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BLOQUE II

TEMA 6. TRANSISTORES

D. MIGUEL ÁNGEL ZAMORA IZQUIERDO

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TRANSISTORESÍndice

• Índice. • Definiciones del transistor

• Transistor de unión bipolar (BJT)

• Transistores JFET

• Amplificación en pequeña señal

• El transistor en conmutación

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Definiciones del

transistor

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TRANSISTORESDefiniciones 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.

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El transistor de unión

bipolar (BJT)

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TRANSISTORESEl transistor de unión bipolar (BJT)

• Dispositivo de tres terminales (Emisor, Base y Colector)• 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).

N P N P N P

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TRANSISTORESEl 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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TRANSISTORESEl 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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TRANSISTORESEl transistor de unión bipolar (BJT)

MODO

POLARIZACION DE LA UNION

EMISOR - BASE COLECTOR – BASE

Activo - Directo Directa Inversa

Corte Inversa Inversa

Saturación Directa Directa

Activo - Inverso Inversa Directa

• 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.

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TRANSISTORESEl transistor de unión bipolar (BJT)

• Modelos de los modos de trabajo del BJT

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TRANSISTORESEl 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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TRANSISTORESEl transistor de unión bipolar (BJT)

• Curvas características básicas

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TRANSISTORESEl transistor de unión bipolar (BJT)

• Representación de los modos de trabajo de un BJT en EC.

Distorsión de la señal

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TRANSISTORESEl 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.

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El transistor de efecto

de campo (FET)

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TRANSISTORESEl 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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TRANSISTORESEl transistor de efecto de campo (FET)

• Clasificación

TRANSISTOR

DE EFECTO CAMPO

DE UNIÓN (JFET)

CANAL N

CANAL P

TRANSISTORES DE METAL OXIDO SEMICONDUCTO

R DE EFECTO CAMPO

(MOSFET)

ACUMULACION

O ENRIQUECIMIENTO

CANAL N (NMOS)

CANAL P (PMOS)

DEPLEXION

O

EMPOBRECIMIENTO

CANAL N

CANAL P

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TRANSISTORESEl 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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TRANSISTORESEl 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.

Vp= 3V VGSoff=-Vp(a) (b)

Zona Saturación (amplificación):

2

1

GSoff

DSSV

Ι GSD

VI

VDS≤(VGS-VGSoff) VDS≥(VGS-VGSoff)

IDSS

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IDSS=18mA

TRANSISTORESEl 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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TRANSISTORESEl transistor de efecto de campo (FET)

• El Transistor MOSFET de Acumulación

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TVK

GSD VI

Siendo Vt la tensión de corte

(Vgsoff en el JFET) y K una

constante del dispositivo medida en

mA/V2

Zona Saturación (amplificación):

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TRANSISTORESEl 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.

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Amplificación en

pequeña señal

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TRANSISTORESAmplificación 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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TRANSISTORESAmplificación 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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TRANSISTORESAmplificación 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 Transresistencia: ganancia como una

fuente de tensión controlada por corriente.

A. de Transconductancia: ganancia como una

fuente de corriente controlada por tensión.

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TRANSISTORESAmplificación 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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TRANSISTORESAmplificación 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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TRANSISTORESAmplificación 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|

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El transistor en

conmutación

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TRANSISTORESEl 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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TRANSISTORESEl 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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TRANSISTORESEl 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.

Ven

Rd

VsalVen

J2N3819

Vsal

0

12

Rds

Rd

0

Vgs

RdsJ2N3819

0Vgs

Rd

1 2Ven

Rd

Vsal

0

Ven Vsal

• La razón conexión-desconexiónes 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.

33Rds << Rd

TRANSISTORESEl transistor en conmutación

• El NMOS en conmutación

• Ideal para uso en computadoras.

• 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)• El MOSFET inferior actúa como

conmutador y el superior sustituye a la carga pasiva.

• Inversor CMOS (MOS complementarios)(c)• Cuando uno conduce, el otro está en

corte.

• Tiene un consumo extremadamente bajo.

0

M1

IRF150

Rd

Vdd

Vsal

Ven

0

Ven

IRF150

Vdd

IRF150Vsal

0

Ven

Vdd

Vsal

(a)

(b)

(c)

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Rds << Rd

TRANSISTORESBibliografía

• 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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