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La Electronica: Transistrores

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Categoría: Apuntes y Monografías > Física >
Material educativo de Alipso relacionado con Electronica Transistrores
  • Introducción a la electrónica.: Definición de Diodo. Compresión. Cuerpos semiconductores. Semiconductor Tipo N. Diodo de unión. Tipos de diodos. Polarización inversa.
  • Examen de 3er año: Moles. Configuracion electrónica. Radios atomicos. Afinidad electronica. Tabla periódica de elementos.
  • La Electronica: Transistrores:

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    INTRODUCCIÓN

             La Electrónica es la ciencia que estudia el control del flujo de electrones en circuitos que van a desempeñar muchas funciones por medio de componentes como diodos, transistores, resistores, inductores, capacitores y otros dispositivos.

             La era electrónica se introdujo con el bulbo. A la llegada del transistor se realizaron grandes cambios, principalmente en las necesidades de potencia y tamaño de los componentes y circuitos. A continuación veremos los Transistores Unipolares (FET´S - MOSFET´S).

             Estos transistores pueden ser empleados en los circuitos en una disposición similar a la de los bipolares, es decir, en fuente común, aunque la primera y la última son las más utilizadas en la practica.

             En época reciente ha aparecido en el mercado una nueva tecnología de fabricación de transistores MOS que reciben el nombre de VMOS a causa de la estructura geométrica  de sus diferentes regiones semiconductoras.

    TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO

    Definición :

             Los transistores de efecto de campo, conocidos generalmente como TEC ( o FET por sus siglas en ingles ), son un dispositivo unipolar, ya que la corriente existe tanto en forma de electrones como de huecos. En un FET de canal n, la corriente se debe a electrones,  mientras que en un FET de canal p, se debe a huecos. Ambos tipos de FET se controlan por una tensión entre la compuerta y la fuente.

    Transistores de efecto de Campo (TEC) con sus símbolos correspondientes

     


            

             Los símbolos ilustrados se refieren al transistor de efecto de campo de juntura. Los TEC a y b han sido indicados como tipos N y P de acuerdo al empleo de los materiales tipo N y P en la fabricación de estos dispositivos.

             El TEC tiene tres elementos. El terminal ánodo se conoce como el drenaje y el terminal cátodo se conoce como fuente. El drenaje equivale al colector. La fuente equivale al emisor de un transistor bipolar. La puerta equivale a la base.

    Ejemplo de un circuito TEC

     


             Además existen otros TEC que utilizan metales y materiales óxidos, dando como un resultado un TEC que se conocen como Transistor de Efecto de Campo de óxido de metal y semiconductor, que se abrevia TELCOMS ( o MOSFET por sus iniciales en y ingles ). Otro avance en el TEC es un dispositivo con dos terminales, llamados puertas frontal y puerta trasera, este dispositivo es el TEC tetrodo. En la siguiente figura se muestran los símbolos de estas modificaciones del TEC de juntura. En los símbolos para estos dispositivos, la D significa drenaje, la P = puerta, la F = fuente.

    Tipos :

             Se consideran tres tipos principales de FET:

             El primero de ellos, el JFET, ya no se trata de una combinación tan sencilla entre los semiconductores como en el caso de los transistores N-P-N, P-N-P. Ahora la forma de obtenerlos es algo más rebuscada. Sin embargo, sus propiedades hacen que merezca la pena su construcción, ya que son utilizados en gran medida por los fabricantes de circuitos electrónicos.

             A su vez existen dos tipos de transistores JFET. La razón es sencilla, si tomamos uno de ellos y cambiamos los tipos de semiconductores, es decir, donde hay semiconductores de tipo P ponemos semiconductores de tipo N y viceversa, obtenemos otro transistor JFET pero de características distintas.

             Así pues, para distingirlos, llamamos FET de canal p al primero y FET de canal n al segundo. Veremos cómo las propiedades de ambos no sólo son distintas sino que son más bien opuestas.

             Para aplicar su funcionamiento hay que tener en cuenta que tenemos dos tipos distintos de voltajes. Esto es debido a que el FET consta de tres semiconductores unidos y por tanto existen dos zonas de unión entre ellos. Así pues, vamos a considerar la diferencia de potencial entre drenaje y fuente a la que llamaremos Vds, y la diferencia de potencial entre puerta y fuente la cual estará representada por Vgs.

             Estudiar las características de un transistor consta en “jugar” con las dos tensiones de que disponemos, aumentándolas, disminuyéndolas y observando qué pasa con la corriente que lo atraviesa.

             Para estudiar su comportamiento, vamos a dejar fija la tensión entre la puerta y la fuente, Vgs, y vamos a suponer que variamos la tensión entre el drenador y la fuente, Vds.

             Se pueden distinguir tres zonas según vamos aumentando el potencial Vds, estas son: zona óhmica, zona de saturación y zona de ruptura.

             En la zona óhmica, el transistor se comporta como una resistencia (óhmica), es decir, si aumentamos el potencial, Vds, crece la corriente (y) en la misma proporción, esta situación se mantiene así hasta que el potencial alcanza un valor aproximadamente de unos cinco voltios. A partir de este valor, si seguimos aumentando esa diferencia de potencial entre drenador y fuente, es decir, si seguimos aumentando Vds, el transistor entra en la zona de saturación. Aquí su comportamiento es totalmente distinto al anterior, ya que, aunque se siga aumentando Vds, la corriente permanece constante. Si seguimos aumentando el potencial Vds de nuevo, llagamos a un valor de éste a partir del cual el comportamiento del transistor vuelve a cambiar. Este valor tiene que ser del orden de 40 voltios. Decimos entonces que hemos entrado en la zona de ruptura. A partir de este punto la corriente i puede circular libremente, independientemente de que sigamos aumentando el valor de Vgs. Es esta la razón por la cual los JFET se pueden utilizar como interruptores de encendido y apagado, propiedad esta fundamental en la computación. Un JFET se encuentra en estado OFF (interruptor cerrado) cuando Vds es cero, ya que no pasa corriente alguna, y en estado ON (interruptor abierto) cuando Vds pasa de los 40 voltios. Evidentemente, estos valores reales dependerán del tipo de transistor del que hablemos, ya existen FET para circuitos integrados y FET de potencia, estos últimos con valores algo mayores que los primeros.

             Otro de los tipos de FET es el conocido como MOSFET

             Por último, vamos a hablar del transistor más utilizado en la actualidad, esto es el del MOSFET. La estructura de este transistor es la más complicada de entre todos los vistos hasta ahora. Consta de los ya conocidos semiconductores P-N, colocados ahora de una nueva forma, y de un original material aislante, como es el dióxido de silicio; esta pequeña adición de la capa del óxido va a cambiar considerablemente las propiedades del transistor respecto a las que tenia el JFET.

             Existen dos tipos de MOSFET: cuando tengamos una zona tipo P y dos tíos N lo llamaremos MOSFET de canal n (o NMOS) y, por el contrario, si hay una sola zona tipo N y otras dos tipo P se llamará MOSFET de canal P (o PMOS).

    MOSFET de Empobrecimiento:

    El MOSFET de empobrecimiento de canal n

                       El MOSFET de canal n se establece en un sustrato p, que es el silicio contaminado de tipo p. Las regiones contaminadas de tipo n de la fuente y el drenaje forman conexiones de baja resistencia entre los extremos del canal n u los contactos de aluminio de la fuente (S) y el drenaje (D). Se hace crecer una capa se SiO2, que es un aislante, en la parte superior del canal. Se deposita una capa de aluminio sobre el aislante de SiO2 para formar la terminal de compuerta (G).

             El desempeño del MOSFET de empobrecimiento, es similar al JFET. El JFET se controla por la unión pn entre la compuerta y el extremo del drenaje del canal. No existe dicha unión en el MOSET de enriquesimiento, y capa de SiO2 actúa como aislante. Para el MOSFET de canal n, una vGS negativa saca los elementos de la región del canal, empobreciéndolo. Cuando vGS alcanza Vp, el canal se estrangula. Los valores positivos de vGS aumentan el tamaño del canal, dando por resultado un aumento en la corriente de drenaje.

             Nótese que el MOSFET de empobrecimiento puede operar tanto para valores positivos como negativos de vGS. Como la compuerta está aislada del canal, la corriente de compuerta es sumamente pequeña    (10-12 A) y vGS puede ser de cualquier polaridad.

    El MOSFET de empobrecimiento de canal p

    MOSFET de Enriquesimiento:

    El MOSFET de eriquesimiento de canal n

             El MOSFET de enriquesimiento difiere del MOSFET de empobrecimiento en que no tiene la capa delgada de material n sino que requiere una tensión positiva entre la compuerta y la fuente para establecer un canal. Este canal se forma por la acción de una tensión positiva compuerta a fuente, vGS, que atrae a los electrones de la región del sustrato ubicada entre el drenaje y la compuerta contaminados de tipo n. Una vGS positiva provoca que los electrones se acumulen en la superficie inferior de la capa de óxido. Cuando la tensión alcanza el valor de umbral, VT, han sido atraídos a esta región de los electrones suficientes para que se comporte como canal n conductor. No habrá una corriente apreciable iD hasta que vGS excede VT.

             No existe un valor IDSS para el MOSFET de enriquesimiento, ya que la corriente de drenaje es cero hasta que el canal se ha formado. IDSS es cero para vGS = 0. Para valores de vGS > VT, la corriente de drenaje en saturación se puede calcular de la ecuación iD = k (vGS - VT)2.

             El valor de k depende la construcción de MOSFET y, en principio, es función del ancho y el largo del canal. Un valor típico para k es 0.3 mA/V2; la tensión de umbral, VT, es especificada por el fabricante. Se puede encontrar un valor para gm derivando la ecuación, como se hizo con los JFET.

             El MOSFET de enriquesimiento de canal p exhibe características similares pero opuestas a las del MOSFET de enriquesimiento de canal n.

             Aunque se halla más restringido en su intervalo de operación que el MOSFET de empobrecimiento, el MOSFET de enriquesimiento es útil en aplicaciones de CI debido a su tamaño pequeño y su construcción simple. La compuerta para los MOSFET de canal n  y de canal p es un depósito de metal en una capa de óxido de silicio. La construcción comienza con un material de sustrato (de tipo p para canal n; de tipo n para canal p) sobre el cual se difunde material del tipo opuesto para formar la fuente y el drenaje.

    El MOSFET de eriquesimiento de canal p

    VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL FET

             Las ventajas del FET se pueden resumir como sigue:

    1.  Son dispositivos sensibles a la tensión con alta independencia. Como esta independencia de entrada es considerablemente mayor que la de los BJT, se prefieren los FET a los BJT para la etapa de entrada a un amplificador multietapa.

    2.  Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.

    3.  Los FET son más estables con la temperatura que los BJT.

    4.  Los FET son , en general, más fáciles de fabricar que los BJT, pues suelen requerir menos pasos de enmascaramiento y difusiones. Es posible fabricar un mayor número de dispositivos en un circuito integrado ( es decir, se puede obtener una densidad de empaque mayor ).

    5.  Los FET se comportan como resistores variables controlados por tensión para valores pequeños de tensión drenaje a fuente.

    6.  La alta impedancia de entrada de los FET les permite almacenar carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento.

    7.  Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor  y conmutar corrientes grandes.

             Existen varias desventajas que limitan la utilización de los FET en algunas aplicaciones:

    1.  Los FET exhiben una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacitancia de entrada.

    2.  Algunos tipos de FET presentan una linealidad muy pobre.

    3.  Los FET se pueden dañar al manejarlos debido a la electricidad estática.

    OPERACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DEL FET

             Al igual que el BJT, el FET es un dispositivo de tres terminales, pero sólo tiene una unión pn en vez de dos, como en el BJT.

             El JFET de canal n se construye utilizando una cinta de material tipo n con dos materiales de tipo p difundidos en ella, uno en cada lado. El JFET de canal p tiene una cinta de material tipo p con dos materiales de tipo n difundidos en ella.

    Estructura Física de un JFET

             Para entender la operación del JFET, se conecta el JFET de canal n a un circuito externo, Se aplica una fuente de tensión, VDD, al drenaje y se envía a tierra. Una fuente de tensión de compuerta, VGG, se aplica a la compuerta.

             VDD proporciona una tensión drenaje a fuente, vDS, que provoca una corriente de drenaje, iD, del drenaje a la fuente. La corriente de drenaje, que es idéntica a la corriente de fuente, existe en el canal rodeado por la compuerta de tipo p. La tensión compuerta a fuente, vGS, que es igual a -VGG, crea una región desértica en el canal, que reduce el ancho de éste y por tanto aumenta la resistencia entre drenaje y fuente. Como la unión compuerta-fuente está polarizada en inverso, el resultado es una corriente de compuerta nula.

             Considérese la operación de un JFET con vGS=0. La corriente de drenaje a través del canal n del drenaje a la fuente, provoca una caída de tensión a lo largo del canal, con el potencial más alto en la unión drenaje-compuerta. Esta tensión positiva es la unión drenaje-fuente polariza en inverso la unión pn y produce una región desértica. Cuando se incrementa vDS, también aumenta la corriente de drenaje, iD .

    CURVAS CARACTERÍSTICAS

             Aquí consideraremos las características iD-vDS completa para varios valores del parámetro vGS. En la siguiente figura se muestran las curvas características iD-vDS tanto para un JFET de canal n como para uno de canal p. antes de analizar estas curvas, tómese nota de los siguientes símbolos para los JFET de canal n y de canal p, que también se muestran en dicha figura. Estos símbolos son iguales excepto por la dirección de la flecha.

    Curvas características iD-VDS para un JFET

             Conforme se incrementa vGS (más negativo para un canal n y más positivo para un canal p) se transforma la región desértica y se cierra para un valor menor que iD. Por tanto, para el JFET de canal n la iD máxima se reduce desde IDSS con forme vGS se hace se hace más negativo. Si vGS disminuyen aún más se alcanza un valor de vGS, después del cual iD será cero sin importar el valor de vDS. Este valor de vGS se denomina VGSOFF, ó tensión de estrangulamiento (Vp). El valor de Vp es negativo para un JFET de canal n y positivo para un JFET de canal p.

    CARACTERÍSTICAS DE TRANSFERENCIA

    Características del JFET

             Es una gráfica de la corriente de drenaje como función de la tensión compuerta a fuente por encima del estrangulamiento. Se gráfica con vDS igual a una constante, aunque la característica de transferencia es esencial independiente de vDS pues, luego de que el FET llega al estrangulamiento, iD permanece constante para valores mayores de vDS. Esto se puede ver a partir de las curvas iD-vDS , donde cada curva se vuelve plana para valores de vDS > Vp. Cada curva tiene un punto de saturación diferente.

             En la anterior figura se muestran las características de transferencia y las características iD-vGD para un JFET de canal n. Las características de transferencia se pueden obtener de una extensión de las curvas iD-vDS. Un método útil de determinar la característica de transferencia es con ayuda de la siguiente relación:

    iD / iDSS = (1 - vGS / Vp )2

             Por tanto, sólo se necesita conocer iDSS y Vp, y toda la característica queda determinada, Las hojas de datos de los fabricantes a menudo dan estos dos parámetros, por lo que se puede construir la característica de transferencia o utilizar la ecuación directamente. Nótese que iD  se satura ( es decir, se vuelve constante )con forme vDS excede la tensión necesaria para que el se estrangule. Esto se puede expresar como una ecuación para vDS(sal) para cada curva, como sigue:

    vDS(sal) = vGS) + Vp

    DIFERENCIAS ENTRE FET Y LOS BJT

             Las diferencias más resaltantes entre estos dos dispositivos son:

    1.  La independencia de entrada de los FET es considerablemente mayor que la de los BJT.

    2.  Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.

    3.  Los FET son más estables con la temperatura que los BJT.

    4.  Los FET son , en general, más fáciles de fabricar que los BJT, pues suelen requerir menos pasos de enmascaramiento y difusiones.

    5.  La alta impedancia de entrada de los FET les permite almacenar carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento, a contrario de los BJT.

    gm Y TRANSDUCTANCIA

             Para obtener una medida de la amplificación posible con un JFET, se introduce el parámetro gm, que es la estrangulación en directo. Este parámetro es similar a la ganancia de corriente para un BJT. El valor de gm, que se mide en siemens (S), es una medida de cambio en la corriente de drenaje para un cambio en la tensión compuerta-fuente.

    gm = iD / vGS @ DiD / DvGS    vDS = constante

             La transconductancia, gm, no permanece constante si se cambia el punto Q. Esto se puede ver por la determinación geométrica de gm a partir de la curva de transferencia de características. Conforme cambia iD , varía la pendiente de la curva de transferencia de característica, cambiando por tanto gm.

             Se puede encontrar la transconductancia diferenciando la ecuación, lo que da como resultado    

    gm = iD / vGS =  2iDSS  (1 - vGS / Vp ) / - Vp

    Se define

    gmo = 2iDSS / - Vp

    que es la transconductancia en vGS = 0. Utilizando esta ecuación, la transconductancia está dada por

    gm = gmo ( 1 - VGS  / Vp  )

             Una forma alterna de esta ecuación se puede encontrar definiendo

    kn = IDSS / V2P

             La transconductancia se encuentra de la pendiente de la curva en el punto Q. y está dada por

    gm = 0,91lDSS  / 0.64Vp = 1.42lDSS / Vp  = -0.71gmo

             Estos valores suelen representar un buen punto de inicio para fijar los valores estáticos en el JFET.

    CONCLUSIÓN

             Los transistores FET realizan la función de control de la corriente, común a todos los transistores por ser característica básica, mediante una tensión aplicada en uno de sus terminales.

             Están construidos con una zona semiconductora tipo P o N que une dos de sus tres terminales.

             El comportamiento de los transistores de efecto de campo se caracteriza por sus curvas características en las que se representa la corriente que entra o sale por el Drenador en función de la tensión aplicada entre éste  y la Fuente.

             Estos transistores pueden ser empleados en los circuitos en una disposición similar a la de los bipolares, es decir, en fuente común, aunque la primera y la última son las más utilizadas en la practica.

             En época reciente ha aparecido en el mercado una nueva tecnología de fabricación de transistores MOS que reciben el nombre de VMOS a causa de la estructura geométrica  de sus diferentes regiones semiconductoras.

             Se emplean en amplificadores de potencia así como en conmutación, haciendo la función de interruptor, gracias a la baja resistencia interna que poseen.

     
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