BJT & FET
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Transcript of BJT & FET
INDICE
INTRODUCCION.......................................................................................................................1
TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN (BJT)...............................................................................2
Operación del BJT.............................................................................................................3
Zona activa:..................................................................................................................4
Zona inversa:................................................................................................................6
Zona de corte:..............................................................................................................6
Zona de saturación:......................................................................................................7
Configuración del BJT como Amplificador de Señales......................................................7
Configuración Base-Común..........................................................................................8
Configuración Emisor-Común.......................................................................................9
Configuración Colector Común..................................................................................10
Curvas Características del BJT........................................................................................11
Límites de Operación del BJT.........................................................................................12
Especificaciones del Fabricante......................................................................................13
TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO (FET)........................................................................14
Operación del BJT...........................................................................................................15
Polarización para un FET Canal N (Similar al canal P).................................................15
Curvas Características del FET........................................................................................16
Curvas de Salida.........................................................................................................16
Curva de Transferencia...............................................................................................19
Circuitos de Polarización................................................................................................19
Tipos de Circuitos de Polarización..............................................................................20
CONCLUSION.........................................................................................................................22
REFERENCIAS ELECTRONICAS................................................................................................23
INTRODUCCION
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones
de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la
contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia").
Actualmente se encuentran prácticamente en todos los aparatos domésticos de
uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de
microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de
cuarzo, ordenadores, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de
rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos celulares, etc.
Dichos dispositivos electrónicos se construyen principalmente de Silicio o
Germanio. Se tienen varios tipos de transistores, los cuales se pueden ubicar en dos
grupos:
BJT: Transistor Bipolar de Unión
FET: Transistor de Efecto de Campo
El transistor de efecto de campo, es controlado por voltaje a diferencia del
transistor bipolar de unión que es controlado por corriente.
1
TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN (BJT)
El transistor bipolar de unión (BJT, por sus siglas en ingles: Bipolar Junction
Transistor) es también conocido como transistor de unión. Como su nombre lo
indica, es un dispositivo de tres terminales, dos uniones y doble polaridad.
Está formado por la unión de material tipo P y tipo N a manera de capas,
dando así la clasificación del BJT en NPN y PNP, tal como se muestra en la siguiente
figura.
A cada capa se le asocia un terminal, y reciben los nombres de:
E = Emisor ; B = Base ; C = Colector
Las capas de los extremos (de mayor espesor) corresponden a los terminales E
y C. La capa central, de menor espesor, corresponde al terminal B.
La capa asociada al terminal Emisor posee el mayor nivel de impurezas, lo que
indica alta conductividad debida a los portadores mayoritarios. La capa asociada al
terminal Colector está menos dopada que la capa Emisor, por lo cual es un
poco menos conductiva que esta última. La capa asociada al terminal Base posee un
ligero nivel de impurezas, lo que indica que esta capa tiene una alta resistencia
para los portadores mayoritarios, es decir, es una capa de baja conductividad.
2
El símbolo circuital para el BJT NPN y el BJT PNP es similar,
diferenciándose entre ellos por el sentido de la corriente en cada dispositivo.
BJT NPN BJT PNP
Operación del BJT
Los transistores de unión bipolar tienen diferentes regiones operativas,
definidas principalmente por la forma en que son polarizados. La operación del
transistor se logra con la polarización de cada unión PN o NP del dispositivo.
Dependiendo del tipo de polarización (directa o inversa) de cada unión, se tendrá al
transistor operando en una zona de trabajo específica de acuerdo con la siguiente
tabla:
Polarización Zona
Operativa CaracterísticasUnión E-B Unión B-C
Directo Inverso Activa Ie = (β + 1)·Ib ; Ic= β·Ib
Inverso Directo Inversa Ie < 0 ; Ic < 0
Directo Directo Saturación Ic ≈ Ie = Imax
Inverso Inverso Corte Ic = Ie = 0
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Zona activa:
Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de
corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región la
corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de β
(ganancia de corriente, es un dato del fabricante) y de las resistencias que se
encuentren conectadas en el colector y emisor. Esta región es la más importante si lo
que se desea es utilizar el transistor como un amplificador de señal. La ubicación
del transistor en la zona activa, permite el uso del dispositivo como
amplificador de señales, por tal razón se hará énfasis en esta zona de operación.
PNP en la Zona Activa
La unión E-B está polarizada directamente y la barrera de potencial en la
unión es estrecha, lo que permite la conductividad debida a los portadores
mayoritarios del material tipo P al material tipo N. La unión B-C está polarizada
inversamente y no hay conducción debido al flujo de portadores mayoritarios,
pero si se presenta un flujo de portadores minoritarios del material tipo N al
material tipo P.
4
En vista de que la capa asociada al terminal Base tiene muy baja
conductividad, muy pocos portadores mayoritarios irán hacia ese terminal. La mayor
parte de los portadores mayoritarios que vienen de la unión E-B, al llegar al
material tipo N de la unión B-C se convierten en portadores minoritarios que
provocan la conductividad en esta unión polarizada inversamente.
Se puede resumir entonces que en un BJT PNP la conductividad (corriente) se
presenta desde el terminal Emisor hacia el terminal Colector con una muy baja
corriente hacia el terminal Base. Todo esto permite establecer una ecuación para las
corrientes en un BJT PNP:
IE = IB + IC
NPN en la Zona Activa
En el BJT NPN el sentido de las corrientes a través del dispositivo lleva
el sentido contrario al del BJT PNP. La figura siguiente muestra la polarización de
las uniones, el efecto sobre la barrera de potencial de cada unión, el flujo de
portadores, así como también el sentido de las corrientes en el dispositivo.
5
La corriente en un BJT NPN se presenta de Colector a Emisor con muy poca
corriente a través del terminal Base, se puede concluir que en un BJT NPN se
sigue cumpliendo la ecuación de corrientes del BJT PNP, por lo cual la
ecuación se conoce en general como: “Ecuación de corrientes del BJT(IE = IB + IC)”
Zona inversa:
Al invertir las condiciones de polaridad del funcionamiento en modo activo, el
transistor bipolar entra en funcionamiento en modo inverso. En este modo, las
regiones del colector y emisor intercambian roles. Debido a que la mayoría de los
BJT son diseñados para maximizar la ganancia de corriente en modo activo, el
parámetro beta en modo inverso es drásticamente menor al presente en modo activo.
Zona de corte:
En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de
alimentación del circuito. (Como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje.
Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0). De forma
simplificada, se puede decir que el la unión CE se comporta como un circuito abierto,
ya que la corriente que lo atraviesa es cero.
6
Zona de saturación:
En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del
circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos. Se
presenta cuando la diferencia de potencial entre el colector y el emisor desciende por
debajo del valor umbral VCE,sat. Cuando el transistor esta el saturación, la relación
lineal de amplificación Ic=β·Ib (y por ende, la relación Ie=(β+1)·Ib ) no se cumple. De
forma simplificada, se puede decir que el la unión CE se comporta como un cable, ya
que la diferencia de potencial entre C y E es muy próxima a cero.
Configuración del BJT como Amplificador de Señales
Un amplificador es un dispositivo que eleva o aumenta la magnitud de una
señal de entrada sin modificar su forma de onda.
En el amplificador las señales son medidas con respecto a un punto común y en
vista de que el transistor es un dispositivo de tres terminales, su uso en los
amplificadores requiere que uno de sus terminales sea común a los otros dos.
Dependiendo del terminal que se tome común a los otros dos, se tendrá
una configuración específica del transistor para su uso como
amplificador. Estas configuraciones son:
7
Configuración Base-Común
Para la configuración de base común con transistores PNP y NPN, la
terminología de la base común se deriva del hecho de que la base es común tanto a la
entrada como a la salida de la configuración. A su vez, por lo regular la base es la
terminal más cercana a, o que se encuentra en, el potencial de tierra.
Existe una relación de proporcionalidad entre la corriente de salida (IC) y la
corriente de entrada (IE) en la configuración base común: IE ≈ IC. La relación de
proporcionalidad entre estas dos corrientes viene dada por el factor de amplificación
de corriente de base común (α). El valor de α se evalúa en c.c., es decir para voltaje
de salida constante como:
α=I c
I E
Como IE > Ic ; α ≈ 1 y < 1. Esta configuración no produce ganancia de
corriente, pero si de tensión. En la configuración base común, los valores de
corriente de salida, “amplificación”, o mejor dicho es “reducción” siempre son
menores a 1 (No quiere decir que tendremos corrientes de 1 A, sino que la
corriente de colector base será menor a la corriente de emisor base ejemplo IE = 7
8
puede originar una corriente IC = 6.9, siendo la entrada de señal en el emisor y el
colector la salida, VCB, la cual está en fase con respecto a la entrada VEB.
Configuración Emisor-Común
La configuración de transistor que se encuentra más a menudo aparece en la
figura 10 para los transistores PNP y NPN. Se le denomina configuración de emisor
común debido a que el emisor es común o hace referencia a las terminales tanto de
entrada como de salida (en este caso, es común tanto a la terminal de base como a la
de colector).
La relación de proporcionalidad entre la corriente de salida (IC) y la corriente
de entrada (IB) en la configuración emisor común viene expresada por el factor de
amplificación de corriente de emisor común (β).
El valor de β se mide en c.c. para un punto de operación estático del transistor
(salida fija) como:
β=I c
I B
El valor de β puede relacionarse con el valor de α a partir de la ecuación de
corrientes del BJT, de las cuales se obtiene:
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β= α1−α
y α= β1+ β
Además con el valor de β y la ecuación de corrientes del BJT se puede
determinar el valor de IE como:
I E=(β+1)I B
La configuración emisor común puede utilizarse para amplificación de voltaje,
corriente o potencia, además de poder actuar como interruptores. En esta
configuración por una corriente pequeña de entrada se obtiene una corriente enorme
de salida ejemplo para 10uA de entrada se obtiene 1 mA de salida, pero no se tiene la
estabilidad de la configuración base común donde las corrientes son muy similares.
Por otro lado, esta configuración tiene una salida desfasada con respecto a la entrada.
Configuración Colector Común
En la configuración de colector la amplificación de corrientes es similar a la
que realiza la configuración emisor común con la diferencia de que en la
configuración colector común la salida está en fase con la entrada. La ganancia de
voltaje es ligeramente menor que la unidad. Se caracteriza por tener una elevada
impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, lo que permite el uso de esta
configuración como convertidor de impedancias y como aislador. La figura siguiente
muestra una configuración del BJT NPN en colector común. Obsérvese que el
colector se encuentra conectado a la tierra aunque el transistor esté conectado de
manera similar a la configuración del emisor común.
10
Curvas Características del BJT
El comportamiento del BJT se representa gráficamente a través de dos curvas:
Curva de entrada y Curvas de Salida. Estas curvas características del BJT son propias
de cada configuración. La curva de entrada relaciona la corriente de entrada con el
voltaje de entrada para mostrar gráficamente el voltaje de salida. La siguiente figura
muestra una curva de entrada general.
Las curvas de salida, relaciona la corriente de salida con el voltaje de salida
para los diferentes valores de corriente de entrada constante. Cada curva de salida
11
corresponde a una curva de corriente de entrada constante. La siguiente figura
muestra un juego de curvas de salida general de forma ideal.
Límites de Operación del BJT
En las curvas de salida del transistor BJT se pueden identificar las zonas de
operación del transistor: corte, saturación, activa e invertida; tal como indica la figura
siguiente, donde se muestra el juego de curvas de salida para un BJT en configuración
Emisor Común.
12
Especificaciones del Fabricante
VCEO: Máximo voltaje de colector a emisor en la zona lineal. VBEO: Máximo
voltaje de base a emisor.
ICBO: Máxima corriente en la zona de corte.
ICBmax: Máxima corriente de colector a base en la zona lineal.
Pdmax: Potencia máxima disipada por el dispositivo.
Tjmax: Temperatura máxima permitida en cada unión del BJT.
TCO: Máxima temperatura en la carcaza del transistor, por debajo de la cual se
tiene Pdmax.
β ò hfe: Factor de amplificación de corriente en emisor común.
α: Factor de amplificación de corriente en base común.
TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO (FET)
13
El transistor FET está formado por un bloque de material tipo n o tipo p junto
con dos contactos de un material de tipo opuesto al material del bloque, tal como
muestra la siguiente figura.
Cada extremo del bloque corresponde a un terminal, identificados como:
S = Surtidor o Fuente ; D = Drenador ; G = Compuerta (Gate)
El espacio entre los dos contactos se llama canal y da la clasificación del FET
en FET canal N y FET canal P. La siguiente figura ilustra la estructura de estos FET.
El símbolo circuital utilizado para estos dispositivos se muestra en la figura
Operación del BJT
14
La operación del transistor depende de la polarización de las uniones PN o
NP del dispositivo. Durante la operación normal del FET no se hace fluir corriente
a través de las uniones. En lugar de esto, la conducción ocurre únicamente a través
del canal. Por tanto las uniones PN o NP del dispositivo se polarizan inversamente.
Mientras no exista polarización en el dispositivo no hay conducción en el mismo.
Polarización para un FET Canal N (Similar al canal P)
La polarización para un FET canal P es similar a la de canal N, simplemente
se invierte la polaridad de las fuentes de polarización y por supuesto el sentido de las
corrientes.
Para polarizar inversamente las uniones PN, las regiones P deben estar a un
potencial menor que las regiones N.
VDS → Fuente de polarización para el canal N. Drenador positivo con respecto
a Surtidor. Se establece una corriente de Drenador a Surtidor ID.
VGS → Fuente de polarización para regiones P. Compuerta negativa con
respecto a Surtidor. No hay corriente a través de las uniones, por tanto IG=0.
15
El hecho de que IG=0 indica que el FET presenta una alta impedancia de
entrada así como también la igualdad entre las corrientes de Drenador y Surtidor,
ID=IS.
La polarización inversa provoca un aumento en la barrera de potencial,
aumentando así la resistencia del canal. La barrera de potencial es mas ancha hacia el
Drenador, ya que hacia este terminal se tiene la mayor polarización inversa.
El grosor de la barrera de potencial controla la corriente ID y este grosor
depende de la polarización dada por VGS y VDS, es decir, VGS y VDS
controlan a ID. Es por esta razón que se define al FET como un dispositivo
controlado por voltaje, porque un voltaje de entrada VGS controla la señal de
salida ID.
Curvas Características del FET
Las curvas del FET que caracterizan al dispositivo son:
Curvas de Salida, iD vs. VDS
Curva de Transferencia, iD vs. VGS
No hay curva de entrada como en el caso del BJT, puesto que aquí la corriente
de entrada IG=0.
Curvas de Salida
16
Estas curvas son parecidas a las curvas de salida del BJT. En el FET se
tendrá una curva de salida para cada valor de VGS.
En las curvas de salida se pueden observar las diferentes zonas o
regiones de operación del FET.
Zona Resistiva o Lineal (Zona Ohmica):
Es la zona cercana al eje iD, delimitada en cuanto a voltaje por: 0<VDS<VPO. La
variación de iD en esta zona es lineal y el dispositivo se comporta como una
resistencia controlada por voltaje. A medida que VDS aumenta de cero hasta VP, la
corriente iD aumenta linealmente a pesar del aumento de la resistencia del canal,
debido a que el aumento de VDS contrarresta el aumento de la resistencia.
Zona Saturada o Zona de Corrientes Constantes
Cuando VDS aumenta por encima de VP, la corriente iD aumenta mas
lentamente debido al estrangulamiento del canal ocasionado por la unión de las dos
barreras de potencial correspondiente a cada unión PN o NP. Sin embargo, el
aumento de VDS mantiene la corriente iD en un valor constante.
17
La zona en la cual iD es constante se conoce como zona de saturación y la zona
útil para el uso del dispositivo como amplificador de señales.
La zona de saturación está limitada en cuanto a voltaje por: VP<VDS<VDSO,
donde VDSO es el máximo voltaje entre Drenador y Surtidor indicado por el fabricante.
Zona de Ruptura
Es la zona para la cual iD aumenta drásticamente para pequeños aumentos de
tensión VDS por encima de VDSO, es decir, VDS>VDSO.
Zona de Corte
Es la zona para la cual iD = 0 sea cual sea el valor de VDS y se debe a que VGS se
hace tan negativo que el canal se obstruye totalmente por la unión de las dos barreras
de potencial. El valor de VGS para el cual iD = 0 es suministrado por el fabricante del
transistor como:
VGSO → Máximo voltaje entre Compuerta y Surtidor.
La relación |VGSO|=|VPO| indica que para iD = 0 se debe tener VGSO= -VPO en
magnitud.
Zona Limitada por Potencia Disipada
Al igual que en el BJT, sobre las curvas de salida del FET también se indica la
limitación de la zona lineal del FET, a través de curvas de potencia tipo hipérbola,
dadas por la relación: PD=VDS*iD, hacia el lado superior derecho de las curvas.
18
Curva de Transferencia
La curva de transferencia se obtiene a partir de las variaciones de ID con
respecto a VGS, en la zona de saturación. Esta variación de ID con respecto a VGS para
un VDS constante no es lineal y se expresa matemáticamente como:
I D=I DSS(1− V GS
V PO)
2|vDS =Ctte
Esta expresión se conoce como Ecuación de Transferencia y permite obtener
ID en la zona de saturación para cualquier valor de VGS, conociendo previamente
IDSS y VPO los cuales son generalmente dados por el fabricante.
Circuitos de Polarización
El circuito de polarización se utiliza para ubicar al FET dentro de la zona de
saturación de la curva de salida. Para lograr esta ubicación es necesario polarizar las
uniones PN inversamente y así también lograr IG = 0, manteniendo elevada la
impedancia de entrada del FET. Un circuito de polarización es un circuito de c.c.
formado por: fuentes de c.c., resistencias y el transistor.
19
Tipos de Circuitos de Polarización
El análisis de este tipo de circuitos involucra la Identificación de la entrada y la
salida, así como también la obtención de las ecuaciones tanto para la entrada como
para la salida del circuito.
Al igual que para el BJT, existen tres configuraciones del FET para su
uso como amplificador, las cuales por analogía con el BJT se muestran en la
siguiente tabla.
BJT FET
Surtidor Común → Emisor Común
Drenador Común → Colector Común
Compuerta Común → Base Común
En base a un FET canal N en configuración Surtidor Común, se analizan
aquí los circuitos de polarización, aunque cada configuración tiene su propio
circuito de polarización. Entre los circuitos de polarización para el FET se tienen:
Circuito de Polarización Fija
20
CONCLUSION
21
Como se puede ver, la región activa es útil para la electrónica analógica
(especialmente útil para amplificación de señal) y las regiones de corte y saturación,
para la electrónica digital, representando el estado lógico alto y bajo,
respectivamente.
No se puede decir que una configuración es mejor que la otra, dependa del uso
que se le quiera dar, aprovechando sus particulares características
REFERENCIAS ELECTRONICAS
22
WIKIPEDIA Enciclopedia libre [En línea], “Transistor”, Articulo HTML disponible
en: <http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor> Consultado el 03 de febrero 2012.
WIKIPEDIA Enciclopedia libre [En línea], “Transistor de unión bipolar”, Articulo
HTML disponible en: <http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_union_bipolar>
Consultado el 04 de febrero 2012.
UNIVERSIDAD DE ORIENTE,[En línea],“El transistor BJT”, PDF disponible en:
<http://www.av.anz.udo.edu.ve/file.php/633/Tema5_El_Transistor_BJT.pdf>
Consultado el 05 de febrero 2012.
WIKIPEDIA Enciclopedia libre [En línea], “Transistor de efecto campo”, Articulo
HTML disponible en: <http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_efecto_campo>
Consultado el 04 de febrero 2012.
UNIVERSIDAD DE ORIENTE, [En línea],“El transistor FET”, PDF disponible en:
<http://www.av.anz.udo.edu.ve/file.php/633/Tema9_El_Transistor_FET.pdf>
Consultado el 06 de febrero 2012.
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
23
DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA
UNEFA – SEDE MARACAY
TRANSISTOR BJT Y FET
Profesor:
Ing. Leonard Caridad
Integrantes:
Fulvio Silva C.I.: 19.174.157
Julian Mayobre C.I.: 19.245.680
Roneld Rivas C.I.: 19.655.387
EID-501
Maracay, Febrero de 2012
24