En electrónica , una fuga es la transferencia gradual de energía eléctrica a través de un límite normalmente considerado como aislante , como la descarga espontánea de un capacitor 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 con polarización inversa .
La pérdida gradual de energía de un condensador cargado se debe principalmente a los dispositivos electrónicos conectados a los condensadores, 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 a través del dispositivo cuando está encendido, la corriente descarga 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 . Es el resultado de que el material dieléctrico no sea un aislante perfecto y tenga una conductividad distinta de cero, lo que permite que fluya una corriente de fuga , descargando 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 provocar daños, incendios, ruido de radiofrecuencia o electrocución. [2] Las fugas de este tipo se pueden medir observando que el flujo de corriente en algún punto del circuito no coincide con el flujo en otro. Las fugas en un sistema de alto voltaje pueden ser fatales para un humano en contacto con la fuga, como cuando una persona accidentalmente conecta a tierra una línea eléctrica de alto voltaje. [3]
Una fuga también puede significar una transferencia no deseada de energía 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 algo de energía filtrada a la frecuencia de la red eléctrica, lo que provocará un zumbido audible en una aplicación de audio. [4]
La corriente de fuga también es cualquier corriente que fluye cuando la corriente ideal es cero. Tal es el caso de los conjuntos electrónicos cuando están en modo de espera, desactivados o "dormidos" ( energía de reserva ). Estos dispositivos pueden consumir uno o dos microamperios mientras están en su estado de reposo en comparación con cientos o miles de miliamperios cuando están en pleno funcionamiento. Estas corrientes de fuga se están convirtiendo en un factor importante para los fabricantes de dispositivos portátiles debido a su efecto indeseable en el tiempo de funcionamiento de la batería para el consumidor. [5]
Cuando se utilizan filtros de red en los circuitos de alimentación que alimentan un conjunto eléctrico o electrónico, por ejemplo, un variador de frecuencia o un convertidor de potencia CA/CC, las corrientes de fuga fluirán a través de los condensadores en "Y" que están conectados entre los conductores de corriente y neutro al conductor de puesta a tierra. La corriente que fluye a través de estos condensadores se debe a la impedancia de los condensadores a las frecuencias de la línea de alimentación. [6] [7] Por lo general, se considera aceptable una cierta cantidad de corriente de fuga, sin embargo, una corriente de fuga excesiva, superior a 30 mA, puede crear un peligro para los usuarios del equipo. En algunas aplicaciones, por ejemplo, dispositivos médicos con contacto con el paciente, la cantidad aceptable de corriente de fuga puede ser bastante baja, inferior a 10 mA.
En los dispositivos semiconductores , la fuga es un fenómeno cuántico en el que los portadores de carga móviles (electrones o huecos ) atraviesan una región aislante mediante un túnel. La fuga aumenta exponencialmente a medida que disminuye el grosor de la región aislante. La fuga por efecto túnel también puede producirse en las uniones de semiconductores entre semiconductores de tipo P y tipo N muy dopados . Además de la tunelización a través del aislante de compuerta o las uniones, los portadores también pueden sufrir fugas entre los terminales de fuente y drenaje de un transistor de semiconductor de óxido metálico (MOS) . Esto se denomina conducción por subumbral . La fuente principal de fuga se produce en el interior de los transistores , pero los electrones también pueden sufrir fugas entre las interconexiones. La fuga aumenta el consumo de energía y, si es lo suficientemente grande, puede provocar una falla completa del circuito.
Las fugas son actualmente uno de los principales factores que limitan el aumento del rendimiento de los procesadores de ordenador. Los esfuerzos para minimizar las fugas incluyen el uso de silicio deformado , dieléctricos de alto κ y/o niveles de dopantes más fuertes en el semiconductor. La reducción de las fugas para continuar con la ley de Moore no solo requerirá nuevas soluciones de materiales, sino también un diseño adecuado del sistema.
Ciertos tipos de defectos de fabricación de semiconductores se manifiestan como un aumento de las fugas. Por lo tanto, la medición de fugas, o prueba Iddq , es un método rápido y económico para encontrar chips defectuosos.
El aumento de las fugas es un modo de falla común que resulta de una sobrecarga no catastrófica de un dispositivo semiconductor, cuando la unión o el óxido de la compuerta sufren un daño permanente que no es suficiente para causar una falla catastrófica . La sobrecarga del óxido de la compuerta 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 [ aclaración necesaria ] .
En los transistores de efecto de campo de heteroestructura (HFET), la fuga de compuerta suele atribuirse a la alta densidad de trampas que se encuentran dentro de la barrera. Hasta ahora se ha observado que la fuga de compuerta de los HFET de GaN se mantiene en niveles más altos en comparación con otros equivalentes, como el GaAs. [8]
La corriente de fuga generalmente se mide en microamperios. En el caso de un diodo con polarización inversa, es sensible a la temperatura. La corriente de fuga debe examinarse cuidadosamente en aplicaciones que funcionan en amplios rangos de temperatura para conocer las características del diodo.
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