Los transistores se han convertido en un componente esencial de la electrónica moderna, y un mundo sin ellos es inimaginable. En este tutorial, aprenderá sobre la clasificación de los transistores y sus diferentes tipos. Aprenderá sobre los transistores basados en BJT (NPN y PNP), JFET (canales N y canales P), MOSFET (refuerzo y agotamiento) y aplicaciones (señal pequeña, conmutación de alta velocidad, potencia, etc.).
Tabla de contenido
Introducción
Un transistor es un dispositivo semiconductor que se utiliza para amplificar una señal o actuar como un interruptor controlado eléctricamente. Un transistor es un dispositivo de tres terminales, y una pequeña corriente/voltaje en un terminal (o cable) controla el gran flujo de corriente entre los otros dos terminales (cables).
Durante mucho tiempo, los tubos de vacío fueron reemplazados por transistores porque los transistores tenían más ventajas sobre los tubos de vacío. Los transistores son de tamaño pequeño, requieren poca energía para funcionar y tienen una baja pérdida de potencia. Los transistores son uno de los componentes activos importantes (dispositivos que pueden producir señales de salida de mayor potencia que la señal de entrada).
Los transistores son componentes esenciales de casi todos los circuitos electrónicos, como amplificadores, conmutación, osciladores, reguladores de voltaje, fuentes de alimentación y, lo que es más importante, circuitos integrados lógicos digitales.
Desde el momento en que se inventaron los primeros transistores hasta la actualidad, los transistores se clasifican en diferentes tipos en función de su estructura u funcionamiento. El siguiente diagrama de árbol ilustra la clasificación básica de los diferentes tipos de transistores.
Diagrama de árbol de transistores
La clasificación de los transistores se puede entender fácilmente observando el diagrama de árbol anterior. Los transistores se clasifican básicamente en dos tipos: Existen los transistores de unión bipolar (BJT) y los transistores de efecto de campo (FET). Los BJT se clasifican nuevamente en transistores NPN y PNP. Los transistores FET se clasifican en JFET y MOSFET.
Los transistores FET de unión se clasifican además en JFET de canal N y JFET de canal P en función de su configuración. Los MOSFET se clasifican en modo de agotamiento y modo de refuerzo. Una vez más, los transistores de modo de agotamiento y refuerzo se clasifican en canal N y canal P respectivamente.
Tipos de transistores
Como se mencionó anteriormente, en mayor medida, las principales familias de transistores son BJT y FET. Independientemente de la familia a la que pertenezcan, todos los transistores tienen una disposición adecuada/específica de diferentes materiales semiconductores. Los materiales semiconductores comúnmente utilizados en la fabricación de transistores son el silicio, el germanio y el galio-arsénico.
Básicamente, los transistores se clasifican según su estructura. Cada tipo de transistor tiene sus propias características, ventajas y desventajas.
Física y estructuralmente, la diferencia entre un BJT y un TJE es que en un BJT, tanto un portador de carga mayoritario como unos pocos deben operar, mientras que en los TJE, solo se requiere un portador de carga mayoritario.
Dependiendo de sus características y características, algunos transistores se utilizan principalmente con fines de conmutación (MOSFET) y otros con fines de amplificación (BJT). Algunos transistores están diseñados para fines de amplificación y conmutación.
Transistores de unión
Los transistores de unión se conocen comúnmente como transistores de unión bipolar (BJT). El término “bipolar” significa que tanto los electrones como los huecos son necesarios para conducir una corriente eléctrica, y el término “unión” significa que se trata de una unión PN (en realidad dos uniones).
BJT tiene tres terminales: Emisor (E), Base (B) y Colector (C). Los transistores BJT se clasifican en transistores NPN y PNP en función de su estructura.
Un BJT es básicamente un dispositivo de control de corriente. Si una pequeña cantidad de corriente fluye a través de la base, el uso de un transistor BJT dará como resultado una gran corriente que fluye desde el emisor hasta el colector. Los transistores de unión bipolar tienen una baja impedancia de entrada y una gran corriente fluye a través del transistor.
Los transistores de unión bipolar solo se encienden con la corriente de entrada dada a los terminales base. BJT puede operar en tres regiones: Ellos fueron:
- Zona de corte: donde el transistor está en estado ‘OFF’, es decir, la corriente que fluye a través del transistor es cero. Es básicamente un interruptor abierto.
- Área activa: Aquí, el transistor actúa como un amplificador.
- Zona de saturación: Aquí el transistor está completamente ‘ON’ y también funciona como un interruptor cerrado.
Transistores NPN
NPN es uno de los dos tipos de transistor de unión bipolar (BJT). Los transistores NPN consisten en dos materiales semiconductores de tipo n, separados por una capa delgada de semiconductores de tipo p. Aquí, el portador de carga mayoritaria es el electrón y el agujero es el portador de carga minoritario. El flujo de electrones desde el emisor hasta el colector está controlado por el flujo de corriente en los terminales de base.
Cuando una pequeña cantidad de corriente fluye a través de los terminales de la base, una gran cantidad de corriente fluye desde el emisor hasta el colector. Los transistores bipolares que se utilizan más comúnmente hoy en día son los transistores NPN porque la movilidad de los electrones es mayor que la de los huecos. La ecuación estándar para la corriente que fluye en un transistor es la siguiente:
Soy yoE = IB + YoC
Los símbolos y la estructura de los transistores NPN son los siguientes:
Transistores PNP
PNP es otro tipo de transistor de unión bipolar (BJT). Los transistores PNP contienen dos materiales semiconductores de tipo p, separados por una fina capa de semiconductores de tipo n. La portadora de carga mayoritaria en los transistores PNP son los agujeros, mientras que la primera es la portadora de carga minoritaria. Las flechas en los terminales emisores del transistor indican el flujo de corriente existente. En los transistores PNP, la corriente fluye desde el emisor hasta el colector.
Los transistores PNP se encienden cuando el terminal base se coloca en LOW para el emisor. Los símbolos y la estructura de los transistores PNP son los siguientes:
FET (transistores de efecto de campo)
Los transistores de efecto de campo (FET) son otro tipo importante de transistor. Por defecto, el FET también tiene 3 terminales, como el BJT. Los tres terminales son la puerta (G), el desagüe (D) y la fuente (S). Los transistores de efecto de campo se clasifican en transistores de efecto de campo de unión (JFET) y transistores de efecto de campo de puerta aislada (IG-FET) o transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico (MOSFET).
Para la conexión del circuito, también consideramos el cuarto terminal, llamado Base o Sustrato. El FET controla el tamaño y la forma del canal entre la fuente y el drenaje, que se produce por el voltaje aplicado en la compuerta.
Un transistor de efecto de campo es un dispositivo unipolar porque solo requiere la mayoría de los portadores de carga para funcionar (a diferencia de un BJT, que es un transistor bipolar).
JFET (transistores de efecto de campo de unión)
Los transistores de efecto de campo de unión (JFET) son el tipo más antiguo y simple de transistor de efecto de campo. Los JFET se utilizan como interruptores, amplificadores y resistencias. Estos transistores son dispositivos de control de voltaje. No se requiere corriente de polarización.
El voltaje aplicado entre la puerta y la fuente controla el flujo de corriente entre la fuente y el drenaje del transistor. Los transistores JFET están disponibles en los tipos de canal N y P.
JFET de canal N
En los JFET de canal N, el flujo de corriente se debe a los electrones. Cuando se aplica voltaje entre la puerta y la fuente, se forma un canal entre la fuente y el drenaje para el flujo de corriente. Este canal se denomina canal N. Hoy en día, los JFET de canal N son preferibles a los JFET de canal P. tipo. Los símbolos de los transistores JFET de canal N son los siguientes:
JFET de canal P
En este tipo de JFET, el flujo de corriente se debe al orificio. El canal entre la fuente y el desagüe se denomina canal P. Los símbolos de los JFET de canal P son los siguientes: Aquí, la marca de flecha indica la dirección del flujo actual.
MOSFET
Los transistores de efecto de campo (MOSFET) semiconductores de óxido metálico son el tipo más utilizado y utilizado de todos los transistores. El nombre “óxido metálico” se refiere al hecho de que el área de la compuerta y el canal están separados por una fina capa de óxido metálico (generalmente SiO2).
Por lo tanto, los MOSFET también se denominan FET de compuerta aislados porque el área de la compuerta está completamente aislada de la región de drenaje de la fuente. Existen terminales adicionales conocidos como sustratos o cuerpos, que son los principales semiconductores (silicio) a partir de los cuales se fabrican los FET. Por lo tanto, los MOSFET tienen cuatro terminales: un drenaje, una fuente, una puerta y un cuerpo o placa.
Los MOSFET tienen muchas ventajas sobre los BJT y los JFET, principalmente porque ofrecen una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida. Se utiliza en circuitos de conmutación y potencia y es un componente importante de la tecnología de diseño de circuitos integrados.
Los transistores MOSFET están disponibles en tipos agotados y endurecidos. Además, los tipos de agotamiento y refuerzo se clasifican en tipos de canal N y canal P.
MOSFET de canal N
Los MOSFET que tienen un área de canal N entre la fuente y el drenaje se denominan MOSFET de canal N. Aquí, los terminales de la fuente y de la puerta están excesivamente dopados con materiales de tipo n ubicados en el material semiconductor dopado de tipo p (sustrato).
El flujo de corriente entre la fuente y el drenaje se debe a los electrones. El voltaje de la puerta controla el flujo de corriente en el circuito. Los MOSFET de canal N son los más utilizados que los MOSFET de canal P porque la movilidad de los electrones es mayor que la de los huecos.
Los símbolos y la estructura del transistor MOSFET de canal N son los siguientes (tanto en modo de mejora como de agotamiento):
MOSFET de canal P
Los MOSFET que tienen un área de canal P entre la fuente y el drenaje se denominan MOSFET de canal P. Aquí, la fuente y los terminales de drenaje están fuertemente dopados con una sustancia de tipo P, y el sustrato está dopado con una sustancia de tipo N. El flujo de corriente entre la fuente y el desagüe se debe a la concentración de agujeros. El voltaje aplicado a la compuerta controla el flujo de corriente a través del área del canal.
Los símbolos y la estructura de los transistores MOSFET de canal P son los siguientes (tanto en modo de mejora como de agotamiento):
Transistores basados en funciones
Los transistores también se clasifican según la función que realizan (operación o aplicación). A continuación se describen los diferentes tipos de transistores según su función.
Transistores de señal pequeña
La función básica de los transistores de señal pequeña es amplificar señales pequeñas, pero a veces estos transistores también se utilizan con fines de conmutación. Los transistores de señal pequeña están disponibles en el mercado en forma de transistores NPN y PNP. Por lo general, podemos ver una pequeña señal que indica el hFE del transistor y el valor impreso en el cuerpo del transistor.
A partir de este valor hFE, se puede entender la capacidad del transistor para amplificar la señal. Los valores de hFE generalmente disponibles oscilan entre 10 y 500. El valor de corriente del colector de este transistor oscila entre 80 y 600 mA. Este tipo de transistor opera en el rango de frecuencia de 1-300 MHz. El propio nombre del transistor indica que estos transistores amplifican pequeñas señales que utilizan pequeños voltajes y corrientes, como corrientes de unos pocos milivoltios y miliamperios.
Los transistores de señal pequeña se utilizan en casi todos los tipos de equipos electrónicos, y estos transistores se utilizan en muchas aplicaciones, algunas de las cuales son interruptores de encendido o apagado de uso general, controladores de diodos LED, controladores de relés, funciones de silenciamiento de audio, circuitos de temporizador, amplificadores de diodos infrarrojos, circuitos de suministro de polarización, etc.
Transistores de conmutación en miniatura
Los transistores de conmutación en miniatura son transistores que se utilizan principalmente para conmutación, pero a veces también para amplificación. Al igual que los transistores de señal pequeña, los transistores de conmutación en miniatura también vienen en forma de NPN y PNP, y estos tipos de transistores también tienen valores hFE.
Los valores de hFE de estos transistores oscilan entre 10 y 200. Con un valor hFE de 200, el transistor no es un buen amplificador, pero actúa como un mejor interruptor. Los valores de corriente del colector oscilan entre 10 y 1000 mA. Estos transistores se utilizan principalmente en aplicaciones de conmutación.
Transistores de potencia
Los transistores utilizados en amplificadores y fuentes de alimentación de alta potencia se denominan transistores de potencia. Los terminales colectores de estos transistores están conectados a la base del dispositivo metálico, y esta estructura actúa como un disipador de calor para extraer el exceso de energía para la aplicación.
Estos tipos de transistores vienen en forma de transistores NPN, PNP y Darlington. Aquí, los valores de corriente del colector oscilan entre 1 y 100 A. La frecuencia de funcionamiento oscila entre 1 MHz y 100 MHz. El valor de potencia de estos transistores oscila entre 10 W y 300 W. El nombre del transistor en sí indica que el transistor de potencia se utiliza en aplicaciones que requieren alta potencia, alto voltaje y alta corriente.
Transistores de alta frecuencia
Los transistores de alta frecuencia se utilizan para señales pequeñas que funcionan a altas frecuencias y se utilizan en aplicaciones de conmutación de alta velocidad. Los transistores de alta frecuencia también se conocen como transistores de RF.
El valor máximo de frecuencia de este transistor es de aproximadamente 2000 MHz. Corriente del colector (IC) oscilan entre 10 y 600 mA. Este tipo de transistor también está disponible en forma de NPN y PNP. Estos se utilizan principalmente para aplicaciones en señales de alta frecuencia, y estos transistores solo necesitan estar encendidos o apagados a altas velocidades. Estos transistores se utilizan en osciladores y circuitos amplificadores HF, VHF, UHF, CATV y MATV.
Fototransistores
Los fototransistores son transistores que actúan sobre la luz, es decir, transistores sensibles a la luz. Un fototransistor simple no es más que un transistor bipolar que contiene una región sensible a la luz en lugar de un terminal base.
Los fototransistores tienen solo tres terminales en lugar de dos terminales (BJT). Si el área sensible a la luz es oscura, no fluirá corriente a través del transistor (por ejemplo, el transistor está apagado).
Cuando el área fotosensible se expone a la luz, se genera una pequeña cantidad de corriente en los terminales de la base, lo que hace que fluya una gran corriente desde el colector hasta el emisor. Los fototransistores están disponibles en los tipos de transistores BJT y FET. Estos se llaman foto-BJT y foto-FET.
A diferencia de los BJT fotovoltaicos, los fotoFET utilizan la luz para controlar el flujo de corriente entre los terminales de drenaje y fuente para generar un voltaje de puerta. Los foto-FET son más sensibles a la luz que los foto-BJT. Los símbolos para photo-BJT y photo-FET se muestran arriba.
Transistores de unión simple (UJT)
Los transistores de unión única (UJT) solo se utilizan como interruptores controlados eléctricamente. Estos transistores no contienen características de amplificación debido a su diseño. Por lo general, se trata de tres transistores de plomo, donde dos se denominan terminales base y el tercero se denomina emisor.
Ahora echemos un vistazo al funcionamiento de los transistores monojunta. Si no hay diferencia de potencial entre el emisor y uno de los terminales base (B1 o B2), una pequeña cantidad de corriente fluye entre B1 y B2.
Cuando se aplica una cantidad suficiente de voltaje a los terminales del emisor, se genera una corriente alta en los terminales del emisor y se agrega una pequeña corriente entre B1 y B2, lo que da como resultado un tran.Una gran corriente fluye a través del gistor.
Aquí, la corriente del emisor es la fuente de corriente principal para controlar la corriente total del transistor. Dado que la corriente entre los terminales B1 y B2 es muy pequeña, estos transistores no son adecuados para fines de amplificación.