Electrónica
Transistores BJT, FET y MOSFET Profesor: Javier Urquizo Guevara I Termino 2014-2015
Contenido 1. Caract Caracterís erístic ticas as y funcio funciona namie mient nto o del tra trans nsist istor or BJT BJT 2. Polar Polariz izaci ación ón de de circui circuito toss básic básicos os de de ampli amplific ficac ación ión con transistores BJT 3. Ampl Amplifi ifica caci ción ón con con tr transis ansisto tore ress BJT 4. Conm Conmut utac ació ión n con con tran transi sist stor ores es BJT BJT 5. Caract Caracter erís ístic ticas, as, funcion funcionam amien iento to y aplic aplicaci ación ón de de transistores de Efecto de Campo (FET) 6. Caract Caracter erís ístic ticas, as, funcion funcionam amien iento to y aplic aplicaci ación ón de de Transistores de Efecto de campo de semiconductor de oxido metálico (MOSFET) Electrónica
Transistor El transistor es un dispositivo electrónico que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador.
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Cronología • 1904: Diodo de Tubo de Vacío • 1906: Tríodo, con rejilla de control. • 1930: Tetrodo, Pentodo tuvieron un rol destacado
por la industria de radio y TV • 1947: Invención del primer transistor. Era mas pequeño, robusto y eficiente. Laboratorios Bell. • 1951: Fabricación en serie
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Tipos de Transistores BJT r o t s i s n a r T
NPN PNP JFET
FET
MOSFET
TRIAC
IGBN
TIRISTOR Electrónica
Transistor BJT 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”.
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Características del BJT
Los terminales de este dispositivo se identifican por medio de las letras mayúsculas: E para emisor, C para colector y B para base Electrónica
Características del BJT • El emisor tiene gran cantidad de impurezas. Su función es
emitir o suministrar los portadores de carga. • La base tiene muy pocas impurezas y es muy delgada. • La cantidad de impurezas en el colector es menor que en el emisor, pero mayor que en la base. El área del colector es la mayor de las 3, porque es el colector el que disipa mayor cantidad de calor en el emisor o la base.
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Características del BJT Por analogía de diodos, el transistor puede ser construido como dos diodos que se conectan juntos.
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Operación del BJT Polarización Directa-Inversa: Para que el transistor funcione se debe tener una unión p-n polarizada inversamente y la otra polarizada directamente
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Operación del BJT
Aplicando LKC: = + El material “emparedado” es muy delgado y su conductividad es baja, por lo tanto el es muy pequeño. (típicamente en orden de los microamperios) Electrónica
Operación del BJT La corriente es la unión de dos componentes los portadores mayoritarios y minoritarios = +
La corriente de portadores minoritarios ( ) se denomina corriente de fuga y se le da el símbolo , que simboliza a la corriente con el terminal del emisor abierto (open). En general se mide en mili amperes e se mide en nano amperes. Electrónica
Punto Q Para los amplificadores o transistores, el voltaje y la corriente DC resultantes establecen un pto de operación sobre las características que definen una región que se utilizara para la amplificación de la señal aplicada, este pto de operación es pto fijo (PUNTO Q)
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Operación en las Regiones • Región Activa: definida por el circuito
empleado. • Región de corte: región donde la corriente del colector es 0A. • Región de saturación: región de características a la izquierda de VCB= 0V.
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Configuración Base Común Esta configuración se refiere a: • La base es común para el circuito de entrada como para el de salida • La base es generalmente el terminal mas cercano al potencial de tierra • Entrada emisor, salida colector
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Configuración Base Común
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Configuración Base Común Para describir el comportamiento de los amplificadores de base común se requiere dos graficas características: • Entrada o características del emisor • Salida o características del colector
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Configuración Base Común
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Configuración Base Común Las curvas (características de salida) claramente indican que una primera aproximación a la relación entre IE e IC en la región activa esta dada por • IC≈IE • Una vez que un transistor esta en el estado ‘on’ , el
voltaje base-emisor se asume ser: VBE= 0.7V
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Configuración Base Común
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Configuración Base Común Las características de salida tiene 3 regiones básicas: • Región Activa -definida por el circuito empleado. En la región activa la unión base-emisor se polariza en directa en tanto que la unión colector-base está en inversa. Región para amplificación de voltaje.
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Configuración Emisor Común • Región de corte –región donde la corriente del
colector es 0A. En la región de corte las uniones base-emisor y colector-base de un transistor se polarizan en directa. • Región de Saturación-región de características a la
izquierda de VCB= 0V. En la región de saturación las uniones base-emisor y colector-base se polarizan en inversa. No fluye corriente en el colector. Electrónica
Configuración Base Común En el modo DC los niveles de IC e IE debido a los portadores de mayoría están relacionados por una cantidad llamada alfa =
= +
Debido a que es un valor muy pequeño; =
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Configuración Base Común Para situaciones AC donde el punto de operación se mueve sobre la curva característica, y un AC alfa esta definida por =
∆ ∆
Alfa es un factor de ganancia de corriente en base común que muestra la eficiencia por calcular el porcentaje de corriente de emisor a colector. El valor de es típicamente entre 0.9 ~ 0.998. Electrónica
Configuración Base Común
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Polarización La polarización apropiada de la configuración de base común en la región activa se determina de inmediato con la aproximación ≅ y suponiendo que ≅ 0
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Configuración Emisor Común Esta configuración se refiere a: • El emisor es común o referencia para los terminales de entrada y de salida. • El emisor es el terminal mas cercano al potencial de tierra • Entrada base, salida colector • Casi toda la amplificación usa la conexión de CE dado que tiene la mas alta ganancia de corriente y voltaje.
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Configuración Emisor Común
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Configuración Emisor Común De la misma manera que en la configuración base común, para describir el comportamiento de los amplificadores de emisor común se requiere dos graficas características: • Entrada (terminal de la base) • Salida (terminal del colector)
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Configuración Emisor Común
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Configuración Emisor Común Características de entrada • IB esta en microamperios comparado a IC miliamperios . • IB fluye cuando VBE > 0.7V para silicio y 0.3V para germanio. • La unión Base-emisor esta polarizada directamente. • Incrementando VCE reducirá IB para valores diferentes.
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Configuración Emisor Común Características de Salida • Para valores pequeños VCE (VCE < VCESAT), IC incrementa linealmente cuando VCE incrementa. • VCE > VCESAT IC no depende totalmente de V CEIC constante • IB(uA) es muy pequeño comparado a I C(mA). Pequeño incremento en IB causa un gran incremento in I C • IB=0 A ICEO aparece. • Note el valor cuando I C=0A. Hay todavía algún valor de flujo de corriente. Electrónica
Configuración Emisor Común Las características de salida tiene 3 regiones básicas: • Región Activa -definida por el circuito empleado. En la región activa la unión base-emisor se polariza en directa en tanto que la unión colector-base está en inversa. Región para amplificación de voltaje, corriente y potencia.
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Configuración Emisor Común • Región de corte –región donde la corriente del
colector es 0A. En la región de corte las uniones base-emisor y colector-base de un transistor se polarizan en directa. • Región de Saturación-región de características a la
izquierda de VCB= 0V. En la región de saturación las uniones base-emisor y colector-base se polarizan en inversa. Uso del transistor como switch lógico. Electrónica
Configuración Emisor Común
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Configuración Emisor Común La relación de corriente de colector dc (I C) a la corriente de base dc (IB) es beta dc (βDC) la cual es una ganancia de corriente dc donde IC e IB son determinados en un punto de operación particular, punto Q (punto inactivo). Se conoce a esta relación como la ganancia de corriente emisor común.
=
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Configuración Emisor Común Para condiciones AC una beta AC se define como los cambios de la corriente de colector(I C) comparado a los cambios de la corriente de base (IB) donde IC e IB están determinados en un punto de operación. En la hoja de datos, βac=hfe.
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Configuración Emisor Común
=
1−
↔=
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+1
Configuración Colector Común Conocido también como seguidor de emisor. La entrada característica de la configuración colector común es similar a la de emisor común. Se llama colector común porque tanto la señal de la fuente y la carga el terminal del colector como un punto de conexión común. El voltaje de salida se obtiene en el terminal del emisor. La configuración del circuito colector común es obtenido con la resistencia de carga conectada desde emisor a tierra. Se usa principalmente para acoplamiento de impedancia dado que este tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida.
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Configuración Colector Común
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Limites de operación Muchos transistores BJT son usados como amplificador. Por esto es importante notar los límites de operación. Al menos 3 valores máximos valores son mencionados en la hoja de datos. a) Máximo poder de disipación en el colector: Pcmax o PD b) Máximo voltaje colector-emisor: VCEmax algunas veces llamado como VBR(CEO) o VCEO. c) Máxima corriente del colector: ICmax Hay pocas reglas para los transistores BJT usados como un amplificador. Las reglas son: i) El transistor necesita ser operado en la región activa ii) IC< ICmax ii) PC< PCmax Electrónica
Ejercicio Para el siguiente circuito, encuentre: 1. Las corrientes del transistor IE, IC e IB 2. Los voltajes del transistor VBC y VEC Datos del transistor: VBE=0.7V, α=0.97
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Zonas de funcionamiento del transistor
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Ejercicio 18 V
60k
8k
2k
Hallar los puntos de operación Q para cada transistor (β= 100)
Q 2 Q 1
I b
1
90k 18k
Q1 =
3.5 k
I c
1
I e
1
V ce
1
-12 V
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Hallar los puntos de operación Q para cada transistor ( β= 100) 18 V
18 V
18 V
60k
60k
8k
8k
2k
2k
Th
Q 2
Q 1
Q 2
Aplicamos Thevenin
Q 1 90k 18k
3.5 k
90k 18k
3.5 k -12 V
-12 V
-12 V V Th
R
18(
90 90 60
) 12(
90 90 60
60k || 90k 36k
) 6V
18 V
18 V
I b
36k (101)18k I c I b 1 1 1
2k
8k
R Th I b
V Th
1
I b
I c
2
1
V ce
6V
36k
I e
2
I e
I c
(100)9.33 A 0.933mA
I e
( 1) I b1
I e
(101)9.33 A 0.9424mA
1
2
1
1
18k
-12 V
I c I c
2
2
3.5 k
-12 V
I b
I b2
(100)32.209 A 3.221mA
9.33 A
1
I c
V ec
6 0.7 12
2
2k ( 1) I b2
0.7 8k ( I c1
8k (0.933 A) 0.7 k (101) 8k
I b
2
)0
32.209 A
I e I e
2
2
( 1) I b2
(101)32.209 A 3.253mA
V ce
18 8k (0.933mA 32.209 A) 18k (3.253mA)
V ce
5.89V >0
V ce
18 2k (3.253mA) 3.5k (3.220mA) 12
V ce
12.226V >0
1
1
2
2
I b
1
Q1 =
32.209 A
I b
I c
3.221mA
I e
3.253mA
0.933mA
I e
0.924mA
1
1
1
Q2 “Zona Activa”
9.33 A
I c
V ce
Q1 “Zona Activa”
5.89V
2
Q2 =
2
2
V ce
2
12.226V
Transistores de Efecto de Campo También llamado FET (Field Effect Transistor), es un dispositivo de 3 terminales que se utiliza para aplicaciones que se asemejan a la del BJT. Los FET son más estables a la temperatura y en general mas son mas pequeños que los BJT, lo que los hace particularmente útiles en chips de circuitos integrados.
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Transistores de Efecto de Campo La principal diferencia es que el BJT es un dispositivo controlado por corriente mientras que el FET es un dispositivo controlado por voltaje.
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Clasificación del FET Canal N JFET Canal P T E F
Canal N Agotamiento Canal P MOSFET Canal N Enriquecimiento Canal P Electrónica
Transistor de Efecto de Unión Unión de Campo Se denomina transistor JFET (Junction Field Effect Transistor) es un dispositivo electrónico que según unos valores de entrada, reacciona dando unos valores de salida. Utiliza una unión p-n similar al transistor BJT.
D G Electrónica
S
Características del JFET 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). Electrónica
Características del JFET La fuente de la presión de agua puede ser vinculada al voltaje aplicado del drenaje a la fuente, el cual establece un flujo de agua (electrones) desde el grifo (fuente). La “compuerta” gracias a una señal aplicada (potencial), controla el flujo de agua (carga) dirigido hacia el “drenaje”.
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Características del JFET a) Canal N
Simbología Vds
Fuente S (Surtidor)
P N
D D Drenador
+
-
Q3
-
Id
Vgs
P
+ G
G Compuerta
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S
Características del JFET b) Canal P
Fuente S (Surtidor)
Simbología
N P
D Drenador
N
G Compuerta
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Construcción del JFET Para un valor Vgs=0; Vds > 0 La región de empobrecimiento es aquella que no presenta portadores libres y por tanto es incapaz de soportar la conducción a través de la región. En el momento de aplicar Vdd, los electrones serán atraídos al terminal de drenaje, estableciéndose la Id convencional en la dirección marcada.
Mientras mayor es la polarización inversa aplicada, mas ancha es la región de agotamiento.
El flujo de carga se encuentra relativamente sin ninguna restricción y solo lo limita la resistencia del canal n entre el drenaje y la fuente Electrónica
Construcción del JFET Id
Nivel de saturación
Idss
Vgs=0V Aumento de la resistencia debido al estrechamiento del canal Resistencia canal N
0
Vp
Vds
Idss= Corriente de Drenaje a la fuente con una conexión de cortocircuito
Cuando el Vds aumenta desde cero hasta unos cuantos voltios la corriente Id aumenta. Mientras mas horizontal es la curva, mayor es la resistencia y si Vds aumenta hasta donde parece que las dos regiones de agotamiento se tocan resulta la condición de Estrechamiento. Esta condición se lo conoce como Voltaje de Estrechamiento o Vp (PINCH OFF).
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Construcción del JFET Mientras Vds se incrementa mas allá de Vp, la región del encuentro cercano entre las dos regiones de agotamiento se incrementa pero el nivel de Id permanece constante. Por lo tanto una vez que Vds > Vp, el J’FET tiene las características de una fuente de corriente. Idss es la corriente máxima de drenaje para un J’FET y esta definida mediante las condiciones de Vgs= 0 V y Vds > I Vp I
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Construcción del JFET Para Vgs<0V En forma análoga como en los BJT tenemos curvas de Ic en función de Vce para diferentes valores de Ib, se pueden desarrollar curvas de Id En función de Vds para varios niveles de Vgs para JFET Vgs → voltaje que controla el JFET Por ejemplo colocamos una fuente de -1V entre G y S (compuerta y fuente) Electrónica
Construcción del JFET El resultado de aplicar una polarización negativa en la compuerta es alcanzar un nivel de saturación aun nivel menor de Vds. Es decir el nivel de saturación para Id disminuye y seguirá disminuyendo mientras Id Vgs se hace más negativo (observe Figura de Nivel de saturación Características). Idss Vgs= Además se observa como el Vp continua 0V cayendo en una trayectoria parabólica Vgs=-1V conforme Vgs es mas negativo. Cuando Vgs= - Vp, Vgs será lo Vgs=-2V suficientemente negativo como para Vgs=-3V Vgs=-4V establecer un nivel de saturación que será Vds Vp5 10 15 0 Región en esencia cero miliamperios, por otro lado Región de saturación Ohmica para todos los propósitos el dispositivo ha sido “apagado”. Electrónica
Resumen para dispositivos de canal N
D G
+ Vgs=0V Vgs S -
Id =Idss
La corriente máxima se encuentra Definida como Idss y ocurre cuando + Vgs=0V y Vds>=|Vp| Vdd >=|Vp| -
Vgs=-Vgg D G + Vgg Vgs S -
Id =0A
+ Vdd -
Para los voltajes de compuerta la fuente Vgs menores que el nivel de estrechamiento la corriente de drenaje es igual a 0A
Vgs>=|Vp|
Vgs=-Vgg D G Vgg
+ Vgs -
|Vp|>=|Vgg|>0V
Id S
Para todos los niveles de Vgs entre OV Y el nivel de estrechamiento, la corriente Id + Se encontrará entre 0A y el valor de Idss Vdd (0mA
Características de transferencia Variable de control Para el BJT tenemos:
I c
f ( I B )
I B Constante
Se observa una relación lineal entre Ic e Ib Pero para un JFET esta relación No existe , sino que se aplica LA ECUACIÓN DE SHOCKEY: Variable de control
Vgs I D I DSS 1 Vp
2
Constantes Electrónica
Características de transferencia Variable de control Para el BJT tenemos:
I c
f ( I B )
I B Constante
Se observa una relación lineal entre Ic e Ib Pero para un JFET esta relación No existe , sino que se aplica LA ECUACIÓN DE SHOCKEY: Variable de control
Vgs I D I DSS 1 Vp
2
Constantes Electrónica
Características de transferencia
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Características de transferencia
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Operación del JFET Similar al transistor BJT, el JFET también tiene tres regiones de operación: • Región de corte • Región lineal • Región de saturación
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Operación del JFET Región de corte La condición de la región de corte es que el canal esté completamente estrangulado en las proximidades de la fuente, lo que sucede cuando la tensión puerta-fuente alcance la tensión de estrangulamiento (VGS
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Operación del JFET Región lineal (activa) Es la región en que se produce un incremento de la intensidad ID al aumentar VDS. Este incremento es lineal para bajos valores de VDS aunque la linealidad se pierde cuando VDS se acerca a -VP. Para trabajar en la región lineal se deben dar dos condiciones: VGS > VP VGD > VP ;VGS > VP + VDS
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Operación del JFET Estas condiciones equivalen a admitir que el canal de conducción no se estrangula por la zona de depleción en inversa tanto en el extremo de drenaje como en la fuente. El valor que toma la corriente ID es:
=
2
− −
Electrónica
2
Operación del JFET Región de saturación La región de saturación tiene lugar cuando la tensión entre drenaje y puerta alcanza la tensión de estrangulamiento. Para que ello ocurra, el canal N, tiene que estar estrangulado en el extremo cercano al drenaje, pero no en el extremo del canal cercano a la fuente. Entonces, al igual que en el caso anterior, deben ocurrir dos condiciones: VGS > VP VGD < VP ;VGS < VP + VDS Electrónica
Operación del JFET En este caso la intensidad ID ya no depende de VDS, siendo su expresión:
= 1 −
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Comparación JFET y BJT
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Transistor de Efecto de campo Metal-óxido semiconductor Se denomina MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el transistor mas utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores MOSFET. Electrónica
MOSFET Las prestaciones del transistor MOSFET son similares a las del JFET, aunque su principio de operación y su estructura interna son diferentes. Existen cuatro tipos de transistores MOSFET: • Incremental de canal N • Incremental de canal P • Decremental de canal N • Decremental de canal P Electrónica
Características del MOSFET La característica constructiva común a todos los tipos de transistor MOS es que el terminal de puerta (G) está formado por una estructura de tipo Metal/Óxido/Semiconductor. El óxido es aislante, con lo que la corriente de puerta es prácticamente nula, mucho menor que en los JFET. Por ello, los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia. Electrónica
MOSFET de tipo Decremental de canal n La construcción básica de este dispositivo corresponde a una placa de material tipo “p” que esta formada a partir de base de Silicio y se la conoce como sustrato. Drenaje D
Compuerta G Fuente S
Región dopada N n n n
Sustrato P
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Características La compuerta se encuentra conectada a una superficie de contacto metálico pero permanece aislada del canal n por una capa de dióxido de silicio (Si O2 ). La fuente y el drenaje se conectan a la región dopada n por medio de contactos metálicos y unidas por un canal n.
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Características Debido a la presencia de Si O2 se revela lo siguiente : • No existe conexión eléctrica entre la compuerta y el canal de un MOSFET. • Se debe a esta capa aislante que se explica la alta impedancia, muy deseable por cierto. La muy alta impedancia de entrada, continua soportando totalmente el hecho de que la corriente de la entrada (Ig) en esencia de valor cero amperios, para las configuraciones de polarización en DC. Electrónica
Operación D
+ G S -
n n n
Sustrato P
Id=Is=Idss
Electrónica
SS Vdd
Curvas Características 10.9
Id
Id(mA)
Modo De agotamiento
Vgs =1V
8
Idss
Vgs=0 V Vgs=-1V
Vgs=-2V Vgs=-3V
Vgs
-4
-3 Vp/2
-2 -1 0
0
Electrónica
Vp5
10
15
Vgs=-4V
Vds
MOSFET de tipo Decremental de canal p A diferencia del MOSFET anterior, el sustrato es del tipo “n” y el canal del tipo “p”, así mismo, los terminales parecen marcados pero todas las polaridades y las direcciones de las constantes están invertidas. La curva de salida Id Vs Vds tiene valores positivos de Id y negativos de Vds con niveles de Vgs positivos. Drenaje D
Región dopada N
Id Compuerta G + Fuente S Vgs
p p p
Sustrato n
Electrónica
SS
Curvas Características Vgs Id Vgs =-1V Vgs=0 V
-6 Vp/2
Vgs=1V
-3 Vgs=2V
-2 -1 0
Vgs=3V
6
Vgs
0
Electrónica
Vp5
10
15
Vgs=4V
Vds
Símbolos para MOSFET Decremental Canal -n
Canal p
D
D SS
S
G
G
S
S D
D
G
G S
S
Electrónica
MOSFET de tipo Incremental de canal n En la construcción básica de un MOSFET de tipo incremental, se puede observar una diferencia marcada que es la ausencia de un canal entre las regiones dopadas tipo n. Drenaje D
Región dopada -n n
Compuerta G Fuente S
Sustrato n P
Contactos metálicos
Electrónica
Operación
Id
D
G
Ig=0
S
n + --+ n +
ss
+ Vsd -
Is=Id
Electrónica
Operación Para valores de Vgs menores que el nivel de Umbral, la corriente drenaje es 0. Para los niveles de Vgs>Vt, la corriente drenaje esta dada por:
Id Vgs =8V Vgs=7
= − () = () −
Vgs=6V
Vgs=5V Vgs=4V
0
Vp5
10
15
Vgs=3V
Vds
Según el grafico Vgs=8V, la saturación ocurrió en el nivel Vds=6V y por tanto: = −
Electrónica
Curvas Características Id (mA) Id Vgs =8V Vgs=7
7 6
Vgs=6V
5
Vgs=5V Vgs=4V
2
5
6 7
0
Electrónica
Vp5
10
15
Vgs=3V
Vds
MOSFET de tipo Incremental de canal p
Drenaje D
Compuerta G Fuente S
Región dopada -n p p
N
Contactos metálicos
Electrónica
ss
Curvas Características Id
Id
Vgs =-8V Vgs=7 Vgs=-6V
Vgs=-5V
Vgs -8
0
Electrónica
Vp5
Vgs=4V
10
15
Vgs=-3V
Vds
