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y
TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE JOCOTITLÁN
Ingeniería Mecatrónica
Presenta:
Ek Cruz Arvin
Gómez González Carlos Javier
González Ángeles Christian Alexis
Ramírez González Jesús Jareth
Nombre de la Asignatura:
Electrónica Analógica
Docente:
M.S.C. Jaime Rosales Dávalos
“Transistor bipolar de Juntura (BJT) y
transistor de efecto de campo FET”
Jocotitlán, Estado de México;
diciembre de 2024
Introducción Los transistores son dispositivos electrónicos fundamentales en el diseño de circuitos analógicos y digitales. Dentro de esta categoría, los Transistores Bipolares de Juntura (BJT) y los Transistores de Efecto de Campo (FET) se destacan como dos de las tecnologías más utilizadas debido a sus características y versatilidad en diversas aplicaciones. La finalidad del presente documento es ofrecer información detallada sobre ambos tipos de transistores, abarcando desde su funcionamiento básico y su estructura interna hasta sus configuraciones más comunes, como emisor común, base y colector común en el caso de los BJT, así como las variantes de polarización y configuraciones de los FET. Además, se analizarán los circuitos de polarización necesarios para optimizar su desempeño en aplicaciones específicas, así como las especificaciones clave que se encuentran en sus hojas de datos. Estos parámetros son esenciales para comprender las limitaciones y capacidades de cada transistor y, por ende, garantizar su correcta selección y uso en el diseño electrónico. A lo largo del texto, se buscará ofrecer un balance entre la teoría y los aspectos prácticos, con el fin de que el lector no solo entienda cómo funcionan estos dispositivos, sino también cómo implementarlos eficazmente en distintos escenarios técnicos.
Funcionamiento La operación del transistor npn es exactamente la misma con los roles de los electrones y huecos intercambiados. Un transistor pnp sin polarización entre la base y el emisor. El ancho de la región de empobrecimiento se redujo a causa de la polarización aplicada y el resultado fue un intenso flujo de portadores mayoritarios del material tipo p al material tipo n. Al eliminar la polarización de la base al emisor del transistor pnp. Hay semejanzas entre esta situación y la del diodo polarizado en inversa. El flujo de portadores mayoritarios es cero, y el resultado es sólo un flujo de portadores minoritarios. Por consiguiente: La unión p-n de un transistor se polariza en inversa en tanto que la otra se polariza en directa. En la figura 2 de la derecha se puede visualizar el diodo polarizado directamente donde los portadores mayoritarios se acercan a la unión, mientras que en la imagen de la derecha se puede apreciar un transistor polarizado inversamente donde los portadores mayoritarios se alejan de la unión y en donde circula corriente inversa. Figura 2 :Unión polarizada en directa y en inversa de un transistor pnp Cuando.se aplicaron ambos potenciales de polarización a un transistor pnp, con los flujos de portadores mayoritarios y minoritarios resultantes indicados. Los anchos de las regiones de empobrecimiento donde se ve con claridad cuál unión es polarizada en directa y cual lo está polarizada en inversa. Como se indica una gran cantidad de portadores mayoritarios se difundirá a través de la unión p–n polarizada en directa hacia el material tipo n. Como el material tipo n emparedado es muy delgado y su conductividad es baja, un número muy pequeño de estos portadores tomarán esta ruta de alta resistencia hacia la base. La magnitud de la corriente de base es por lo general del orden de microamperes, en comparación con los miliamperes de las corrientes del emisor y el colector. El mayor número de estos portadores mayoritarios se difundirá a través de la unión polarizada en inversa hacia el material tipo n conectado al colector. La razón por la que los portadores mayoritarios pueden atravesar la unión polarizada es que en el caso del diodo polarizado en inversa los portadores mayoritarios inyectados aparecerán como
portadores minoritarios en el material tipo p. En otras palabras, ha habido una inyección de portadores minoritarios en el material tipo n de la región de la base. Si se combina esto con el hecho de que todos los portadores minoritarios de la región de empobrecimiento atravesarán la unión polarizada en inversa de un diodo explica el flujo En la figura 3 se puede apreciar como el es flujo de huecos y electrones libres a través del transistor pnp, es decir, el fujo de portadores mayoritarios en la sección pn y en el fujo de portadores minoritarios en la sección np del transistor pnp, así como de la región de empobrecimiento presente en las 2 partes del transistor. Aplicando la ley de las corrientes de Kirchhoff al transistor como si fuera un nodo único obtenemos y hallamos que la corriente en el emisor es la suma de las corrientes en el colector y la base. . Figura 3 : Flujo de portadores mayoritario y minoritarios en un transistor pnp La corriente del colector, sin embargo, consta de dos componentes, los portadores mayoritarios y los minoritarios. El componente de corriente de portadores minoritarios se llama corriente de fuga y se le da el símbolo Ico. Para transistores de uso general, Ic se mide en miliamperes e Ico en microamperes o nanoamperes. Ico, como la I para un diodo polarizado en inversa, es sensible a la temperatura. 3.2 Configuraciones básicas 3.2.1 Emisor Común Se llama configuración en emisor común porque el emisor es común o sirve de referencia para las terminales de entrada y salida (en este caso es común para las terminales base y colector). Se tienen dos conjuntos: uno para el circuito de entrada o de base-emisor y uno para el circuito de salida o de colector-emisor. Se puede visualizar la notación
Ib no son tan horizontales como las obtenidas para Ie en la configuración en base común, lo que indica que el voltaje colector a emisor influye en la magnitud de la corriente del colector. Figura 5 : Características de un transistor de silicio en la configuración en emisor común: (a) características, (b) características de base En la región activa de un amplificador en emisor común, la unión base-emisor se polariza en directa en tanto que la unión colector-base está en inversa. La región activa de la configuración en emisor común se emplea para amplificar voltaje, corriente o potencia. Cuando se emplea como interruptor en los circuitos lógicos de una computadora, un transistor tendrá dos puntos de operación de interés, uno en la región de corte y otro en la región de saturación. La configuración en base común las características de entrada se aproximaron por medio de una línea recta equivalente a VBE = 0.7 V con cualquier nivel de IE de más de 0 mA. Para la configuración en emisor común se sigue el mismo procedimiento y el resultado Para un transistor en la región activa o “encendido” el voltaje base a emisor es de 0.7 V. En este caso el voltaje se mantiene fijo con cualquier nivel de corriente en la base. 3.2.2 Base común La terminología en base común se deriva del hecho de que la base es común tanto para la entrada como para la salida de la configuración. Además, la base por lo general es la terminal más cercana a, o en, un potencial de tierra. La flecha en el símbolo del diodo definirá las direcciones de la corriente se referirán a un flujo convencional (de huecos) y no a uno de electrones.
Para describir plenamente el comportamiento de un dispositivo de tres terminales como el de los amplificadores en base común, se requieren dos conjuntos de características, uno para los parámetros de entrada (punto de manejo) y el otro para el lado de salida. El conjunto de entrada para el amplificador en base común relaciona una corriente de entrada (I ) con un voltaje de entrada (V ) para varios niveles de voltaje de salida (V ). se puede visualizar la notación empleada en la creación de circuitos tanto para un transistor pnp como el transistor npn, así como sus respectivos símbolos en la configuración en base común donde la base es común tanto para la entrada como para la salida de la configuración. Que resulta ser la terminal más cercana a, un potencial de tierra, ver en la figura 6 Figura 6 : Notación y símbolos utilizados con la configuración en base común: (a) transistor pnp; (b) transistor pnp La salida o con junto de características del colector ofrece tres regiones básicas de interés, las regiones activas, de corte y saturación. La primera es la región que normalmente se emplea para amplificadores lineales (sin distorsión). En la región activa la unión base-emisor se polariza en directa, en tanto que la unión colector- base se polariza en inversa. A medida que la corriente en el emisor se incrementa por encima de cero, la corriente del colector aumenta a una magnitud igual en esencia a la de la corriente del emisor, como lo determinan las relaciones de corriente básicas para el transistor. La región de corte se define como aquella donde la corriente en el colector es de 0 A. En la región de corte las uniones base-emisor y colector-base de un transistor se polarizan en inversa.
3.3 Circuitos de polarización Configuración de polarización fija El circuito de polarización fija es la configuración de polarización de cd más simple. Aun cuando la red emplea un transistor npn, las ecuaciones y cálculos aplican igualmente bien para una configuración del transistor pnp tan sólo con cambiar todas las direcciones de la corriente y las polaridades del voltaje. Son las direcciones reales y la notación de doble subíndice estándar define los voltajes. Para el análisis de cd se puede aislar la red de los niveles de ca indicados reemplazando los capacitores con un equivalente de circuito abierto. Además, la fuente de Vcd se puede dividir en dos fuentes separar los circuitos de entrada y salida. También reduce el vínculo entre las dos con la corriente de base Ib. La separación es válida, de modo que Vcc está conectada directamente a Rb y Rc igual que en la figura 8. se puede apreciar el circuito de polarización fija a la izquierda donde es la configuración de polarización de cd más simple y a la derecha se tiene el circuito en forma CD equivalente donde a fuente de Vcd se puede dividir en dos fuentes separadas los circuitos de entrada y salida Figura 8 : Circuito de polarización fija y circuito CD equivalente Configuración de polarización de emisor La red de polarización de cd contiene un resistor emisor para mejorar .la estabilidad del nivel en relación con la de la configuración de polarización fija. El análisis es examinando primero la malla base-emisor y luego utilizando los resultados para investigar la malla colector-emisor. El equivalente de cd aparece con la fuente separada para crear una sección de entrada y salida. se puede apreciar el circuito de polarización fija en la figura 9 , en la izquierda donde la configuración de polarización de cd es más simple y a la derecha se tiene el circuito en forma CD equivalente donde la fuente de Vcd se puede dividir en dos fuentes separadas los circuitos de entrada y salida
Figura 9 : Circuito de polarización de un RJT con resistor de emisor Configuración de polarización por medio del divisor de voltaje Como b es sensible a la temperatura, sobre todo si se trata de transistores de silicio, y como el valor real de beta en general no está muy bien definido, conviene desarrollar un circuito de polarización que sea independiente, de la beta del transistor. La configuración de polarización por medio del divisor de voltaje de la figura 10 es esa red. La sensibilidad a los cambios en beta es muy pequeña. Si los parámetros del circuito se seleccionan apropiadamente, los niveles resultantes de Ic y Vce son casi totalmente independientes de beta. Existen dos métodos que se pueden aplicar para analizar la configuración del divisor de voltaje. primero es el método exacto, el cual se puede aplicar a cualquier configuración. El segundo, conocido como método aproximado, se puede aplicar sólo si se satisfacen condiciones específicas. El método aproximado permite un análisis más directo con ahorro de tiempo y energía. Se puede apreciar el cómo se tiene una configuración de polarización a través del divisor de voltaje los parámetros del circuito los niveles resultantes de Ic y Vce son independientes de beta, ver en la figura 10.
Configuración en emisor-seguidor Configuración donde la salida se toma de la terminal del emisor como se muestra en la figura 12. No es sólo la única donde la salida se puede tomar de la terminal del emisor. De hecho, cualquiera de las configuraciones que se acaban de describir se pueden utilizar mientras haya un resistor en la rama del emisor. Figura 12 : Configuración en colector común (emisor-seguidor) 3.5 Parámetros y características eléctricas (Hojas de datos) Como la hoja de especificaciones es el vínculo de comunicación entre el fabricante y el usuario. El 2N4123 es un transistor de propósito general con el encapsulado e identificación de las terminales que aparecen en la esquina superior derecha de la figura 13. La mayoría de las hojas de especificaciones se dividen en valores nominales máximos, características térmicas y características eléctricas. Las características eléctricas se dividen a su vez en características de “encendido”. Se puede apreciar a su vez la hoja con las especificaciones para un transistor, con diferentes apartados desde sus valores nominales máximos como el voltaje, la corriente y la temperatura, sus características térmicas, así como sus características eléctricas, de encendido y de apagado, y finalmente sus características de señal pequeña con sus valores mínimos y máximos para cada uno. ver en la figura 1 3.
Figura 13 : Hoja de especificación del transistor 3.7 El transistor de efecto de campo (FET) El transistor de efecto de campo (FET) es un dispositivo de tres terminales que se utiliza en varias aplicaciones que coinciden con las del transistor BJT. Las diferencias principales entre los dos tipos de transistor radican en el hecho de que:
generales. El MESFET es un desarrollo más reciente y aprovecha al máximo la ventaja de las características de alta velocidad del GaAs como material semiconductor base. Aun cuando en la actualidad es la opción más cara, el tema del costo a menudo es superado por la necesidad de mayores velocidades en diseños de radiofrecuencia y de computadoras. 3.8 Construcción interna y polarización El JFET es un dispositivo de tres terminales con una terminal capaz de controlar la corriente entre las otras dos. Para el transistor JFET el dispositivo de canal n será el dispositivo importante. La construcción básica del JFET de canal n se muestra en la figura 15. La parte principal de la estructura es el material tipo n, el cual forma el canal entre las capas incrustadas de material p. La parte superior del canal tipo n está conectada mediante un contacto óhmico a un material conocido como drenaje (D), en tanto que el extremo inferior del mismo material está conectado mediante un contacto óhmico a una terminal conocida como fuente (S). Los dos materiales tipo p están conectados entre sí y a la terminal de compuerta (G). El drenaje y la fuente están conectados a los extremos del canal tipo n y la compuerta a las dos capas de material tipo p. Sin potenciales aplicados, el JFET tiene dos uniones p-n en condiciones sin polarización. El resultado es una región de empobrecimiento en cada unión, la cual se asemeja a la misma región de un diodo en condiciones sin polarización. Una región de empobrecimiento no contiene portadores libres, y por consiguiente es incapaz de conducir. Se puede apreciar cómo está formado un transistor de efecto de campo (JFET), sus partes se componen principalmente de un drenaje (D), una fuente (S), 2 regiones de empobrecimiento, contactos óhmicos, una compuerta (G), para un transistor pnp como se muestra en la imagen 2 canal p y un canal n, ver en la figura 15. Figura 15 : Transistor de efecto de campo de unión (JFET)
se aplica un voltaje positivo VDS a través del canal y la compuerta está conectada directamente a la fuente para establecer la condición VGS = 0 V. El resultado son una compuerta y una fuente al mismo potencial y una región de empobrecimiento en el extremo bajo de cada material p similar a la distribución de las condiciones sin polarización. En el instante en que se aplica VDD (=VDS), los electrones son atraídos hacia el drenaje y se establece la corriente convencional ID. La trayectoria del flujo de carga revela claramente que las corrientes a través del drenaje y la fuente son equivalentes (ID = IS). Como se puede apreciar en la figura 16. Figura 16 : Funcionamiento del transistor una vez aplicado cierto voltaje, JFET en VGS =0 V Y VDS > 0V La región de empobrecimiento es más ancha cerca de la parte superior de ambos materiales tipo p. Suponiendo una resistencia uniforme en el canal n, podemos descomponer la resistencia del canal en las divisiones. La corriente ID establecerá los niveles de voltaje a través del canal. La región superior del material tipo p se polarizará en inversa alrededor de 1.5 V, con la región inferior polarizada en inversa con sólo 0.5 V. El hecho de que la unión p-n se polarice en inversa a lo largo del canal produce una corriente de cero amperes en la compuerta. El hecho es que IG = 0 A es una característica importante del JFET. Conforme el voltaje VDS aumente de 0 V a algunos volts, la corriente también lo hará de acuerdo con la ley de Ohm y en la figura 17 se mostrará la gráfica de I con V. La pendiente constante relativa de la gráfica revela que en la región de valores bajos de VDS, la resistencia en esencia es constante. A medida que VDS se incrementa y se aproxima un nivel conocido como V, las regiones de empobrecimiento se ensanchan, lo que reduce notablemente el ancho del canal. La ruta reducida de conducción hace que la resistencia se incremente, y ocurra la curva. Cuanto más horizontal sea la curva, más alta
A medida que vDS aumenta más allá de Vp , la longitud de la región del encuentro cercano entre las dos regiones de empobrecimiento crece a lo largo del canal, pero el nivel de ID permanece igual. Una vez que VDS = Vp, el JFET tiene las características de una fuente de corriente. La corriente se mantiene fija en el valor ID = IDSS, pero la carga aplicada determina el voltaje VDS (para niveles >Vp ). La notación IDSS se deriva del hecho de que es la corriente del drenaje a la fuente con una conexión de cortocircuito desde la compuerta hasta la fuente. IDSS es la corriente de drenaje máxima para un JFET y está definida por la condición VGS = 0 V y VDS = |Vp|. El voltaje de la compuerta a la fuente, denotado VGS, es el voltaje de control del JFET. Del mismo modo en que se establecieron varias curvas para IC contra VCE se establecieron para diferentes niveles de IB para el transistor BJT, se pueden desarrollar curvas de ID contra VDS para varios niveles de VGS para el JFET. Para el dispositivo de canal n el voltaje de control VGS se vuelve más y más negativo a partir de su nivel VGS = 0 V. la compuerta se establecerá a niveles de potencial cada vez más bajos al compararla con la fuente. En la figura 19a se aplica un voltaje negativo de - 1 V entre la compuerta y la fuente de un bajo nivel de VDS. El efecto del VGS de polarización negativa es establecer regiones de empobrecimiento similares a las obtenidas con VGS = 0 V, pero a niveles más bajos de VDS El resultado de la aplicación de polarización negativa a la compuerta es alcanzar el nivel de saturación a un nivel más bajo de VDS como se muestra en la figura 19 b para VGS =-1 V. El nivel de saturación resultante para ID se redujo y de hecho continuará haciéndolo a medida que VGS se haga más y más negativo. El voltaje de estrangulamiento se sigue reduciendo de manera parabólica conforme VGS se hace más y más negativo. Con el tiempo, VGS cuando VGS = - Vp sea lo bastante negativo para establecer un nivel de saturación que básicamente sea de 0 mA, y para todo propósito práctico el dispositivo se haya “apagado” Figura 19 : a) potenciales de polarización en inversas que varían a través de la unión p-n de un JFET de canal n y (b) características de un canal n con IDSS = 8mA y Vp = - 4V a) b)
3.9 Circuitos de polarización Configuración de polarización fija La configuración de polarización más simple para el JFET de canal n. Conocida como configuración de polarización fija, es una de las pocas configuraciones de FET de un modo directo tanto con un método matemático como con un gráfico. La configuración incluye niveles de Vi y Vo y los capacitores de acoplamiento (C1 y C 2 ). Los capacitores de acoplamiento son “circuitos abiertos” para el análisis de cd y bajas impedancias (en esencia corto circuitos) para el análisis de ca. La presencia del resistor RG garantiza que Vi aparecerá a la entrada del amplificador de FET para el análisis de ca. La caída de voltaje de cero volts a través de RG permite reemplazar RC con un equivalente de cortocircuito, para el análisis de cd, ver en la figura 20. Figura 20 : Red para el análisis de cd Como VGG es una fuente de cd fija, la magnitud del voltaje VGS es fija, de ahí la designación de “configuración de polarización fija”. La terminal negativa de la batería esté conectada directamente al potencial positivo definido de VGS deja ver con claridad que la polaridad de VGS es directamente opuesta a la de VGG. Como VGS es una cantidad fija para esta configuración, su magnitud y signo simplemente se sustituyen en la ecuación de Shockley para calcular el nivel de ID. Ésta es una de las pocas instancias en que la solución matemática de una configuración de FET es bastante directa.
