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Transistores en RF (ART758S)

¿Por qué los transistores utilizados en los circuitos de altas frecuencias deben ser diferentes de los transistores comunes, usados ??en aplicaciones de audio y bajas frecuencias? ¿Qué impide que un transistor oscile o amplifique señales de frecuencias por encima de ciertos límites? ¿Qué es SMS? Vea en este artículo cómo obtener transistores para operaciones en frecuencias muy altas y cuáles son los problemas enfrentados por el proyectista.

Este artículo es de 1986.

Todos los lectores saben que los transistores utilizados en los circuitos de altas frecuencias son diferentes de los utilizados en la amplificación y generación de señales de audio, bajas frecuencias y corrientes continuas. ¿Por qué?

Para entender bien las diferencias, debemos comenzar desde el principio, o sea, de la propia estructura y funcionamiento de un transistor bipolar.

En la figura 1 mostramos la configuración más común utilizada para un transistor como amplificador que es la configuración de emisor común, donde la señal se aplica entre la base y el emisor, haciendo fluir una corriente proporcionalmente mayor entre el colector y el emisor.

 

Figura 1 - Etapa amplificadora con transistor bipolar común de emisor común. Las variaciones de la corriente de base corresponden a las variaciones de la corriente de colector.
Figura 1 - Etapa amplificadora con transistor bipolar común de emisor común. Las variaciones de la corriente de base corresponden a las variaciones de la corriente de colector.

 

En los proyectos simples, que involucra corrientes continuas o de bajas frecuencias, podemos prever una cierta ganancia para esta configuración y el resultado obtenido en la práctica no va a ser muy diferente.

Sin embargo, los transistores no se comportan de la misma manera cuando trabajan con señales de altas frecuencias.

La ganancia de un transistor comienza a ser cada vez más influenciada a medida que la frecuencia aumenta más allá de cierto valor.

En la figura 2 se muestra cómo la ganancia de un transistor cae cuando la frecuencia se eleva, hasta el punto en que ya no se puede utilizar para la amplificación.

 

Figura 2 - Por encima de cierta frecuencia la ganancia de un transistor cae
Figura 2 - Por encima de cierta frecuencia la ganancia de un transistor cae

 

Como un oscilador requiere realimentación y ganancia, sin ganancia él tampoco se puede utilizar para generar señales.

La electrónica crea cada día dispositivos que pueden trabajar en frecuencias más elevadas, ya que se encuentran diversos dispositivos que sobrepasan la barrera del gigahertz (GHz), es decir, 1.000.000.000 Hz.

Los componentes accesibles que pueden operar en estas frecuencias ya se encuentran con alguna facilidad en el comercio especializado.

Sin embargo, para llegar a este punto, los obstáculos vencidos deben ser muchos. Analicemos.

 

Tiempo de tránsito

Si analizamos un transistor a partir de su estructura, como muestra la figura 3, vemos que la corriente entre la base y el emisor es que se responsabiliza por la corriente principal, entre el colector y el emisor.

 

Figura 3 - Estructura básica de un transistor con la circulación de las corrientes de base y de colector
Figura 3 - Estructura básica de un transistor con la circulación de las corrientes de base y de colector

 

Como esta última corriente tiene mayor intensidad que la primera, decimos que el transistor amplifica señales.

Las variaciones de la corriente de base son que deben comandar, pues, las variaciones de la corriente de colector (configuración de emisor común).

Para los materiales semiconductores más usados ??como el germanio y el silicio, los portadores de carga se mueven a una velocidad que depende de su naturaleza.

En el germanio, por ejemplo, los electrones se mueven a una velocidad del orden de 3.600 cm por segundo, mientras que las lagunas son más lentas, con una velocidad de 1.600 cm por segundo.

Podemos decir que, tanto en el silicio como en el germanio, la velocidad de los portadores negativos de carga (electrones) es casi el doble de la velocidad de los portadores de carga positiva (vacíos).

Supongamos entonces que una señal de alta frecuencia se aplica a la base de un transistor.

En el momento en que la señal "entra" en el circuito (transistor), la corriente de colector para el emisor debe comenzar a fluir.

Los portadores de carga deben atravesar toda la región semiconductora que corresponde al colector, a la base hasta llegar al emisor. Dependiendo de la distancia que se debe recorrer, y de la velocidad de los portadores, puede que no haya suficiente tiempo para ello.

Lo que puede ocurrir es que durante un ciclo de amplificación de la señal de entrada, puede que no haya suficiente tiempo para que la corriente correspondiente fluya entre el colector y el emisor del transistor.

Antes de que la corriente alcance su máximo correspondiente al pico positivo de la señal de entrada, su polaridad ya puede haber invertido, cancelando el efecto.

En estas condiciones, el transistor ya no logra amplificar, pues no hay tiempo para el tránsito de las cargas entre el colector y el emisor.

Influye en este efecto también las capacitancias encontradas entre la base y el emisor, y entre el colector y el emisor.

Antes de que la corriente alcance su máximo, es necesario tener tiempo para cargar estas capacitancias parásitas.

 

Figura 4 - El tiempo de transito insuficiente para que la corriente alcance el máximo
Figura 4 - El tiempo de transito insuficiente para que la corriente alcance el máximo

 

Podemos aumentar la respuesta de frecuencia de un transistor, permitiéndole operar con señales de frecuencias elevadas con la disminución del espesor de la región que forma la base, pero para ello existen limitaciones.

El problema básico que encontramos inicialmente está justamente en el hecho de que los portadores de cargas N y P tienen velocidades diferentes de propagación.

Así, si un transistor tiene más material P a recorrer que material N, el transistor tiende a ser más lento que su equivalente.

Por lo tanto, si tenemos dos transistores con las mismas características generales, pero un NPN y otro PNP, el PNP tiende a ser más lento, con una frecuencia límite de operación mucho más baja.

Consultando los manuales podemos tomar como ejemplo transistores bastante conocidos:

Mientras que el BC548 tiene una frecuencia de corte (fT) de 300 MHz, su "equivalente" complementario PNP, el BC558 tiene una frecuencia de corte de "sólo" 150 MHz!

Observe al lector que la gran mayoría de los transistores que se destinan a la operación con señales de RF, principalmente de frecuencias más altas, son NPN y no PNP!

En las figuras 5 y 6 hemos ilustrado los modos como ocurren las propagaciones de corrientes en los transistores NPN y PNP, para mostrar de qué modo el tránsito es más rápido en un NPN.

 

Figura 5 - Portadores mayoritarios y minoritarios en un transistor NPN
Figura 5 - Portadores mayoritarios y minoritarios en un transistor NPN

 

 

Figura 6 - Portadores mayoritarios y minoritarios en un transistor PNP
Figura 6 - Portadores mayoritarios y minoritarios en un transistor PNP

 

Obtención de transistores para altas frecuencias

Diversas son las técnicas de fabricación desarrolladas por las industrias de semiconductores que permiten obtener transistores con características propias para operación en frecuencias elevadas.

Estas técnicas apuntan a disminuir el efecto del tránsito de los portadores de carga, con regiones semiconductoras de dimensiones mínimas y también los efectos de las capacitancias parásitas.

También existen investigaciones que demuestran que los materiales semiconductores como el arseneto de galio (GaAs) poseen la capacidad de conducir a los portadores de cargas a velocidades hasta 10 veces mayores que el silicio resultando así en componentes ultra rápidos.

Los componentes que utilizan estos materiales pronto deben estar a disposición de los diseñadores.

El artículo es de 1986. Hoy estos transistores ya se pueden encontrar en muchas aplicaciones.

En el caso de los transistores comunes (bipolares) que operan en frecuencias elevadas, siempre ligadas a la geometría del cristal semiconductor, a su formación ya los tipos de impurezas agregadas.

En la figura 7 tenemos las estructuras de algunos tipos principales de transistores.

 

Figura 7 - Estructuras de transistores de RF
Figura 7 - Estructuras de transistores de RF

 

El primer transistor es del tipo "Alloy" (Iiga) mostrado en (a). Este transistor está formado por la difusión de impurezas (indio) en una región semiconductora, obteniéndose así las regiones que corresponden al coIetor (C) y al emisor () E).

En este tipo de transistores, la región correspondiente a la base, responsable del tránsito de los portadores de carga en su mayor parte, puede reducirse a una dimensión de hasta 0,0005 pulgadas, lo que lleva al componente a una frecuencia máxima de operación alrededor de 10 MHz.

Esta técnica, por otro lado, no permite obtener precisión en las características del transistor, de modo que en un lote de ellos podemos encontrar grandes variaciones de ganancia, entre otras.

El tipo (b) que mostramos en la misma figura es el que corresponde a la llamada "barrera superficial" desarrollada por Philco.

En este transistor, el material semiconductor es de sólo un tipo, siendo los demás elementos metálicos.

Con esta técnica, se pueden obtener tránsitos menores que llevan a dispositivos capaces de operar en frecuencias de hasta 70 MHz.

El tipo (c) se denomina "mesa" y tiene una estructura que permite alcanzar velocidades de operación mucho mayores y también trabajar con potencias mayores.

Las regiones que corresponden a la base y al emisor se forman sobre una mesa de material semiconductor.

El tipo (d) se denomina "mesa-epitaxial". La diferencia en relación al tipo anterior está en presencia de una capa adicional epitaxial que se deposita sobre el material básico, formando así la región correspondiente al colector.

El tipo (e) es el "plan-epitaxial".

En este transistor, las regiones correspondientes a la base y al emisor no quedan salientes, siendo "niveladas" en relación al colector por una capa de óxido pasivador (Si02).

Con esta técnica, de un solo pedazo (oble) de material básico se pueden fabricar hasta 1000 transistores a la vez.

 

SMS

Las investigaciones realizadas en diversos laboratorios como CNET de Francia, el NTT de Japón y BELL en los Estados Unidos, visan el desarrollo de un nuevo transistor con capacidad de operación en las frecuencias, superando límites hasta entonces no alcanzados por componentes convencionales.

(Recordamos que el artículo es de 1986 - muchas tecnologías hoy en día se utilizan en transistores de muy alta frecuencia en la banda de los gigahertz)

El SMS (Semiconductor-metal-semiconductor) o aún popularmente llamado "transistor de electrones calientes" (§) tiene en lugar de base convencional de material semiconductor una fina película de metal que puede alcanzar el espesor de 0,02 micrones.

En el silicio, una laguna tiene una velocidad de 40 metros por segundo, aproximadamente, en las mejores condiciones, lo que significa que tarda 2,5 us para recorrer 0,1 mm, en un transistor SMS los electrones saltan por la región metálica, prácticamente "por fuera", como muestra la figura 8, en un tiempo de tránsito del orden de 1 triiionésimo de segundo!

 

Figura 8 - El SMS
Figura 8 - El SMS

 

Es evidente que no se pueden tener electrones "calientes" pues la definición de temperatura de un cuerpo se aplica a la presencia de materia, o sea de una estructura formada por átomos.

El grado de agitación de estas partículas es que nos permite definir la temperatura y por lo tanto decir si el cuerpo es caliente o no.

Para los electrones, si bien tienen masa, la definición de temperatura y, por lo tanto, la asignación de la característica "caliente" no se aplica.

Esto permite obtener, para estos nuevos componentes, frecuencias de operación que llegan fácilmente a los 3 GHz (30 000 000 000 Hz!).

La técnica que lleva a estos componentes, en realidad, no es nueva, habiendo citas ya en los años 60, como por ejemplo la que habla del PNIP, un transistor creado por la Bell en 1954, cuia estructura se muestra en la figura 9, y el Drift Transistores, citado ya en 1959.

 

Figura 9 - El transistor PNIP
Figura 9 - El transistor PNIP

 

En la práctica, las dificultades para industrializar un dispositivo de este tipo, son de la obtención de metales con las características deseadas.

Se debe utilizar una aleación de Cobalto y Silicio (CoSi2) con una pureza increíble.

La parte semiconductora debe ser desarrollada sobre el metal en un vacío de los más perfectos con presiones increíblemente bajas, del orden de 10-9 torr, lo que todavía está lejos de ser logrado con facilidad.

Esto significa que estos transistores todavía no deben estar a disposición de los experimentadores y proyectistas. Deben todavía pasar algunos años, para que experiencias en la banda de los Gigahertz se vuelvan tan populares como hoy son los montajes hoy en la banda de los Megaertz.

 

Conclusión

Incluso las reducidas dimensiones de un transistor común todavía son un obstáculo para su operación en frecuencias elevadas.

Los fabricantes buscan desarrollar nuevas técnicas de fabricación o incluso nuevos dispositivos buscando tránsitos cada vez menores con la elaboración de regiones semiconductoras de dimensiones ultra reducidas, o la utilización de materiales con tránsitos más rápidos como el Arseneto de Galio.

Pero, incluso estos desarrollos tienen un límite, debiendo ser estudiadas nuevas estructuras que huyan completamente del tradicional agrupamiento de 3 materiales semiconductores alternados como el transistor bipolar, como todos nosotros siempre estudiamos.

Los dispositivos inéditos deben, sin duda, formar parte de la electrónica de alta frecuencia del futuro, y parece que eso no es mucho Ionge.

 

 

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