Transistores: Semiconductores, Unión PN y Funcionamiento

Trabajo transistores
1.Semiconductores intrinsecos y extrinsecos. Dopado
El semiconductor intrínseco es aquel que está formado por un
solo tipo de átomo. Los más frecuentes y empleados son el
germanio y el silicio.Los átomos de los semiconductores poseen 4
electrones en su órbita externa, que comparte con los átomos
adyacentes y forman 4 enlaces covalentes.
Así, cada átomo tiene 8 electrones en su capa más externa
formando una red cristalina, en la que la unión entre los electrones
y sus átomos es muy fuerte. Por consiguiente, en dicha red, los
electrones no se desplazan fácilmente, y el material en
circunstancias normales se comporta como un aislante. Sin
embargo, al aumentar la temperatura, los electrones ganan energía,
por lo que algunos pueden separarse del enlace e intervenir en la
conducción eléctrica.
La conducción eléctrica a través de un semiconductor es el resultado
del movimiento de electrones (de carga negativa) y de los huecos
(cargas positivas) en direcciones opuestas al conectarse a un
generador
El semiconductor extrínseco es el resultado de introducir átomos
de otros elementos a fin de que el semiconductor primitivo pierda su
pureza y gane en conductividad. Este proceso de impurificación se
conoce como “dopaje”. Existen 2 tipos de semiconductores
intrínsecos : Semiconductor P se emplean como dopantes
elementos trivalentes (aquellos que cuentan con 3 electrones de
valencia ) Puesto que no aportan los 4 electrones necesarios para
establecer los 4 enlaces covalentes, en la red cristalina éstos átomos
presentarán un defecto de electrones y Semiconductor N se
utilizan elementos pentavalentes como dopantes (con cinco
electrones de valencia), el donante aporta electrones en exceso, los
cuales al no encontrarse enlazados
2.Unión PN: A) Función con polarización directa B)
Funcionamiento con polarización inversa
La unión pn está formada por un cristal semiconductor al que se ha
dopado en un extremo con impurezas donadoras (donan electrones,
volviéndose positivas), y en el otro extremo, con impurezas
aceptoras, ( aceptan electrones, volviéndose negativos). En la zona
de unión de la zona dopada P, con la zona de opada N existe una
estrecha región, en la que no hay cargas móviles, debido a que se
han recombinado por difusión.
A) Función con polarización directa:La polarización directa se
produce cuando se aplica un voltaje a través de la célula solar de tal
manera que el campo eléctrico formado por la unión PN se reduce.
Se facilita la difusión de portadores a través de la región de
agotamiento, y conduce a una mayor corriente de difusión.La
polarización directa se refiere a aplicar voltaje al dispositivo de
manera que se reduzca el campo eléctrico en la unión. Cuando se
aplica un voltaje positivo a un material de tipo p y un voltaje
negativo a un material de tipo n, se genera un campo eléctrico a
través del dispositivo en la dirección opuesta a la región de
agotamiento. Dado que la resistividad de la región de agotamiento
es mucho mayor que la del resto del dispositivo (debido al número
limitado de portadores en la región de agotamiento), casi todo el
campo eléctrico aplicado pasa a través de esta región de
agotamiento. El campo eléctrico real es la diferencia entre el campo
existente en la región de agotamiento y el campo aplicado (para
dispositivos reales, el campo potencial de contacto siempre es
mayor que el campo aplicado), reduciendo así el campo eléctrico
obtenido en la región de agotamiento. exhausto. La caída del campo
eléctrico perturba el equilibrio existente en la unión, reduce la
barrera de difusión del portador de una cara a la otra y aumenta la
corriente de difusión. Si la difusión aumenta la corriente, entonces
la corriente resistiva permanece esencialmente sin cambios porque
depende del número de portadores producidos a lo largo de la
longitud de difusión de la región de agotamiento o dentro de la
propia región de agotamiento.
B) Funcionamiento con polarización inversa:En polarización inversa, se
aplica un voltaje al dispositivo para que aumente el campo eléctrico en la
unión. Cuanto mayor sea el campo eléctrico en la región de atenuación, es
menos probable que los portadores se difundan de lado a lado, por lo que la
corriente de difusión también se reduce. En la polarización de conducción, la
corriente está limitada por el número de portadores minoritarios en ambos
lados de la unión p-n y es relativamente constante con el aumento del campo
eléctrico. El ligero aumento en la corriente de resistencia se debe al ancho
ligeramente mayor de la región de agotamiento, pero esto es esencialmente
un efecto cuadrático en las células solares de silicio. En muchas celdas
solares de película delgada donde la región de agotamiento es la mitad del
grosor de una celda solar, variar el ancho de la región de agotamiento por
voltaje tiene un gran efecto en la eficiencia de la celda.
3.La unión npn y pnp. Polarización y funcionamiento Para
empezar los transistores pnp como los npn son tan solo los
transistores básicos que entran en la categoría de transistores de
unión bipolar. Estos se utilizan en una gran cantidad de variedad de
circuitos, que van desde la amplificación hasta encontrarlos en
circuitos de modulación.
NPN: El transistor NPN es también un transistor de unión bipolar. La
primera letra N indica una capa del material con carga negativa y
una P indica una capa con carga positiva. En estos transistores
veremos que tienen un área positiva que se encuentra entre dos
capas negativas. Los transistores NPN se utilizan generalmente en
circuitos de conmutación, amplificando las señales eléctricas que
pasan a través de ellos. Estos transistores están compuestos por 3
terminales(base, colector y emisor) y por medio de estos terminales
o conductores se conecta el transistor a la placa o circuito
electrónico. Cuando una corriente fluye a través del transistor NPN,
el terminal de la base del transistor recibe la señal eléctrica, el
colector genera una corriente eléctrica más fuerte que la que pasa
por la base y por el emisor pasa esta corriente más fuerte al resto
del circuito.
Este tipo de transistor se usa generalmente gracias a su facilidad de
producir. Para que el transistor NPN funcione correctamente, debe
de estar constituido por un material semiconductor, que es el que
permite pasar algo de corriente eléctrica, no de la misma cantidad
que lo harían otros materiales conductores como los metales.
PNP:es un transistor de unión bipolar construido intercalando un
semiconductor de tipo N entre dos semiconductores de tipo P . Un
transistor PNP tiene tres terminales: un colector (C), un emisor (E)
y una base (B). El transistor PNP se comporta como dos diodos de
unión PN conectados espalda con espalda.
Estos diodos de unión PN espalda con espalda se conocen como unión
colector-base y unión base-emisor. Con respecto a los tres terminales
del transistor PNP, el Emisor es una región que se utiliza para
suministrar portadores de carga al Colector a través de la región base.
La región del colector recoge la mayoría de los portadores de carga
emitidos por el emisor. La región base activa y
controla la cantidad de corriente que fluye a través del emisor al
colector.
Este funciona de la siguiente manera: El terminal positivo de una
fuente de voltaje (V EB ) está conectado con el emisor (tipo P) y el
terminal negativo está conectado con el terminal base (tipo N). Por lo
tanto, la unión Emisor-Base está conectada en polarización directa. Y
el terminal positivo de una fuente de voltaje (V CB ) está conectado
con el terminal Base (tipo N) y el terminal negativo está conectado
con el terminal Colector (tipo P). Por lo tanto, la unión colector-base
está conectada en polarización inversa. Debido a este tipo de sesgo,
la región de agotamiento en la unión Emisor-Base es estrecha, porque
está conectada en sesgo directo. Mientras que la unión Colector-Base
está en polarización inversa y, por lo tanto, la región de agotamiento
en la unión Colector-Base es amplia.
La unión de la base del emisor está en polarización directa. Por lo
tanto, una gran cantidad de orificios del emisor cruzan la región de
agotamiento y entran en la base. Simultáneamente, muy pocos
electrones entran en el emisor desde la base y se recombinan con los
huecos.
4.Zonas de trabajo de un transistor bipolar(BJT) Los
transistores de unión bipolar BJT por sus siglas en inglés (Bipolar
Junction Transistor), son dispositivos semiconductores de estado
sólido que permiten controlar el paso de corriente o disminuir
voltaje a través de sus terminales.
Los transistores BJT tienen muchas aplicaciones en el campo de la
electrónica, pero comúnmente son utilizados como interruptores
electrónicos, amplificadores de señales o como conmutadores de
baja potencia. Como ejemplo se usan para controlar motores,
accionar reveladores y producir sonidos en bocinas. Estos
transistores son muy comunes y de uso general los cuales pueden
encontrarse en cualquiera de los aparatos de uso cotidiano como en
radios, alarmas, automóviles,etc…
5.El transistor en zona activa. Zona literal. Recta de
carga
El transistor en zona activa permite el paso de un nivel de corriente
variable
La recta de carga es una ecuación que relaciona la intensidad del
colector con la caída del potencial colector emisor. Nos delimita las
zonas de trabajo, nos permite encontrar la zona lineal (activa) la de
saturación y la de corte
6.Características (curvas, representaciones gráficas) de
un transistor bipolar indicando las zonas de trabajo
Un transistor bipolar es un pequeño dispositivo electrónico de tipo
semiconductor, empleado para dar una señal de salida en franca
respuesta a una señal de entrada. Estos se construyen gracias a la
unión de los cristales semiconductores tipo P y N.
Las curvas características del transistor relacionan entre sí todas las
magnitudes de tensión e intensidad de corriente que se dan en él,
como son la tensión colector-emisor, la tensión base-emisor, la
tensión colector-base , la corriente de base, la corriente de colector
y la corriente de emisor. De esta forma, conociendo las curvas
características, se puede entender el funcionamiento del transistor,
así como determinar la mayor parte de los aspectos que lo definen,
como pueden ser el parámetro, resistencia de entrada y resistencia
de salida, ganancia de tensión, determinación del punto de
funcionamiento de un transistor y otras más.
7.El transistor, amplificador
Es un tipo de dispositivo electrónico semiconductor, capaz de
modificar una señal eléctrica de salida como respuesta a una de
entrada, sirviendo como amplificador, conmutador, oscilador o
rectificador de la misma.
Es un tipo de dispositivo de uso común en numerosos aparatos.
Los transistores tienen su origen en la necesidad de controlar el
flujo de la corriente eléctrica en diversas aplicaciones, como parte
de la evolución del campo de la electrónica
En la construcción de los transistores hoy en día se emplean
materiales como germanio (Ge), silicio (Si), arseniuro de galio
(GaAs) o aleaciones de silicio y germanio o silicio y aluminio.
Dependiendo del material usado, el dispositivo podrá resistir una
cantidad determinada de tensión eléctrica y una temperatura
máxima de calentamiento por resistencia.
El amplificador es un circuito electrónico capaz de incrementar la
intensidad de corriente, la tensión o la potencia de la señal que se le
aplica a su entrada; obteniéndose la señal aumentada a la salida.
Para amplificar la potencia es necesario obtener la energía de una
fuente de alimentación externa. En este sentido, se puede
considerar al amplificador como un modulador de la salida de la
fuente de alimentación.
8.Indica los 2 modelos de polarización más usuales, de
polarización fija con una fuente y polarización con 4
resistencias usando el equivalente de thevenin
Circuito de polarización universal
9.Transistor fet polarización y principio de
funcionamiento
Es un transistor de efecto de campo o transistor unipolar,fue
inventado al mismo tiempo que el transistor normal o bipolar.
No es muy común encontrarse en un circuito un transistor FET
aislado,estos suelen aparecer, más bien, insertos en circuitos
integrados.Otras veces aparecen incorporados, por ejemplo, en
las cápsulas microfónicas.
Este componente está formado por una delgada capa de
material semiconductor tipo N denominado canal. A los lado de
este aparecen dos regiones de material semiconductor tipo
P.En cada 1 de los extremos del canal se sitúa un
terminal.Así,tenemos un terminal de fuente y otro de sumidero.
Las dos regiones P se interconectan entre sí y,
exteriormente en el terminal de compuerta.
Este componente funciona de la siguiente forma:en los
transistores de unión bipolares, la corriente colector emisor se
controlaba gracias a la variación de la pequeña corriente que se
aplica a la base, realizándose la conducción tanto por
electrones como por huecos.
10.Transistor igfet. Variación con la anterior
Como sugiere el nombre, la puerta IGFET está aislada del canal. El
sustrato es una forma simplificada de estructura en la que la mayor
parte del material es silicio de baja conductividad. En el caso de los
IGFET de canal n, el sustrato es silicio de tipo p, en el que se inserta
un canal n delgado que termina en los electrodos fuente y drenaje.
La compuerta está separada del canal por una capa de dióxido de
silicio, que es un aislante que aísla la compuerta tanto de la fuente
como del drenaje. Se puede pensar en el dióxido de silicio como el
dieléctrico en un capacitor que consta de dos placas, donde una es
la puerta y la otra es el canal.
En un IGFET, el flujo de electrones de una fuente a otra es
nuevamente el mismo que en un JUGFET, y también se puede
lograr un efecto de recorte conectando la puerta a la fuente. Sin
embargo, variar el voltaje de la fuente de la puerta tiene un efecto
completamente diferente.
11.Transistor Mos polarización y principio de
funcionamiento. Polarización según los tipos de canal
El transistor semiconductor de óxido metálico (MOS) es el
componente básico de la mayoría de las memorias digitales,
procesadores y chips lógicos modernos. También es un
elemento
común en muchos circuitos integrados analógicos y de señal mixta.
Estos transistores se encuentran en una gran cantidad de
dispositivos electrónicos, desde teléfonos celulares y computadoras
hasta refrigeradores controlados digitalmente y equipos médicos
electrónicos. El transistor MOS es bastante versátil y puede
funcionar como interruptor, amplificador o resistencia. También se
conoce como un tipo particular de transistor de efecto de campo
(FET) llamado puerta aislada (IGFET) o MOS (MOSFET). El efecto de
campo se refiere al campo eléctrico de la carga en la puerta del
transistor.
El transistor MOS se fabrica sobre un sustrato de cristal
semiconductor, generalmente de silicio. El sustrato está cubierto con
una fina capa aislante, a menudo hecha de dióxido de silicio. Por
encima de esta capa está la puerta, típicamente hecha de metal o
silicio policristalino. La región de cristal en un lado de la puerta se
llama fuente, mientras que el otro es drenaje. La fuente y el drenaje
generalmente están «dopados» con el mismo tipo de silicio; el canal
debajo de la puerta está «dopado» con el tipo opuesto. Esto forma
una estructura similar a un transistor NPN o PNP estándar.
12.Transistor CMOS. Variación con el modelo anterior
El término CMOS significa semiconductor de óxido metálico
complementario y se refiere a una tecnología que utiliza óxidos
metálicos para construir circuitos electrónicos integrados, así como
los dispositivos creados con esa tecnología. Informalmente, este
tipo de dispositivos a menudo se denominan chips o circuitos
integrados, y algunas personas usan el término transistor CMOS
para referirse a un transistor contenido en un dispositivo CMOS. Los
dispositivos CMOS se utilizan principalmente para aplicaciones de
lógica digital de alta velocidad, como CPU de computadoras, chips
de memoria y otros circuitos integrados que dependen de la lógica
digital para realizar sus tareas asignadas. Como resultado, los
transistores se usan mucho en dispositivos CMOS como transistores
de conmutación que realizan las operaciones de conmutación de alta
velocidad necesarias en los circuitos lógicos.
Un transistor de conmutación es un dispositivo destinado a conducir
una señal eléctrica en un conjunto dado de circunstancias donde se
encenderá o apagará y, al hacerlo, realizará una función lógica. Un
transistor CMOS está compuesto por tres componentes: un colector,
un emisor y una base. Cuando el transistor tiene una señal en su
colector pero no en su base, o en su base pero no en su colector, no
conducirá una señal y permanecerá apagado. Solo se encenderá y
enviará una señal cuando reciba una señal tanto en su colector
como en su base. Por lo tanto, los transistores se pueden organizar
para realizar numerosas funciones lógicas. Estas disposiciones de
transistores en dispositivos CMOS se denominan puertas lógicas.
13.Transistores uniunión
Es un tipo de transistor compuesto por una barra de silicio tipo N o P
en cuyos extremos se tienen los terminales Base 1 y Base 2 . En un
punto de la barra más próximo a Base 2 se incrusta un material de
tipo P o N dando lugar al terminal de emisor.
Cuando se polariza el transistor la barra actúa como un divisor de
tensión apareciendo una VEB1 de 0,4 a 0,8v. Al conducir el valor de
RB1 se reduce notablemente. Observa el circuito equivalente.