- Transistor BJT (bipolar juction
transistor) - Operación y
construcción del JFET - Operación y
construcción del MOSFET - El Thiristor o SRC
(Silicón-Controlled-Rectifiers) - Relay – Relé –
Relevador
En 1.947 los Físicos Walter Brattain, William
Shockley y John Bardeen, de los laboratorios Bell hacen el
descubrimiento del transistor
(Contracción de los términos Transfer
Resistor).
Es un dispositivo electrónico empleado como
amplificador de corriente y de voltaje, y consiste de materiales
semiconductores que comparten límites
físicos en común. Los materiales
más comúnmente empleados son el silicio y el
germanio, en los cuales son agregados las impurezas. En los
semiconductores del tipo-n, hay un exceso de
electrones libres, o cargas negativas, mientras que en los
semiconductores del tipo-p hay un deficiencia de electrones y por
consiguiente un exceso de cargas positivas. Los transistores son
un componente importante en los circuitos
integrados y son empleados en muchas aplicaciones como
receptores de radio, computadoras
electrónicas, y instrumentación de control
automático (vuelos espaciales y misiles dirigidos). Desde
su invención anunciada en 1948, por los científicos
norteamericanos William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain,
diferentes tipos se han desarrollado. Ellos son clasificados por
lo general en bipolares y de efecto de campo. Un transistor
bipolar consiste de tres capas: las capas superior y la inferior,
llamadas emisor y colector son de un tipo de semiconductor,
mientras que la del medio, llamada base es de del otro tipo de
semiconductor. Las superficies que separan, los tipos diferentes
de semiconductores son llamados juntura p-n. Los electrones pasan
a través de las junturas de una capa hacia otra. La
acción del transistor es tal que si el potencial
eléctrico en los segmentos son determinados correctamente,
una pequeña corriente entre el emisor y la base produce en
una gran corriente entre el emisor y el colector,
produciéndose así la amplificación de
corriente. Un transistor de efecto de campo funciona de manera
similar excepto que la resistencia al
flujo de electrones es modulada por un campo
eléctrico externo. En un junción field-effect
transistor (JFET), el campo
eléctrico controlador es producido por una
polarización inversa en la juntura p-n (una en la cual el
voltaje es aplicado, de tal manera que hace que el lado p sea
negativo con respecto al lado n); en un MOSFET (metal oxido
semiconductor field effect transistor), el campo eléctrico
es debido a una carga en un capacitor formado por un electrodo de
metal y una capa aislante de oxido que separa el electrodo del
semiconductor.
Transistores Bipolares. (BJT).
Transistores Bipolares de unión, BJT. (PNP o NPN
)
– BJT, de transistor bipolar de unión (del
ingles, Bipolar Junción Transistor).
El término bipolar refleja el hecho de que los
huecos y los electrones participan en el proceso de
inyección hacia el material polarizado de forma
opuesta.
Transistores de efecto de campo. (JFET, MESFET,
MOSFET )
– JFET, De efecto de campo de unión (JFET):
También llamado transistor unipolar, fué el primer
transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma una
barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los
terminales de la barra se establece un contacto óhmico,
tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la
forma más básica.
– MESFET, transistores de efecto de campo metal
semiconductor.
– MOSFET, transistores de efecto de campo de metal-oxido
semiconductor. En estos componentes, cada transistor es formado
por dos islas de silicio, una dopada para ser positiva, y la otra
para ser negativa, y en el medio, actuando como una puerta, un
electrodo de metal.
Transistores HBT y
HEMT.
Las siglas HBT y HEMT pertenecen a las palabras
Heterojuction Bipolar Transistor (Bipolar de Hetereoestructura) y
Hight Electrón Mobility Transistor (De Alta Movilidad).
Son dispositivos de 3 terminales formados por la
combinación de diferentes componentes, con distinto salto
de banda prohibida.
TRANSISTOR BJT (BIPOLAR JUCTION
TRANSISTOR)
El BJT es un transistor Bipolar que puede ser del tipo
NPN o del tipo PNP dependiendo de cómo se hayan colocado
las impurezas
En principio es similar a dos diodos
El transistor esta compuesto por tres zonas de dopado,
como se ve en la figura:
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la opción ¨Bajar trabajo¨ del menú
superior
La zona superior es el "Colector", la zona central es la
"Base" y la zona inferior es el "Emisor". El Emisor está
muy impurificado, la Base tiene una impurificación muy
baja, mientras que el Colector posee una impurificación
intermedia.
En este ejemplo concreto el
transistor es un dispositivo npn, aunque también
podría ser un pnp.
En principio es similar a
dos diodos
Un transistor es similar a dos diodos, el
transistor tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y la
otra entre la base y el colector. El emisor y la base forman uno
de los diodos, mientras
que el colector y la base forman el otro. Estos diodos son
denominados: "Diodo de emisor" (el de la izquierda en este caso)
y "Diodo de colector" (el de la derecha en este caso).
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Los tres tipos de polarizaciones son:
- Polarizacion por Base.
- Polarización por Realimentación del
Colector. - Polarizacion por Divisor de
Tensión.
Hay 3 tipos de configuraciones:
- Base común (BC).
- Emisor común (EC).
- Colector común (CC) o Seguidor
Emisor.
Cada una de estas configuraciones a su vez puede
trabajar en 4 zonas diferentes:
Zona ACTIVA: | UE en Directa y UC en | AMPLIFICADORES |
Zona de SATURACIÓN: | UE en Directa y UC en | CONMUTACIÓN |
Zona de CORTE: | UE en Inversa y UC en | CONMUTACIÓN |
Zona ACTIVA INVERTIDA: | UE en Inversa y UC en | SIN UTILIDAD |
Con esto vemos que el transistor puede trabajar de 12
formas diferentes.
TIPOS DE TRANSISTORES
En electrónica es muy habitual el hablar de
transistores de baja potencia
(pequeña señal) y de transistores de potencia (gran
señal). Es una forma muy sencilla de diferenciar a
los transistores que trabajan con potencias relativamente
pequeñas de los transistores que trabajan con potencias
mayores.
Se le llama transistor de baja potencia, o
pequeña señal, al transistor que tiene una
intensidad pequeña (IC pequeña), lo que
corresponde a una potencia menor de 0,5 W. En este tipo de
transistores interesará obtener cc
grandes (cc = 100 ÷
300).
Se le llama transistor de potencia al transistor que
tiene una intensidad grande (IC grande), lo que
corresponde a una potencia mayor de 0,5 W. En este tipo de
transistores la cc que se puede obtener en su
fabricación suele ser bastante menor que en los de baja
potencia (cc = 20 ÷ 100).
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TRANSISTOR EFECTO
DE CAMPO FET (FIELD EFFECT TRANSISTOR)
Tipos de FET
Se consideran tres tipos principales de FET:
- FET de unión (JFET)
- FET metal óxido semiconductor de
empobrecimiento (MOSFET de empobrecimiento) - FET metal óxido semiconductor de
enriquecimiento (MOSFET de enriquecimiento)
Con frecuencia el MOSFET se denomina FET de compuerta
aislada (IGFET, insulated-gate FET).
Ventajas y desventajas del FET
Las ventajas del FET pueden resumirse como
sigue:
- Son dispositivos sensibles a la tensión con
alta impedancia de entrada (del orden de 107
). Como esta impedancia de entrada es considerablemente
mayor que la de los BJT, se prefieren los FET a los BJT para la
etapa de entrada de un amplificador multietapa. - Los FET generan un nivel de ruido menor
que los BJT. - Los FET so más estables con la temperatura
que los BJT. - 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, puede obtener una densidad de
empaque
mayor). - Los FET se comportan como resistores variables
controlados por tensión para valores
pequeños de tensión de drenaje a
fuente. - La alta impedancia de entrada de los FET les permite
almacenar carga el tiempo
suficiente para permitir su utilización como elementos
de almacenamiento. - 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:
- Los FET exhiben una respuesta en frecuencia pobre
debido a la alta capacitancia de entrada. - Algunos tipos de FET presentan una linealidad muy
pobre. - Los FET se pueden dañar al manejarlos debido a
la electricidad
estática.
Operación y construcción del JFET
Al igual que el BJT, el FET es un dispositivo de tres
terminales, pero solo tiene una unión Pn en vez de dos,
como en el BJT. El JFET de canal n se construye utilizando una
cinta de material de 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 de tipo p con dos materiales de tipo n
difundidos en ella.
Variación de la
tensión compuerta a fuente en el FET
El FET es un dispositivo controlado por tensión y
se controla mediante vGS. Antes de analizar estas
curvas, tómese nota de los símbolos para los JFET
de canal n y de canal p. Estos símbolos son iguales
excepto por la dirección de la flecha.
Conforme se incrementa vGS (más negativo para
un canal n y más positivo para un canal p) se forma la
región desértica y se cierra para un valor menor
que iD.
Características de transferencia del
JFET
De gran valor en el
diseño
con JFET es la característica de transferencia, que es una
gráfica de la corriente de drenaje, iD, como
función
de la tensión compuerta a fuente, vGS, por
encima del estrangulamiento.
Por tanto, solo se necesita conocer IDSS y
VP, y toda la característica quedara determinada. Las
hojas de datos de los
fabricantes a menudo dan estos dos parámetros, por la que
se puede construir la característica de transferencia. El
parámetro de control para el
FET es la tensión compuerta-fuente en lugar de la
corriente de base, como en el BJT.
La región entre el estrangulamiento y la ruptura
por avalancha se denomina región activa, región de
operación del amplificador, región de
saturación o región de estrangulamiento. La
región ohmica (antes del estrangulamiento) a veces se
denomina región controlada por tensión. El FET
opera en esta región cuando se desea un resistor variable
y en aplicaciones de conmutación.
La tensión de ruptura es función de
vGS así como de vDS. Conforme
aumenta la magnitud entre compuerta y fuente (más negativa
para el canal n y más positiva para el canal p), disminuye
la tensión por ruptura. Con vGS =
VP, la corriente de drenaje es cero (excepto por una
pequeña corriente de fuga), y con vGS = 0, la
corriente de drenaje se satura a un valor
iD =
IDSS
Donde IDSS es la corriente de
saturación drenaje a fuente.
Circuito equivalente, gm y
rDS
Para obtener una medida de la amplificación
posible con un JFET, se introduce el parámetro
gm, que es la transconductancia en directo. Este
parámetro es similar a la ganancia en corriente (o
hfe) para un BJT. El valor de gm, que se
mide en siemens (S), es una medida del cambio en la
corriente de drenaje para un cambio en la
tensión compuerta-fuente.
La resistencia
dinámica en inverso, rDS, se
define como el inverso de la pendiente de la curva
iD-vDS en la región de
saturación:
El desempeño de un JFET esta especificado por
lo valores de
gm y rDS. Si las curvas
características para el FET no están disponibles,
gm y vGS se pueden obtener
matemáticamente, siempre que se conozcan IDSS y
VP. Por lo general, estos dos parámetros se
incluyen en las especificaciones del fabricante. Se puede
seleccionar una corriente de drenaje estática,
IDQ, que se halle entre 0.3 y 0.7 veces
IDSS, lo cual ubica el punto Q en la región
más lineal de las curvas
características.
Operación y construcción del MOSFET
Ahora se considera el FET de metal –óxido
semiconductor (MOSFET). Este FET se construye con la terminal de
compuerta aislada del canal con el dieléctrico
dióxido de silicio (SiO2), y ya sea en modo de
empobrecimiento o bien de enriquecimiento. Estos dos tipos se
definen y consideran en las siguientes secciones:
- MOSFET de empobrecimiento
Nótese que el MOSFET de empobrecimiento puede
operar tanto para valores positivos como negativos de
VGS.
La flecha apunta hacia adentro para un canal n y hacia
afuera para un canal p.
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Figura 6. MOSFET de empobrecimiento de
canal n.
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Figura 7. MOSFET de empobrecimiento de
canal p.
- MOSFET de enriquecimiento
El MOSFET de enriquecimiento difiere del MOSFET de
empobrecimiento en que no tiene la capa delgada de material n
sino que requiere de 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 electrones de la
región de 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 oxido. Cuando la tensión alcanza el valor de umbral,
VT, han sido atraídos a esta región los
electrones suficientes para que se comporte como canal n
conductor. No habrá una corriente apreciable iD
hasta que vGS excede VT.
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Figura 8. MOSFET de enriquecimiento de
canal n.
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Figura 9. MOSFET de enriquecimiento de
canal p.
Los mismos circuitos
básicos que se utilizan para polarizar los BJT se pueden
emplear para los JFET y los MOSFET de empobrecimiento, la
polaridad de vGS puede ser opuesta a la de la fuente
de tensión del drenaje. Cuando se selecciona el punto de
operación, no hay tensión de polaridad opuesta
disponible de la fuente para cumplir con los requerimientos del
circuito. Puede ser necesario descartar R2 de manera
que solo se obtenga una tensión de la polaridad correcta.
No siempre es posible encontrar valores de un resistor para
lograr un punto Q en particular. En tales casos, seleccionar un
nuevo punto Q puede proporcionar a veces una solución al
problema.
Las Configuraciones para un FET son:
- Source Común.
- Drain Común.
- Gate Común.
EL
THIRISTOR O SRC
(Silicón-Controlled-Rectifiers))
Este semiconductor en conducción virtualmente se
comporta como un diodo común, con su ánodo y su
cátodo, pero ciertamente no es un diodo común, la
diferencia física se localiza en
su patilla de control o puerta (gate), que en su símbolo
se representa por una conexión más fina que, sale o
entra con cierta inclinación por un lado del
cátodo.
En el momento de conectar la tensión al SCR,
éste no conduce, debido a la especial constitución de la unión
ánodo-cátodo que, para su cebado necesitan de una
pequeña corriente que los haga entrar en conducción
abrupta (en avalancha), cosa que no ocurre mientras no
esté activada la mencionada puerta (gate), la cual
requiere de una corriente de encendido muy baja en
comparación con la corriente que suele atravesar el
conjunto ánodo-cátodo del diodo. Una vez entra en
conducción el 'diodo', permanecerá en
conducción mientras haya una corriente mínima
circulando a través de la unión. Por lo tanto,
sólo dejará de conducir cuando se de la siguiente
circunstancia; Cese el paso de corriente por la unión del
SCR y esto puede lograrse por diversos motivos, estos son algunos
de los motivos:
- Cortar la corriente por un medio mecánico (por
un interruptor) - Mediante el cruce de la unión
ánodo-cátodo (por un pulsador)
Prueba de un SCR con un
ohmímetro.
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Si no existe corriente en la compuerta el SCR no
conduce.
Lo que sucede después de ser activado el SCR, se
queda conduciendo y se mantiene así. Si se desea que el
tristor deje de conducir, el voltaje +V debe ser reducido a 0
Voltios.
Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión),
el tristor seguirá conduciendo hasta que por el pase una
cantidad de corriente menor a la llamada "corriente de mantenimiento
o de retención", lo que causará que el SCR deje de
conducir aunque la tensión VG (voltaje de la
compuerta con respecto a tierra
no sea cero.
Como se puede ver el SCR , tiene dos estados:
- Estado de conducción, en donde la resistencia
entre ánodo y cátodo es muy baja - Estado de corte, donde la resistencia es muy
elevada
Los usos típicos incluyen control del calentador,
y control del horno y del horno
El SCR también es llamado un Circuito Candado por
la forma en la cual estan los dos transistores que lo
componen.
El Relé es un interruptor operado
magnéticamente. Este se activa o desactiva (dependiendo de
la conexión) cuando el electroimán (que forma parte
del Relé) es energizado (le damos el voltaje para que
funcione). Esta operación causa que haya conexión o
no, entre dos o más terminales del dispositivo (el
Relé).
Esta conexión se logra con la atracción o
repulsión, de un pequeño brazo llamado armadura,
por el electroimán. Este pequeño brazo conecta o
desconecta los terminales antes mencionados.
Por ejemplo: Si el electroimán está activo
jala el brazo (armadura) y conecta los puntos C y
D. Si el electroimán se desactiva, conecta los
puntos C y E.
De esta manera se puede tener algo conectado, cuando el
electroimán está activo, y otra cosa conectada,
cuando está inactivo
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Ventajas del Relé:
- Permite el control de un dispositivo a
distancia. No se necesita estar junto al dispositivo para
hacerlo funcionar.
-El Relé es activado con poca corriente, sin
embargo puede activar grandes máquinas
que consumen gran cantidad de corriente.
Con una sola señal de control, puedo controlar
varios Relés a la vez.
Brian Alexander Martinez
INSTITUTO EMILIANI
Congregación Somasca
La Ceiba de Guadalupe
Materia:Tecnología y
Taller