¿Por qué los transistores usados 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 el SMS? Vea cómo se obtienen transistores para la operación en frecuencias muy altas y cuáles son los problemas enfrentados por el proyectista.
Obs. Artículo de 1989
Todos los lectores saben que los transistores usados en los circuitos de altas frecuencias son diferentes de los usados en la amplificación y generación de señales de audio, bajas frecuencias y corrientes continuas. ¿Por qué? Para entender bien las diferencias, debemos comenzar del principio, o sea, de la propia estructura y funcionamiento de un transistor bipolar.
En la figura 1 mostramos la configuración más común usada 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.
En los proyectos simples, que involucran corrientes continuas o de balas frecuencias, podemos prever una cierta ganancia para esta configuración y el resultado obtenido en la práctica no será muy diferente.
Sin embargo, los transistores no se comportan del mismo modo cuando trabajan con señales de altas frecuencias. La ganancia de un transistor comienza a ser cada vez mas influenciada a medida que la frecuencia aumenta más allá de cierto valor.
En la figura 2 mostramos como la ganancia de un transistor cae cuando Ia frecuencia se eleva, hasta el punto en que el mismo no puede ser usado más para la amplificación.
Como un oscilador exige realimentación y ganancia, sin ganancia el mismo no puede ser usado mas para generar señales.
La electrónica crea cada día dispositivos que pueden trabajar en frecuencias más elevadas, encontrándose ya diversos dispositivos que sobrepasan la barrera de los gigahertz (GHz, 0 sea, 1.000.000 000 Hz.). Componentes que pueden operar com tales frecuencias ya se encuentran en los comercios especializados, aunque no sea fácil conseguirlos.
Mientras tanto, para llegar a este punto, los obstáculos vencidos fueron muchos. Analicémoslos.
Tiempo de tránsito
Si analizamos un transistor a partir de su estructura, como muestra Ia figura 3, vemos que la corriente entre la base y el emisor es la responsable por la corriente principal, entre el colector y el emisor.
Como esta última corriente tiene mayor intensidad que la primera, decimos que el transistor amplifica señales.
Las variaciones de la corriente de base son las 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 en 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 1.60 cm por segundo. Podemos decir que, tanto en el silicio como en el germanio, las velocidades de los portadores negativos de carga (electrones) es casi el doble de la velocidad de los portadores de carga negativa (lagunas).
Supongamos entonces que una señal de alta frecuencia sea aplica da 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 debe ser recorrida, y de la velocidad de los portadores, puede no haber tiempo suficiente para eso.
Lo que puede ocurrir es que durante un ciclo de amplificación de la señal de entrada, puede no haber tiempo suficiente para que la corriente correspondiente fluya entre el colector y el emisor del transistor.
Antes mismo que la corriente, alcance su máximo correspondiente al pico positivo de la señal de entrada, su polaridad puede haberse invertido, cancelando el efecto.
En estas condiciones, el transistor ya no consigue 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 qué la corriente alcance su máximo, es necesario que haya tiempo para cargar estas capacitancias parasitas.
Podemos aumentar la respuesta de frecuencia de un transistor, capacitándolo para operar con señales de frecuencias elevadas con la disminución del espesor de la región que forma la base, pero para esto existen limitaciones.
El problema básico que encontramos inicialmente está justamente en el hecho que los portadores de cargas N y P tienen velocidades diferentes de propagación.
Así, si un transistor tuviera más material P a recorrer que material N, el transistor tiende a ser más lento que su equivalente.
Vea entonces que, si tuviéramos dos transistores con las mismas características generales, pero uno NPN y el otro PNP, el PNP tiende a ser más lento, con una frecuencia limite de operación bastante más baja.
Consultando los manuales podemos tomar como ejemplo transistores bastante conocidos:
Mientras que el BC548 tiene una frecuencia de corte de (fT) 300 MHz, su "equivalente" complementario PNP, el BC558 tienen una frecuencia de corte de "apenas" 150 MHz.
Observe el lector que la gran mayoría de los transistores que se destinan a la operación con señales de RF, principalmente en las frecuencias más elevadas, son NPN y no PNP.
En las figuras 5 y 6 tenemos ilustrados los modos en que ocurren las propagaciones de corriente en los transistores NPN y PNP, para mostrar de qué modo el tránsito es más rápido en un NPN.
Obtención de transistores para frecuencias altas
Las industrias de semiconductores han desarrollado diversas técnicas de fabricación que les permiten obtener transistores con características propias para la operación en frecuencias elevadas.
Estas técnicas tienen por fin disminuir el efecto del tránsito de los portadores de carga, con regiones semiconductoras de dimensiones mínimas y también los efectos de las capacitancias parasitas.
Existen también investigaciones que demuestran que los materiales semiconductores como el arseniuro de galio (Ga As) poseen la capacidad de conducir los portadores de cargasen velocidades hasta 10 veces mayores que el silicio resultando así componentes ultrarrápidos.
Los componentes que usan estos materiales deben estar pronto a disposición de los proyectistas.
Encontramos entonces diversas denominaciones para los transistores comunes (bipolares) que operan en frecuencias elevadas, siempre conectadas a la geometría del cristal semiconductor, su formación y los tipos de impurezas agregadas.
En la figura 7 tenemos las estructuras de algunos tipos principales de transistores.
El primero es del tipo "Alloy' (aleación) que aparece en (a). Este transistor está formado por la difusión de impurezas (indio) en una región semiconductora, obteniéndose así las regiones que corresponden al colector (C) y al emisor (E).
En este tipo de transistor, la región correspondiente a la base, responsable por el tránsito, de los portadores de carga en su mayor parte, puede ser reducida a una dimensión de hasta 0.0005 pulgadas, lo que lleva el componente a una frecuencia máxima de operación de 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 los mismos 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" desarrollado por Philco.
En este transistor, el material semiconductor es de apenas un tipo, siendo los demás elementos metálicos. Con esta técnica, podemos obtener tránsitos menores que llevan a dispositivos capaces de operar en frecuencias de hasta 70 MHz.
El tipo (c) es denominado mesa" y tiene una estructura que permite alcanzar velocidades de operación bastante mayores y también trabajar con potencias mayores.
Las regiones que corresponden a la base y al emisor son formadas sobre una "mesa" de material semiconductor.
EI tipo (d) se denomina "mesa epitaxial". La diferencia en relación al tipo anterior está en la presencia de una capa adicional epitaxial (epitaxial quiere decir de superficie) que es depositada sobre el material básico, formando así la región correspondiente al colector.
El tipo (e) es el "planar-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 (Sio2). Con esta técnica, de un único trozo (waffer) de material básico se pueden fabricar hasta 1 000 transistores de una sola vez.
