Transistores de efecto de campo PDF

Elementos discretos  Transistor. 19 El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consta de dos capas de material tipo n y una de material tipo p o de dos capas de material tipo p y una de material tipo n. El primero se llama transistor npn y el segundo transi...

Elementos discretos  Transistor. 19 El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consta de dos capas de material tipo n y una de material tipo p o de dos capas de material tipo p y una de material tipo n. El primero se llama transistor npn y el segundo transistor pnp que permite aumentar la corriente y disminuir el voltaje, además de controlar el paso de la corriente a través de sus terminales.  Polarización en un transistor PNP Un transistor PNP se polariza como muestra la figura. Nota que la unión emisor-base está directamente polarizada mientras que la unión base-colector está polarizada inversamente. Esto es igual que para el transistor NPN solo que las baterías están invertidas como era de esperarse.  Elementos discretos 20  Corrientes en un transistor. La operación de transistor es de la siguiente manera: La operación del transistor de unión bipolar se basa en el control de corriente que fluye a través de las diferentes regiones. Hay dos tipos de transistores bipolares: NPN y PNP. La descripción que seguirá es para un transistor NPN, aunque el principio de funcionamiento es similar en ambos tipos. Cuando se aplica una corriente al terminal del emisor, se inyectan portadores de carga (electrones) desde la región de tipo N hacia la región de tipo P. Estos electrones son emitidos por el emisor hacia la base. La base es una región estrecha y, normalmente, se polariza en directa (voltaje positivo en la base con respecto al emisor) para permitir el flujo de corriente de los electrones inyectados hacia la base. La clave para comprender la operación del transistor bipolar es el control de corriente a través de la base. La corriente que fluye de la base al emisor se llama corriente de base (𝐼𝑏 ). Cuando se aplica una corriente de base, solo una pequeña fracción de los electrones inyectados desde el emisor se combina con los huecos en la base, mientras que la mayoría de los electrones continúan hacia el colector. El colector está polarizado en inversa (voltaje negativo en el colector con respecto al emisor) para permitir que los electrones que alcanzan el colector sean recogidos como corriente de colector (𝐼𝑐 ). La corriente de colector es mucho mayor que la corriente de base, lo que resulta en una amplificación de corriente. En resumen, la corriente de base controla la corriente de colector, lo que permite al transistor actuar como un amplificador de corriente. Pequeñas variaciones en la corriente de base pueden resultar en grandes cambios proporcionales en la corriente de colector. Además de la amplificación de corriente, los transistores bipolares también se utilizan en aplicaciones de conmutación, donde se pueden encender o apagar mediante cambios en la corriente de base. Es importante mencionar que esta descripción simplificada de la operación de un transistor de unión bipolar proporciona una idea general de su funcionamiento. En la práctica, hay muchos otros aspectos y características a considerar, como las regiones de depleción, los voltajes de polarización, los parámetros de ganancia, entre otros.  Elementos discretos 21  Corrientes en un transistor. Continuación…. Con lo cual, en relación a las leyes de Kirchhoff, y con la explicación anterior, podemos relacionar las corrientes dentro de un transistor, como: IE = IB + IC  Relación α (alfa) de corrientes Una característica importante de cualquier transistor es su relación α (alfa). Este valor es el cociente entre la corriente de colector y la de emisor, es decir entre las corrientes de salida y entrada. Como α compara la intensidad de salida contra la de la entrada, se trata de una especie de medida de la ganancia del transistor. Esta relación suele estar comprendida entre 0.95 y 0.99. En ciertos análisis, este valor resulta extremadamente útil para determinar el comportamiento del circuito transistorizado que nos interese.  Relación β (beta) de corrientes Esta relación define la capacidad de un circuito transistorizado para controlar una alta corriente de salida (IC ) , con una pequeña corriente de entrada (IB ). Entre más alto sea este valor, el circuito será más apto como dispositivo amplificador.  Elementos discretos  Control por corrientes. 22 De los valores que estamos viendo como importantes en un circuito transistorizado (corrientes de emisor, base y colector), se ha hecho costumbre decir que el transistor bipolar (o BJT) es un dispositivo controlado por corrientes. Ya hemos aprendido que la unión emisor-base de los transistores, deberá se polarizada directamente, mientras que la unión base-colector deberá ser polarizada inversamente. Sin embargo, un transistor puede conectarse en tres formas diferentes al resto del circuito, respetando de cualquier forma el orden de polarización. A cada una de estas tres formas de conexión, se les llama configuraciones. Las tres configuraciones En cada tipo de conexión o configuración, una de las tres terminales del transistor se emplea como referencia para las otras dos, que entonces constituyen la entrada y la salida del circuito. Estos tres arreglos o configuraciones se conocen como de: Emisor común Base común Colector común  Parámetros operativos de consideración de un transistor. 1. Relación de corrientes α = IC /IE. 2. Ganancia de corriente β = IC /IB. 3. Frecuencia de corte α o β es la frecuencia en la que la ganancia del circuito transistorizado cae al 70.7% de la ganancia del transistor en baja frecuencia. 4. Corriente de pérdida colector-base (ICBO ): es la magnitud de la corriente de colector que continúa fluyendo, aunque IB sea cero. Esta corriente es indeseable y se debe a los portadores minoritarios presentes en el colector. 5. Corriente de pérdida colector-emisor (ICEO ): es la magnitud de la corriente de colector que continúa fluyendo, aunque IE sea cero. Esta corriente es indeseable y se debe a los portadores minoritarios presentes en el colector.  Elementos discretos 23  Valores máximos de operación de los transistores 1. Voltaje de ruptura de colector: El valor de polarización inversa colector-base que producirá un súbdito incremento de la corriente colector-base. 2. Voltaje de ruptura de emisor: El valor de polarización inversa aplicada a la unión emisor-base que producirá un súbito aumento de la corriente de emisor. 3. Corrientes máximas de colector y de emisor: Si estos valores se excedieran, el transistor sería dañado permanentemente. 4. Disipación máxima de colector: Se refiere a la potencia en watts máxima que puede soportar el colector de un transistor sin dañarse. Esta potencia suele especificarse para una temperatura ambiente de 25ºC. 5. Rangos de temperatura: Se refiere a los límites de temperatura en la que el transistor puede operar correctamente. Por ejemplo, un transistor típico de silicio puede hacerlo entre 65° y 200° C. 6. Producto ganancia-ancho de banda (fT ): Es la frecuencia en la que la ganancia de corriente del transistor es igual a 1. Se trata de la máxima frecuencia operativa para un transistor dado. El producto ganancia de corriente – ancho de banda es constante, así que, si disminuye la frecuencia de la señal aplicada al circuito, aumenta su ganancia y viceversa.  Elementos discretos 24  Transistores de efecto de campo El transistor FET de unión (JFET) El transistor FET tienen muchas aplicaciones en los circuitos electrónicos. Este dispositivo se construye con semiconductores tipo N y tipo P, y al igual que los BJT, se emplea como amplificador o como conmutador. Sin embargo, su construcción es diferente y opera bajo principios completamente distintos. Se dice que es un dispositivo unipolar, lo que significa que funciona con corrientes de electrones o de huecos, pero no con ambas al mismo tiempo. Por lo general, el BJT es preferido sobre el FET como amplificador, pero a veces se escoge al FET sobre el BJT, por causa de su alta impedancia de entrada. El JFET y el MOSFET Por otro lado, si se trata de crear un sistema de conmutación, el FET suele preferirse sobre el BJT por su más alta velocidad de conmutación. Existen dos grandes tipos de FETs: JFET MOSFET Construcción del JFET La construcción de este tipo de transistor empieza con una base de silicio ligeramente dopada conocida como substrato. Esta pieza puede ser de tipo N o de tipo P, y sirve simplemente como plataforma para las demás partes. Dentro de esta base se forma una zona dopada de material contrario a la del substrato, en forma de “U” que sale del subcontrato a la superficie en sólo dos puntos.  Elementos discretos 25  JFET de canal N y de canal P Esta zona en forma de “U” funciona como canal para la circulación de corriente. Si el canal es de material N, se dice que el transistor es un JFET de canal N. Si fuera de material P, tendríamos un JFET de canal P. Nota que este tipo de transistor tiene tres terminales: Fuente (Source), Compuerta (Gate) y Drenaje (Drain).  El FET de compuerta aislada (MOSFET) Clasificación de los FET En la lección anterior, estudiamos a los JEFT, y establecimos que existen dos tipos de ellos: JFET de canal N JFET de canal P Ahora estamos iniciamos el estudio de otra familia de FET. Se trata de los MOSFET y de ellos vamos a encontrar dos tipos: MOSFET de agotamiento (o empobrecimiento). MOSFET de crecimiento (o de enriquecimiento).  Clasificación de los MOSFET A su vez, los MOSFET de agotamiento, podemos encontrarlos de canal N o de canal P. Así mismo, los MOSFET de crecimiento, podemos encontrarlos también, de canal N o de canal P. En esta lección vamos a estudiar los MOSFET de agotamiento.  Elementos discretos  Configuración de los circuitos con FET 26 Configuración con los FET Igual que con los circuitos que emplean transistores bipolares, los circuitos construidos con cualquier tipo de FET, son empleados principalmente para obtener amplificación o conmutación. Como es lógico, existen tres configuraciones para conectar los FET: fuente común, compuerta común y drenaje común. Cada uno de ellos tienen sus propias características eléctricas.  Configuración de fuente común El de la figura es una configuración de fuente común, y que, por cierto, es la más empleada. Este arreglo proporciona una alta impedancia de entrada y buena amplificación de voltaje en bajas y altas frecuencias.  Configuración de compuerta común Igual que la configuración de fuente común, este arreglo provee amplificación de voltaje, aunque no tan alta como aquella. La impedancia de entrada no es tan alta como la de la configuración fuente común, pero la impedancia de salida es muy alta, de manera que el circuito puede servir muy bien cuando hay que aplicar una señal a otro circuito de alta impedancia de entrada. Otra característica apreciada de esta configuración es que maneja muy bien las altas frecuencias, y al igual que en las otras configuraciones, puede utilizarse JFET, o también MOSFET de agotamiento o de incremento.  Configuración de drenaje común Esta configuración se emplea primordialmente para acoplar un circuito con muy alta impedancia de salida, con otro de muy baja impedancia de entrada, aunque no provee ganancia de voltaje. Su característica de poseer muy alta impedancia de entrada y muy baja impedancia de salida, lo hace ideal para servir como acoplador.  Elementos discretos 27  Transductancia y ganancia En un circuito amplificador a base de JFET como el de la figura anexa, y cuya configuración es al de fuente común, que es la más usada para amplificar voltajes, la transconductancia se relaciona con la ganancia de voltaje, como indica la siguiente ecuación. AV = g m ∙ rd En esta fórmula AV representa la ganancia de voltaje, g m representa transconductancia, y rd es la resistencia de drenaje del JFET.