los que circula la corriente.
El más antiguo, usado y extendido es el transistor bipolar, llamado así porque intervienen ambos tipos de portadores, mayoritarios y minoritarios (electrones y huecos). El uso tan extenso que tienen hace que su disponibilidad sea alta y que su precio sea bajo, a pesar de que los modelos de mayores prestaciones sean difíciles de conseguir, como es habitual. BJT significa bipolar junction transistor.
Aunque no necesariamente el colector y el emisor deben ser únicos, de hecho es habitual fabricar varios y unirlos internamente para mejorar aspectos concretos de cada modelo.
Las capacidades de estos diodos pueden ser pequeñas, del menos de 10pF. En cambio los transistores de potencia requieren diodos grandes y anchos para poder conducir más corriente. Esto implicará que las capacidades serán altas. Aunque los avances tecnológicos han permitido reducir estas capacidades sin degradar otras prestaciones, se pueden tener ente 500 y 2000pF en el diodo base-emisor y la mitad en el base-colector. En los MOSFET e IGBT es ligeramente mayor, del orden de cinco veces más para los mismos parámetros de corriente y voltaje máxima. Esta capacidad será no lineal, por supuesto, ya que depende de las tensiones inversas aplicadas en uniones P-N. Comentamos los modos de operación. Modo activo (lineal).
Decir que el diodo base emisor se polariza en directa es lo mismo que decir que los electrones se generarán en el emisor y tenderán a ir hacia la base (recordamos que el sentido de la corriente es el contrario al sentido del movimiento de los electrones), y que los huecos de la base tenderán a ir hacia el emisor. Se necesitan los dos tipos de portador para la conducción, de ahí el nombre de bipolar. En un principio, la base está hecha de silicio tipo P, con exceso de huecos, y los electrones , que son minoritarios deberían tender a caer en las capas de valencia del silicio con impurezas de tipo P, como sucede en el diodo. Pero lo que sucede es que la mayoría de los electrones van hacia el colector por el menor dopado relativo de la base frente al emisor, y porque son minoritarios en el silicio tipo P, lo que alarga el tiempo de vida de los electrones en la base, o dicho de otra manera: aumenta la dificultad de que los electrones se recombinen en la base; en cambio los huecos tienen mayor facilidad para recombinarse en el emisor. La facilidad de que los electrones circulen hacia el colector se incrementa porque físicamente la base es estrecha, y existe una gran facilidad para que la atraviesen. Características derivadas del uso de portadores minoritarios.
De esta manera, la unión base-colector, que está polarizada en inversa sufre un fenómeno de inyección de protadores semejante a lo que ocurre en un fotodiodo, en el que se inyectan portadores en la capa de deplexión del diodo base-colector, pero que son esecialmente independientes del voltaje de base a colector porque son generados por el diodo base-emisor. Prácticamente la totalidad de los electrones alcanza el colector, salvo los que consiguen recombinarse en la base y salen por ella. Existe un parámetro denominado beta o HFE que marca la proporción entre los que salen por la base y los que salen por el colector, o lo que es lo mismo, la ganancia de corriente. En los transistores de señal es alta, ente 200 y 800, lo que significa que realmente pocos de los electrones que pasan por la base puede salir por ella. Variaciones en el parámetro beta
Efecto Early
modo de corteEn el modo de corte, el diodo base-emisor está despolarizado (Vb-e=0V) o polarizado en inversa, y el diodo base-colector está polarizado en inversa. En el emisor no se generarán portadores libres que causan la corriente descrita antes, y las corrientes que circularán por el diodo base-colector serán se deberán a fugas de superficie y generación térmica de portadores, serán por lo tanto corrientes de valor despreciable (desde 1nA hasta 1uA) )y se comporta prácticamente como un circuito abierto. modo de conducción libre (saturación)En el modo de conducción libre, tanto el diodo base emisor como el diodo base-colector están polarizados en directa, y tendrá lugar dos fenómenos: En el diodo base-emisor se produce una corriente generada por la difusión de electrones del emisor a la base, y de huecos de la base al emisor, donde predomina la primera, difusión de electrones a la base, ya que el emisor está más dopado que la base. Es el mismo caso que tiene lugar en el diodo base-emisor en el modo activo. En el diodo base-colector, que también está polarizado en directa, se genera una corriente por la difusión de electrones del colector a la base y de huecos de la base al colector. Como la base posee un dopado mayor que la habitual capa epitaxial N-, predomina la inyección de huecos de la base al colector. Como la base es muy estrecha y los electrones tienen dificultad para recombinarse en ella, los flujos de electrones del emisor llegan al colector, y viceversa, los electrones generados por el colector alcanzan al emisor. En resumen, existen dos corrientes en sentido opuesto, una del emisor al colector y otra de la colector al emisor, de las cuales alcanza un valor mayor la corriente de electrones del colector al emisor (o de huecos y corriente eléctrica del emisor al colector), por lo que se cumple que la proporción entre la corriente de colector y de base es menor que en el modo de operación activo.
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El transistor mosfet es más nuevo y actualmente su uso está completamente extendido en aplicaciones digitales y de potencia, ya que sus características permiten un manejo más cómodo del terminal de control y otros beneficios en cuanto a velocidad de conmutación y sobre todo consumo. A pesar de ello, las familias lógicas más rápidas (ECL) usan bipolares especiales, a precios prohibitivos. La distribución de los modelos de potencia aumenta con el apogeo de las aplicaciones de conmutación, hasta hace unos años eran difíciles de encontrar y aún así los modelos de tipo P son algo difíciles de conseguir en tiendas. En baja potencia la disponibilidad es menor.
Este campo eléctrico se produce entre dos terminales, llamados puerta (gate,g) y sustrato (bulk). El canal tiene dos terminales, denominados fuente (source, s) y drenador (drain, d), y entre en ellos se produce la conducción de corriente. Y se acerca más a la idea original de Shockley sobre los "triodos de estado sólido", aunque acabase descubriendo el transistor bipolar. Características que impone la puerta.
En este tipo de mosfet, cuando la tensión de control es nula se produce conducción, y para entrar en estado de corte se debe hacer que la puerta repela a los portadores del canal, aplicando un campo eléctrico dirigido desde el sustrato hasta la puerta (canal N y viceversa para el P). Características derivadas del uso de portadores mayoritarios.
Este voltaje se denomina voltaje de estrangulamiento, o voltaje de pinch-off, porque es el voltaje por debajo del cual no hay capa de inversión en el canal y por lo tanto no hay conducción. Sin embargo hemos visto que variando la geometría del canal se podrían hacer que estas tensiones variasen en un amplio rango, de hecho las lógicas digitales lo usan y es una caracterísitca muy útil en circuitos integrados. En comparación con los bipolares y a pesar de que el uso del terminal de control sea más sencillo por no absorber corriente, el control de la corriente requiere variaciones mayores en la tensión de control. Por ejemplo para ciertos BJTs de señal bastaría con 0,1V para producir cambios de 100mA, mientras que en modelos de potencia, voltaje y corriente semejante sería necesario aplicar un cambio de 1 voltio. A esta característica se la denomina transconductancia. Ahora pasaremos a comentar las características de cada modo de funcionamiento. Modo lineal (saturación).
Efecto Early
Modo de corteEn el estado de corte no hay campo eléctrico entre puerta y sustrato (bulk), por lo que no habrá capa de inversión y tampoco habrá portadores libres. El canal de tipo P y el drenador, de tipo N forman un diodo que habitualmente está polarizado en inversa, impidiendo así la conducción. Modo de conducción libre: (zona Óhmica)En este estado el campo puerta-sustrato atrae a más portadores de los que son necesarios para la conducción de la corriente que circula, comportándose así como una resistencia controlada por tensión (triodo). Y por último, señalar que normalmente en los mosfet se conecta el sustrato (bulk) a la fuente, haciendo así más sencillo el control, pero imposibilitando controlar la tensión de estrangulamiento. El MOSFET de potencia.Esta configuración que hemos visto corresponde a los mosfet de baja potencia, a los mosfet denominados laterales. Pero los mosfet de potencia emplean otras configuraciones más eficientes, son los D-MOS, V-MOS, Trech-MOS, ... y se basan en una difusión vertical en lugar de difusión planar.
Existen un fenómeno parásito, que además es de gran importancia para comprender el fenómeno del latching en los IGBT, que es el transistor NPN parásito. Podemos ver su emisor en la fuente, su base en el canal de silicio tipo P y su colector en la capa N epitaxial. Genera inconvenientes dinámicos como limitar la máxima variación de la tensión drenador-fuente. Cuando se produce una gran variación de tensión Vd-s la capacidad parásita entre N-epi y el canal P puede disparar el transistor creando un estado de conducción, aunque la tensión de puerta esté por debajo de la tensión de estrangulamiento. Este fenómeno de entrada en conducción también se puede generar por un mecanismo diferente, basado en la realimentación que produce a alta frecuencia la capacidad parásita Cgd, la carga comunicada puede elevar la tensión Vgs si la resistencia conectada a la puerta es alta, y si Vgs supera Vt (voltaje de estrangulamiento) entrará en conducción. |
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El transistor IGBT es relativamente nuevo, los primeros modelos datan del año 80, pero sólo se extendieron notablemente a partir del año 95, coincidiendo con el apogeo de las aplicaciones de conmutación, y cuando los fabricantes pusieron a disposición del público modelos más fiables y baratos. Generación de un PNP dentro de un N-MOSFET.
Ventajas sobre los MOSFET verticalesLas ventajas sobre los mosfet consisten en que ahora se puede modular la conductividad de la capa N que correspondía al drenador, por la inyección de portadores de la nueva capa P. Esto permite que la densidad de corriente de un IGBT sea levemente mayor del doble de lo que se obtiene con un mosfet. El área de silicio es uno de los elementos más caros de la electrónica y supone una ventaja muy importante. En general estos dispositivos se comportan como los mosfet aunque tengan algunas diferencias. Son dispositivos controlados por tensión, no por corriente. Su alta impedancia de entrada a frecuencias de audio hace que tampoco necesiten drivers ni corriente para funcionar en zona lineal. Manejan potencia con gran facilidad. El coeficiente térmico es en general levemente positivo y además es casi nulo, aunque este punto se comentará más en detalle. Sin embargo, esta gran capacidad de conducir corriente hace que no existan más que modelos de potencia y además, teniendo en cuenta que los huecos, portadores mayoritarios en el silicio tipo P tienen una baja movilidad en comparación con los electrones, hacen que aumente notablemente las pérdidas, por lo que se estima que es preferible recurrir sólo a dispositivos de tipo N, aún a costa de que el circuito excitador sea más complejo. En resumen, sólo existen dispositivos tipo N de potencia. Otra ventaja sobre los mosfet, e incluso sobre los bipolares es que la transconductancia del mosfet driver se debe multiplicar por la ganancia en corriente del PNP, lo que da unas cifras de transconductancia total muy altas, pudiendo alcanzarse 100 S. Esto significaría que para producir una variación de la corriente de un Amperio habría que variar la tensión de control 10mV. La transconductancia es la facultad de que una variación en la tensión de control se convierta en una variación de corriente. La siguiente es que es posible obtener bajas pérdidas para dispositivos de alto voltaje.
La transconductancia, que es la facultad de que una variación en la tensión de control se convierta en una variación en corriente también se ve afectada, porque también es necesario reducir el tamaño del canal de silicio tipo P y el tamaño de las fuentes. Todo esto deriva en una mayor resistencia en el modo de conducción libre, y para altas corrientes el mayor efecto resistivo es el que produce las pérdidas. Sin embargo, en un IGBT las pérdidas no son tan claramente relativas a la corriente, sino que se deben a un voltaje fijo, como sucede en los transistores BJT. Además, las pérdidas de un mosfet aumentan con la temperatura, ya que son puramente resistivas. En un IGBT, que se basa en la presencia de portadores minoritarios (recordamos que su concentración depende enormemente de la temperatura), el fenómeno es diferente. Lo único que sufre la mayor resistencia por la temperatura es la corriente de base, generada por el mosfet, mientras que la ganancia en corriente del PNP aumenta, habitualmente a un ritmo mayor. Aún así los modelos comerciales suelen tener un coeficiente térmico próximo a cero. El problema de la cola.
Latching
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