Fugas (electrónica)

En electrónica , la fuga es la transferencia gradual de energía eléctrica a través de un límite que normalmente se considera aislante , como la descarga espontánea de un condensador cargado , el acoplamiento magnético de un transformador con otros componentes o el flujo de corriente a través de un transistor en estado "apagado" o un diodo polarizado inversamente .

La pérdida gradual de energía de un condensador cargado se debe principalmente a los dispositivos electrónicos conectados a él, como transistores o diodos, que conducen una pequeña cantidad de corriente incluso cuando están apagados. Aunque esta corriente de apagado es un orden de magnitud menor que la corriente que circula por el dispositivo cuando está encendido, sigue descargando lentamente el condensador. Otro factor que contribuye a la fuga de un condensador es la imperfección no deseada de algunos materiales dieléctricos utilizados en los condensadores, también conocida como fuga dieléctrica . Esto se produce cuando el material dieléctrico no es un aislante perfecto y tiene cierta conductividad distinta de cero, lo que permite que fluya una corriente de fuga que descarga lentamente el condensador. ^{[ 1 ]}

Otro tipo de fuga se produce cuando la corriente se escapa del circuito previsto y fluye por una ruta alternativa. Este tipo de fuga es indeseable porque la corriente que fluye por la ruta alternativa puede causar daños, incendios, ruido de radiofrecuencia o electrocución. ^{[ 2 ]} Este tipo de fuga se puede medir observando que el flujo de corriente en un punto del circuito no coincide con el flujo en otro. Una fuga en un sistema de alta tensión puede ser fatal para una persona que entre en contacto con ella, como cuando alguien conecta accidentalmente a tierra una línea eléctrica de alta tensión. ^{[ 3 ]}

Las fugas también pueden significar una transferencia de energía no deseada de un circuito a otro. Por ejemplo, las líneas de flujo magnético no estarán completamente confinadas dentro del núcleo de un transformador de potencia ; otro circuito puede acoplarse al transformador y recibir parte de la energía fugada a la frecuencia de la red eléctrica, lo que provocará un zumbido audible en una aplicación de audio. ^{[ 4 ]}

La corriente de fuga es cualquier corriente que fluye cuando la corriente ideal es cero. Este es el caso de los conjuntos electrónicos cuando están en modo de espera, desactivados o en modo de suspensión ( consumo en espera ). Estos dispositivos pueden consumir uno o dos microamperios en estado de reposo, en comparación con cientos o miles de miliamperios durante su funcionamiento normal. Estas corrientes de fuga se están convirtiendo en un factor importante para los fabricantes de dispositivos portátiles debido a su efecto negativo en la duración de la batería para el consumidor. ^{[ 5 ]}

Cuando se utilizan filtros de red en los circuitos de alimentación de un conjunto eléctrico o electrónico, por ejemplo, un variador de frecuencia o un convertidor de potencia CA/CC, las corrientes de fuga fluyen a través de los condensadores en configuración "Y" conectados entre los conductores de fase y neutro al conductor de puesta a tierra. La corriente que fluye a través de estos condensadores se debe a su impedancia a las frecuencias de la red eléctrica. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Generalmente, se considera aceptable cierta cantidad de corriente de fuga; sin embargo, una corriente de fuga excesiva, superior a 30 mA, puede suponer un riesgo para los usuarios del equipo. En algunas aplicaciones, por ejemplo, en dispositivos médicos con contacto con el paciente, la cantidad aceptable de corriente de fuga puede ser bastante baja, inferior a 10 µA.

En los dispositivos semiconductores , la fuga es un fenómeno cuántico en el que los portadores de carga móviles (electrones o huecos ) atraviesan por efecto túnel una región aislante. La fuga aumenta exponencialmente a medida que disminuye el grosor de la región aislante. La fuga por efecto túnel también puede ocurrir a través de las uniones de semiconductores entre semiconductores de tipo P y tipo N fuertemente dopados . Además del efecto túnel a través del aislante de puerta o las uniones, los portadores también pueden filtrarse entre los terminales de fuente y drenaje de un transistor de óxido metálico semiconductor (MOS) . Esto se denomina conducción subumbral . La principal fuente de fuga se produce dentro de los transistores , pero los electrones también pueden filtrarse entre las interconexiones. La fuga aumenta el consumo de energía y, si es suficientemente grande, puede provocar una falla completa del circuito.

Actualmente, las fugas de corriente son uno de los principales factores que limitan el aumento del rendimiento de los procesadores informáticos. Los esfuerzos para minimizarlas incluyen el uso de silicio tensionado , dieléctricos de alta constante dieléctrica (κ) y/o mayores niveles de dopaje en el semiconductor. La reducción de fugas para continuar con la ley de Moore requerirá no solo nuevas soluciones de materiales, sino también un diseño de sistema adecuado.

Ciertos tipos de defectos de fabricación de semiconductores se manifiestan como un aumento de las fugas de corriente. Por lo tanto, la medición de fugas, o prueba Iddq , es un método rápido y económico para detectar chips defectuosos.

El aumento de las fugas es un modo de fallo común que resulta de una sobrecarga no catastrófica en un dispositivo semiconductor, cuando la unión o el óxido de puerta sufren daños permanentes que no son suficientes para provocar un fallo catastrófico . La sobrecarga del óxido de puerta puede provocar una corriente de fuga inducida por la tensión .

En los transistores de unión bipolar , la corriente del emisor es la suma de las corrientes del colector y de la base. I _e = I _c + I _b . La corriente del colector tiene dos componentes: portadores minoritarios y portadores mayoritarios. La corriente minoritaria se denomina corriente de fuga .

En los transistores de efecto de campo de heteroestructura (HFET), la fuga de puerta se atribuye generalmente a la alta densidad de trampas presentes en la barrera. Hasta el momento, se ha observado que la fuga de puerta de los HFET de GaN se mantiene en niveles más altos en comparación con otros materiales como el GaAs. ^{[ 8 ]}

La corriente de fuga se suele medir en microamperios. En el caso de un diodo polarizado inversamente, es sensible a la temperatura. Es fundamental analizar cuidadosamente la corriente de fuga en aplicaciones que operan en amplios rangos de temperatura para conocer las características del diodo.

• Fuga de la red
• Corriente en reposo
• Pérdidas en los sistemas eléctricos
• Pérdidas parasitarias
• Disyuntor de corriente residual