2 Transistor

Capítulo 2

TRANSISTORES BJT Y FET EN LOS CIRCUITOS ELECTNóNTCOS

2.1. CONOCIMIENTOS PREVIOS.

Se requiere los pr¡ncipales conocimientos previos:

Existe una gran varidad de transistores tales como: ETrans¡stor de unión bipolar: BJT ETransistor de unión unipolar: FET ETransistor de punta de contacto E futotransistor

En el presentetexto veremos los transistores BJT y FET

P-37, ¿Cómo se clas¡f¡can los tmnsistorcs BIT y FET?

Se clasifican de la siguiente manera:

características de los diodos basicos, diodos zener, capacitores y

. Tipos y

resistores. . Filosofia de funcionamiento de los diodos basicos, diodos zener, capacitores y resistores. . Métodos y técnicas de resolución de circuitos: Mallas, Nodos, Superposición, Divisor de tensión y corriente, teorema Thévenin y Norton, etc.

2.2. CONOCIMTENTOS BÁSICOS. P-35. éQué es un transistor?

Un transistoÉ es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple

funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. Se construyen principalmente de Silicio o Germanio y tienen tres patillas que se identifican como Base, Colector y Em¡sor, Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los aparatos

domésticos de

uso diario: radios, televisores, grabadoras,

reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuaao, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos móviles, etc. Es por ello de vital importancia su estudio. 3 El

término "trans¡stor" es la contraccjón en ¡ngles de "bansfer resistor" (res¡stencia de b-ansferenc¡a).

P-38. éQué es un transistor BJT?

El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junct¡on Trans¡stor, o

solido electrónico BIT) sus siglas en un dispositivo desí,estado que permite entre doseuniones PN muy cercanas consistente

controlar el paso de la corrientea a través de sus terminales mediante una señal relativamente pequeña. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de

polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de

portadores

de dos

entrada bastante baja. 4

Fuente de coriente (slida) controlada por corriente (entrada)

Tb/eP@A.

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Se utiliza principalmente como interruptores o conmutador a fin de proveer corriente ó no, para ello se requiere que trabaje en la zona de cofte ó saturación.

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F¡g. 2-1 Aspecto fisico, disposición de las junturas y representación esquemática de un transistor BIT' Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha' De esta manera quedan formadas tres regiones: E Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, óóporanOose como un metal. Su nombre se debe a que esü teiminalirnciona como emisorde porbdores de carga'

Base, la intermedia, muy strecha, que separa el Icolector.

 

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P-40.

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iCuál es el principio de funcionamiento de

los

En una configuración normal, la unión emisor-base se polariza en á¡r".tu V la inión base-colector en inversa, Debido a la agitación la i¿r.G'tot poftadores de carga del emisor pueden atravesar vez, su A base' la y a llegar barrera de potencial emisor-base prácticamente todos los portadores que llegaron son impulsados por el campo electrico que existe entre la base y el colector' Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región del ánodo compartida. En una operación típica, la unión baseerñisor está polarizaáa en directa y la unión base-colector está

polarizada en inu"rs". En un trans¡stor NPN,' por eiemplo, cuando una [ensión positiva es aplicada en la unión base-emisor, el equilibrio entre loi porbdores generados térmicamente y el campo eléctrico repeLnte de la regióñ agotada se desbalancea., permitiendo a los excitadoá térmiéamente inyectarse en la región de la base' la región de alta Estos electrones base, desde concentración "vagan" a havés de la baja de región "iéaróná la hasta emisor al cercana concentración llamados son base la en electrones Estos cercana al colector. la base está dooada con órtá¿ót". minoritarios debido a quecomo portadores mayoritar¡os material P, los cuales generan "huecos" en la base. La región de la base en un transistor debe ser constructivamente portadores puedan difundirse a través de esta delgaáa, -mu.hopara que los que la vida útil del portador minoritario del menos tiempo

,",,m. lLliii:\Jgr sust¡tuto

I nados cón el Prem¡o Nobel de Física en 1956' Fue el o tr¡odo' ¿ : \0" f" válvula termoiónica de tres electrodos'

P-39. éQué aplicaciones tiene el transistor?

Ex¡sten dos grandes campos de aplicaciones del transistor:

i. CamPo Analógico. 9e utilizan principalmente en la amplificación de señales' a fin de

\::-/

(a¡,aiar

transistorcs BJT?

emisor del

aumentar la corriente de señales (audio, pulsos, üdeo, etc'), debe trabajar en la región activa.

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E Colector, de extensión mucho mayor. La técnica áe fabricación más común es la deposición epitaxial. En su fi¡ncionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en ¿ii"cta,-tient as que É base-colector en inversa' los portadores de muy carga em¡tidos por el emisor atraviesan la base, porque, es pasa al áng"ott , tray poéa recombinación de portadores, y la mayoría colector.

f ::;H;lffil'J:"H:.'if,

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"n semiconductor, para minimizar el porcentaje de portadores que se recombinan antes de alcanzar la unión base-colector. El espesor de la base debe ser menor al ancho de difusión de los electrones'

para ello

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e

¿Cómo controlar por tens¡ón, carga

y corriente en los

BJT? corr¡ente colector-emisor puede ser vista como controlada por la base-emisor (control de corriente), o por la tensión base(control de voltaje). Esto es debido a la relación tensión-

depende principalmente de la corriente de base (16), de p (ganancia de corriente, es un dato del fabricante) y de las resistencias que se encuentren conectadas en el colector y emisor. Esta región es la más importante siempre y cuando se desea utilizar el transistor como un

cual es launcurva tensión-corriente diodo)' decir, una unión PNla(es usual de base-emisor, es utilizado de corriente el control el diseño de circuitos analógicos,

amplificador de corriente. En la región de saturación. Un transistor está saturado cuando: Corriente de colector = con¡ente de emisor = corriente máx¡ma, (Ic=

a que es aproximadamente

lineal. Esto significa que

la es aproximadamente B veces la corriénte de la ase. Algunos circuitos pueden ser diseñados asumiendo que la que la base-emisor es aproximadamente constante,

y

orriente de colector es p veces la corriente de la base, No obstante' para diseñar circuitos utilizando BIT con precisión y confiabilidad, se

requiere el uso de modelos matemáticos del transistor como el modelo Ebers-Moll.

las regiones de operación del BIT? Se distinguen principalmente tres regiones de operación: región de corte, adiva y de saturación:

Ie = Inax¡m) En este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es

lo suficientemente grande como para inducir una corriente de colector "P" veces más grande (I6=P * Ie) Para un mejor análisis hay que tomar en cuenta las especificaciones del fabricante a la hora de diseñar, debido a que cada transistor tiene varios parámetros característicos del dispositivo. Entre estos parámetros los más utilizados son: Vc¡o: Máximo voltaje de colector a emisor en la zona lineal V6¡6: Máximo voltaje de base a emisor, Iss6: Máxima corrienté en la zona de corte. I6s..,: Máxima corriente de colector a base en la zona lineal. P¿..": Potencia máxima disipada en el dispositivo, I,u": Temperatura máxima permitida en cada unión del BJT. T6e: Máxima temperatura en la carcasa del transistor por debajo de la cual se tiene P¿.u". F o hr": Factor de amplificación de corriente en emisor común. a: Factor de ampliflcación de corriente en base común^

P-43. éCémo med¡r la eficiencia del BJT?

Una forma de medir la eficiencia del BlT es a través de la proporción

Fig.2-2 Regiones de operación de transistor BJT Región de €orte. Un transistor está en corte cuando: Corr¡ente de colector=corriente de emisor = 0, (16=¡r=91 En este caso normalmente se presenta cuando la coriente de base nula (Ie =0)

es

de electrones capaces de cruzar la base y alcanzar el colector. El alto dopaje de la región del emisor y el bajo dopaje de la región de la base pueden causar que muchos más electrones sean inyectados desde el emisor hacia la base que huecos desde la base hacia el emisor. La ganancia de corriente emisor común está representada por p o por lrr". Esto es aproximadamente la tasa de corriente continua de colector

y

a la corriente continua de la base en la región activa directa

es

Idb^ebaA. I

euErrnón¡rR dVftrffiV:::Á&Z-

tff¡áménteñayor a 100. Otro parámetro importante es la ganancia

de coniente base común,a- La ganancia de corriente base común es

aproximadamente la ganancia de corriente desde emisor a colector en la región activa directa. Esta tasa usualmente tiene un valor cercano a

la unidad; que oscila entre 0.98 y 0.998. El Alfa y Beta están más precisamente determinados por las siguientes relaciones (para un

transistor NPN):

a lc-jc-----B--f l"=i= t+p I

i

(polarización directa), y Vce>VeE (unión base-colector en inversa).

P-45. ¿A qué se refiere el concepto de punto de trabajo y recta de carga estática? Se refiere a los valores de corrientes y tensiones en continua en los terminales de un transistor a ello se denomina punto de trabajo y se suele expresar por la letra Q (Quiescent operatinq point).

q f--h tR =:=-l l' IB L-al 1

P-¡14. éCuáles son Ios parámetros básicos del transistor BJT a corr¡ente cont¡nua (D.C.)? En la zona activa, hemos indicado que el trans¡stor bipolar es un

amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus terminales (base), el entregará

se por otra (emisor), una cantidad mayor a ésta, en un factor que llama amplificación. Este factor se llama B (beta) y es un dato propio

de cada trans¡stor.

Fig.2-4 Representac¡ón gráfica del punto de trabajo

Este concepto de punto de trabajo es usado como criterio de diseño porque el fabricante proporciona esta información como característica propia del transistor

P-46. éCuáles son las configuraciones para trabajar en la zona activa o Iineal de los transistores? Existen tres configuraciones para trabajar como amplificador que

F¡9. 2-3 Voltajes y corrientessobre el trans¡stor BJT

Entonces:

(corriente que pasa por la paülla colector) es igual a B (factor de amplificación) por Is (corriente que pasa por la patilla base):

E Ic

F;;na

SAdemás aplicando la la Ley de l(rchhoff al BJT dela figura anterior

a

tenemos: F;=¡-+ Para que el transistor BJT trabaje

en la región lineal debe ser

son:

X Em¡sor común, La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el colector. El emisor se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia tanto de tensión como de corriente alta impedancia de entrada. X Base común, La señal se aplica al emisor del transistor y se extrae por el colector. la base se conecta a las masas tanto de la

y

señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se

polarizado adecuadamente. Se polar¡za el BJT si Vae aprox. 0,6 voltios

y ta ganancia de corr¡ente algo menor que uno, debido a que

I

parte de la corriente de emisor sale por la base. Cobctor común, La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. El colector se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se

ganancia de corriente, pero no de tensión que es tiene ligeramente inferior a la unidad.

aproximadamente

p+l veces

La impedancia de entrada es alta,

la impedancia de carga.

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P-47. ¿Qué es un transistor FET? Los trans¡stores de efecto de campo o FET (Fietd Elrr,t]ic Transistor), son dispositivos controlados por tensións con una alta impedancia de entrada (tOlk¿) y pueden ser de dos tipos: trans¡stor de efecto de campo de unión o JFET y transistor de efecto de campo metal_oxido semiconductor (MOSFFD. Ambos disposiüvos se utilizan en c¡rcuitos digitales y analogicos como amplificador o como conmutador. Sus características eléctricas son similares aunque su tecnología y estructura física son totalmente diferentes.

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Desde 1953 se propuso su faUAcaci