Transistores de unin bipolar y de

efecto de campo Capitulo 3

Miguel Toalombo

Transistor de unin bipolar Bipolar Junction transistor (BJT)

Dispositivo electrnico de estado solido

Permite controlar el paso de corriente a travs de sus terminales

Denominacin bipolar conduccin por desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos).

Impedancia de entrada bastante baja

Construccin de Transistores Bipolar Junction transistor (BJT)

Dispositivo semiconductor de tres capas: dos capas de material tipo n y una capa tipo p (npn), o bien

de dos capas de material tipo p y una tipo n (pnp).

Capa del emisor dopada, base dopada, colector dopada.

Capas exteriores espesores mucho mayores que el material tipo p o n al que circundan.

La proporcin del espesor total respecto al de la capa central es de 0.150/0.001 = 150:1

Dopado de la capa central es mucho menor que el dopado de las capas exteriores.

El nivel bajo de dopado disminuye la conductividad

Operacin del Transistor Flujo muy considerable de portadores mayoritarios

desde el material tipo p hacia el tipo n.

Unin con polarizacin directa de un transistor pnp

El flujo de los portadores

mayoritarios es cero, y

da por resultado solo un

flujo de portadores

minoritarios.

Unin con polarizacin inversa de un transistor pnp

Flujo portadores

mayoritarios y

minoritarios.

Flujo de portadores mayoritarios y minoritarios de un transistor pnp

= +

Corriente del colector formado por dos componentes. Portadores mayoritarios y minoritarios Componente minoritario=corriente de fuga

= +

Transistores npn y pnp

Configuracin de Emisor Comn

Debido a que el emisor es comn o hace referencia a las terminales tanto de entrada como

de salida (en este caso es comn tanto a la

terminal de base como a la de colector).

En la regin activa de un amplificador de base comn la unin

del colector-base se encuentra polarizada inversamente,

mientras que la unin base-emisor se encuentra polarizada

directamente

Para la configuracin del emisor comn, las

caractersticas de salida de la corriente de salida () en funcin del voltaje de salida () para un rango de valores de corriente de entrada () . Las caractersticas de entrada de la corriente de entrada

() en funcin del voltaje de entrada () para un rango de voltaje de salida ()

=

=

=

Para esta configuracin

= 0 =

=

= +

=

=

=

Diodo Base-Colector

Diodo Base - Emisor

Diodo Colector Polarizado en Inversa

Diodo Emisor Polarizado en directa

EMITE

Diodo polarizado En inversa

Polarizando Diodo Emisor en directa

(+)

Puntos de Trabajo

Curvas del transistor

Regin activa

Regin de corte

Regin de saturacin

La ganancia de corriente de cd de un transistor es la relacin de la

corriente continua de colector y la corriente continua de la base.

Prctica 1 Transistor npn 2N2222

1 Diodo led rojo

1 Resistencia de 330

1 Resistencia de 1 K

Medir Corriente Base, Corriente del Colector, Corriente del emisor

Elemento comn la tierra

Curva q se genera

Puntos de trabajo: corte, saturacin y activa

Miguel Toalombo

Puntos de trabajo :activa En la regin activa de un amplificador de base comn

la unin del colector-base se encuentra polarizada inversamente, mientras que la unin base-emisor se encuentra polarizada directamente.

Recuerde que estas son las mismas condiciones que existieron en la regin activa de la configuracin de base comn. La regin activa de la configuracin de emisor comn se puede emplear tambin para la amplificacin de voltaje, corriente o potencia.

La razn de esta diferencia en las caractersticas del

colector puede obtenerse a travs del manejo

adecuado de las

Para propsitos de amplificacin lineal (la menor

distorsin), el corte para la configuracin de emisor

comn se definir mediante le= IcEo

La condicin ideal de corte debe ser le= O mA para

el voltaje elegido Vce Debido a que lcw suele ser

bajo en magnitud para los materiales de silicio, el

corte existir para fines de conmutacin cuando 18

=O A o le= ICEO'peroslo para los transistores de

silicio. Sin embargo, para los transistores de germanio,

el corte para.fines de conmutacin se definir

mediante las condiciones que existan cuando le=

leso

LMITESDE OPERACIN Para cada transistor hay una regin de operacin

sobre las caractersticas, las cuales asegurarn que

no se rebasen los valores mximos y que la seal de

salida exhiba una distorsin mnima.

Algunos de los lmites de operacin se explican por s solos, tales como la corriente mxima del colector (a

la que por lo regular se hace mencin normalmente

en la hoja de especificaciones como corriente

continua del colector) y voltaje mximo del colector

al emisor (que a menudo se abrevia como VCEO o

V(BR)CEO en la hoja de especificaciones).

LMITESDE OPERACIN

las caractersticas que se define como VCE,,, especifica el VCE mnimo que puede aplicarse

sin caer en la regin no lineal denominada

como regin de saturacin. El nivel de VCE,"

suele encontrarse en las proximidades de los 0.3 V

que se especifican para este transistor.

El nivel mximo de disipacin se define mediante la ecuacin siguiente:

HOJA DE ESPECIFICACIONESDE TRANSISTORES

Debido a que la hoja de especificaciones es el enlace de comunicacin entre el fabricante y el usuario, es

muy importante que la informacin que incluye se

reconozca y se entienda con claridad

El 2N4123 es un transistor npn de uso cuya identificacin de encapsulado y terminales

aparecen en la esquina superior derecha de la

figura 3.23a. Casi todas las hojas de

especificaciones se desglosan en valores

nominales mximos, caractersti- cas trmicas y

caractersticas elctricas. Las caractersticas

elctricas se desglosan despus en "encendido",

"apagado" y en caractersticas de pequea seal.

Antes de concluir esta descripcin de las

caractersticas, obsrvese el hecho de que no se

proporcionan las caractersticas reales del colector.

De hecho, casi todas las hojas de especifi- caciones

que presentan la mayora de los fabricantes omiten

proporcionar las caractersticas completas. Es de

esperarse que los datos que se proporcionan sean

suficientes para utilizar de manera eficaz el dispositivo

en el proceso de diseo.

Transistores de efecto de campo

El transistor de efecto de campo (FET) (por las siglas

en ingls de Field Effect Transistor) es un dispositivo de

tres terminales que se utiliza para aplicaciones

diversas que se asemejan, en una gran proporcin. a

las del transistor BJT. Aunque existen importantes

diferencias entre los dos tipos de dispositivos, tambin

es cierto que tienen muchas similitudes que se

presentarn a continuacin

Tipos y configuracin

CONSTRUCCIN Y CARACTERSTICAS DE LOS

JFET

El JFET es un dispositivo de tres terminales, con una

terminal capaz de controlar la comente de las otras

dos.

La construccin bsica del JFET - la mayor parte de la estructura es del material de tipo-n que forma el canal entre las capas interio- res del material de tipo p.

La parte superior del canal de tipo n se encuentra conectada por medio de un contacto hmico a la terminal referida como el drenaje (D), mientras que el extremo inferior del mismo material se conecta por medio de un contacto hmico a una terminal referida como la fuente (S) (por su sigla en ingls, Source).

Recuerde tambin que la regin de agotamiento es

aquella que no presenta portadores libres y es, por

tanto, incapaz de soportar Ja conduccin a travs

de la regin.

V GS = O V, VDS algn valor positivo

En la figura se ha aplicado un voltaje positivo VDS a travs del canal, y la entrada se conect

directamente a la fuente con objeto de establecer

la condicin Ves= O V. El resultado es que la

compuerta y la fuente tienen el mismo potencial y

una regin de agotamiento en el extremo inferior

de cada material-p similar a la distribucin de la

condicin de sin polarizacin

Configuracin de JFET

Es importante observar que la regin de agotamiento es ms amplia cerca de la parte superior de ambos

materiales de tipo p. La razn por el cambio de tamao

de la regin se describe en la figura. Suponiendo una

resistencia uniforme en el canal-n, la resistencia del

canal se puede desglosar en las divisiones que posee.

La corriente ID establecer los niveles de voltaje a travs

del canal que se indican en la misma figura.

El resultado es que la regin superior del material de tipo p estar polarizada de manera inversa con cerca de 1.5

V, con la regin inferior polarizada en forma inversa

nicamente con 0.5 V

Recuerde que mientras mayor es la polarizacin inversa aplicada, ms ancha es la regin de

agotamiento.

IDSS es la corriente mxima de drenaje para un JFET y est definida mediante las condiciones

= 0 y >

= 0 V para toda la curva. Los siguientes prrafos describen la manera en que las

caractersticas resultan afectadas por los

cambios en el nivel de

< 0V

El voltaje de la compuerta a la fuente denotado por es el voltaje que controla al JFET

El nivel de VGS que da por resultado = 0mA se encuentra definido por = siendo un voltaje negativo para los dispositivos de canal-n y un voltaje

positivo para los JFET de canal-p

Resistor controlado por voltaje

La regin a la izquierda del estrechamiento

es conocida como la regin hmica o de resistencia controlada por voltaje.

En esta regin al JFET se le usa en realidad como un resistor variable (posiblemente para un sistema de control de ganancia automtica) cuya resistencia se encuentra controlada por medio del voltaje de la compuerta a la fuente

CARACTERSTICAS DE TRANSFERENCIA

La relacin entre y se encuentra definida por la ecuacin de Shockley:

Las caractersticas de transferencia definidas por la ecuacin de Shockley no

resultan afectadas por la red en la cual se

utiliza el dispositivo.

HOJAS DE ESPECIFICACIONES (JFET)

Configuracin del MOSFET

Los MOSFET se desglosan ms adelante en tipo decremental y en tipo incremental. Los

trminos agotamiento e incremental definen su

modo bsico de operacin, mientras que la

etiqueta MOSFET significa transistor de efecto

de campo metal-xido-semiconductor.

Debido a que existen diferencias en las caractersticas y en la operacin de cada tipo

de MOSFET, se han cubierto en secciones por

separado.

MOSFET DE TIPO DECREMENTAL

TIOPO-n

Construccin bsica

La construccin bsica del MOSFET de tipo

decremental de canal-n se proporciona en la

figura siguiente. Una placa de material tipo p

est formada a partir de una base de silicio y

se le conoce como substrato, que es la base

sobre la que se construye el dispositivo.

En algunos casos el substrato se encuentra

conectado interiormente con la terminal de

la fuente

Las terminales de fuente y compuerta estn conectadas por medio de contactos metlicos a las regiones dopadas-n unidas por un canal-n como se muestra en la figura. La compuerta se encuentra conectada tambin a una superficie de contacto metlico, pero permanece aislada del canal-a por medio de una capa muy delgada de dixido de silicio (Si2).

El Si02 es un tipo particular de aislante conocido como dielctrico que ocasiona campos elctricos opuestos (como se indica por el prefijo di)

No existe conexin elctrica directa entre la terminal de la compuerta y el canal de un MOSFET

De hecho. la resistencia de entrada de un MOSFET es a menudo igual a la del JFET

normal, aun cuando la impedancia de

entrada de la mayora de los JFET es lo

suficientemente alta para la mayora de las

aplicaciones

Operacin bsica y caractersticas del

MOSFET

El voltaje compuerta-fuente se hace cero voltios mediante la conexin directa de una terminal a la otra, y se aplica un voltaje a travs de las terminales del drenaje y fuente.

El resultado es una atraccin por el potencial positivo del drenaje para los electrones libres del canal-n y una corriente similar a aquella establecida a travs del canal del JFET

Es particularmente interesante y til que la ecuacin de Shockley siga aplicndose para las caractersticas del MOSFET de tipo decremental tanto en la regin de agotamiento como en la incremental.

Para ambas regiones simplemente es necesario que se incluya el signo adecuado de en la ecuacin. y que el signo sea seguido con cuidado en las operaciones matemticas.

EJEMPLO

Trace las caractersticas de transferencia para un MOSFET de tipo decremental de

canal-n con

= 10 mA y = -4 v.

MOSFET DE TIPO INCREMENTAL

Aunque existen muchas similitudes en la

construccin y modo de operacin entre los MOSFET de tipo decremental y de tipo incremental, las caractersticas del MOSFET de tipo incremental son bastante diferentes de cualquier otro que hasta ahora obtuvimos.

La curva de transferencia no est definida por la ecuacin de Shockley, y la corriente de drenaje ahora est en corte hasta que el voltaje compuerta-fuente alcance una magnitud especfica.

Construccin bsica

La construccin bsica del MOSFET de tipo incremental de canal-n se ofrece en la figura 5 .31. Una placa de material tipo p se forma a partir de una base de silicio y una vez ms se le conoce como substrato.

El substrato algunas veces se conecta a la terminal de la fuente.

Las terminales de la fuente y drenaje se conectan una vez ms por medio de contactos metlicos a regiones dopadas n, pero se observa en la figura 5 .31 la ausencia de un canal entre las dos regiones dopadas n.

Operacin bsica y caractersticas Si VGs se hace O V y se aplica un voltaje

entre el drenaje y la fuente del dispositivo, la

ausencia de un canal- (con su generoso

nmero de portadores libres) dar por

resultado una corriente de cero amperes

efectivos, una diferencia grande con el

MOSFET y JFET de tipo decremental donde

=

Tanto como estn en algn voltaje positivo mayor de cero voltios, estableciendo al drenaje y la compuerta a un potencial positivo respecto a la fuente.

El potencial positivo en la compuerta presionar los huecos (porque las cargas iguales se repelen) del substrato p a lo largo del filo de la capa de Si2 con objeto de dejar esa rea y entrar a regiones ms profundas del substrato p. como se muestra en la figura.

Cuando se incrementa ms all del nivel de umbral, la densidad de los portadores

libre en el canal inducido se incrementan,

dando por resultado un nivel mayor de

corriente de drenaje.

Al aplicar la ley de voltaje de Kirchhoff a los voltajes de las terminales del MOSFET

El nivel de saturacin para est relacionado con el nivel de aplicado por

Para los valores de menores que el nivel de umbral, la corriente de drenaje de un

MOSFET de tipo incremental es de O mA.

Ejercicios Diodo Zener Para asegurar el diodo permanezca en la regin de

tensin constante (ruptura), se examinan los dos

extremos de las condiciones de entrada-salida.

La corriente a travs del diodo es mnima cuando la corriente de carga es mxima y la fuente de tensin es mnima.

La corriente a travs del diodo es mxima cuando la corriente de carga es mnima y la fuente de tensin es mxima.

Cuando las caractersticas de los dos extremos se

insertan, se encuentra

Condicin 1: =

+

Condicin 2: =

+

Se igualan las dos ecuaciones para obtener

+ = +

Disese un regulador Zener para cada una de las

siguientes condiciones:

a) La corriente en la carga varia de 100 mA a 200 mA y

la fuente de tensin varia de 14 V a 20 V

b) La corriente en la carga varia de 20mA y la fuente

de tensin varia de 10.2 a 14 V. Diodo Zener 10 V

a) El diseo consiste en elegir el valor apropiado de

la resistencia, , y la estimacin de potencia para el Zener. En primer lugar se utilizan las ecuaciones

de esta seccin para calcular la mxima corriente

en el diodo Zener y luego encontrar el valor del

resistor de entrada.

= 0.1 10 14 + 0.2(20 20)

14 0.9 10 0.1(20)

=1.6

3= 0.533

Entonces =

+ =

20 10

0.533+0.1= 15.8

No es suficiente especificar solo la resistencia de , tambin se debe seleccionar el resistor apropiado

que maneje la potencia estimada. La mxima

potencia est dada por el producto de la tensin por

la corriente, utilizando el mximo de cada valor.

=

= +

= 0.63 10 = 6.3

Por ultimo se debe realizar la estimacin de potencia

del diodo Zener. La mxima potencia disipada en el

diodo Zener est dada por el producto de la tensin

y la corriente

= = 10 0,53 = 5,3

b) Repitiendo los pasos para los parmetros de la parte (b), se obtiene.

= 0.02 10 10.2 + 0.2 14 10

10.2 0.9 10 0.1(14)= 4

El valor negativo de indica que el margen entre no es lo bastante grande para permitir la variacin de la corriente en la carga. Esto es bajo la condicin del peor caso de 10.2 V de entrada y 200 mA en la carga, no es posible para el Zener mantener 10 V a travs de sus terminales.

Ejercicio JFET Determine para un JFET cuya = 7 , =

3.5 , = 15 . Elijase una posicin razonable para el punto Q.

Solucin: Se comienza seleccionando el punto Q

Ejercicio de MOSFET

Calculese la corriente de drenaje iD para el MOSFET de empobrecimiento con los siguientes valores de

Solucin

Dond = 7, = 3.5