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Transistores

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TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR – BJT

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que puede funcionar como un interruptor o como un amplificador de una señal eléctrica, tanto de tensión como de corriente.

Está formado por la unión de 3 materiales semiconductores, cada uno dopado con material N o material P, que determinan los 3 terminales de los que constan: emisor (E), base (B) y colector (C). De esta forma tendremos 2 posibles tipos de transistores: NPN y PNP.

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En esta estructura se aprecia que existen dos uniones PN: CB y BE, cada una de las cuales se comporta de forma parecida a un diodo.

De forma práctica, la diferencia entre estos transistores es que los NPN se utilizan para voltajes positivos, mientras que los PNP con voltajes negativos.

En un transistor se producirá un paso de corriente desde el colector al emisor que dependerá de la corriente que entre en la base Ib. Entre la base y el emisor hay una unión NP que se comporta como un diodo, por lo que La tensión necesaria para que pase la corriente desde el colector al emisor deberá ser de al 0,7 mV aproximadamente si el material es silicio, o de 0,3 mV se se trata de germanio (VBEON).

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Zonas de trabajo

Existen 3 zonas de trabajo en las que puede funcionar un transistor.

  • Zona de corte: cuando no entra ninguna corriente en la base, no habrá paso de corriente del colector al emisor, actuando como un interruptor abierto entre estos dos terminales.
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  • Zona de saturación: entra una señal en la base con una tensión mayor a 0,7 mV que permitirá que se produzca el paso de corriente del colector al emisor, actuando como un interruptor cerrado entre estos dos terminales.
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En estas dos zonas, el transistor trabaja como un interruptor, permitiendo o cortando el paso de corriente entre el colector y el emisor, en función de si llega o no una corriente a la base.  Esta utilidad tiene especial aplicación en electrónica digital.

  • Zona activa o de conducción: en esta zona el transistor trabaja como un amplificador. La corriente que pasa del colector al emisor será proporcional a la corriente que llegue a la base en un factor denominado β.  Así, sucede que variaciones en la corriente de base producen variaciones en la corriente del colector. Para que un transistor funcione correctamente en este estado intermedio debe estar polarizado.
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Transistores de efecto de campo – FET

El FET es un dispositivo que se utiliza para aplicaciones en parte similares a los de un BJT, aunque existen diferencias importantes entre ambos. La principal es que mientras que el transistor BJT es un dispositivo controlado por corriente, el FET es controlado por voltaje. Además, su  impedancia de entrada es muy alta. Se distinguirán dos tipos: JFET (de sus siglas en ingles transistor de efecto de campo de unión) y los MOSFET (transistor de efecto de campo metal óxido).

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO DE UNIÓN – JFET

Tienen 3 terminales: Gate (G, compuerta), Source (S, fuente) y Drain (D, drenaje). Están fabricados con materiales semiconductores tipo p y tipo n y según su distribución se dividen en dos tipos: canal n y canal p. El nombre indica el tipo de material semiconductor por el que circula la corriente y tiene conectados en extremos opuestos los terminales drenador y fuente. El terminal G se conecta a un material contrario.

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En adelante se utilizará el tipo n para desarrollar la explicación, aunque el funcionamiento es similar para el tipo canal p, invirtiendo la polarización de la fuente de alimentación.

En el JFET de canal n, como se aprecia en la figura, existe un canal entre el drenaje y la fuente formado por material n, que se encuentra rodeado de material p, al cual está conectado el terminal de compuerta. Se forma por lo tanto un diodo entre la puerta y la fuente. La tensión que se aplique entre estos dos terminales VGS es la que regulará el paso de corriente del drenaje a la fuente. Si se polariza el diodo GS de forma inversa se podrá controlar la región de agotamiento del mismo mediante variaciones en VGS.

De esta manera, cuando VGS =0, la región de agotamiento del diodo será mínima y por lo tanto el canal entre el drenaje y la fuente será o más ancho posible. Según VGS se va haciendo negativa irá creciendo la región de agotamiento del diodo reduciéndose el canal del semiconductor n.

Llega un momento en que la VGS es lo suficientemente negativa como para que el crecimiento de la región de agotamiento cierre por completo el canal entre el drenaje y fuente, desapareciendo la corriente entre ambos terminales. Ese valor de tensión de corte del JFET o de estrangulamiento se denomina VGS(off) o Vp (de “pinch-off, estrangulamiento)

Cuando VGS = 0, un aumento de la tensión entre el drenaje y la fuente resultará en un aumento de la corriente de drenaje ID, pero llega un momento en que ésta dejará de aumentar aunque lo siga haciendo VDS. Es entonces cuando se dice que el JFET está saturado y ese valor máximo de corriente se denomina corriente drenaje fuente de saturación IDSS. Por lo tanto, ID variará desde un mínimo de 0A hasta IDSS y todo eso controlado por el valor de VGS.

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El circuito simplificado para un JFET de canal n sería el siguiente (para el de canal p sería igual pero cambiando la polarización de las fuentes de alimentación):

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TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO METAL-ÓXIDO SEMICONDUCTOR– MOSFET

Esta categoría de FET se divide a su vez en dos tipos: incrementales y decrementales, y cada uno de ellos se presentan en dos variantes: canal n y canal p.

MOSFET decremental

En un MOSFET de tipo decremental, un bloque de material p que recibe el nombre de sustrato (SS) constituye la base sobre la que se construye el dispositivo. Comúnmente la terminal del sustrato está conectada internamente con la terminal de la fuente, por lo que externamente el dispositivo presenta tres terminales: compuerta, drenaje y fuente.

Los terminales drenaje y fuente se encuentran conectadas mediante contactos metálicos a regiones dopadas n, que a su vez están unidas por un canal n.  La compuerta esta conectada a una superficie de contacto metálica pero está aislada del canal n por una lamina de óxido de silicio, SiO2. Está capa es la que explica la alta impedancia de entrada que presentan estos dispositivos.

MOSFET decremental – canal n

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MOSFET decremental – canal p

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Con la aplicación de un voltaje VGS ≤ 0 su comportamiento es similar al de un JFET, produciéndose un estrechamiento del canal n según disminuye VGS hasta alcanzar un punto en el que el canal se estrangula por completo, que se denomina Vp. Lo que sucede es que ese voltaje negativo provoca que los electrones del canal n sean repelidos hacia el substrato p donde se recombinan, lo cual resulta en una reducción en el número de electrones libres para establecer una corriente. Se dice entonces que el canal n se ha estrechado.  Sin embargo, a diferencia de lo que sucede en el JFET, el MOSFET tiene un funcionamiento con tensiones GS positivas, con las que se produce un ensanchamiento del canal n y como consecuencia un incremento de la corriente de drenaje.

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Para un transistor de canal p sucede este mismo efecto pero aplicando un voltaje positivo en VGS.


MOSFET incremental

La construcción de un MOSFET tipo incremental es muy similar a la de uno de tipo decremental, con la diferencia de que no existe un canal que comunique las terminales drenaje y fuente.  Debido a esto el modo de operación de estos transistores es distinto a los de tipo decremental. En este caso la corriente de drenaje estará en corte hasta el que voltaje compuerta fuente alcance una magnitud especifica. Además, el control de esta corriente en un dispositivo de canal n estará controlado por un VGS positivo, en lugar de negativo como en los JFET y los MOSFET de tipo decremental.

MOSFET incremental – canal n

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MOSFET incremental – canal p

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En reposo, VGS = 0, la corriente ID será 0 ya que no existe camino entre las terminales drenaje y fuente. Al aplicar una tensión positiva en la compuerta, ésta repelerá los huecos del sustrato p de la parte próxima a la lámina de SiO2 y atraerá electrones. Debido a la existencia de la capa aislante los electrones no serán absorbidos en la terminal de compuerta y quedarán concentrados en la superficie de la lámina de SiO2.  A medida que aumenta VGS la concentración de electrones se incrementará, alcanzando un punto en que es capaz de soportar un flujo de electrones a su través entre el drenaje y la fuente. El voltaje con el que se alcanza este estado se denomina voltaje umbral (VT o VGS(Th)). Al aumentar VGS por encima de VT la densidad de electrones en el canal inducido aumenta resultando en una mayor corriente de drenaje.

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Si se mantiene VGS y se incrementa VDS, la corriente de drenaje alcanzará un nivel de saturación. La estabilización de esta corriente se debe a un proceso de estrechamiento del canal inducido al final del drenaje. Con el incremento de VDS manteniendo VGS constante, la compuerta será cada vez menos positiva con respecto al drenaje (cae VDG), lo que reduce la fuerza de atracción de electrones en esta región del canal inducido, estrechándose en este punto, estableciéndose entonces una condición de saturación.

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