Transistores: BJT, JFET, MOSFET, Amplificación y Conmutación

BLOQUE II
TEMA 6. TRANSISTORES
D. MIGUEL ÁNGEL ZAMORA IZQUIERDO
1
TRANSISTORES
Índice
• Índice.
•
•
•
•
•
Definiciones del transistor
Transistor de unión bipolar (BJT)
Transistores JFET
Amplificación en pequeña señal
El transistor en conmutación
2
Definiciones del
transistor
3
TRANSISTORES
Definiciones del transistor
• Transistor (transfer resistor)
• Son dispositivos no lineales.
• Dispositivo semiconductor con tres terminales utilizado como amplificador e
interruptor en el que una pequeña corriente (BJT) o tensión (FET) en uno de
los terminales controla o modula la corriente entre los otros dos terminales.
• Existen dos grandes familias: transistores de unión bipolar (BJT) y de efecto de
campo (FET).
• Ambos tipos de transistores se pueden usar como amplificadores de señales y
como conmutadores.
• Es el componente fundamental de la moderna electrónica analógica. En
circuitos analógicos fundamentalmente como amplificadores y en circuitos
digitales (puertas lógicas, memorias RAM, microprocesadores, etc.) como
interruptores.
4
El transistor de unión
bipolar (BJT)
5
TRANSISTORES
El transistor de unión bipolar (BJT)
• Dispositivo de tres terminales (Emisor, Base y Colector)
•
•
•
•
N
Equivalente a dos diodos unidos en sentido opuesto
En función de las uniones, existen dos tipos: NPN y PNP
La unión Base-Emisor se polariza en directa, y la Base-Colector en inversa
El emisor emite portadores de carga hacia la base (con menor concentración),
donde se gobiernan los portadores hacia el colector. El colector recoge los
portadores que no puede acaparar la base (la mayoría).
P
N
P
N
P
6
TRANSISTORES
El transistor de unión bipolar (BJT)
• PNP y NPN
• Las tensiones de continua aplicadas en un PNP son opuestas a las del NPN.
• Las corrientes en un PNP fluyen en sentido contrario al del NPN.
• En un NPN el emisor emite electrones que llegan a la base y posteriormente al
colector.
• En un PNP el emisor emite huecos hacia la base. El exceso de huecos que no
puede recambiarse en la base van al colector.
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TRANSISTORES
El transistor de unión bipolar (BJT)
• Configuraciones del BJT
• Se estudia el transistor como un
cuadripolo (dos terminales de entrada y
dos de salida).
• Según el terminal común a entrada y
salida hay tres configuraciones: BC, EC y
CC.
• El montaje en Emisor común (EC) se
aproxima más al amplificador de
corriente ideal.
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TRANSISTORES
El transistor de unión bipolar (BJT)
• Modos o Zonas de trabajo del BJT
•
•
•
•
Zona Activa-Directa: se cumple que iC=βiB o bien iE=(β+1)iB .
Zona de Corte: se cumple que iE=iC=iB=0 (El TR como interruptor abierto).
Zona de Saturación: se cumple que VCE≈0.2V (El TR como interruptor cerrado).
Zona Activa-Inversa. Sin utilidad
• Zona Activa para Amplificación y Zona Corte-Saturación para
Conmutación.
POLARIZACION DE LA UNION
MODO
EMISOR - BASE
COLECTOR – BASE
Activo - Directo
Directa
Inversa
Corte
Inversa
Inversa
Saturación
Directa
Directa
Activo - Inverso
Inversa
Directa
9
TRANSISTORES
El transistor de unión bipolar (BJT)
• Modelos de los modos de trabajo del BJT
10
TRANSISTORES
El transistor de unión bipolar (BJT)
• Amplificación (Zona Activa).
• Se cumple siempre que iC=βiB , pero β es sensible con la
temperatura. Además puede no coincidir en dos transistores
del mismo tipo.
• Los circuitos de Polarización insensibilizan al transistor
frente a variaciones de β.
• La Recta de Carga estática refleja todos los posibles puntos
de funcionamiento que pueden darse cumpliendo la
ecuación de malla de colector.
• El Punto de Trabajo o Reposo, situado sobre la recta de
carga, determina el valor de la tensión VCE y la corriente de
colector IC (y la de base con iC=βiB ).
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TRANSISTORES
El transistor de unión bipolar (BJT)
• Curvas características básicas
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TRANSISTORES
El transistor de unión bipolar (BJT)
• Representación de los modos de trabajo de un BJT en EC.
Distorsión de la señal
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TRANSISTORES
El transistor de unión bipolar (BJT)
• Potencia disipada por un BJT
• En un BJT se disipa potencia como consecuencia de un paso de
corriente existiendo una caída de potencial
• Los puntos donde se disipa son las uniones. Aplicando Joule:
PBE=VBEIE (unión emisor) y PCE=VCEIC (unión colector).
• Al ser la VBE mucho menor que VCE, se puede simplificar: P=VCEIC
• Esta potencia es la que hace que aumente la temperatura de la
unión. La potencia siempre debe ser menor que Pmáx dada por el
fabricante.
14
El transistor de efecto
de campo (FET)
15
TRANSISTORES
El transistor de efecto de campo (FET)
• Generalidades
• En los BJT una corriente grande es controlado por otra corriente,
en los FET la corriente grande es controlada por una tensión. El
apagado y encendido por tensión es más fácil que por
corriente.
• Existen dos grandes grupos de FET: los de unión (JFET) y los de
metal-óxido (MOSFET).
• Los FET son la siguiente generación de transistores a los BJT.
Son más fáciles de fabricar, pudiéndose incluir mayor número en
un chip. Son el elemento básico de la electrónica digital.
• Su elevada impedancia de entrada permite que almacen la
carga durante tiempo suficiente para usarse como elementos de
almacenamiento
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TRANSISTORES
El transistor de efecto de campo (FET)
• Clasificación
CANAL N
TRANSISTOR
DE EFECTO CAMPO
DE UNIÓN (JFET)
CANAL P
CANAL N (NMOS)
TRANSISTORES
DE METAL OXIDO
SEMICONDUCTO
R DE EFECTO
CAMPO
(MOSFET)
ACUMULACION
O
CANAL P (PMOS)
ENRIQUECIMIENTO
CANAL N
DEPLEXION
O
EMPOBRECIMIENTO
CANAL P
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TRANSISTORES
El transistor de efecto de campo (FET)
• El Transistor JFET
•
•
•
•
La estructura física de un JFET (transistor de efecto campo de unión) consiste en un
canal de semiconductor tipo n o p dependiendo del tipo de JFET, con contactos óhmicos
(no rectificadores) en cada extremo, llamados FUENTE o SURTIDOR (S) y DRENADOR (D).
A los lados del canal existen dos regiones de material semiconductor de diferente tipo al
canal, conectados entre sí, formando el terminal de PUERTA (G). El JFET de canal P tiene
una estructura inversa al de canal N.
En la unión pn, al polarizar en inversa la puerta y el canal (VGS), una capa del canal
adyacente a la puerta se convierte en no conductora, es la zona de carga espacial o
deplexión.
En un JFET canal n, D es positivo respecto a S, la corriente ID va de D a S y es controlada
por VGS . Es decir, la resistencia del canal depende de VGS .
Cuando la zona de deplexión ocupa todo el canal, se llega al corte, con la tensión VGSoff
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TRANSISTORES
El transistor de efecto de campo (FET)
• Curvas características del JFET
• Atendiendo a la gráfica de salida (a), Haciendo VGS=0 y Variando VDS:
• Para valores de VDS pequeños, ID es proporcional a VDS (ZONA ÓHMICA).
• A valores mayores de VDS, la corriente ID aumenta cada vez más lentamente (la zona de
deplexión se hace más ancha y la resistencia del canal aumenta), haciendo que ID sea casi
constante para incrementos de VDS (ZONA SATURACIÓN).
• El paso entre las dos zonas se produce en el valor de tensión de estrangulamiento Vp, para
VGS=0.
• Atendiendo a la gráfica de entrada (b), si ahora variamos VGS:
• Si VGS<VGSoff, el dispositivo estará en ZONA DE CORTE.
VDS≤(VGS-VGSoff)
VDS≥(VGS-VGSoff)
IDSS=18mA
Zona Saturación (amplificación):

V 
I D  Ι DSS 1  GS 
 V

GSoff 

2
IDSS
(a)
Vp= 3V
VGSoff=-Vp
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(b)
TRANSISTORES
El transistor de efecto de campo (FET)
• El Transistor MOSFET de Acumulación
•
•
•
La estructura de un MOSFET (Metal Oxido Semiconductor FET), consta de cuatro terminales:
Drenador (D), Fuente (S), Puerta (G) y Sustrato (B). En los NMOS (MOSFET de canal N), el
sustrato es un semiconductor tipo p. Generalmente, el sustrato se conecta a la fuente.
La puerta se halla aislada del sustrato por una fina capa de dióxido de silicio y por el terminal
de la puerta fluye una corriente despreciable.
Cuando se aplica en G una tensión positiva respecto a S, los electrones se ven atraídos a la
región situada bajo G, induciéndose un canal de material de tipo n entre D y S . Si se aplica
entonces una tensión entre D y S, fluirá una corriente de electrónes desde S a D a través del
canal. La corriente de drenador está controlada por la tensión aplicada en G.
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TRANSISTORES
El transistor de efecto de campo (FET)
• El Transistor MOSFET de Acumulación
Zona Saturación (amplificación):
ID 
K
V GS VT 2
2
Siendo Vt la tensión de corte
(Vgsoff en el JFET) y K una
constante del dispositivo medida en
mA/V2
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TRANSISTORES
El transistor de efecto de campo (FET)
• El Transistor MOSFET de Deplexión
• Tiene las curvas características casi idénticas a las de los JFET.
• Existe un delgado canal de material semiconductor tipo n que comunica la
fuente con el drenador. Encima de éste canal, se encuentra el material aislante
y la capa metálica (aluminio o silicio policristalino), que forma la puerta.
• La diferencia de funcionamiento con el JFET de canal n reside en que el
MOSFET de deplexión puede funcionar con valores positivos de Vgs, mientras
que esto no se puede hacer en el JFET (polarización directa de la puerta).
• Las curvas de características de salida son casi idénticas, y las ecuaciones del
JFET de canal n se pueden aplicar al MOSFET de deplexión de canal n.
22
Amplificación en
pequeña señal
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TRANSISTORES
Amplificación en pequeña señal
• Introducción
• El transistor BJT:
• Trabaja en amplificación en Zona Activa.
• Trabaja en conmutación en las Zonas Corte-Saturación.
• El transistor FET:
• Trabaja en amplificación en Zona de Saturación.
• Trabaja en conmutación en las Zonas Corte-Óhmica.
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TRANSISTORES
Amplificación en pequeña señal
• Introducción
• El amplificador es uno de los bloques funcionales más
importantes en los sistemas electrónicos analógicos.
• Necesitan la polarización en continua del transistor, definiendo
un punto de trabajo Q, en torno al cual se moverá la señal de
entrada.
• Sin entrar en el estudio en frecuencia, las características más
importantes en un amplificador son su Ganancia, Impedancia
de Entrada e Impedancia de salida.
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TRANSISTORES
Amplificación en pequeña señal
• Conceptos básicos sobre amplificadores
• Cuadripolo: dispositivo de dos terminales de entrada y dos de salida.
• La relación entre la señal de salida y la de entrada es la Ganancia.
• Modelos de Amplificadores:
A. de Tensión: ganancia como una fuente de
tensión controlada por tensión.
A. de Corriente: ganancia como una fuente de
corriente controlada por corriente.
A. de Transconductancia: ganancia como una
fuente de corriente controlada por tensión.
A. de Transresistencia: ganancia como una
fuente de tensión controlada por corriente.26
TRANSISTORES
Amplificación en pequeña señal
• Modelo del amplificador de tensión
• Produce una señal de salida con la misma forma de onda que la
señal de entrada pero con mayor amplitud.
–
–
–
–
Resistencia de entrada:
Ri = Vi / Ii
Resistencia de salida:
Ro = Vo / Io
Ganancia de tensión en circuito abierto: Avo = Vo / Vi (si Io = 0 A)
Ganancia de Potencia: G= Ps/Pe = VsIs/VeIe = Av.Ai
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TRANSISTORES
Amplificación en pequeña señal
• Rendimiento
• La potencia que los circuitos internos necesitan los proporciona
una fuente de alimentación.
• Rendimiento o eficiencia η= Po/Pi
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TRANSISTORES
Amplificación en pequeña señal
• Medidas en decibelios
• La ganancia en potencia se suele expresar en decibelios (dB),
siendo GdB = 10 log G = 10 log (Ps / Pe)
• Si la salida es mayor que la entrada (amplificador), la ganancia en dB es
positiva.
• Si la salida es menor que la entrada (atenuador), la ganancia en dB es
negativa.
• En amplificadores en cascada, la ganancia total es el producto
de sus ganancias: G = G1*G2. Si trabajamos en dB las ganancias
se suman.
• La ganancia en tensión en decibelios: AvdB = 20 log |Av|
29
El transistor en
conmutación
30
TRANSISTORES
El transistor en conmutación
• BJT en conmutación
• Los circuitos de conmutación son aquellos en los que el paso de
bloqueo a saturación se considera inmediato, es decir, el transistor no
permanece en la zona activa.
• Los circuitos típicos del transistor en conmutación son los
multivibradores y la báscula de Schmitt.
• Los multivibradores se aplican en los sistemas electrónicos de
temporización, generación de señales cuadradas, intermitencias, etc.
• Las básculas de Schmitt tienen su principal aplicación en sistemas de
detección que utilizan sensores, de forma que se comporta como un
interruptor activado por las variaciones de algún parámetro físico
detectado por el sensor.
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TRANSISTORES
El transistor en conmutación
• BJT en conmutación
• CORTE:
•
•
•
•
El BJT en corte tiene su Ib a cero amperios.
La Ic es igual a la de fugas: Iceo (del orden de nA a T=300ºK)
La tensión Vce es Vcc si se desprecia la caída producida por la corriente de fugas.
El BJT se comporta como un interruptor abierto.
• SATURACION:
• En esta zona la Vce es aproximadamente de 0,2 voltios.
• La Ic es aproximadamente igual a Vcc dividido por la suma de resistencias en la malla de
colector – emisor.
• Se comporta como un interruptor cerrado.
• El tiempo de conmutación de un estado a otro limita la
frecuencia máxima de trabajo.
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TRANSISTORES
El transistor en conmutación
• FET en conmutación
• Al igual que el BJT, los FET pueden trabajar como un interruptor,
aunque en este caso en vez de trabajar entre corte y saturación, se
trabaja entre corte y zona óhmica.
Rd
Rd
Vsal
Ve n
Vsal
1
Ve n
Vg s
2
J2 N38 19
0
Rd s
0
Rd s
J2 N38 19
Ve n
Vsal
Ve n
1
2
Rd
Vg s
0
• La razón conexión-desconexión
es la relación entre la señal de
salida a nivel alto, y la señal de
salida a nivel bajo. Cuanto
mayor sea, más fácil será
discriminar entre ambos
estados.
Vsal
Rd
Rds << Rd
0
33
TRANSISTORES
El transistor en conmutación
• El NMOS en conmutación
Vd d
• Ideal para uso en computadoras.
(a)
Rd
• Inversor con carga pasiva (a)
• Si Ven < Vt (tesión de corte), estará en
corte, y la Vsal=Vdd.
• Si Ven > Vt, estará en conducción (zona
óhmica), y Vsal cae a un valor muy
pequeño.
• Inversor con carga activa ( mejor
integración en chip)(b)
Ve n
Vd d
IRF15 0
(b)
0
IRF15 0
Vsal
Ve n
IRF15 0
• El MOSFET inferior actúa como
conmutador y el superior sustituye a la
carga pasiva.
(c)
0
• Inversor CMOS (MOS
complementarios)(c)
• Cuando uno conduce, el otro está en
corte.
• Tiene un consumo extremadamente bajo.
Vsal
M1
Vd d
Ve n
Vsal
Rds << Rd
034
TRANSISTORES
Bibliografía
• Hambley, A.R., “ELECTRONICA”. Pearson Educación S.A. Madrid 2001
• Malvino “Principios de Electrónica” McGraw Hill 2000
• Zamora M.A. y Villalba G. “Problemas de electrónica con Orcad Pspice”
Universidad de Murcia, 2004.
• Benlloch, Jose V., “PROBLEMAS RESUELTOS DE ELECTRONICA” Universidad
de Valencia.
• Rashid, Muhammad H., “CIRCUITOS MICROELECTRONICOS. ANALISIS Y
DISEÑO”. Thomson 2002
• Floyd, Thomas “Dispositivos Electrónicos” 3ª Edición. Noriega Editores
• Jacob Millman, Ph. D, “Microelectrónica” Tomo I. Editorial Hispano Europea,
S.A.
• Transistor MOSFET: https://www.youtube.com/watch?v=9JKj-wlEPMY
• Transistor BJT: https://www.youtube.com/watch?v=7ukDKVHnac4
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