Tecnología
ELECTRÓNICA
Transistor
CPR. JORGE JUAN
Xuvia-Narón
Un transistor es, en esencia, poner juntas dos uniones P-N, con la salvedad de que se deben poner en contacto con un determinado dopaje para que su funcionamiento no sea el de dos uniones por separado
Se fabrican con la unión de tres semiconductores alternados de tipo, P, y de tipo, N. En función de ello los transistores pueden ser de dos tipos, siendo sus símbolos los indicados:
Fotografia del primer transistor creado en los
laboratorios BELL Transistores actuales
.
NPN PNP
la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que aparece en su símbolo.
El transistor es un dispositivo físico con tres patillas, cada una de las cuales tiene su nombre propio:
B Base
C Colector
E Emisor, coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el símbolo gráfico del transistor.
Un factor muy importante, capaz de desestabilizar a los transistores es la temperatura.
Los semiconductores pueden permitir el paso de corriente, pero necesitan una pequeña ayuda; se les puede dopar ó aumentar la temperatura, para que circulen los electrones de la última capa. Pues bien, los transistores son uniones, P-N, y los materiales tipo, P, y de tipo, N, son semiconductores dopados, por lo que van a permitir el paso de la corriente, cuya intensidad se puede influir mucho variando la temperatura.
Si se tiene un circuito de emisor común aparentemente estable, con un punto de funcionamiento definido, se puede producir una gran inestabilidad con un aumento de temperatura. Esto sucede porque al aumentar la temperatura se incrementa la corriente del colector, aunque la corriente de base permanezca constante. Este incremento en, Ic, produce que la caída de potencial en la
resistencia, Rc, sea mayor, luego la tensión, Vc, va a ser menor. La consecuencia inmediata de este
La primera solución para evitar que se produzca un aumento de la temperatura es colocar un ventilador, ó algo que baje la temperatura cuando esta aumente y la mantenga siempre constante. Pero esto tiene dos inconvenientes:
Resulta costoso
Ocupa mucho espacio, y al diseñar un circuito electrónico siempre se tiende a reducir el espacio al máximo.
La segunda solución es colocar una resistencia, Re, en el emisor; al aumentar la corriente del
colector, Ic, también se incrementa la corriente del emisor. Si se pone una resistencia, se va a
producir una caída del potencial, por lo que la tensión en el emisor va a ser menor. Si se tiene un circuito, PNP, que es el que se está, cuanto más grande sea la resistencia, Re, más negativa va a
ser la tensión, Ve, y hacer la tensión de emisor más negativa es exactamente igual que hacer la
tensión de base más positiva; la unión emisor-base va a estar menos directamente polarizada y esto va a producir que el transistor conduzca menos. De esta forma se compensa el aumento de la corriente de colector, debido al aumento de la temperatura, con la disminución de esta misma corriente debida a la disminución de la corriente que circula por el transistor al estar menos directamente polarizado. Conectar la resistencia, Re, produce una desventaja para el circuito que
es la disminución de la ampliación de tensión en el transistor.
Existen distintos tipos de transistores, como el transistor bipolar de unión, BJT Bipolar Junction Transistor, el MOS, Metal Oxide Semiconductor, el MOSFET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, el transistor de efecto campo de metal-oxido-semiconductor.
TRANSISTOR
BIPOLAR
NPN PNPFET
FET Corriente
Canal N Canal P
MOSFET Enriquecimiento Canal N Canal P Empobrecimiento Canal N Canal P FET
Especiales
VMOS, MOS doble compuerta, etc
Transistor bipolar de unión, BJT
El transistor bipolar es el más común de los transistores, y al igual que los diodos, puede ser estar hecho de material de germanio ó de silicio.
Si por la base no circula corriente, los electrones no pueden pasar del colector al emisor: el transistor está en corte.
Si a la base llegan muchos electrones, el paso del colector al emisor queda totalmente libre: el transistor se encuentra en saturación.
Si la corriente de base se encuentra entre los dos valores anteriores, el transistor está en su zona activa, la corriente entre colector y emisor es proporcional a dicha corriente de base. El transistor trabaja como un amplificador.
El transistor es pues un amplificador de corriente, esto quiere decir que si entra una cantidad de corriente por su base, él entregará por su emisor una cantidad de corriente mayor a la anterior en un factor, , que se llama amplificación. Este factor beta es un dato propio de cada transistor.
El transistor es un amplificador de la intensidad de la corriente, esto quiere decir que si por su base se introduce una determinada intensidad de corriente, el transistor entrega por su emisor vía colector una intensidad de corriente mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación. Este factor se llama, , y es un dato propio de cada transistor.
Entonces:
Ic, intensidad de la corriente en el colector, es igual al factor de amplificación, , por la
intensidad de la corriente en la base, Ib.
Ic= β .Ib
Ie, intensidad de la corriente en el emisor, que es del mismo valor que la intensidad de la
corriente en el colector, Ic, sólo que, la corriente en un caso entra al transistor y en el otro
caso sale de él ó viceversa. La intensidad de la corriente del colector y la intensidad de la corriente del emisor no son exactamente iguales, pero se toman como tal, debido a la pequeña diferencia que existe entre ellas, y que no afectan en casi nada a los circuitos hechos con transistores.
A su vez las intensidades de las corrientes anteriores dependen del voltaje que alimenta el circuito, Vcc, pues la intensidad de la corriente en la base, Ib, varía ligeramente al hacerlo, Vcc, tal
y como se observa en las gráficas.
En la segunda gráfica se observa que a medida que la intensidad de la corriente de base, Ib,
aumenta también lo hace la intensidad de la corriente del colector, Ic, ya que la curva que le
corresponde es cada vez más alta.
Un transistor tiene tres regiones o estados de funcionamiento:
Región de corte
Un transistor está en corte cuando:
Son nulas la intensidad de la corriente del colector y la intensidad de la corriente del emisor.
Ic= Ie= 0
En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es nulo, como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, tal y como indica la ley de Ohm. Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es nula, Ib= 0. En esta región el
transistor no está conduciendo.
Para este funcionamiento la unión, B-E, está polarizada en inversa y la unión, B-C, está polarizada en inversa.
Región de saturación
Un transistor está saturado cuando
Tienen el mismo valor la intensidad de la corriente del colector, la intensidad de la corriente del emisor y la intensidad de la corriente máxima.
Ic= Ie= Imáx
En este caso la magnitud de la intensidad de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector ó el emisor ó en ambos. Este caso normalmente se presenta cuando la intensidad de la corriente en la base es lo suficientemente grande como para inducir una intensidad de corriente en el colector, β,
veces más grande.
Ic= β.Ib
Para este funcionamiento la unión, B-E, está polarizada en directa y la unión, B-C, está polarizada en directa.
Se debe cumplir que la unión, B-E, esté polarizada en directo y la unión, B-C, en inverso. Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región la intensidad de la corriente en el colector, Ic, depende principalmente de la intensidad de la corriente en la base, Ib, del factor de ganancia de la intensidad de corriente, β, que es un dato del fabricante y de las
resistencias que hayan conectadas en el colector y en el emisor. Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador.
También existe otra clasificación de los transistores bipolares, que depende del tipo de conexión que se realice, tenemos así el transistor con base común, con emisor común y con colector común, cada una de ellas tiene características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de aplicación.
La configuración de emisor común de un transistor, es la más utilizada en los circuitos electrónicos debido a la ganancia producida tanto en tensión como en corriente. Además de esta configuración, existen otros dos tipos: base común y colector común. En la primera, se obtiene una importante amplificación en tensión, aunque la amplificación en corriente es prácticamente despreciable. En la segunda ocurre al contrario, la amplificación en corriente es muy importante mientras que la amplificación en tensión es prácticamente despreciable.
Estas tres configuraciones son:
Representación de los tres tipos de configuraciones para un transistor bipolar
Estos tres tipos de configuraciones se deben a que se puede colocar el transistor de tres formas distintas dentro de un circuito. Se toma como entrada uno de sus terminales y otro más, y una salida entre el terminal restante y el común.
El criterio de signos a la hora de un estudio del circuito es:
Toda corriente que entra al dispositivo es positiva y toda corriente que sale negativa.
luego
I
E+
I
B+
I
C=0
En cuanto a las tensiones
V
CE tensión entre colector y emisorV
EC tensión entre emisor y colectorV
EC=
V
CEademás
C C
E E C
B
Emisor comun B
B
E C
Colector comun Base comun
E
V
EB+
V
CE+
V
BC=0
El transistor es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si se introduce una cantidad de corriente por una de sus pata, la base, él entregará por otra pata, el emisor, una cantidad mayor a ésta, en un factor que se conoce como ganancia del transistor. Este factor se llama,
β,ganancia y es un dato propio de cada transistor. Se verifica
I
C=
I
B
Característica a la entrada y a la salida de un transistor bipolar. Zonas de funcionamiento
IE > IC > IB IE= IB + IC VCE= VCB + VBE
Transistor Darlington
El transistor Darlington es un tipo especial de transistor que tiene una alta ganancia de corriente. Aunque externamente se parece a un transistor bipolar normal, internamente está compuesto por dos transistores conectados de la forma:
El transistor común con la identificación de las patillas
El transistor Darlington con la identificación de las patillas y su estructura interna
El transistor, T1, entrega la corriente que sale por su emisor a la base
del transistor ,T2.
La ecuación de ganancia en la intensidad de la corriente de un transistor cualquiera es:
IE= β . IB
la intensidad de la corriente del colector, que es la misma que la intensidad de la corriente
del emisor, es igual a un factor, β, beta por la intensidad de la corriente en la base del
transistor.
Las ecuaciones de ganancia en la intensidad de la corriente para los transistores, T1, y, T2,
se escriben entonces:
IE1= β1 . IB1 (1)
la intensidad de la corriente del emisor del transistor, T1, es la intensidad de la corriente en la
base del transistor, T2. Se tiene pues
IE1= IB2
si se lleva este resultado a las ecuaciones anteriores se tiene
IE2= β2 . IB2= β2 . IE1= β2. β1 . IB1
se obtiene la ecuación final de la ganancia de la intensidad de la corriente del transistor Darlington.
Este transistor tiene una ganancia mucho mayor que la de un transistor corriente, pues aprovecha la ganancia de los dos transistores multiplicando ambas.
Si se tuvieran dos transistores con ganancia, 100, β= 100, conectados como un transistor
Darlington y se utilizara la formula anterior, la ganancia sería, en teoría
β2 . β1= 100 . 100= 10000
en la realidad la ganancia es menor.
El transistor Darlington se utilizan ampliamente en circuitos en donde es necesario controlar cargas grandes con corrientes muy pequeñas.
La caída de tensión entre la base y el emisor del transistor Darlington es ,1’4 V, que resulta de la suma de las caídas de tensión de base a emisor del primer transistor, B1, a, E1, 0’7 V, y
de base a emisor del segundo transistor, B2, a, E2, 0’7 V.
El par Darlington es como se conoce al montaje indicado, formado por la conexión de dos transistores. Se caracteriza por tener una alta ganancia de corriente.
Si la ganancia de los dos transistores es, 100, ¿cuántos electrones bajan por el emisor del segundo transistor si entra, 1 electrón, por la base del primero?.
1.100= 100 electrones bajan por el emisor del transistor, T1
estos, 100, electrones entran en la base del transistor, T2, por lo que por su emisor salen
100.100= 10000 electrones
Fototransistor
Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, solo que puede trabajar de dos maneras diferentes:
Como un transistor normal con la corriente de base, IB, en modo común.
Se pueden utilizar las dos en forma simultánea, aunque el fototransistor se utiliza principalmente con la pata de la base sin conectar, IB= 0.
La corriente de base total es igual a corriente de base en modo común más la corriente de base por iluminación
IBT = IB + IP
Si se desea aumentar la sensibilidad del transistor, debido a la baja iluminación, se puede incrementar la corriente de base, IB, con ayuda de polarización externa.
El circuito equivalente de un fototransistor, es un transistor común con un fotodiodo conectado entre la base y el colector, con el cátodo del fotodiodo conectado al colector del transistor y el ánodo a la base
El fototransistor es muy utilizado para aplicaciones donde la detección de iluminación es muy importante. Como el fotodiodo, tiene un tiempo de respuesta muy corto, solo que su entrega de corriente eléctrica es mucho mayor.
El circuito equivalente de un fototransistor está compuesto por un fotodiodo y un transistor. La corriente que entrega el fotodiodo circula hacia la base del transistor y se amplifica, β, veces y es la corriente que puede entregar el fototransistor.
β ganancia de corriente del fototransistor.
Los transistores bipolares vienen en muchas presentaciones o encapsulados y estos vienen ligado al tipo de aplicación en que se les va a utilizar. Cada transistor tiene impreso en el cuerpo del mismo, el tipo de transistor que es, siendo así muy fácil poder encontrar sus características técnicas en un manual como el ECG ó NTE. En estos manuales también se pueden encontrar transistores de características similares o muy parecidas a los que se les llama equivalentes.
Entre los encapsulados están:
TO-92
Este transistor pequeño es muy utilizado para la amplificación de pequeñas señales. La asignación de las patas, emisor - base – colector, no está estandarizado, por lo que es necesario a veces recurrir a los manuales de equivalencias para obtener estos datos.
TO-18
Es un poco más grande que el encapsulado, TO-92, pero es metálico. En la carcasa hay un pequeño saliente que indica que la pata más cercana es el emisor. Para saber la configuración de sus patas es necesario a veces recurrir a los manuales de equivalencias.
TO-39
TO-126
Se utiliza mucho en aplicaciones de pequeña a mediana potencia. Puede o no utilizar disipador dependiendo de la aplicación en se esté realizando. Se fija al disipador por medio de un tornillo aislado en el centro del transistor. Se debe utilizar una mica aislante.
TO-220
Se utiliza en aplicaciones en que se deba de disipar potencia algo menor que con el transistor, TO-3, y al igual que el transistor, TO-126, debe utilizar una mica aislante si va a utilizar disipador, fijado por un tornillo debidamente aislado.
TO-3
Este encapsulado se utiliza en transistores de gran potencia. Es de gran tamaño debido a que tiene que disipar bastante calor. Está fabricado de metal y es muy normal ponerle un disipador para liberar la energía que éste genera en calor. Este disipador no tiene un contacto directo con el cuerpo del transistor, pues este estaría conectado directamente con el colector del
transistor. Para evitar el contacto se pone una mica para que sirva de aislante y a la vez de buen conductor térmico. El disipador se fija al transistor con ayuda de tornillos adecuadamente aislados que se introducen en los orificios que tiene para este fin.
Este transistor tiene el colector directamente conectado a la carcasa, por lo que sólo tiene dos pines ó patas. Estas patas no están en el centro del transistor sino que están situadas ligeramente a un lado y si se pone el transistor como se muestra en la figura, al lado izquierdo estará el emisor y la derecha la base.
Los transistores bipolares, NPN, y, PNP, son los más conocidos y son llamados así porque la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades, huecos positivos, y, electrones negativos, y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante baja
Existen unos dispositivos que eliminan este inconveniente en particular y que pertenece a la familia de dispositivos en los que existe un solo tipo de portador de cargas, y por tanto, son unipolares y que se denominan transistor de efecto campo.
Transistor de efecto campo
Se conoce por JFET, Junction Field Effect Transistor, ó transistor de efecto campo de unión y por MOSFET, Metal Oxide Field Semiconductor Effect Transistor, es decir, transistor de efecto campo con semiconductor de óxido de metal. Al MOSFET también se le conoce con el nombre de IGFET, Isolated Gate FET, es decir, FET de puerta aislada.
Este dispositivo semiconductor, controla el flujo de corriente por un canal semiconductor, aplicando un campo eléctrico perpendicular a la trayectoria de la corriente.
El FET está compuesto de una parte de silicio tipo, N, a la cual se le adicionan dos regiones con impurezas tipo, P, llamadas compuerta, gate, y que están unidas entre si. Los terminales de este tipo de transistor se llaman Drenador (drain), Fuente (source) y el tercer terminal es la compuerta (gate) que ya se conoce. La región que existe entre el drenador y la fuente y que es el camino obligado de los electrones se llama canal.
Representación esquemática de un dispositivo de efecto de campo
Un transistor de efecto campo FET está formado por una barrita de material, P, ó, N, llamada canal, rodeada en parte de su longitud por un collar del otro tipo de material que forma con el canal una unión, P-N.
En los extremos del canal se hacen sendas conexiones óhmicas llamadas respectivamente sumidero,
d-drain, y fuente, s-source, más una conexión llamada puerta, g-gate, en el collar.
Este tipo de transistor se polariza de manera diferente al transistor bipolar. El terminal de drenaje se polariza positivamente con respecto al terminal de fuente, Vdd, y la compuerta ó gate se polariza
negativamente con respecto a la fuente, -Vgg.
A mayor voltaje, -Vgg, más angosto es el canal y más difícil es para la
corriente pasar del terminal drenador, drain, al terminal fuente ó, source. La tensión, -Vgg, para
la que el canal queda cerrado se llama, punch-off, y es diferente para cada FET.
El transistor de juntura bipolar es un dispositivo operado por corriente y requieren que haya cambios en la corriente de base para producir cambios en la corriente de colector. El FET es controlado por tensión y los cambios en tensión de la compuerta, gate, a fuente, Vgs, modifican
la región de rarefacción y causan que varíe el ancho del canal.
Fuente (Source) (P-Si)
Gate (conductor)
Aislante (Dioxido de Silicio)
Drenaje (Drain) (P-Si)
La curva característica del FET muestra que al aumentar el voltaje, Vds,
voltaje drenador - fuente, para un, Vgs, voltaje de compuerta fijo, la
corriente aumenta rápidamente comportándose como un resistor, hasta llegar a un punto, A, voltaje de estricción, desde el que la corriente se mantiene casi constante hasta llegar a un punto, B, en el que se entra en la región de disrupción ó ruptura, desde donde la corriente aumenta rápidamente hasta que el transistor se destruye.
Si se hace esta gráfica para más de un voltaje de compuerta a surtidor, Vgs, se obtiene:
Vgs, es, 0, ó es un valor negativo.
Si, Vds= 0, por el transistor no circulará corriente alguna.
El valor de la corriente que circula por el dispositivo viene dada por la expresión
1
(
)
ss
gs
d d
gs
V
I
I
V
off
Idss valor de la corriente eléctrica cuando, Vgs= 0
Vgs (off) voltaje cuando no hay paso de corriente eléctrica entre el drenaje y la fuente, Id= 0
Vgs voltaje entre la compuerta y la fuente para la que se desea saber, Id
Como, Vgs, es el voltaje que controla el paso de la corriente eléctrica, Id, ya que regula el ancho
del canal, se puede comparar este comportamiento como una resistencia cuyo valor depende del voltaje, Vds. Esto es sólo válido para, Vds, menor que el voltaje de estricción.
Entonces si se tiene la curva característica de un FET, se puede hallar el valor de la resistencia, Rds, con la expresión
ds ds
d
V
R
I
Funcionamiento de un FET de canal, N.
La puerta está polarizada negativamente respecto a la fuente, por lo que la unión, P-N, entre ellas se encuentra polarizada inversamente y se crea una capa desierta.
Si el material de la puerta está más dopado que
el del canal, la mayor parte de la capa estará formada por el canal. Si al tensión de la puerta es cero, y, Vds= 0, las
capas desiertas profundizan poco en el canal y son uniformes a todo lo largo de la unión.
Si, Vds, se hace positiva y, Vgs, sigue siendo cero por el
hará que la polarización inversa de la unión no sea uniforme en toda su longitud y, en consecuencia, en la parte más próxima al sumidero, que es la más polarizada, la capa desierta penetrará más hacia el interior del canal.
Para valores pequeños de, Vds, la corriente de sumidero es una función casi lineal de la
tensión, ya que la penetración de la capa desierta hacia el interior del canal no varía substancialmente de su valor inicial. Sin embargo, a medida que aumenta la tensión aumenta también la polarización inversa, la capa desierta profundiza en el canal y la conductancia de éste disminuye. El ritmo de incremento de corriente resulta, en consecuencia, menor y llega un momento en que el canal se ha hecho tan estrecho en las proximidades del sumidero que un incremento de, Vds, apenas tiene efecto sobre la corriente
de sumidero. Entonces se dice que el transistor está trabajando en la zona de estricción, pinch-off, llamándose tensión de estricción, Vp, a la del punto de transición entre el
comportamiento casi lineal y el casi saturado. Si a la puerta se le aplica una polarización negativa estacionaria, la capa desierta penetra más en el interior que con la polarización nula; por tanto, para pasar a la zona de estricción se necesita menos tensión de sumidero. El aumentar la polarización negativa permite tener la transición a la zona de estricción a corrientes de sumidero aún inferiores.
El funcionamiento del FET se basa en la capacidad de control de la conductancia del canal por parte de la tensión de puerta y, como la unión puerta-canal se encuentra siempre polarizada inversamente, el FET es por esencia un elemento de alta impedancia de entrada.
El funcionamiento de este tipo de transistor se puede explicar casi en su totalidad en función de los electrones que fluyen desde la fuente al drenaje:
La fuente recibe este nombre ya que los portadores que contribuyen a la corriente se desplazan desde el exterior hacia la parte interna del semiconductor a través de este contacto.
El drenador recibe este nombre porque es por este contacto por donde salen los portadores del semiconductor.
La puerta, a su vez, recibe este nombre por su acción de control o compuerta.
El transistor JFET, ya no es una combinación tan sencilla entre los semiconductores como en el caso de los transistores, NPN, y, PNP. Ahora la forma en que se obtienen es algo más compleja. Sin embargo, sus propiedades hacen que merezca la pena su fabricación, ya que son utilizados en gran medida por los fabricantes de circuitos electrónicos.
A su vez existen dos tipos de transistores JFET. La razón es sencilla, si se toma uno de ellos y se cambian los tipos de semiconductores, es decir, si donde hay semiconductores de tipo, P, se pone un semiconductor de tipo, N, y viceversa, se obtiene otro transistor JFET de características distintas.
voltajes. Esto es debido a que el FET consta de tres semiconductores unidos y, por tanto, existen dos zonas de unión entre ellos. Así pues, se considerara la diferencia de potencial entre drenaje y fuente a la que se le llama, Vds, y la diferencia de potencial entre puerta y fuente a la
que se la denomina, Vgs.
Estudiar las características de un transistor consiste en ir variando las dos tensiones anteriores aumentándolas, disminuyéndolas y observar lo que sucede con la corriente que lo atraviesa.
Si se deja fija la tensión entre la puerta y la fuente, Vgs, y se varía la tensión entre el
drenador y la fuente, Vds.
Se distinguen tres zonas según va aumentando el potencial, Vds, estas zonas son:
Zona óhmica
En la zona óhmica, el transistor se comporta como una resistencia óhmica, es decir, si se aumenta el potencial, Vds, crece la corriente, I en la misma proporción. Esta situación se
mantiene así hasta que el potencial alcanza un valor aproximadamente de unos cinco voltios. A partir de este valor, si se sigue aumentando esa diferencia de potencial entre drenador y fuente, es decir, si se sigue aumentando, Vds, el transistor entra en la zona de
saturación.
Zona de saturación
Aunque se siga aumentando la tensión, Vds, la corriente permanece constante. Si se sigue
aumentando el potencial, Vds, de nuevo se llega a un valor de éste a partir del cual el
comportamiento del transistor vuelve a cambiar. Este valor viene a ser del orden de, 40 V.
Zona de ruptura
A partir de los, 40 V, se entra en la zona de ruptura. A partir de este punto la corriente, I, puede circular libremente, independientemente de que se siga aumentando el valor de, Vgs.
Es esta la razón por la cual los JFET se pueden utilizar como interruptores de encendido y apagado, ON/OFF, propiedad esta fundamental en la computación. Un JFET se encuentra en estado, OFF, interruptor cerrado cuando, Vds= 0, ya que no pasa corriente alguna, y en
estado, ON, interruptor abierto cuando, Vds>40 V. Evidentemente, estos valores reales
dependerán del tipo de transistor del que se hable ya que existen FET para circuitos integrados y FET de potencia; estos últimos con valores algo mayores que los primeros.
Las ventajas del FET sobre el BJT son:
Bajo costo
Bajo consumo de potencia
Mejor respuesta señal-ruido
Del FET se obtienen varios tipos de transistores:
MOSFET, Metal-Oxide-Semiconductor-FET
El MOSFET es un transistor de efecto de campo. Un MOSFET es un condensador MOS que tiene pegados a sus lados dos uniones, P-N, estas uniones están junto a la región del semiconductor en el que el MOS hace de compuerta.
Característica, I-V, de un MOSFET
El funcionamiento de este dispositivo viene definido por el flujo de portadores, que entra en el por la fuente, S, salen por el drenaje, D, y están controlados por la puerta, G. Es algo parecido a lo que ocurre en el JFET, la diferencia radica en la fabricación y el funcionamiento interno de los dispositivos.
MISFET, Metal-Insulator-Semiconductor-FET (Metal-aislante-semiconductor-FET)
IGFET, Insulate-Gate-FET (Aislante-Puerta-FET)
JFET, Junction FET (FET de Unión)
MeSFET, Metal Semiconductor- FET
Los parámetros que definen a un transistor FET son:
La corriente de sumidero, Id, es función tanto de la tensión de sumidero, Vds, como de la
puerta, Vgs. Como la unión está polarizada inversamente, se supone que la corriente de
puerta es nula, con lo que se escribe:
Ig= 0 e Id= ƒ(Vds, Vgs)
En la zona de estricción ó saturación en que las características son casi rectas, zona casi horizontal de la gráfica característica de este transistor, aunque en realidad tienen una pendiente positiva se escribe la respuesta del transistor para pequeños incrementos de, Vds,
y, Vgs, en la forma
El parámetro, rd, se llama resistencia diferencial del sumidero del FET, y es la inversa de la pendiente de la curva. Como esta pendiente es prácticamente nula, entonces el valor de la resistencia, rd, es muy grande ó infinita.
El parámetro, gm, se le denomina conductancia mutua ó transconductancia, y es igual a la separación vertical entre las características que corresponden a diferencias de valor de, Vgs, de,1 V.
Transistor, UJT
El transistor UJT, transistor de unijuntura - Unijunction transistor, es un dispositivo con un funcionamiento diferente al de otros transistores. Es un dispositivo de disparo. Es un dispositivo que consiste de una sola unión, PN. No es un JFET.
Físicamente el UJT consiste de una barra de material tipo, N, con conexiones eléctricas a sus dos extremos, B1, y, B2, y de una conexión hecha con un conductor de aluminio, E, en alguna parte a lo largo de la barra de material, N. En el lugar de unión el aluminio crea una región tipo, P, en la barra, formando así una unión, PN.
El disparo que activa este transistor ocurre entre el Emisor y la Base1 y el voltaje al que ocurre este disparo está dado por la expresión:
Vdisparo= Vp= 0’7 + n . VB2B1
n intrinsic standoff radio es un dato del fabricante
VB2B1 voltaje entre las dos bases
Esta expresión es aproximada porque el valor establecido en, 0’7, puede variar de, 0’4, a, 0’7, dependiendo del dispositivo y la temperatura.
Un UJT, 2N4870, tiene un, n= 0’63, y, 24 V, entre las bases, B2, y, B1, y otro tiene un, n= 0’68, y, 12 V, entre dichas bases. ¿Cuál es el voltaje de disparo aproximado en cada caso?.
Vp= 0’7 + (0’63 . 24)= 15’8 V
Vp= 0’7 + (0’68 . 12)= 8’86 V
Se ha construido el UJT donde la barra es de material tipo, P, poco dopado. Se le conoce como el CUJT ó UJT complementario. Este se comporta de igual forma que el UJT pero con las polaridades de las tensiones al revés.
Transistor uniunión programable, PUT
Es un dispositivo que a diferencia del transistor bipolar común que tiene, 3, capas NPN ó PNP, tiene, 4, capas. El PUT tiene, 3, terminales al igual que otros transistores que reciben los nombres de cátodo, K, ánodo, A, y puerta, G.
A diferencia de un transistor UJT, este transistor permite que se puedan controlar los valores de, RBB, y, VP, que en el UJT son fijos. Los parámetros de
conducción del PUT son controlados por la terminal, G.
Este transistor tiene dos estados:
Conducción
Hay corriente eléctrica entre el ánodo, A, y el cátodo, K, con una caída de voltaje pequeña
Corte
La corriente eléctrica entre el ánodo, A, y el cátodo, K, es muy pequeña.
Este transistor se polariza de la forma. Se observa que si
IG = 0,
B2
G BB BB
B1 B2
R
V
V .
n.V
R
R
B2
B1 B2
R n
R R
la principal diferencia entre los transistores UJT y los PUT es que las resistencias,: RB1+RB2,son
resistencias internas en el UJT, mientras que el PUT estas resistencias están en el exterior y pueden modificarse.
Aunque el UJT y el PUT son similares, la intensidad de corriente, Ip, en él es más débil que en el
UJT y la tensión mínima de funcionamiento es menor en el PUT.
Para pasar al modo activo desde el estado de corte, donde la corriente entre los terminales, A, y, K, es muy pequeña hay que elevar el voltaje entre dichos terminales hasta el valor, Vp, que
depende del valor del voltaje en la compuerta, G.
Sólo cuando la tensión en el terminal, A, alcance el valor, Vp, el PUT entrará en conducción y se
reduzca su valor. Esto se logra reduciendo el voltaje entre los terminales, A, y, K, ó reduciendo el voltaje entre los terminales, G, y, K.
Oscilador con PUT
El condensador, C, se carga a través de la resistencia, R, hasta que el voltaje en el terminal, A, alcanza el voltaje, Vp. En este momento el PUT se dispara y entra en conducción. El voltaje en el terminal, G, VG, cae casi hasta, 0 V, y el PUT se apaga, repitiéndose otra vez el proceso. La formas de onda en los puntos, C, K, y, G, son
La frecuencia de oscilación es
1
f
1' 2.R.C
PUT en continua
El PUT se comporta como un circuito abierto hasta que activa su compuerta, G, con una pequeña corriente eléctrica y se cierra el interruptor, S, y así éste conduce y se comporta como un diodo en polarización directa
Si no existe corriente eléctrica en la compuerta, G, no conduce.
Después de ser activado se queda conduciendo y se mantiene así. Si se desea que deje de conducir, el voltaje, +V, debe ser reducido a, 0 V.
Si se disminuye lentamente el voltaje, +V, seguirá conduciendo hasta que por él pase una cantidad de corriente eléctrica menor a la llamada corriente eléctrica de mantenimiento ó de retención, en ese momento el PUT deja de conducir aunque la tensión, VG, no sea nulo.
El PUT presenta dos estados:
Estado de conducción
La resistencia entre el ánodo y el cátodo es muy baja.
Estado de corte
La resistencia entre el ánodo y el cátodo es muy elevada.
PUT en alterna
Se usa principalmente para controlar la potencia que se entrega a una carga.
El circuito, RC, produce un corrimiento de la fase entre la tensión de entrada y la tensión en el condensador que es la que suministra la corriente eléctrica a la compuerta del PUT. En la gráfica adjunta la señal del voltaje en el condensador, C, está en azul y está atrasado con respecto a la señal de voltaje de alimentación que está en rojo causando que el tiristor conduzca un poco después de que el tiristor tenga la alimentación necesaria para conducir. Durante el ciclo negativo el tiristor se abre dejando de conducir. Si se modifica el valor de la resistencia, por ejemplo utilizando un potenciómetro, se modifica el desfase que hay entre las dos tensiones mencionadas con lo que el PUT se activa en diferentes momentos antes de que se desactive por el ciclo negativo de la señal. y deje de conducir.
Triac
El Triac es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los dispositivos de control por tiristores. El triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta.
El triac sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que el tiristor, se
dispara por la compuerta. Como el triac funciona en corriente alterna, habrá una parte de la onda que será positiva y otra negativa.
La parte positiva de la onda pasa por el triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente eléctrica circulará de arriba hacia abajo pasando por el tiristor que apunta hacia abajo.
La parte negativa de la onda pasará por el triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente eléctrica circulará de abajo hacia arriba pasando por el tiristor que apunta hacia arriba.
Para ambos semiciclos la señal de disparo se obtiene de la misma patilla, la puerta ó compuerta.
Lo interesante es, que se puede controlar el momento de disparo de esta patilla y así, controlar el tiempo que cada tiristor estará en conducción. El tiristor sólo conduce cuando ha sido disparada ó activada la compuerta y entre sus terminales hay un voltaje positivo de un valor mínimo, cuyo valor depende de cada tiristor.
Entonces, si se controla el tiempo que cada tiristor está en conducción, se puede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la potencia que consume.
Una aplicación muy común es el atenuador luminoso de lámparas incandescentes ó circuito de control de fase.
Ven voltaje aplicado al circuito, AC L lámpara
P potenciómetro C condensador R resistencia T triac
El triac controla el paso de la corriente alterna a la lámpara, pasando continuamente entre los estados de conducción, cuando la corriente eléctrica circula por el triac, y el de corte, cuando la corriente eléctrica no circula por él.
Si se varía el potenciómetro, se varía el tiempo de carga del condensador causando que se incremente ó reduzca la diferencia de fase de la tensión de alimentación y la que se aplica a la compuerta
Por lo común, la optoelectrónica se refiere a la tecnología interactiva de los fotones y los electrones.
La electricidad se transforma en láser por medio de un máser, la electricidad pasa a ser luz gracias a un transmisor óptico.
La luz se transforma en electricidad a través de un aparato optoelectrónico de energía solar.
La combinación de la tecnología optoelectrónica y de la industria informática da como resultado la tecnología de información optoelectrónica.
Las aplicaciones más frecuentes en este aspecto son:
Los escáneres ópticos ó cámaras ópticas, transmiten información a través de la luz.
La memoria de la optoelectrónica, un disco óptico, almacena información; y las pantallas ópticas muestran información por medio de la luz.
La fibra óptica.
Se denomina efecto fotoeléctrico, y que fue estudiado por primera vez por Heinrich Hertz, al proceso por el que electrones de una superficie metálica pueden escapar de ella si adquieren la energía suficiente suministrada por luz de longitud de onda lo suficientemente corta.
Posteriormente Einstein le dio el significado correcto en, 1905, al explicar que un haz de luz se compone de paquetes de energía llamados cuantos de luz ó fotones. Cuando el fotón choca contra un electrón en la superficie de un metal, el fotón le puede transmitir energía al electrón, con la cual podría éste escapar de la superficie del metal.
Fotodiodo
La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra la cantidad de luz que le incide, de manera que su reacción a la luz sea más evidente. A diferencia del LDR ó fotorresistencia, el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminación y viceversa con mucha mayor rapidez.
Fototransistor
Un fototransistor es en esencia lo mismo que un transistor normal, solo que puede trabajar de, 2, maneras diferentes:
Como un transistor normal con la corriente de base, IB, ó modo común.
Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base, IP, modo de iluminación.
Si se desea aumentar la sensibilidad del transistor, debido a la baja iluminación, se puede incrementar la corriente de base, IB, con ayuda de polarización externa.
El circuito equivalente de un fototransistor, es un transistor común con un fotodiodo conectado entre la base y el colector, con el cátodo del fotodiodo conectado al colector del transistor y el ánodo a la base.
Fotorresistencia ó LDR
El LDR es una resistencia que varía su valor dependiendo de la cantidad de luz que lo ilumina. Los valores de una fotorresistencia cuando está totalmente iluminada y
cuando está totalmente a oscuras varía, pero no pasa de, 1 K, en iluminación total y no es menor de, 50 K, cuando está a oscuras. El valor óhmico de la fotorresistencia no varía de forma instantánea cuando se pasa de luz a oscuridad ó al contrario, y el tiempo que dura este proceso no siempre es igual si se pasa de oscuro a iluminado ó si se pasa de iluminado a oscuro.
Esto hace que el LDR no se pueda utilizar en muchas aplicaciones, especialmente aquellas que necesitan de mucha exactitud en cuanto a tiempo para cambiar de estado, oscuridad a iluminación ó iluminación a oscuridad, y de exactitud en los valores de la fotorresistencia al estar en los mismos estados anteriores.
Sin embargo si hay muchas aplicaciones en las que una fotorresistencia es muy útil, como el circuito de encendido automático de una luz nocturna, en el que se utiliza una fotorresistencia para activar una ó más luces al llegar la noche ó el de un relé controlado por luz, donde el estado de iluminación de la fotorresistencia, activa ó desactiva al mismo.
Optoacopladores
Un optoacoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un fotoemisor, un fotoreceptor y entre ambos hay un
camino por donde se transmite la luz. Todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado.
La señal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada del fotoreceptor. Los optoacopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa
modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica. La gran ventaja de un optoacoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida.
Generalmente se compone de un diodo LED y un fototransistor, de manera de
que cuando el diodo LED emite luz, ésta ilumina el fototransistor y hace que conduzca. Estos dos elementos están acoplados de la forma más eficiente posible.
La corriente eléctrica de salida, IC, ó corriente eléctrica del colector del
fototransistor es proporcional a la corriente eléctrica de la entrada, IF, ó
corriente eléctrica en el diodo LED. La relación entre estas dos corrientes eléctricas se llama razón de transferencia de corriente, CTR, y depende de la temperatura ambiente. A mayor temperatura ambiente, la corriente eléctrica del colector en el fototransistor es mayor para la misma corriente eléctrica, IF,
La entrada que es el circuito del diodo y la salida que es el circuito del fototransistor están, 100%, aislados y la impedancia de entrada es muy grande, 1013 .
El optoacoplador es un dispositivo sensible a la frecuencia y el CTR disminuye al aumentar ésta.
Este elemento puede sustituir a elementos electromecánicos como relés, conmutadores. De esta manera se eliminan los golpes, se mejora la velocidad de conmutación y casi no hay necesidad de mantenimiento.
Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos que emiten rayos infrarrojos, IRED, y los fotorreceptores pueden ser tiristores o transistores.
Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guía-ondas de plástico ó cristal hacia el fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que éste genere una tensión eléctrica a su salida. Este responde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos de tensión.
Diferentes tipos de optoacopladores son:
Optoacoplador con fotodiodo
Optoacoplador con PUT
Fototransistor ó con Darlington
Se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT.
Fototriac
Se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un triac.
Fototriac de paso por cero
Optoacoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la corriente alterna.
Diodo Láser
Los ingredientes básicos de la emisión láser en los diodos son el mecanismo de bombeo y la cavidad óptica. En un láser semiconductor, la ganancia es aportada por una corriente eléctrica de inyección. De esta manera, los pares electrón-agujero dan la inversión de población necesaria para la emisión láser. La recombinación estimulada lleva a la amplificación de la luz, generando fotones con la misma dirección de propagación, polarización, frecuencia y fase que el fotón que ha inducido la recombinación.
demasiado grandes al diodo para obtener emisión láser. Por simplicidad, los pares electrón-agujero se llaman portadores, y la vida media de los portadores es el tiempo medio que tardan los portadores en recombinarse.
La sencilla unión, P-N, resultado del crecimiento en el mismo sustrato, pero con diferentes niveles de dopaje, no es capaz de conseguir el confinamiento necesario, porque la anchura de la región en que los portadores están confinados aumenta debido a la difusión de los portadores. El problema de la difusión de los portadores puede resolverse parcialmente usando heteroestructuras.
Dos tipos diferentes de estructuras pueden analizarse dependiendo del mecanismo de confinamiento lateral de los portadores. En láseres semiconductores guiados por la ganancia, no se incorpora ningún confinamiento añadido, y el perfil de la ganancia viene determinado esencialmente por la región con corriente de inyección y efectos difusivos.
En los láseres guiados por el índice, la región activa está rodeada lateralmente por material con un índice de refracción menor. En estos dispositivos, se consigue un nivel de confinamiento bastante elevado.
Aparte de dar un buen confinamiento a los portadores, los láseres de doble heteroestructura guiados por el índice también incorporan un confinamiento adecuado para la luz. El mecanismo de guiado es debido a un mayor índice de refracción en la región activa que en el resto de capas que la rodean. De esta manera, la luz viaja hacia adelante y hacia atrás como lo haría en el interior de una fibra óptica.
Una cavidad óptica adecuada es necesaria para conseguir la emisión láser. Sólo el proceso de amplificación tiene sentido, y se emite luz coherente, cuando la vida media de los fotones es suficientemente grande. En otros tipos de láser, la cavidad está limitada por dos espejos con curvaturas que dependen de la distancia entre ellos y de la geometría del medio activo. Mientras uno de los espejos puede diseñarse totalmente reflectante, el otro debe permitir que haya luz de salida.
Los láseres de cavidad vertical, VCSELs, tienen una longitud de cavidad muy corta, y necesitan reflectividades del, 99 %. El espejo normalmente está incorporado en la estructura láser a partir del mismo sustrato, y está formado de muchas capas alternadas de diferentes materiales. El reflector de Bragg que así resulta permite una característica casi plana de la reflectividad para un rango considerable de longitudes de onda.
Transistor NPN
Transistor PNP
Transistor NPN con colector unido a la cubierta
Transistor NPN tunel
UJT- n Uniunión
UJT- p Uniunión
Fototransistor NPN
Multiemisor NPN
Transistor de avalancha NPN
Transistor Schottky NPN
Transistor JFET canal N *
Transistor JFET canal N
Transistor JFET canal P *
Transistor JFET canal P
PUT
