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Profesor: Carlos ValhorratAlumna: De Blasis Bárbara5to Año TM – Viernes
Informe sobre Transistores
5to Año TM – Viernes [INFORME SOBRE TRANSISTORES]
Indice del Documento:
Indice del Documento:....................................................................................................2
Introducción...................................................................................................................3
¿Que es un transistor?...............................................................................................................3Historia de los transistores.........................................................................................................3Regiones Operativas del transistor............................................................................................4Tipos de transistores..................................................................................................................5Los transistores y su simbología................................................................................................5TRANSISTORES BJT..........................................................................................................6
Tipos de transistores de unión bipolar.......................................................................................6NPN..........................................................................................................................6
PNP..........................................................................................................................6
Transistor Bipolar de Heterounión............................................................................6
Curva característica de los BJT...................................................................................................7Aplicaciones del BJT, usos y ventajas principales.......................................................................7TRANSISTORES FET.........................................................................................................8
Curva característica de los FET..................................................................................................9Aplicaciones de JFET.................................................................................................................11TRANSISTORES MOSFET................................................................................................12
Curva característica de los MOSFET.........................................................................................12Aplicaciones de los transistores MOSFET.................................................................................14
Ventajas.................................................................................................................14
FOTOTRANSISTOR.........................................................................................................14
Curvas de funcionamiento de un fototransistor........................................................................15Aplicaciones de Fototransistor.................................................................................................15Links de Noticias de interés sobre el tema tratado..................................................................15
Introducción2
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¿Que es un transistor?
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia").
Los transistores son unos elementos que han facilitado, en gran medida, el diseño de circuitos electrónicos de reducido tamaño, gran versatilidad y facilidad de control.
Vienen a sustituir a las antiguas válvulas termoiónicas de hace unas décadas. Gracias a ellos fue posible la construcción de receptores de radio portátiles llamados comúnmente "transistores", televisores que se encendían en un par de segundos, televisores en color... Antes de aparecer los transistores, los aparatos a válvulas tenían que trabajar con tensiones bastante altas, tardaban más de 30 segundos en empezar a funcionar, y en ningún caso podían funcionar a pilas, debido al gran consumo que tenían.
Historia de los transistores
El transistor se ha venido considerando desde hace tiempos como el mayor invento realizado en el siglo XX. Este dispositivo electrónico básico, de tres terminales, originó los circuitos integrados y todos los elementos de la alta escala de integración. Son muchas las personas y los científicos que aseguran que la era de la comunicación estableció una base perfecta gracias al transistor.
Este dispositivo fue creado en los Laboratorios Bell de AT&T; los cuales buscaban un conmutador que reemplazara a los relés y los sistemas de barras, y que se utilizara en la telefonía. El transistor germina de la unión de tipo PNP o del NPN. Su nombre fue dado por J.P Pierce. Según Quentin Kaiser sin no se hubiera originado los detectores de cristal (que eran muy necesarios para el radar de UHF y los microondas) no se hubiera
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creado estos transistores con las prestaciones que hoy en día le caracteriza. La patente de invención estuvo en secreto por siete meses, hasta que se pudo detallar de manera ordenada el funcionamiento de este dispositivo. La patente fue entregada a Walter Brattain y a John Bardeen por su transistor de punta de contacto. En el año 1951 fue que surgió el transistor de juntura que fue concedida a William Shonckley.
Un idea del comportamiento que realiza el transistor se puede apreciar usando un indicador de corriente, una fuente de tensión continua y dos resistencias con interruptores. Las resistencias se deben de conectar entre la base y el colector, y la fuente entre el emisor y el colector. Con estos dos interruptores totalmente abiertos no se producirá corriente de base, y el indicador de corriente mostrará una corriente nula. Ahora bien, para originar una corriente de colector o de base, solamente se debe de cerrar uno de los interruptores. Y para crear un paso de corriente mucho mayor se deberá de cerrar los dos interruptores. Es por ello que se llega a la conclusión, de que el interruptor se comporta como si fuera una resistencia, donde la corriente de base controla su valor completamente.
EL CK703, uno de los primeros transistores comercializados (1948, 1949)
Regiones Operativas del transistor
Región de corte: Un transistor esta en corte cuando: corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0). En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0)
Región de saturación: Un transistor está saturado cuando: corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, (Ic = Ie = I máxima). En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de los resistores conectados en el colector o el emisor o en ambos, ver ley de Ohm. Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente grande como para inducir una corriente de colector β veces más grande. (recordar que Ic = β * Ib)
Región activa: 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 corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de β (ganancia de corriente de un amplificador, es un dato del fabricante) y de las resistencias que hayan conectadas en el colector y emisor). Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador.
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Tipos de transistores
Existen varios tipos que dependen de su proceso de construcción y de las aplicaciones a las que se destinan.
Los más comunes y conocidos son:
Transistor Bipolar de Unión (BJT)
Transistor de efecto campo , de unión (JFET)
Transistor de efecto campo , de metal- oxido-semiconductor (MOSFET)
Fototransistor
Los transistores y su simbología
BJT
JFET
MOSFET
FOTOTRANSISTOR
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TRANSISTORES BJT
Tipos de transistores de unión bipolar
NPN
NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.
Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector.
La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
PNP
El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.
Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.
La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
Transistor Bipolar de Heterounión
El transistor bipolar de heterounión (TBH) es una mejora del BJT que puede manejar señales de muy altas frecuencias, de hasta varios cientos de GHz. Es un dispositivo muy común hoy en día en circuitos ultrarrápidos, generalmente en sistemas de radiofrecuencia.
Los transistores de heterojuntura tienen diferentes semiconductores para los elementos del transistor. Usualmente el emisor está compuesto por una banda de material más larga que la base. Esto ayuda a reducir la inyección de portadores minoritarios desde la base cuando la unión emisor-base está polarizada en directa y esto aumenta la eficiencia de la inyección del emisor. La inyección de portadores mejorada en la base permite que esta pueda tener un mayor nivel de dopaje, lo que
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resulta en una menor resistencia. Con un transistor de unión convencional, también conocido como transistor bipolar de homojuntura, la eficiencia de la inyección de portadores desde el emisor hacia la base está principalmente determinada por el nivel de dopaje entre el emisor y la base. Debido a que la base debe estar ligeramente dopada para permitir una alta eficiencia de inyección de portadores, su resistencia es relativamente alta.
Curva característica de los BJT
El transistor BJT dispone de dos curvas: la primera se utiliza para definir el comportamiento de la unión base emisor y la segunda para definir el funcionamiento entre colector y emisor.
La curva emisor, es similar a la de un diodo normal, con la diferencia de que los niveles de corriente ahora son muy pequeños en el orden de los µA. Por otra parte, la curva colector emisor o de salida, nos indica que para cada valor de corriente de base existirá una corriente de colector que variara dependiendo del voltaje colector emisor. La curva de salida es probablemente la más importante de todas, sin embargo resulta a veces demasiado confusa, es por esto que es común utilizar una formula matemática que recibe el nombre de ganancia o factor de amplificación:
Este factor nos indica la cantidad de veces que se amplifica la corriente de base.
Aplicaciones del BJT, usos y ventajas principales
APLICACIÓN PRINCIPAL VENTAJA USOS
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Aislador o Separador (buffer)
Impedancia de entrada alta y de salida baja
Uso general, equipos de medida receptores
Amplificador de RF Bajo ruido Sintonizadores de FM, equipo para comunicaciones
Mezclador Baja distorsión de intermodulación
Receptores de FM, y TV , equipos para comunicaciones
Amplificador con CAG Facilidad para controlar ganancia
Receptores generadores de señales
Amplificador Cascodo Baja capacidad de entrada Instrumentos de medición , equipos de prueba
Troceador Ausencia de deriva Amplificadores de cc, sistemas de control de dirección
Resistor variable por voltaje
Se controla por voltaje Amplificadores operacionales, órganos electrónicos, controlas de tonos
Amplificador de baja frecuencia
Capacidad pequeña de acoplamiento
Audífonos para sordera , transductores inductivos
Oscilador Mínima variación de frecuencia
Generadores de frecuencia patrón, receptores
Circuitos MOS Digital Pequeño tamaño Integración a gran escala, computadoras, memorias.
TRANSISTORES FET
Con los transistores bipolares observábamos como una pequeña corriente en la base de los mismos se controlaba una corriente de colector mayor. Los Transistores de Efecto de Campo son dispositivos en los que la corriente se controla mediante tensión. Cuando funcionan como amplificador suministran una corriente de salida que es proporcional a la tensión aplicada a la entrada. Características generales:
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Por el terminal de control no se absorbe corriente.Una señal muy débil puede controlar el componenteLa tensión de control se emplea para crear un campo eléctrico.
Se empezaron a construir en el década del 60. Existen dos tipos de transistores de efecto de campo los JFET (transistor de efecto de campo de unión) y los MOSFET. Los transistores MOS respecto de los bipolares ocupan menos espacio por lo que su aplicación más frecuente la encontramos en los circuitos integrados.Es un componente de tres terminales que se denominan: Puerta (G, Gate), Fuente (S, Source), y Drenaje (D, Drain). Según su construcción pueden ser de canal P o de canal N.
Curva característica de los FET
La curva característica del FET define con precisión como funciona este dispositivo. En ella distinguimos tres regiones o zonas importantes:
Zona lineal: El FET se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la tensión VGS.
Zona de saturación: A diferencia de los transistores bipolares en esta zona, el FET, amplifica y se comporta como una fuente de corriente controlada por la tensión que existe entre Puerta (G) y Fuente(S),VGS.
Zona de corte.- La intensidad de Drenador es nula.
Característica de Salida
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Al variar la tensión entre drenador y surtidor varía la intensidad de drenador permaneciendo constante la tensión entre puerta y surtidor.En la zona óhmica o lineal se observa como al aumentar la tensión drenador surtidor aumenta la intensidad de drenador.En la zona de saturación el aumento de la tensión entre drenador y surtidor produce una saturación de la corriente de drenador que hace que esta sea constante. Cuando este transistor trabaja como amplificador lo hace en esta zona. La zona de corte se caracteriza por tener una intensidad de drenador nula.La zona de ruptura indica la máxima tensión que soportará el transistor entre drenador y surtidor.
Es de destacar que cuando la tensión entre puerta y surtidor es cero la intensidad de drenador es máxima.
Característica de transferencia
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Indican la variación entre la intensidad de drenador en función de la tensión de puerta.
Aplicaciones de JFET
Las aplicaciones genéricas para este tipo de transistores son:
ELECTRONICA ANALOGICA
Para estas aplicaciones de emplean transistores preparados para conducir grandes corrientes y soportar elevadas tensiones en estado de corte.
Resistencias variables de valor gobernable por tensión (variando la anchura del canal).
Amplificadores de tensión, especialmente en la amplificación inicial de señales de muy baja potencia.
Control de potencia eléctrica entregada a una carga.
En el caso de la amplificación los circuitos se diseñan para que el punto de operación DC del MOS se encuentre en la región de saturación. De este modo se logra una corriente de drenaje dependiente sólo de la tensión VGS.
ELECTRONICA DIGITAL
Los MOS se emplean a menudo en electrónica digital, debido a la capacidad de trabajar entre dos estados diferenciados (corte y conducción) y a su bajo consumo de potencia de control. Para esta aplicación se emplean dispositivos de muy baja resistencia, de modo que idealmente pueda considerarse que:
La caída de tensión en conducción es muy pequeña. La transición entre el estado de corte y el de conducción es instantánea.
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TRANSISTORES MOSFET
Curva característica de los MOSFET
El FET de semiconductor–oxidometal, o MOSFET posee cuatro electrodos llamados “fuente” “compuerta” “drenaje” y “sustrato”. A diferencia del JFET, FET de juntura o simplemente FET o transistor de efecto de campo, la compuerta está aislada galvánicamente del canal. Por esta causa, la corriente de compuerta es extremadamente pequeña, tanto cuando la tensión de compuerta es positiva como cuando es negativa. La idea básica se puede observar en la figura 1, en donde se muestra un corte de un MOSFET de empobrecimiento de canal N. Se compone de un material N (silicio con impurezas dadoras) con una zona tipo P a la derecha y una compuerta aislada a la izquierda. A similitud de una válvula electrónica, en donde los electrones libres circulan desde el cátodo a la placa, en un MOSFET circulan desde el terminal de “fuente” al de “drenaje”, es decir desde abajo hacia arriba en el dibujo. En la válvula lo hacen por el vacío y en el MOSFET por el silicio tipo N. La zona P se llama sustrato (algunos autores la llaman cuerpo) y opera como si fuera una pared que presenta una dificultad a la circulación electrónica. Los electrones deben pasar por un estrecho canal entre la compuerta y el sustrato. La idea es que el silicio tipo N es un buen conductor, pero en la zona del sustrato se agregan impurezas tipo P que cancelan esa conductividad haciendo que esa zona sea aisladora.
Sobre el canal se agrega una delgada capa de dióxido de silicio (vulgarmente vidrio) que opera como aislante. Sobre esta finísima capa de vidrio se realiza una metalización que opera como compuerta. Dado que la compuerta es aislada, se puede colocar en ella un potencial tanto negativo como positivo, tal como se puede observar en la figura 2:
a) Tensión de puerta negativa b) Tensión de puerta positiva
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En la parte (a) se muestra un MOSFET de empobrecimiento con una tensión de compuerta negativa.
La alimentación VDD, obliga a los electrones libres a circular desde la fuente hacia el drenaje. Estos circulan por el canal estrecho a la izquierda del sustrato P. La tensión de compuerta controla el ancho del canal. Cuanto más negativa sea la tensión de compuerta, menor será la corriente que circula por el MOSFET debido a que el campo eléctrico empuja a los electrones contra el sustrato. Inclusive una tensión suficientemente negativa podrá, eventualmente, cortar la circulación de corriente.
Cuando se pone tensión positiva en la compuerta, el canal N tiene toda su capacidad libre y el MOSFET se comporta como una llave cerrada. En las curvas de la figura 3 se puede observar el paralelismo extremo entre una válvula y un MOSFET. En “a” se puede observar la familia de curvas para diferentes tensiones de compuerta.
La corriente de drenaje se mantiene prácticamente constante independientemente de la tensión de “drenaje-fuente”, salvo en la zona inicial que se llama zona óhmica y que no es utilizada cuando el transistor funciona como llave.
La familia de curvas se suele dividir en dos secciones. Las que están por debajo de cero y hasta VGSoff se llama sección de empobrecimiento y las que están por encima sección de enriquecimiento. Esto significa que el canal no sólo se puede angostar; en efecto, si se colocan tensiones positivas en la compuerta las lagunas del sustrato son repelidas y el canal se ensancha.
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En “b” se puede observar la curva de transferencia de un MOSFET de empobrecimiento en donde Idss es la corriente de drenaje con la puerta en cortocircuito.
Como la curva se extiende hacia la derecha, ésta no es la máxima corriente de drenaje. En efecto, tensiones positivas de compuerta generan una corriente de drenaje mayor.
Aplicaciones de los transistores MOSFET
La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipo CMOS, consistentes en el uso de transistores pMOS y nMOS complementarios. Véase Tecnología CMOS
Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son:
Resistencia controlada por tensión. Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc). Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.
Ventajas
La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados, p-mos, n-mos y c-mos, debido a varias ventajas sobre los transistores bipolares:
Consumo en modo estático muy bajo. Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media
micra). Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño. Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una
impedancia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de los nanoamperios.
Un circuito realizado con MOSFET no necesita resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva.
La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos.
Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia
FOTOTRANSISTOR
Un fototransistor es una combinación integrada de fotodiodo y transistor bipolar npn (sensible a la luz) donde la base recibe la radiación óptica. Existen transistores FET (de efecto de campo), que son muy sensibles a la luz. La radiación luminosa se hace incidir sobre la unión colector base cuando éste opera en la RAN. En esta unión se generan los pares electrón - hueco, que provocan la corriente eléctrica. El funcionamiento de un fototransistor viene caracterizado por los siguientes puntos:
Al exponer el fototransistor a la luz, los fotones entran en contacto con la base del mismo, generando huecos y con ello una corriente de base que hace que el transistor entre en la región activa, y se presente una corriente de colector a emisor. Es decir, los fotones en este caso,
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reemplazan la corriente de base que normalmente se aplica eléctricamente. Es por este motivo que a menudo la patilla correspondiente a la base está ausente del transistor. La característica más sobresaliente de un fototransistor es que permite detectar luz y amplificar mediante el uso de un sólo dispositivo. (Ib=0)
La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña corriente fotogenerada es multiplicada por la ganancia del transistor.
Curvas de funcionamiento de un fototransistor
Las curvas de funcionamiento de un fototransistor son las que aparecen en la siguiente grafica. Como se puede apreciar, son curvas análogas a las del transistor BJT, sustituyendo la intensidad de base por la potencia luminosa por unidad de área que incide en el fototransistor.
Curva de funcionamiento típico de un fototransistor
Aplicaciones de FototransistorEl 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.
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Links de Noticias de interés sobre el tema tratado
Se encontró un nuevo aislante para los transistores
http://www.madrimasd.org/cienciaysociedad/entrevistas/quien-es-quien/pdf/38.pdf
Transistores fotofónicos en supercomputadoras del futuro
http://www.laflecha.net/canales/ciencia/los-superordenadores-del-futuro-usaran-transistores-fotonicos
Transistores Orgánicos
http://www.softwarelibre.net/transistores_org%C3%A1nicos_el_futuro
La era del transistor
http://www.pagina12.com.ar/imprimir/diario/suplementos/futuro/13-2086-2009-01-31.html
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Bibliografía utilizada Material extraído de Google, en especial paginas de electrónica.
Revista Muy Interesante
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Reflexión personal acerca del temaTransistores me resulto un tema un tanto difícil de comprender, debido a su complejidad, y también debía reforzar mis conocimientos previos en diodos para poder desarrollarme con más soltura en el desarrollo del tema.
La realización de este trabajo fue meramente informativa, me sirvió para hacer un propio apéndice sobre las características principales de los transistores, su utilización y ventajas. Por otro lado, me resulto interesante la evolución de este dispositivo, ya que permitió gracias al desempeño y la ingeniería de muchos profesionales, a los dispositivos que conocemos hoy en día, y que por ejemplo vemos cotidianamente.
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