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PAC- Performance-centered Adaptive Curriculum for Employment Needs Programa ERASMUS: Acción Multilateral - 517742-LLP-1-2011-1-BG-ERASMUS-ECUE

MASTER DEGREE: Industrial Systems Engineering

ASIGNATURA ISE3:

ELECTRÓNICA DE LOS SISTEMAS INDUSTRIALES

MÓDULO 1: Principios básicos de circuitos integrados MOS y Bipolar y

módulos multichip

TAREA 1-2: CIRCUITOS INTEGRADOS CON BIPOLARES

Electrónica de los Sistemas Industriales

CIRCUITOS INTEGRADOS BIPOLAR

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Contenido TAREA 1-2: CIRCUITOS INTEGRADOS CON BIPOLARES ................................................................................3

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS (Formato Título 2)...............................................................................3

2. CONTENIDO (Formato Título 2) ........................................................................................................................3

2.1 El Transistor de Unión Bipolar ..................................................................................................................3

2.2 Fabricación de Circuitos Integrados Bipolares ............................................................................ 10

2.3 Elementos y aplicaciones de los Circuitos Integrados Bipolares ......................... 14

3. CONCLUSIONES ......................................................................................................................................................... 21

4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS ................................................................................................................... 21

5. ENLACES DE INTERÉS ............................................................................................................................................ 21

Índice de figuras Figura 1: Sección de un Transistor Bipolar (NPN) ....................................................................................... 15 Figura 2: Característica idealizada de una transistor bipolar .................................................................5 Figura 3: Relaciones entre corrientes en un Transistor PNP ..................................................................6 Figura 4: Característica de entrada del transistor bipolar ........................................................................8 Figura 5: Característica de salida del transistor bipolar ............................................................................8 Figura 6: Representación de un transistor NPN ...............................................................................................9 Figura 7: Representación de un transistor PNP ............................................................................................. 10 Figura 8: Esquema de fabricación de un transistor NPN .................................................... 11 Figura 9: Aislamiento de diodo ................................................................................................................................. 12 Figura 10: Estructura ISOPLANAR con aislamiento combinado .......................................................... 13 _Toc359361999Figura 11: Sección de un CI Bipolar con transistor NPN y PNP .............. 15 Figura 12: Transistor Schotky ..................................................................................................................................... 15 Figura 13: Características V-I en Unión Schottky vs Unión PN estándar ................................... 16 Figura 14: Condensador y Resistencia en un CI Bipolar ........................................................................ 16 Figura 15: Circuito equivalente resistencia de difusión en capa P ................................................. 17 Figura 16: Condensador basado en unión PN ............................................................................................... 18 Figura 17: Cálculo de la capacidad en un condensador de unión ................................................ 18 Figura 18: Circuito equivalente en condensador de unión ................................................................... 19 Figura 19: Condensador MOS ..................................................................................................................................... 19 Figura 20: Circuito equivalente de Condensador MOS ............................................................................. 20 Figura 21: esquemas de transistor como diodo integrado ................................................................... 20



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TAREA 1-2: CIRCUITOS INTEGRADOS BIPOLARES

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS Vamos a mostrar la estructura y funcionamiento de los transistores de unión BIPOLAR. También indagaremos sobre las técnicas de construcción de los circuitos integrados con transistores de unión bipolar y los distintos elementos que incorporan.

El objetivo es comprender las características y modos de funcionamiento del transistor de unión bipolar junto con la versatilidad que ofrecen sus circuitos integrados para incorporar distintos elementos eléctricos y dar funcionalidad al conjunto, de tal manera que conozcamos sus ventajas y desventajas en las distintas aplicaciones, de electrónica digital y sobre todo de electrónica analógica, para los sistemas industriales.

2. CONTENIDO

2.1 El transistor de Unión Bipolar

El transistor de unión Bipolar (siglas BJT “Bipolar Junction Transistor”)

es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en tres regiones semiconductoras dopadas separadas por dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de corriente entre sus terminales. La corriente que fluye por una unión afecta a la corriente que fluye en la otra unión, por lo que este transistor sirve tanto como interruptor como amplificador. La denominación bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores mayoritarios de dos polaridades, huecos positivos y electrones negativos. Así podemos tener transistores NPN y PNP.

Cada región del transistor está conectada a uno de los tres terminales

del dispositivo (ver figura 1):



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Figura 1: Sección de un Transistor Bipolar (NPN)

• Emisor (E): Área fuertemente dopada, que se comporta como un metal.

Este terminal funciona como emisor de portadores de carga. • Base (B): Capa intermedia que separa Emisor y Colector, con portadores

mayoritarios opuestos a sus capas vecinas. Es un semiconductor ligeramente dopado y de alta resistividad.

• Colector (C): Área de semiconductor ligeramente dopado que rodea la

base, por lo que tiene la mayor extensión de las tres zonas, de tal manera que “colecta” la gran mayoría de los portadores que saltan del emisor a la base. (la relación entre corriente de emisor y colector se acerca a la unidad y conseguimos una gran amplificación de corriente de base a corriente de emisor)

El funcionamiento del transistor bipolar es no lineal, poseyendo tres zonas

de operación: corte, activa y saturación. Estas zonas se pueden observar en la característica idealizada de la figura 2. En esta figura podemos identificar la zona activa en las regiones de pendiente cuasi nula de las curvas rojas, donde la corriente de colector depende casi exclusivamente de la corriente de base, en una relación lineal que se observa en la curva verde. Esta zona activa es utilizada en electrónica analógica. También podemos identificar la zona de saturación con la curva roja inclinada, mientras que la zona de corte sería la zona de corriente de base nula (curva azul vertical) y corriente de colector nula (origen de coordenadas). Tanto la zona de saturación como la de corte se utilizan en electrónica digital.



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Figura 2: Característica idealizada de un transistor bipolar

Región Activa Directa

En este modo la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la unión base-colector en inversa. Los portadores de carga mayoritarios del emisor son atraídos por el campo eléctrico entre base y emisor y al pasar a la base se convierten en portadores minoritarios. Debido a que la base es muy angosta y está menos dopada hay poca recombinación con sus portadores mayoritarios, se difunden y consiguen llegar a la unión PN entre base y colector, polarizada en inversa, donde son arrastrados por el campo eléctrico de la zona de deplexión. También hay una pequeña componente de corriente de base que consiste en portadores mayoritarios de la base que cruzan la unión con el emisor y portadores minoritarios que se recombinan en la base. Esta corriente suele ser de un 1% de la corriente de colector en un transistor típico. Así pues casi toda la corriente que cruza la unión PN entre base y emisor es aportada por el colector.

En la región activa pequeños cambios de tensión entre base y emisor provocan cambios significativos en la corriente entre emisor y colector. Este efecto se utiliza para amplificar la tensión o corriente de entrada. Aunque estos circuitos pueden ser diseñados como fuente de corriente controlada por tensión, en realidad son una fuente de corriente controlada por corriente, debido a la baja impedancia de entrada de la base. Así la corriente colector-emisor puede ser vista como controlada por la corriente base-emisor o por la tensión base-emisor, debido a la relación tensión-corriente de la unión base-emisor, que no es más que la curva exponencial tensión-corriente de un diodo (ver curva azul en figura 2). A cada valor de corriente de base le corresponderá una de las curvas características tensión-intensidad entre colector y emisor (ver zona de suave pendiente en las curvas rojas de la figura 2). En esta región activa, mientras que la tensión entre colector y emisor sea mayor de unos 0.2 voltios la corriente de colector es



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independiente de la tensión entre colector y emisor. Esto se debe a que el número de portadores mayoritarios que entran en el colector se debe al grado de polarización directa de la unión entre base y emisor, pero es independiente del grado de polarización inversa en la unión base-colector.

En diseños de circuitos analógicos se utiliza el control de corriente debido a que es aproximadamente lineal (ver curva azul en figura 2). La amplificación entre corriente de colector y corriente de base se especifica por el parámetro Beta (ganancia de corriente en emisor común) que suele tener valores superiores a 100. Algunos circuitos pueden ser diseñados asumiendo que la tensión base-emisor es aproximadamente constante y que la corriente de colector es beta veces el de la base. De todas formas el cálculo del comportamiento exacto del transistor BJT requiere el uso de modelos más precisos como el de Ebers-Moll. Otro parámetro es la ganancia de corriente en base común (alfa), que es la ganancia de corriente desde emisor a colector en la región activa directa, y oscila entre 0.98 y 0.998. En la figura 3 podemos ver estas relaciones.

Figura 3: Relaciones entre corrientes en un Transistor PNP

Hay que tener en cuenta para algunas aplicaciones que el

comportamiento del transistor no es ideal, existen efectos de segundo orden. Uno de ellos es la modulación de la anchura de la base. Consiste en que la característica tensión-intensidad entre base y emisor no es constante y depende de la tensión entre colector y emisor. A medida que aumenta esta tensión se extiende la zona de deplexión hacia la base y los portadores no han de difundirse tan lejos antes de verse impulsados hacia el colector. Así se reduce la recombinación en la base y por tanto la corriente de base se reduce. Si nos fijamos en las curvas características tensión-intensidad entre colector y emisor vemos que no son horizontales (ver curvas rojas en figura 2), hay una ligera pendiente hacia arriba al aumentar la tensión, efecto producido también por la modulación en la anchura de la base.

Otro efecto de segundo orden es la ruptura de colector. Consiste en que cuando la tensión entre colector y emisor se aproxima al valor de ruptura, la corriente de colector aumenta exponencialmente. Esto se debe en primer lugar a la ruptura por avalancha, producida por un campo eléctrico tan fuerte en la zona de deplexión colector-base que los electrones libres pueden romper enlaces covalentes al colisionar con la retícula cristalina. También se



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puede producir porque la modulación de la anchura de la base continúe hasta que la zona de deplexión llegue hasta la unión con el emisor, por lo que se incrementa la polarización directa de la unión del emisor. Este fenómeno se denomina avalancha secundaria. Estas corrientes pueden destruir el dispositivo por sobrecalentamiento.

También tenemos el efecto de la corriente de fugas. En la característica

tensión-intensidad entre base y emisor, aunque la tensión sea nula existe una corriente de base negativa, que es la corriente inversa de fugas de la unión del colector, siendo nula en el emisor. También puede haber una corriente de colector significativa para una corriente de base nula, que se amplificará por acción del transistor. Esta corriente es relativamente pequeña para temperatura ambiente, pero se puede volver significativa para temperaturas mayores. Región activa inversa

En este caso se invierten las tensiones de polarización de las tres zonas del transistor de tal manera que se intercambian los roles de colector y emisor. La unión base-emisor esta polarizada en inversa mientras que la unión base-colector está polarizada en directa. A diferencia de otros transistores no es usualmente un dispositivo simétrico. Como la estructura interna del transistor está optimizada para trabajar en modo directo, los parámetros alfa y beta son mucho menores que en modo directo, siendo el efecto de la corriente de base más significativo. La principal causa de asimetría se debe a la diferencia de dopaje entre emisor y colector. Como el colector está ligeramente dopado se puede aplicar una alta tensión inversa en la unión base-colector (polarizada en inversa en operación normal) sin llegar a su ruptura. La razón por la cuál el emisor está altamente dopado es para aumentar la eficiencia de inyección de portadores de carga del emisor y mejorar la amplificación de corriente. Además la base debe ser ligeramente dopada para que sus portadores mayoritarios crucen la unión PN en menor medida que los del emisor. Por esta razón el índice de desempeño de los transistores bipolares combinados con tecnología MOS es menor ya que se producen simétricamente y no hay diferencias entre modo activo e inverso. Región de corte

En esta región ambas uniones PN están polarizadas en inversa. Así la corriente de base se anula, y por tanto también las corrientes de colector y emisor. Esto se debe a que la tensión base-emisor no es suficiente para vencer la barrera de potencial de la zona de deplexión de la unión base-emisor. De esta manera la tensión entre colector y emisor será la tensión de



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alimentación del circuito, comportándose la unión colector-emisor como un circuito abierto. Esta tensión se utiliza como nivel lógico alto en circuitos lógicos conmutadores. Región de Saturación

En esta región las dos uniones PN están polarizadas en directa, y esto ocurre cuando la tensión base emisor está sobre 0.6 Voltios mientras que la tensión colector-base está sobre 0.2 Voltios, por debajo de la tensión umbral de saturación. Tanto la corriente de colector como la de emisor alcanzan su intensidad máxima que solo depende de la recta de carga del circuito de polarización externo, ya que en la región de saturación las curvas características están prácticamente juntas (ver curvas rojas en figura 2). Así la relación entre corriente de base y corriente de colector deja de ser lineal, y depende del circuito de polarización de salida del transistor, siendo la corriente de colector menor que la que le correspondería con el parámetro de amplificación Beta en la región activa. Al ser la tensión entre colector y emisor próxima a cero el transistor se comporta como una resistencia de baja impedancia, por lo que se puede asimilar a un cortocircuito. Esta tensión se utiliza como nivel lógico bajo en circuitos lógicos conmutadores. Podemos ver las tres regiones de funcionamiento en las figuras 4 y 5.

Figura 4: Característica de entrada del transistor bipolar

Figura 5: Característica de salida del transistor bipolar



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El transistor NPN

El transistor NPN se utiliza más que el PNP debido a que la mayor movilidad de los electrones respecto a los huecos permite mayores corrientes y velocidades de operación. Podemos ver su símbolo en la figura 6 donde la flecha indica el sentido de la corriente (tomando como referencia las cargas positivas) cuando está funcionando en modo activo directo

Figura 6: Representación de un transistor NPN

El funcionamiento de un transistor NPN se puede asimilar a dos diodos

con su ánodo compartido. Al aplicar tensión positiva entre base y emisor, el equilibrio entre los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repelente del área de deplexión se desbalancea (polarización directa), permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse en la región de la base. Estos electrones pasan por la base desde la región de alta concentración cercana al emisor hasta la región de baja concentración cercana al colector. Como son portadores minoritarios (la base es material P) tienen tendencia a recombinarse con los huecos mayoritarios, así que la base debe ser estrecha para que el tiempo de tránsito sea menor a la vida útil de los electrones en este material tipo P, o lo que es lo mismo, que el ancho de la base sea menor al ancho de difusión de los electrones con la unión en conducción. El transistor PNP

En este transistor el emisor y colector son de tipo P mientras que la base es de tipo N. En este transistor la mayor parte de la corriente producida en el emisor es debido a los huecos, que son los sus portadores mayoritarios. Debido a la menor movilidad de los huecos respecto a los electrones sus prestaciones son menores que los NPN y se utilizan poco.

En este caso para polarizar la unión base-emisor en directa aplicaremos mayor tensión en el emisor que en la base. De hecho la configuración de polarización de un PNP suele ser con el emisor conectado a una fuente de tensión con una carga externa y el colector conectado a masa.



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El transistor PNP se representa como en la figura 7, donde la flecha

indica la circulación de la corriente (tomando como referencia las cargas positivas) en modo activo directo.

Figura 7: Representación de un transistor PNP

2.2 Fabricación de Circuitos Integrados Bipolares La fabricación del CI Bipolar lleva los siguientes pasos (ver figura 11): 1. Formación de una capa oculta dopada N+ (con alto grado de dopaje) sobre un sustrato de Silicio tipo Р. 2. Crecimiento de una fina capa epitaxial de silicio tipo N. 3. Formación áreas de aisladas tipo N con difusión profunda de canales tipo P para separar lateralmente los elementos presentes en la capa epitaxial. 4. Formación de áreas P para: base del NPN (por difusión), resistencias o contactos de resistencias, emisores y colectores de transistores РNР (inyección lateral). Implantación iónica para resistencias de alta impedancia. 5. Formación de áreas N+ como emisor del NPN, bases de transistores PNP y placa de condensadores de transición. 6. Formación de las aberturas para la unión con los contactos de las distintas entradas y salidas del dispositivo. 7. Aplicación de una capa conductora de aluminio. 8. Formación de conexiones y contactos de segundo nivel. 9. Pasivación: sellado de la capa metálica superior mediante una capa de óxido de silicio dopado con fósforo.



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Figura 8: Esquema de fabricación de un transistor NPN

Los transistores PNP se pueden fabricar a costa de operaciones de

difusión adicionales o bien con la técnica de inyección lateral. Con esta técnica evitamos operaciones adicionales pero conseguimos unas amplificaciones más pequeñas y una frecuencia de corte inferior.

Técnicas de fabricación y producción de los circuitos integrados

Todos los elementos del CI semiconductor son elaborados de forma conjunta, en un proceso tecnológico común, dentro del volumen de un mono-cristal semiconductor. Están conectados eléctricamente entre ellos por un substrato semiconductor común. Con el fin de garantizar el correcto funcionamiento del circuito, es necesario crear un aislamiento eléctrico suficiente entre los elementos. La calidad, la producción de CIs, la expansión de sus capacidades funcionales y el incremento del grado de integración, todos ellos dependen de los métodos de aislamiento. Se lleva a cabo creando áreas en el mono-cristal semiconductor, aisladas del resto del material formando “isletas”. Los métodos para conseguirlo se dividen en tres grupos:

• Aislamiento de diodo • Aislamiento dieléctrico • Aislamiento combinado

Aislamiento de diodo

Es el método más popular. Se basa en el empleo de uniones P-N polarizadas inversamente (aislamiento de diodo) entre las isletas. De esta manera se forman áreas N separadas por canales con portadores de carga opuestos.



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Figura 9: Aislamiento de diodo

Podemos observar en la Figura 9 como se sitúan dos diodos entre dos

áreas N que están conectados con sus ánodos enfrentados entre ellos. Si el potencial más negativo del circuito se dirige hacia la zona de ánodo común entonces tendremos diodos polarizados inversamente entre las dos áreas, cuya alta resistencia (unos pocos M Ohms) prácticamente impedirá el flujo de corriente entre las dos áreas.

La ventaja de este método está en su simplicidad tecnológica y el logro

de altos rendimientos, ya que usamos operaciones tecnológicas estándar añadiendo la difusión de los canales de aislamiento. Por lo tanto es preferido en circuitos bipolares con baja escala de integración. Sin embargo, este método tiene inconvenientes significativos, que limita su aplicación de circuitos con ultra-alta escala de integración. Estos inconvenientes están relacionados con la gran área topológica del chip que ocupan los canales de aislamiento. Esto se debe a las propiedades anisótropas de la difusión mediante la cual se forman estos canales de aislamiento y la penetración de las impurezas de átomos aceptores debajo de la capa de óxido enmascarante. Otras desventajas de este método se deben a la presencia de capacidad parásitas de alto valor nominal en las uniones de aislamiento P-N, corrientes de fuga parásitas y la presencia de efectos parasitarios activos (estructuras adversas de transistor y tiristor). Estos efectos adversos están condicionados por la temperatura y la radiación. Además también presenta limitaciones en la polaridad y magnitud de las fuentes de tensión. Aislamiento dieléctrico

En cuanto al aislamiento por dieléctricos tiene algunas ventajas sobre el aislamiento de diodo, como capacidades parásitas dos órdenes de magnitud más pequeñas, corrientes de fuga 6 órdenes de magnitud más pequeñas, excelente rapidez de respuesta, tensiones de ruptura incrementadas y buena resistencia a la radiación. Pero también introduce algunas limitaciones como una implementación más compleja, mayor consumo de recursos, altos costes y mala disipación de calor.



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Aislamiento combinado

Los métodos de aislamiento combinado (en los cuales se combinan las

ventajas de los aislamientos de diodo y dieléctricos) han encontrado su aplicación en los circuitos integrados súper-grandes. En este caso el aislamiento dieléctrico lateral entre zonas vecinas de tipo N monocristalinas se combina con aislamiento de uniones P-N entre áreas N y el sustrato. Mediante el uso de canales oxidados implantados por medio del proceso LOCOS, se forma la estructura mostrada en la figura 10. También es conocido como el método ISOPLANAR.

Figura 10: Estructura ISOPLANAR con aislamiento combinado

La producción simultánea de todos los elementos en el circuito dentro del ciclo tecnológico es la principal característica en la producción de CI. El elemento básico del circuito integrado Bipolar (CIB) es el transistor bipolar. El proceso tecnológico está dirigido a optimizar sus parámetros. El resto de los elementos se ajustan a la estructura de las uniones NPN evitando el uso de procesos tecnológicos adicionales.

Durante la síntesis de los CI bipolares el objetivo es que sean creados con el máximo número de transistores NPN posibles. Estos están caracterizados por buenos parámetros eléctricos (coeficiente de amplificación de corriente elevado, buenas tensiones de ruptura, buenas propiedades en frecuencia y respuesta rápida, posibilidad para obtener estructuras con diferentes valores de corriente de colector, reproducibilidad de los parámetros, área de sección comparativamente pequeña).



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2.3 Elementos de los Circuitos Integrados Bipolares y aplicaciones

Los circuitos integrados bipolares son el primer circuito integrado monolítico de la historia. Han ido perdiendo gradualmente su papel protagonista en favor de los Circuitos Integrados MOS, debido básicamente a sus desventajas relacionadas con su baja densidad de integración. Esto se nota sobre todo en los circuitos integrados digitales, donde actualmente tienen escasa presencia (sobre todo en circuitos de respuesta rápida). En la tecnología analógica los CI bipolares todavía conservan una presencia significativa, aunque en los últimos años los CI MOS han marcado también una expansión en este campo. Su uso en los CI analógicos es debido a que la estructura y naturaleza física de los transistores bipolares es más adecuada para el procesamiento de señales analógicas – tienen buenas propiedades de amplificación, están controlados por corriente, pueden operar a elevadas tensiones, tienen poca resistencia, tienen la capacidad de realizar diferentes pasos funcionales en el procesamiento de señales. También se utilizan en dispositivos digitales como TTL y BICMOS (MOS y Bipolares combinados).

Ventajas de los circuitos integrados Bipolares

• Respuesta rápida • Gran amplificación de señales • Aptitud para realizar etapas analógicas y digitales • Disponibilidad de un gran número de elementos activos

Limitaciones de los circuitos integrados Bipolares

• Opciones limitadas de elementos activos compatibles • Limitaciones en los valores nominales de los elementos • Grandes tolerancias en los valores absolutos • Fuerte dependencia de los parámetros con la temperatura • Efectos parásitos y conexiones; resistencias y condensadores distribuidos • Carencia de inductores • Complejidad tecnológica • Prestaciones en frecuencia limitadas • Tasa de disipación térmica limitada • Nivel de integración limitado • Limitaciones en el aislamiento de transición

En los Circuitos Integrales Bipolares se incluyen elementos activos

(transistores N-P-N y P-N-P, diodos, diodos zener, diodos Schottky, transistor de efecto campo), así como componentes pasivos (resistencias y condensadores). De esta manera se pueden implantar numerosas funciones encadenadas por ejemplo para el procesamiento de señales.



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Figura 11: Sección de un CI Bipolar con transistor NPN y PNP

Circuitos TTL

Los circuitos TTL (lógica transistor – transistor) se utilizan para aplicaciones de electrónica digital. Estos circuitos utilizan transistores bipolares como conmutadores saturados. Cuando el transistor está en corte, la carga almacenada en la base (capacidad de transición) evita que pueda conmutar instantáneamente. El resultado es un tiempo de retardo entre la aplicación de tensión en la base y el resultado esperado en el colector. Esto perjudica a los tiempos de propagación en los circuitos TTL. Para mejorar esta característica se utiliza el diodo Schotky.

Figura 12: Transistor Schotky

El diodo Schotky consigue que se acumule poca carga en la base que

se caracteriza por una capacidad de transición muy pequeña y por tanto una constante de tiempo pequeña. Esto lo hace ideal para aplicaciones de alta velocidad de conmutación por su excelente dinámica.

Los transistores de la familia TTL Schottky reducen el tiempo de retardo asegurando que los transistores no se saturen en una operación normal. Esto se consigue colocando un diodo Schottky (figura 12) entre la base y el colector que hará de by-pass para introducir corriente desde la base al colector antes de que se sature el transistor. Los diodos Schottky



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conducen con polarizaciones más bajas que las normales de las uniones PN y no muestran efectos de almacenamiento de carga. La caída de tensión del diodo Schottky en conducción es menor que uno normal, solamente 0.25 Volts (Ver figura 13). Así pues como la caída de tensión entre base y emisor es de 0.6 Volts la tensión entre colector y emisor estará acotada en 0.35 Volts por lo que el transistor no se puede saturar y se reduce la corriente de base y la concentración de electrones en la base, por lo que se reduce también el tiempo de transición.

Figura 13: Características V-I en Unión Schottky vs Unión PN estándar

Otra mejora para acelerar la conmutación es colocar un condensador

de aceleración en paralelo con la resistencia de carga de la base para que el pulso de corriente sea mayor. Elementos Pasivos

Los elementos pasivos se forman sobre la misma capa de silicio epitexial aprovechando los mismos procesos tecnológicos que para los elementos activos, como podemos observar en la figura 14.

Figura 14: Condensador y Resistencia en un CI Bipolar

Resistencias integradas

Las resistencias se fabrican aprovechando la resistividad de un volumen de una de las regiones del transistor. La técnica más utilizada es la de usar



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canales de material tipo P difundido o implantado iónicamente en el transistor bipolar, y aislado del sustrato por una región tipo N (aislamiento de diodo). También es posible usar la capa epitaxial para formar una resistencia, y lo mismo con el canal N+ del emisor. La resistividad del silicio dependerá de la concentración de átomos dopantes.

Estas resistencias fabricadas en el silicio tienen varios inconvenientes: • La gama de valores está limitada por el área del chip • Grandes tolerancias en el valor absoluto de la resistencia por errores

geométricos y variaciones en el perfil. • Hay una frecuencia de corte a partir de la cual la resistencia se vuelve

inutilizable. • No linealidades por saturación de la movilidad de los portadores y

variación del espesor efectivo del canal. • Presencia de capacidades y transistores parásitos (ver figura 15) entre

la zona P (resistencia, que hace de emisor) la zona N (aislamiento, que hace de base) y la zona P (sustrato, que hace de colector). En este caso el colector tiene polarización inversa por estar el sustrato a potencial más negativo, pero es necesario mantener al emisor en polarización inversa para que el transistor parásito esté en corte. Esto se consigue agrupando todas las resistencias en una misma área aislada y conectando toda la región de aislamiento común N al potencial más positivo del circuito.

Figura 15: Circuito equivalente resistencia de difusión en capa P

Hay una variante para aumentar la resistencia que son las resistencias de estricción. Si son resistencias de difusión tipo P, se difunde dentro de esta capa P otra capa N que limita la conducción por la polarización inversa de la unión. Si son epitaxiales tipo N entonces se difunde o implanta un área tipo P que limita también la conducción. Condensadores Integrados

Existen varios tipos: basados en uniones PN, basados en estructura MOS y basados en metalizados multicapa.



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Figura 16: Condensador basado en unión PN

Los basados en uniones PN se fabrican aprovechando la capacitancia de una unión PN con polarización inversa, donde se forma una región de deplexión a ambos lados que deja a los iones dopantes sin compensar eléctricamente al haber repelido a los portadores mayoritarios. Esta zona de deplexión se comporta como un condensador de placas paralelas, cuyo aislante es el silicio, y se extiende más hacia la zona donde la concentración de impurezas es menor (menor resistividad). La separación entre placas correspondería a la anchura de la zona de deplexión, que es proporcional a la tensión aplicada. Esto influye en la capacitancia, como podemos observar en la figura 17, ya que al aumentar la tensión aumentamos la anchura de la zona de deplexión y por tanto separamos las placas exteriores reduciendo la capacitancia. En estos condensadores de unión la capacidad depende de la superficie de la unión y de la concentración de impurezas dopantes.

Figura 17: Cálculo de la capacidad en un condensador de unión

En el circuito equivalente de la figura 18 podemos observar la

capacidad parásita C1 correspondiente a la unión entre la capa epitaxial tipo N y el sustrato. Debemos asegurar que esta unión esté siempre polarizada en inversa (diodo J1). Hay una resistencia correspondiente a la misma capa tipo N.



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Figura 18: Circuito equivalente en condensador de unión

En los condensadores basados en tecnología MOS la placa superior es

una fina película superficial de aluminio mientras que la placa inferior es un área de material N+ fuertemente dopado que se forma durante la difusión o implantación iónica del emisor en un proceso Bipolar o en la formación de las regiones fuente y drenador en procesos MOS. El aislante es una fina capa de Óxido de Silicio. Podemos ver esta configuración en la figura 19. La placa superior también puede ser de polisilicio como la que se usa para las puertas MOS. En ocasiones se utiliza una doble capa de polisilicio separada por una fina capa de óxido de silicio, a este condensador se le llama poly-poly.

Figura 19: Condensador MOS

Los condensadores MOS tienen algunas ventajas respecto a los basados en unión PN, como que la capacidad es independiente de la tensión aplicada, tiene mayor tensión de rotura y mejor factor de pérdidas. Si observamos el circuito equivalente de la figura 20 aparece una capacidad parásita (C1) entre colector y sustrato, además de una resistencia al paso de corriente.



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Figura 20: Circuito equivalente de Condensador MOS

En cuanto al condensador integrado de metalizados multicapa, se basa

en la deposición consecutiva de capas metálicas intercaladas por aislante de óxido de silicio. Este tipo de condensador requiere mayores etapas en el proceso de fabricación.

Diodos

También podemos implantar Diodos dentro de los CIB (figura 21). Los diodos se realizan a partir de una estructura de transistor utilizado como diodo conmutable. El electrodo sobrante queda flotante o es cortocircuitado a uno de los restantes terminales

Figura 21: esquemas de transistor como diodo integrado

Si lo que queremos conseguir son Diodos Zener entonces utilizaremos uniones PN funcionando en ruptura inversa. También se pueden conseguir voltajes múltiplos de 0.7 Voltios encadenando Diodos trabajando en conducción.



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3. CONCLUSIONES Aunque el uso de los transistores de unión bipolar y sus circuitos integrados ha perdido importancia respecto a los de transistores MOS sus buenas cualidades eléctricas para procesar señales analógicas hacen que su uso esté todavía muy extendido para la realización de circuitos analógicos y circuitos mixtos analógico-digitales junto con transistores (BICMOS), así como en electrónica de potencia. En un mismo circuito integrado bipolar se pueden encontrar elementos activos como transistores y diodos así como elementos pasivos (diodos y resistencias), por lo que se pueden integrar muchas funciones de procesamiento de señales analógicas en un solo chip.

4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS [1] Allan R. Hambley. Electrónica. Ed. Pearson Educacion 2001 [2] Yeves Gutiérrez, Fernando; Castro Gil, Manuel Alonso; y Otros. ESTRUCTURA Y TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES I. Ed. UNED

5. ENLACES DE INTERÉS http://www.youtube.com/watch?v=l_EG544soDg http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_union_bipolar http://es.wikipedia.org/wiki/Fabricaci%C3%B3n_de_circuitos_integrados http://www.edutecne.utn.edu.ar/microelectronica/03-FABRICACION%20DE%20TRANSISTORES%20BIPOLARES.pdf http://www.edutecne.utn.edu.ar/microelectronica/05%20RESITENCIAS%20INTEGRADAS.pdf http://www.edutecne.utn.edu.ar/microelectronica/06-CONDENSADORES%20INTEGRADOS.pdf

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http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_union_bipolar

http://es.wikipedia.org/wiki/Fabricaci%C3%B3n_de_circuitos_integrados

http://www.edutecne.utn.edu.ar/microelectronica/03-FABRICACION%20DE%20TRANSISTORES%20BIPOLARES.pdf

http://www.edutecne.utn.edu.ar/microelectronica/03-FABRICACION%20DE%20TRANSISTORES%20BIPOLARES.pdf

http://www.edutecne.utn.edu.ar/microelectronica/05%20RESITENCIAS%20INTEGRADAS.pdf

http://www.edutecne.utn.edu.ar/microelectronica/06-CONDENSADORES%20INTEGRADOS.pdf

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