CONTENIDOS Tipos de transistores: BJT y FET; p-n-p y n-p-n; JFET y MOSFET. Propiedades. Regiones de trabajo. Configuraciones de uso. Su utilización en circuitos digitales. Resolución: 1] Analizar los símbolos utilizados para BJT y FET. Qué indica cada elemento de los mismos? Transistor de union bipolar (BJT - Bipolar Junction Transistor) Se componen de 3 elementos: Emisor, está muy fuertemente dopado, sus propiedades eléctricas se acercan a las de un metal y su función, como su nombre sugiere, es emitir portadores hacia el componente base. Base, está apenas dopado y es de muy pequeño espesor. Tiene conductividad contraria a la de los otros terminales y es la encargada de realizar el control de la corriente que atraviesa por el colector y el emisor. Colector: es el extremo, donde llegan casi todos los portadores emitidos. Los tres semiconductores están conectados al circuito exterior. Se trata entonces de un componente de tres patas. Transistores de efecto de campo (FET - Field-Effect Transistor) Se componen de 3 elementos: La puerta es el terminal equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente. 2] Podría considerarse a un BJT cómo dos diodos conectados en oposición, con una tercera conexión entre ambos? Cuál es la diferencia de comportamiento? A qué se debe? Describa el "efecto transistor".
Si, podría considerarse como dos diodos conectados en oposición, dado que se basa en combinaciones p-n. Dicho transistor posee una estructura simple formada por dos uniones muy próximas, donde la zona central es de un espesor muy pequeño. A diferencia del diodo, donde la corriente circula o no de acuerdo a su polarización, en un BJT cada semiconductor cumple una función específica y diferente (EMISOR COLECTOR BASE). El emisor ha de ser una región muy dopada (de ahí la indicación p+). Cuanto más dopaje tenga el emisor, mayor cantidad de portadores podrá aportar a la corriente. La base ha de ser muy estrecha y poco dopada, para que tenga lugar poca recombinación en la misma, y prácticamente toda la corriente que proviene de emisor pase a colector, como veremos más adelante. Además, si la base no es estrecha, el dispositivo puede no comportarse como un transistor, y trabajar como si de dos diodos en oposición se tratase. El colector ha de ser una zona menos dopada que el emisor. Las características de esta región tienen que ver con la recombinación de los portadores que provienen del emisor. En posteriores apartados se tratará el tema. El transistor bipolar basa su funcionamiento en el control de la corriente que circula entre el emisor y el colector del mismo, mediante la corriente de base. En esencia un transistor se puede considerar como un diodo en directa (unión emisor-base) por el que circula una corriente elevada, y un diodo en inversa (unión base-colector), por el que, en principio, no debería circular corriente, pero que actúa como una estructura que recoge gran parte de la corriente que circula por emisor - base. En la figura 9 se puede ver lo que sucede. Se dispone de dos diodos, uno polarizado en directa (diodo A) y otro en inversa (diodo B). Mientras que la corriente por A es elevada (IA), la corriente por B es muy pequeña (IB). Si se unen ambos diodos, y se consigue que la zona de unión (lo que llamaremos base del transistor) sea muy estrecha, entonces toda esa corriente que circulaba por A (IA), va a quedar absorbida por el campo existente en el diodo B. De esta forma entre el emisor y el colector circula una gran corriente, mientras que por la base una corriente muy pequeña. El control se produce mediante este terminal de base porque, si se corta la corriente por la base ya no existe polarización de un diodo en inversa y otro en directa, y por tanto no circula corriente. 3] Señale diferencias y semejanzas estructurales entre BJT y FET. Ventajas del FET frente a los BJT: 1) Son dispositivos controlados por tensión con una impedancia de entrada muy elevada (107 a 1012). 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 más fáciles de fabricar que los BJT pues precisan menos pasos y permiten integrar mas dispositivos en un C1. 5) Los FET se comportan como resistencias controlados por tensión para valores pequeños de tensión drenaje-fuente. 6) La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener 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. Desventajas que limitan la utilización de los FET: 1) Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacidad de entrada. 2) Los FET presentan una linealidad muy pobre, y en general son menos lineales que los BJT.
3) Los FET se pueden dañar debido a la electricidad estática. 4] Reproduzca la fig. 14.6 a y b para un transistor p-n-p. Asigne a las baterías la polaridad necesaria para que el transistor representado se encuentre en la región activa. 5] En la figura de la pregunta anterior, escriba los símbolos usuales de todas las magnitudes de tensión y corriente que regulan el funcionamiento del transistor. Indique los sentidos de circulación de corrientes. 6] Dibuje el gráfico de la figura 14.10 para un transistor n-p-n. 7] Explique brevemente, con y β. palabras, la información que proporcionan los coeficientes α El factor de amplificación logrado entre corriente de base y corriente de colector, se denomina Beta del transistor β = IC/IB. La relación entre la corriente de colector y corriente de emisor, se denomina α = IC/IE. 8] Considere la configuración EC. Dibuje la curva Ib vs. Vbe, y la familia de curvas Ic vs. Vce, con Ib como parámetro, suponiendo un comportamiento ideal de las uniones. 9] Dibuje circuitos con transistores que cumplan las siguientes condiciones: 9.1 p-n-p en EC. Región de corte. 9.2 p-n-p en BC. Región de saturación. 9.3 n-p-n en CC. Región activa. 9.4 n-p-n en EC. Región de saturación. 9.5 n-p-n en EC. Región de corte. Verifique sus circuitos en el laboratorio o con el simulador. 10] En el circuito siguiente: 10.1. Describa el tipo de transistor, la configuración y la región de trabajo. NPN, emisor común, activo.- 10.2. Complete las lecturas faltantes en los instrumentos. V en Rbase = 0,1751v V en Rcolector = 6,89V
Vce = 109,9mV Ib = 0.1751mA Ic = 6,89mA Ie = 7,06mA 10.3. Cambie la región de trabajo, de dos formas diferentes, (cambiando dos parámetros distintos del circuito). Verifique sus resultados con el simulador. La primera configuración a probar es cuando está en corte el transistor haciendo que la Ib sea cero esto se logra bajando la tensión en Vbase que es de 1 volt llevarlo a cero.- La segunda configuración a probar es cuando está en saturación el transistor haciendo que la Vce sea cero esto se logra subiendo la corriente de base esto hace que la corriente de colector suba de forma tal que genera un caida de tensión en Rc igual a la Vcc.- 11] Señalar las características más importantes de los MOSFET, comparadas con los BJT. Los transistores Mos son dispositivos de alta impedancia, con lo que lleva a una disipación de potencia más baja, como desventaja es la velocidad de trabajo que en comparación es lenta.- 12] Cuando un MOSFET se halla en situación de estrangulamiento (Vds > Vds,sat) cómo es posible que siga circulando corriente por el canal? 13] Construya en el simulador circuitos con NMOS y PMOS en fuente común. Provoque los cambios necesarios en los parámetros para que transiten por las tres regiones de trabajo descritas. Entregue su trabajo en diskette, incluyendo un breve informe. 14] En qué consisten y en qué se basan las aplicaciones digitales de los transistores? Por qué le parece que la región de trabajo activa en los BJT (saturación en FET) tiene aplicación en circuitos amplificadores (analógicos), mientras que las de corte y saturación (óhmica en FET) se emplean en circuitos de uso en computación? 15] Señale ventajas y desventajas comparativas de las tecnologías bipolares y unipolares en la implementación de puertas lógicas. Explique con qué variables se juega para optimizar el rendimiento de las puertas en tecnología bipolar. 16] Explique en qué consiste la tecnología CMOS y cuáles son sus principales ventajas. Los consumos son muy bajos. Esto significa poco calor que disipar y entonces circuitos más compactos (es decir mayor densidad de bits en los chips de circuito integrado), con posibilidades de alto nivel de integración, con el correlato de ventajas de costo y de velocidad de operación. Los circuitos y sistemas funcionan solamente en dos estados posibles, lo que significa mayor estabilidad y mayor confiabilidad. 17] Escribir en unos pocos (3 ó 4) renglones una explicación de los siguientes términos de la teoría de transistores: BJT FET JFET MOSFET MOS complementario polarización configuración región de trabajo saturación hfe coeficiente α unión de colector / de emisor puerta/sumidero/fuente tensión umbral enriquecimiento estrangulamiento
canal n/ canal p Más problemas de transistores 1) Mencionar elementos que caractericen una magnitud o una información presentada en forma analógica o en forma digital. Dar ejemplos donde una misma información se pueda presentar de ambas maneras. Son formas equivalentes? 2) Para el siguiente circuito a) Dibujar la recta de carga del circuito. b) Para cada uno de los valores de Vbb indicados ( Vbb=0 ; Vbb=0,2V ; Vbb=0,7V ; Vbb=1V ; Vbb=1,1V ; Vbb=1,5V ; Vbb=2V ; Vbb=2,5V ; Vbb=5V), Hallar Ic y Vce. Ubicar el punto Q en la recta de carga. Indicar en qué zona está trabajando el transistor en cada caso. En el caso de estar saturado, suponer Vce=0 y hallar el valor de βsat. c) Para los valores de Vbb=1V y Vbb=1,1V, se puede considerar un Vbb=0,1V. Hallar el Vce correspondiente Qué representa el cociente Vce/ Vbb? 3) Se dispone de un transistor que tiene un β=200. Se desea que funcione saturado con un βsat=20 en un circuito igual al anterior. Elegir valores de Rb y Rc adecuados. Usar Vcc=12V y Vbb=5V. 4) Para el mismo circuito del punto 3), ahora se desea que funcione en corte, qué debiera cambiar? 5) Idem pero que funcione en Modo activo. Encontrar al menos 3 maneras distintas de sacarlo de saturación. 6) El puerto paralelo entrega una señal que cuando representa un 1 lógico puede estar entre 4,5V y 5V. Se quiere encender un LED que funciona con una diferencia de potencial de 1,5V y una corriente de 100mA. Se dispone de una pila de 12V, un transistor NPN y resistencias. Se desea que el LED encienda cuando en el puerto hay un 1 lógico. Diseñar un circuito con los elementos disponibles.
7) Encontrar el valor faltante en cada caso a) β=200 b) β=100