Explicación

2.1 El transistor BJT

El transistor de unión bipolar o BJT por sus siglas en inglés (Bipolar Junction Transistor) está compuesto por una unión tipo pnp o npn. El segundo tipo será explicado en base a la figura 1, antes de continuar con la explicación, es necesario mencionar que estos componentes tienen una relación donde el elemento n de la izquierda tiene aproximadamente 100 veces más impurezas que el elemento p, este a su vez tiene 100 veces más que el elemento n de la derecha. Teniendo esto en mente, observa que en el lado de unión pn se va a tener que el lado p va a ser más pequeño que el lado n porque se tienen más "huecos" en una menor área, esto crea un campo. Lo mismo sucede en el lado de unión np, donde se ocupa un área mayor del lado derecho y se crea un campo eléctrico en sentido contrario.

Ahora, al formar un circuito como el de la figura 2 observa que al conectar la fuente Vbb circula corriente como sucede con un diodo, pero si también se tiene la fuente Vcc conectada se va a crear un campo en inversa en el lado pn, por lo que una vez que pasen a la base los electrones, el campo en inversa va a impulsar los electrones hacia el colector, es necesario notar que la corriente que circule a través de B es menor que la que circula por C pues son pocos los electrones que pasan por ahí. Con esta razón de corriente se observa la ganancia de corriente:

De manera que si Ib=1A e Ic=120A se tendría una ganancia de 120. Un valor común es alrededor de 100.

Fuente: Micheloud, O y Vicini, R. (2012). Smart grid: fundamentos, tecnologías y aplicaciones. México: Cengage Learning

Ahora, al dejar B en un circuito abierto dejan de pasar electrones y campo vuelve a aumentar. A pesar de eso quedan pocos electrones que continúan fluyendo hasta que algunos se quedan en los huecos de p, por lo que el corte de corriente no ocurre de manera instantánea.

A poco menos de 200°C los enlaces de los electrones se "vuelven locos" y el transistor deja de funcionar correctamente, esto se conoce como el efecto de juntura donde se desbandan los cuatro electrones de silicio. Esto puede resolverse aumentando el área para distribuir el campo, además de incluir disipadores externos. Aumentar el tamaño de p para disipar el calor hace más posible que los electrones puedan caer en un hoyo, por lo que se pierde el equilibrio y llegan a la base, lo que provoca que la ganancia disminuya a valores comunes de 10, lo que lo limita en usos de potencia.

Para resolver este asunto se utiliza una configuración llamada Darlington donde el emisor de un transistor se conecta en la base de otro y se unen los colectores. De esta manera las ganancias se multiplican, pudiendo tener valores más aceptables.

El caso del transistor pnp no es tan utilizado porque por cada 10 huecos hay uno que puede tener electrones, de esta manera para que un transistor pnp tenga la misma capacidad de un npn debe ser de un tamaño muy grande.

Para que deje de circular corriente por el colector hay que variar la fuente Vbb, de tal manera que aumente el campo eléctrico entre emisor y base, lo que hace que empiece a disminuir la corriente Ic que también aumenta el campo eléctrico entre base y colector.

Esta conmutación puede observarse en las gráficas de la figura 3, durante la conmutación de saturación y corte se tienen picos excesivos de potencia, los cuales en frecuencias altas se traducirán en calentamiento del transistor, aun y que los transitorios tienen una duración de nanosegundos.

Para disminuir el tiempo que tarda la corriente en dejar de pasar, se podría lograr poniendo una fuente en sentido inverso ya que forzaría a aumentar el campo más rápidamente. De la misma manera, al aumentar el valor del voltaje Vbb se puede lograr un menor tiempo de encendido.

Una opción viable para disminuir el tiempo de encendido se observa en la figura 4, donde se pone un capacitor en serie con la resistencia de base, de esta manera, al conectar la fuente, el capacitor demandará una corriente muy alta que cerrará más rápido la conducción.

Existe un fenómeno llamado saturación profunda que sucede cuando el voltaje entre colector y emisor es cero y que la unión bc se polariza en directa, este problema puede ser solucionado por la misma estructura Darlington, anteriormente se usaba una estructura con diodos en la base y colector que mantenían un voltaje colector emisor.

2.2 El transistor MOS

Posterior al BJT se desarrolló un transistor cuyo diagrama se presenta en la figura 5. El proceso de este componente se basa en que para hacer un material tipo p es necesario agregar impurezas de 3 electrones de valencia, sin embargo es casi imposible lograr que solo queden elementos de este tipo, por lo que puede tener también de 5 electrones y viceversa.

Ahora bien, la estructura principal está formada por un material p, al cual se le agrega una parte metálica en la parte superior aislado por un óxido, además de incorporar dos partes de n en cada lado. Si se coloca la fuente de la derecha se creará una diferencia de potencial, el cual hará que los electrones libres que se mencionaron previamente se desplacen a la parte de arriba. Si después agregas la fuente entre los elementos n los electrones podrían circular a través de esta libremente. Al abrir la fuente de la derecha rápidamente se pierde el campo y los electrones se dispersan nuevamente por lo que deja de circular corriente por la fuente entre los N+.

Es importante resaltar que este tiempo es menor que los transistores bipolares.

Comúnmente la parte p y la n de la izquierda se unen y son llamados fuente, la parte metálica es llamada compuerta y el elemento n es llamado drenaje, de esta manera se representa el símbolo conocido actualmente. Este transistor es conocido como MOS ya que incluye metal, oxido y semiconductor, también es conocido como MOSFET por sus siglas en inglés (Metal-oxide-semiconductor Field-effect),al incluir la característica del Efecto de Campo, la estructura usada para esta explicación describe el tipo n, también existen tipo p pero su uso en la industria es más limitado.

Una desventaja que cabe resaltar es que en altos voltajes el BJT tiene una resistencia óhmica más baja cuando no circula corriente que un MOS, por lo que el BJT siguió prevaleciendo en esos niveles.

2.3 El IGBT

Usando como referencia estos dos componentes y por las ventajas que presentan, pudo desarrollarse un elemento conocido como IGBT por sus siglas en inglés (Isolated Gate Bipolar Transistor) o Transistor Bipolar de Compuerta Aislada, el cual se observa en la figura 6. Este puede ser representado a grandes rasgos como la unión de estos dos, donde la fuente del MOS está conectada al emisor del BJT y el drenaje con el emisor, así el IGBT podrá ser "activado" para conducción a través de un voltaje entre la compuerta y el emisor.

Las principales ventajas que presenta este nuevo componente, es que el transistor MOS podrá proporcionar la corriente que demandan los BJT en potencia (baja ganancia que presentan en estos niveles), mientras que el este último soportará los voltajes altos de la parte de potencia.

Como se observó anteriormente, el BJT era alimentado con una corriente en la base mientras en el MOS solo era necesario una fuente de voltaje, de esta manera el IGBT solo necesita una alimentación de voltaje sin importar la corriente que pueda proveer.

Estas ventajas han hecho muy atractivo el uso de este elemento en aplicaciones de potencia relativamente alta, como control de motores industriales y convertidores utilizados en fuentes renovables.