Transistor

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Transistor

  1. 1. TRANSISTOR. TRANSISTORE es un dispositivo electrónico semiconductorque cumple funciones deamplificador, oscilador, conmutador o rectificador. TIPOSDE TRANSISTORESTRANSISTOR DE CONTACTO PUNTUALLlamado también transistor de punta de contacto, fue elprimer transistor capaz de obtener ganancia, inventado en1947 por J. Bardeen y W. Brattain.Consta de una base degermanio, semiconductor para entonces mejor conocidoque la combinación cobre-óxido de cobre, sobre la que seapoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyenel emisor y el colector. La corriente de base es capaz demodular la resistencia que se "ve"en el colector, de ahí elnombre de "transfer resistor". Se basa en efectos desuperficie, poco conocidos en su día. Es difícil de fabricar(las puntas se ajustaban a mano), frágil (un golpe podíadesplazar las puntas) y ruidoso. Sin embargo convivió con eltransistor de unión (W. Shockley, 1948) debido a su mayorancho de banda. En la actualidad ha desaparecido.
  2. 2. TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR.El transistor de unión bipolar, o BJT por sus siglas en inglés, se fabricabásicamente sobre un mono cristal de Germanio, Silicio o Arsénico degalio, que tienen cualidades de semiconductores, estado intermedioentre conductores como los metales y los aislantes como el diamante.Sobre el sustrato de cristal, se contaminan en forma muy controladatres zonas, dos delas cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedandoformadas dos uniones NP.La zona N con elementos donantes deelectrones (cargas negativas) y la zonaP de aceptadores o "huecos"(cargas positivas). Normalmente se utilizan como elementosaceptadores P al Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga) y donantes NalArsénico (As) o Fósforo(P).La configuración de uniones PN, dan comoresultado transistores PNP oNPN, donde la letra intermedia siemprecorresponde a la característica de la base, y las otras dos al emisor y alcolector que, si bien son del mismo tipo y designo contrario a labase, tienen diferente contaminación entre ellas (por lo general, elemisor está mucho más contaminado que el colector).El mecanismoque representa el comportamiento semiconductor dependerá dedichas contaminaciones, de la geometría asociada y del tipo detecnología de contaminación (difusión gaseosa, epitaxial, etc.) y delcomportamiento cuántico de la unión.
  3. 3. TRANSISTOR DE UNIÓN UNIPOLAR O DE EFECTO DE CAMPO de efecto de campo deEl transistor de unión unipolar, también llamadounión(JFET), fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Loforma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En losterminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así untransistor de efecto decampo tipo N de la forma más básica. Si se difundendos regiones P en una barra de material N y se conectan externamenteentre sí, se producirá una puerta. A uno de estos contactos le llamaremossurtidor y al otro drenado. Aplicando tensión positiva entre el drenador y elsurtidor y conectando a puerta al surtidor, estableceremos una corriente, ala que llamaremos corriente de drenador con polarización cero. Con unpotencial negativo de puerta al que llamamos tensión deestrangulamiento, cesa la conducción en el canal.El transistor de efecto decampo, o FET por sus siglas en inglés, que controla lacorriente en función deuna tensión; tienen alta impedancia de entrada.Transistor de efecto decampo de unión, JFET, construido mediante una unión PN.Transistor deefecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la compuerta seaísla del canal mediante un dieléctrico. Transistor de efecto de campoMOS, MOSFET, donde MOS significa Metal-Óxido-Semiconductor, en estecaso la compuerta es metálica y está separada del canal semiconductorpor una capa de óxido.
  4. 4. FOTOTRANSISTORLos fototransistores son sensibles a la radiaciónelectromagnética en frecuencias cercanas a lade la luz visible; debido a esto su flujo de corrientepuede ser regulado por medio de la luz incidente.Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que untransistor normal, sólo que puede trabajar de 2maneras diferentes: Como un transistor normal conla corriente de base (IB) (modo común).Comofototransistor, cuando la luz que incide en esteelemento hace las veces de corriente de base.(IP) (modo de iluminación)
  5. 5. Son las siglas de Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor. Consiste en un transistor deefecto de campo basado en la estructura MOS.Es el transistor más utilizado en la industriamicroelectrónica. La práctica totalidad de loscircuitos integrados de uso comercial estánbasados en transistores MOSFET.Fue ideado teóricamente por el alemán JuliusVon Edgar Lilienfeld en 1930, aunque debido aproblemas de carácter tecnológico y eldesconocimiento acerca de cómo se comportanlos electrones sobre la superficie delsemiconductor no se pudieron fabricar hastadécadas más tarde. Tambien se llama mosfet alos aislados por juntura de dos componentes.
  6. 6. FuncionamientoUn transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductordopado en el que separadas por un área sobre la cual se hace crecer unacapa de dieléctrico culminada por una capa de conductor.Tipos de MosfetLos transistores MOSFET se dividen en dos tipos fundamentales dependiendode cómo se haya realizado el dopaje: Tipo nMOS: Sustrato de tipo p ydifusiones de tipo n. Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p. Lasáreas de difusión se denominan fuente y drenador, y el conductor entreellos es la puerta.Estados de los MosfetEl transistor MOSFET tiene tres estados de funcionamiento:Estado de corteEstado de corte Cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato.Estado de NO conducciónEl MOSFET está en estado de no conducción: ninguna corriente fluye entrefuente y drenador aunque se aplique una diferencia de potencial entreambos.Conducción linealAl polarizarse la puerta con una tensión negativa (pMOS) o positiva(nMOS), se crea una región de deplexión en la región que separa la fuentey el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadoresminoritarios (electrones en nMOS, huecos en pMOS) en la región dedeplexión que darán lugar a un canal de conducción.
  7. 7. Características eléctricas del JFET• El JFET de canal n está constituido por una barra de silicio de material semiconductor de tipo n con dos regiones (islas) de material tipo p situadas a ambos lados. Es un elemento tri-terminal cuyos terminales se denominan drenador (drain), fuente (source) y puerta (gate).• La polarización de un JFET exige que las uniones p-n estén inversamente polarizadas. En un JFET de canal n, o NJFET, la tensión de drenador debe ser mayor que la de la fuente para que exista un flujo de corriente a través de canal. Además, la puerta debe tener una tensión más negativa que la fuente para que la unión p-n se encuentre polarizado inversamente.• Las curvas de características eléctricas de un JFET son muy similares a las curvas de los transistores bipolares. Sin embargo, los JFET son dispositivos controlados por tensión a diferencia de los bipolares que son dispositivos controlados por corriente.• Por ello, en el JFET intervienen como parámetros: ID (intensidad drain o drenador a source o fuente), VGS (tensión gate o puerta a source o fuente) y VDS (tensión drain o drenador a source o fuente). Se definen cuatro regiones básicas de operación: corte, lineal, saturación y ruptura. A continuación se realiza una descripción breve de cada una de estas regiones para el caso de un NJFET.
  8. 8. TRANSISTOR
  9. 9. VentajasVentajas del FET1) Son dispositivos controlados por tensión con unaimpedancia de entrada muy elevada (107 a 1012 ohmios).2) Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.3) Los FET son más estables con la temperatura que los BJT.4) Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT puesprecisan menos pasos y permiten integrar más dispositivosen un CI.5) Los FET se comportan como resistencias controlados portensión para valores pequeños de tensión drenaje-fuente.6) La alta impedancia de entrada de los FET les permiteretener carga el tiempo suficiente para permitir suutilización como elementos de almacenamiento. 7) Los FET de potencia pueden disipar una potenciamayor y conmutar corrientes grandes.
  10. 10. DesventajasDesventajas que limitan la utilización de los FET1.Los FET presentan una respuesta en frecuenciapobre debido a la alta capacidad de entrada .2. Los FET presentan una linealidad muy pobre, y engeneral son menos lineales que los BJT.3.Los FET se pueden dañar debido a la electricidadestática. En este apartado se estudiaránpreviamente las características de ambos dispositivosorientadas principalmente a sus aplicacionesanalógicas.
  11. 11. TRANSISTOR JFET• Encapsulado de un JFET de baja potencia, similar a un BJT• El transistor JFET (Junction Field Efect Transistor, que se traduce como transistor de efecto de campo) es un dispositivo electrónico activo unipolar.• Historia• Desde 1953 se propuso su fabricación por Van Nostrand (5 años después de los BJT). Aunque su fabricación no fue posible hasta mediados de los años 80.•
  12. 12. Funcionamiento básico• El transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor o FET, en inglés) es en realidad una familia de transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET pueden plantearse como resistencias controladas por diferencia de potencial.• Tienen tres terminales, denominadas puerta (gate), drenador (drain) y fuente (source). La puerta es la terminal equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente.• Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son también de dos tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente.• El JFET es un transistor de efecto de campo, es decir, su funcionamiento se basa en las zonas de deplexión que rodean a cada zona P al ser polarizadas inversamente.• Cuando aumentamos la tensión en el diodo compuerta-fuente, las zonas de deplexión se hacen más grandes, lo cual hace que la corriente que va de fuente a drenaje tenga más difucultades para atravesar el canal que se crea entre las zonas de deplexión, cuanto mayor es la tension inversa en el diodo compuerta- fuente, menor es la corriente entre fuente y drenaje.• Por esto, el JFET es un dispositivo controlado por tensión y no por corriente. Casi todos los electrones que pasan a través del canal creado entre las zonas de deplexión van al drenaje, por lo que la corriente de drenaje es igual a la corriente de fuente .
  13. 13. Funcionamiento básico
  14. 14. • El transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor o FET, en inglés) es en realidad una familia de transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET pueden plantearse como resistencias controladas por diferencia de potencial.• Tienen tres terminales, denominadas puerta (gate), drenador (drain) y fuente (source). La puerta es la terminal equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente.• Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son también de dos tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente.• El JFET es un transistor de efecto de campo, es decir, su funcionamiento se basa en las zonas de deplexión que rodean a cada zona P al ser polarizadas inversamente.• Cuando aumentamos la tensión en el diodo compuerta-fuente, las zonas de deplexión se hacen más grandes, lo cual hace que la corriente que va de fuente a drenaje tenga más difucultades para atravesar el canal que se crea entre las zonas de deplexión, cuanto mayor es la tension inversa en el diodo compuerta-fuente, menor es la corriente entre fuente y drenaje.
  15. 15. Por esto, el JFET es un dispositivo controlado portensión y no por corriente. Casi todos los electronesque pasan a través del canal creado entre las zonasde deplexión van al drenaje, por lo que la corrientede drenaje es igual a la corriente de fuente .
  16. 16. características
  17. 17. Curvas características de un JFET canal N
  18. 18. • Este tipo de transistor se polariza de manera diferente al transistor bipolar. La terminal de drenaje se polariza positivamente con respecto al terminal de fuente (Vdd) y la compuerta se polariza negativamente con respecto a la fuente (-Vgg).• A mayor voltaje -Vgg, más angosto es el canal y más difícil para la corriente pasar del terminal drenador (drain) al terminal fuente o source. La tensión -Vgg para la que el canal queda cerrado se llama punch-off y es diferente para cada JFET.• El transistor de juntura bipolar es un dispositivo operado por corriente y requieren que halla cambios en la corriente de base para producir cambios en la corriente de colector. El JFET es controlado por tensión y los cambios en tensión de la compuerta a fuente modifican la región de rarefacción (deplexión) y causan que varíe el ancho del canal.
  19. 19. Transistor Canal N
  20. 20. Transistor de canal N• Todas las regiones• Además se cumple:• Región de corte• Región de triodo• Entonces se puede despreciar dicho término en la ecuación quedando:• Región de estrangulamiento• Generalmente el valor de se puede despreciar, quedando así la ecuación:
  21. 21. Transistor Canal P
  22. 22. • Todas las regiones• Además se cumple:• Región de corte• Región de triodo• Entonces se puede despreciar dicho término en la ecuación quedando:• Región de estrangulamiento• Generalmente el valor de se puede despreciar, quedando así la ecuación:
  23. 23. Modelo del transistor JFET a pequeña señal
  24. 24. • Se observa que éste funciona como una fuente dependiente de corriente controlada por el voltaje compuerta-fuente. La impedancia de entrada de este dispositivo es lo suficientemente alta como para no incluirla en el modelo, a diferencia de lo que ocurre con el transistor BJT.• Para que el modelo de pequeña señal tenga validez, debe cumplirse la siguiente condición:• Esta condición, en general es utilizada para el diseño y análisis de amplificadores, sobre todo para conocer el rango de valores en amplitud que puede soportar el amplificador en la entrada sin que haya distorsión en la señal de salida.
  25. 25. Modelo en SPICE• Modelo manejado por el programa SPICE• En la imagen se observa el modelo que maneja el programa SPICE al momento de realizar simulaciones. Nótese que, a diferencia del modelo de pequeña señal, aquí se incluyen otros componentes que permiten determinar el comportamiento del JFET en un rango de frecuencias más amplio, así como amplitudes de señal no necesariamente pequeñas. Es de notarse que se agregan diodos al modelo.• En el presente artículo no se pretende hacer un análisis profundo sobre dicho modelo, simplemente se menciona como referencia para estudios posteriores por parte del interesado. Para una mejor comprensión de los parámetros que se utilizan véase Modelo del JFET en SPICE.• Es importante recordar que los modelos sólo simplifican el análisis realizado por el programa correspondiente durante la simulación de un circuito. Para el caso de los transistores JFET los modelos usados dan excelentes resultados, sin embargo existen otros dispositivos en los que no es posible obtener simulaciones precisas, principalmente por el tipo de curvas características que éstos exhiben (si sus curvas presentan discontinuidades pronunciadas, sensibilidad al ruido, sensibilidad a los cambios de temperatura, etc.).

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