Tipos de transistores: BJT y FET; p-n-p y n-p-n; JFET y MOSFET. Propiedades.
Regiones de trabajo. Configuraciones de uso. Su utilización en circuitos digitales.
1) Analizar los símbolos utilizados para BJT y FET. ¿Qué indica cada elemento de los mismos?
Los elementos simbolizados en los transistores BJT indican el emisor, el colector y la base, como puede observarse en la siguiente figura:
Cada uno de estos elementos cumple una función distinta. El emisor está muy fuertemente dopado, sus propiedades eléctricas se acercan a las de un metal y su función es emitir portadores hacia el siguiente, llamado base, que está apenas dopado y que es de pequeño espesor. El otro extremo, donde llegan casi todos los portadores emitidos, recibe el nombre de colector. Los tres semiconductores están conectados al circuito exterior.
El los transistores FET los elementos simbolizados son la puerta (gate), la fuente (source) y el sumidero (drain) como se observa en la siguiente figura:
El nombre de los elementos proviene del hecho de que la corriente, a través del dispositivo, es controlada por un campo eléctrico asociado a un voltaje aplicado al contacto de entrada. La segunda denominación alude a que los portadores de corriente son de un solo signo, electrones o huecos según el caso.
2) ¿Podría considerarse a un BJT cómo dos diodos conectados en oposición, con una tercera conexión entre ambos? ¿Cuál es la diferencia de comportamiento? ¿A qué se debe?. Describa el "efecto transistor".
Si bien podría considerarse a un transistor BJT como dos diodos enfrentados, la diferencia de comportamiento se debe a la anchura de la región central (P para el caso de un NPN o bien N para el caso de un PNP). Si la región central es muy ancha el comportamiento del componente sería como el de dos diodos en serie, dado que el funcionamiento de la primer unión no afecta al funcionamiento de la segunda. Es decir, se estaría anulando el efecto transistor.
El efecto transistor consiste, justamente, en el hecho de que los electrones tienen que subir una barrera de potencial transitando de N a P, pero luego es más fácil porque tiene que bajar dicha barrera.
De los electrones emitidos por el emisor, aproximadamente un 1 % se recombina en la base y un 99 % no se recombina y llega al colector, esto es el efecto transistor.
3) Señale diferencias y semejanzas estructurales entre BJT y FET.
En los BJT la falta de linealidad, sobre todo a altas corrientes, introduce distorsión armónica. Mientras que en los FET, la transconductancia aumenta con la corriente, comportándose mejor frente a la distorsión.
En los transistores BJT tanto electrones como huecos contribuyen a la conducción. La presencia de huecos y su menor movilidad causa que los BJT requieran mayor corriente y tiempo para conmutar. El resultado es menor ancho de banda.
Los transistores FET poseen una mayor área de operación segura y un mayor ancho de banda.
Los BJT presentan otro fenómeno limitante llamado "segunda ruptura" la cual impone extremo cuidado en el manejo de potencia de cada transistor de la etapa.
Los BJT son inestables desde el punto de vista térmico, mientras que los FET son estables.
Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT, pues precisan menos pasos y permiten integrar más dispositivos.
La falta de impedancia de entrada en los FET les permite retener la carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento.
4) Reproduzca la fig. 14.6 b para un transistor p-n-p. Asigne a las baterías la polaridad necesaria para que el transistor representado se encuentre en la región activa.
La figura 14.6 b para un transistor p-n-p:
5) En la figura de la pregunta anterior, escriba los símbolos usuales de todas las magnitudes de tensión y corriente que regulan el funcionamiento del transistor. Indique los sentidos de circulación de corrientes.
6) Dibuje el gráfico de la figura 14.10 para un transistor n-p-n.
Los modos de operación son los mismos tanto para un transistor p-n-p como para un n-p-n, con lo cual el gráfico sería:
7) Explique brevemente, con palabras, la información que proporcionan los coeficientes a y /font>
a (Alpha): Indica la proporcionalidad que existe entre la intensidad del colector y la intensidad eléctrica que existe en el emisor
ߠ(Beta): Indica la proporcionalidad que existe entre la intensidad eléctrica del colector y la intensidad eléctrica que existe en la base
8) Considere la configuración EC. Dibuje la curva Ib vs. Vbe, y la familia de curvas Ic vs. Vce, con Ib como parámetro, suponiendo un comportamiento ideal de las uniones.
9) Dibuje circuitos con transistores que cumplan las siguientes condiciones:
10) En el circuito siguiente:
10.1. Describa el tipo de transistor, la configuración y la región de trabajo.
10.2. Complete las lecturas faltantes en los instrumentos.
10.3. Cambie la región de trabajo, de dos formas diferentes, (cambiando dos parámetros distintos del circuito).
10.1) Se trata de un Transistor BJT de tipo n-p-n en configuración Emisor Común, trabajando en zona activa.
10.2) Se detallan los valores faltantes en las lecturas
11) Señalar las características más importantes de los MOSFET, comparadas con los BJT.
Los transistores MOSFET ocupan menos espacio y su proceso de fabricación es más simple respecto de los transistores BJT. Además existe un grán número de funciones lógicas que sólo pueden ser implementadas con transistores MOSFET y no utilizando diodos y resistencias.
Los MOSFET poseen una gran velocidad de conmutación en comparación con los BJT.
Y por último, al construir circuitos de compuertas lógicas utilizando diodos, la señal de entrada se va degradando al reutilizar la salida como entrada de otra compuerta. Esto no sucede en los MOSFET.
12) Cuando un MOSFET se halla en situación de estrangulamiento (Vds > Vds,sat) ¿cómo es posible que siga circulando corriente por el canal?
Cuando VD = VD,sat se produce la situación de estrangulamiento o pinch-off (Fig. b) y es cuando la curva característica ID – VD (Fig. d) comienza a decrecer, haciéndose prácticamente horizontal. A partir de este momento, al seguir aumentando VD no sigue aumentando la corriente que circula por el canal y pasamos a un estado de saturación. El aumento de VD da lugar a un crecimiento de la región del canal que ha sido estrangulada, debido al desplazamiento del punto P, hacia la región de la fuente (Fig c).
Contrariamente a lo que se podría pensar en un principio, al quedar el canal bloqueado, la corriente ID no se reduce a cero, ya que entonces no habría caída de potencial a lo largo del canal y no se llegaría a la condición de estrangulamiento.
16) Explique en qué consiste la tecnología CMOS y cuáles son sus principales ventajas.
La tecnología CMOS consiste en la implementación integrada de transistores tipo PMOS y NMOS (transistores FET con impurezas P o N). Es una extensión de la tecnología MOS (Complementaria) y por ende hereda muchas de sus ventajas como ser:
堆uncionan con tensiones desde los 3V hasta los 15V, por ende no necesitan una fuente de voltaje dedicada para ellos.
堓e ha demostrado que un CMOS determinado tiene muchas más aplicaciones (o dichas aplicaciones trabajan mejor en CMOS) que en un TTL.
堁lta impedancia de entrada: la puerta de un transistor MOS viene a ser un pequeño condensador, por lo que no existe corriente de polarización.
堒educida resistencia de canal: un MOS saturado se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la superficie del transistor. Es decir, que si se le piden corrientes reducidas, la caída de tensión en el transistor llega a ser muy reducida.
堓u fabricación es relativamente fácil y barata, en comparación a otras tecnologías.
17) Escribir en unos pocos (3 ó 4) renglones una explicación de los siguientes términos de la teoría de transistores:
BJT
FET
JFET
MOSFET
MOS complementario
polarización
configuración
región de trabajo
saturación
hfe
puerta/sumidero/fuente
tensión umbral
enriquecimiento
estrangulamiento
canal n/ canal p
BJT (Bipolar Junction Transistor): transistores de unión bipolar que poseen una baja impedancia de entrada, y en donde el control del flujo de corriente se realiza inyectando una baja corriente (corriente de base). Estos transistores surgen de la unión de tres cristales de semiconductor con dopajes diferentes e intercambiados. Se puede tener por tanto transistores PNP o NPN.
FET (Field Effect Transistor): transistores de efecto de campo, son aquellos transistores que poseen una alta impedancia de entrada y en donde el control del flujo de corriente se realiza mendiante voltaje o tensión de la compuerta.
JFET (Junction Field Effect Transistor): transistores de efecto de campo de unión, formados por una zona de material tipo P en cuyos extremos se situán dos terminales de salida, flanqueadas por dos regiones con dopaje de tipo N en las que se conectan dos terminales conectados entre sí (puerta).
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET): transistores de efecto de campo basados en la tecnología MOS (Semiconductor de Oxido de Metal). Basicamente consiste en un sustrato de material semiconduc-tor dopado, en el que se crean dos islas de tipo opuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa de dieléctrico. Existen dos tipos: nMOS (sustrato p y difusiones n) y pMOS (sustrado n y difusiones p).
MOS complementario: también conocido como CMOS, es una tecnología que combina el uso de transistores pMOS y nMOS configurados de tal forma que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a la corrientes parásitas.
Polarización: acción de aplicar una tensión en forma adecuada a un diodo o transistor, para activar el funcionamiento de sus materiales semiconductores. Normalmente esta tensión debe ser igual o superior a 0,7V.
Configuración: distintos modos de conectar un transistor dentro de un circuito. Las mas comunes son Emisor Común, Base Común y Colector Común.
Región de Trabajo: se dice de las distintas regiones en las que puede actuar o trabajar un transistor, de acuerdo a las tensiones aplicadas en las distintas entradas. Normalmente se reconocen la región activa, de corte y de saturación.
Saturación: región de trabajo en la cual el transistor llega a su punto máximo de operación. En este punto los valores de las distintas variables alcanzan su máximo valor, ejemplo el coeficiente Beta o la corriente Ic.
HFE (Hybrid Fordward Emisor): parámetro equivalente al Beta, que indica la ganancia de corriente directa cuando el transistor se encuentra configurado en Emisor Común. Basicamente mide la tasa de corriente continua de colector a la corriente continua de la base en la región activa directa y es típicamente mayor a 100.
es otro de los parámetros, al igual que el Beta, para medir la eficiencia de los transistores. El Alfa indica la ganancia de corriente base común desde emisor a colector en la región activa directa. Esta tasa normalmente tiene un valor cercano a 1, que oscila entre 0,98 y 0,998.
Puerta/Sumidero/Fuente: se denominan así a los terminales que controlan un transistor MOSFET. En inglés se las conoce como Gate (puerta), Drain (sumidero) y Source (fuente). La Puerta hace las veces de Base en los transistores BJT y es la que controla el paso de corriente entre la Fuente y el Sumidero.
Tensión Umbral (VT): es la tensión mínima para crear la capa de inversión en los transistores FET, la cual crea el camino de conducción (canal) entre la fuente y el sumidero, y es un parámetro característico del transistor. Si la VGS/font>
Enriquecimiento: se denomina así a un tipo de transistor FET, en el cual al aplicar una tensión positiva entre el Drenador y la Fuente se genera una circulación de energía (canal). En un transistor de tipo de agotamiento, por el contrario, el canal ya existe sin necesidad de aplicar tensión a la Puerta.
Estrangulamiento: situación que se produce en los transistores FET, cuando VD = VD,sat.
A partir de este punto si continua aumentando VD pasamos a un estado de saturación.
Canal n/ Canal p: se denomina así al canal de conducción que se original en los transistores FET, entre los terminales fuente y sumidero. Dependiendo del tipo de impurezas con que ha sido dopado el semiconductor, podemos encontrar transistores con canal N (nMOS) o con canal P (pMOS).
Enviado por:
Pablo Turmero