UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE INGENIERÍA

Dispositivos y circuitos electrónicos

Profesor: Rodríguez Sobreyra Ranulfo

Grupo: 9

Alumna: Martínez Ramírez Karen Liliana

Tercer parcial

Fecha de entrega: 22/05/2015

EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO

Un transistor de efecto de campo o FET por sus siglas en inglés (field effect transistor) es

un dispositivo electrónico conformado por tres terminales (fuente, compuerta y drenaje)

que amplifica y conmuta entre dos estados (conduce o no conduce) mediante la aplicación

de un voltaje y a diferencia del transistor bipolar no se requiere de una corriente. La

operación de este transistor se controla mediante el campo eléctrico que es generado por

el voltaje. Además estos dispositivos son unipolares, en los que el nivel de conducción

dependerá de un único tipo de portadores (electrones en los del canal tipo n y huecos en

el canal tipo p).

Estructura funcionamiento y curvas características

Dentro de la categoría de los transistores FET, se encuentran entre otros el transistor de

unión de efecto de campo o JFET (junction field effect transistor ) y el transistor de efecto

de campo metal-oxido- semiconductor o MOFSET.

Transistor de efecto de campo de unión JFET

JFET se clasifican en dos grandes grupos

a) JFET de canal n

La mayor parte de la estructura es de material tipo n ligeramente dopado

formando un canal con contactos óhmicos (regiones de material semiconductor

tipo p) en ambos extremos. En cada uno de los extremos del canal se sitúa una

terminal (una terminal de fuente o surtidor y otro de sumidero o drenador) .La dos

regiones p se interconectan entre si hacia el exterior, construyendo el terminal de

puerta o graduador. Como los FET son unipolares, en los JFET de canal n los

portadores son sólo los electrones.

Este transistor conduce siempre del terminal de surtidor al de drenador. El canal N

posee suficientes electrones libres como para que se pueda establecer un paso de

corriente Si ahora sometemos al terminal de puerta a una tensión negativa, los

electrones libres serán expulsados por repulsión fuera del canal. Esto hace que el

canal se quede con menos portadores de carga y, por lo tanto, su resistencia

aumente considerablemente, lo que provoca una disminución de la corriente que

atraviesa el canal del surtidor al de drenaje. En el caso de que la tensión sea

suficientemente negativa, la corriente puede dejar de fluir. A esta forma de trabajo

se la denomina de empobrecimiento (la tensión de

control aplicada a la puerta empobrece o extrae los

portadores del canal) lo que hace que éste se estreche

al paso de la corriente.

D = Drenador: Es el terminal por al que salen los

portadores del dispositivo (los electrones en el JFET de

canal n y los huecos en el de canal p)

S = Fuente: Es el terminal por el que entran los

portadores.

G = Puerta: Es el terminal mediante el que se controla la corriente de portadores a

través del canal.

Los transistores de canal n se polarizan aplicando una tensión positiva entre

drenador y fuente (V_DS) y una tensión negativa entre puerta y fuente (V_GS).De

esta forma la corriente circulará en el sentido de drenador a fuente.

b) JFET de canal p

La tensión aplicada a la puerta se hace ahora positiva,

consiguiendo, así, repeler los huecos existentes en el canal P

y controlar de esta forma, la corriente del surtidor. En

cualquiera de los dos tipos de transistores unipolares, la

tensión de polarización del diodo formado por la puerta y el

canal se polariza inversamente. De esta forma evita que por

esta unión fluya corriente eléctrica. En los transistores de

canal p, la tensión V_DS a aplicar debe ser negativa y la tensión V_GS positiva, por

lo tanto la corriente fluirá en el sentido de la fuente hacia el drenador.

Funcionamiento

VGS=0 y VDS=variable

El canal n se comporta como una resistencia cuyo valor

depende del voltaje existente entre D y S. Cuando VDS es lo

suficientemente grande la corriente iDS comienza a ser

constante, VDS puede incrementarse hasta en punto en el que

ocurre rompimiento por avalancha.

Como el canal N se comporta como resistencia a medida que

VDS se incrementa el potencial presente en el canal hace que se

forme una región de agotamiento o campo eléctrico y va

incrementándose hasta que se cierra el punto A.

VGS y VDS variables:

Para controlar la anchura del canal N el voltaje VGS en los FETS es

negativo, a medida que VGS se incrementa negativamente se

origina una región de agotamiento entre compuerta y fuente que

va reduciendo la corriente iDs gradualmente.

Vpx es un voltaje producido bajo condición de un voltaje

cualquiera producido bajo la condición de un voltaje VGS de valor “x” y en el cual la

corriente comienza a hacerse constante. La relación existente entre el nuevo Vpx y

cualquier VGS es:

Vpx=Vpo+VGS

BVDSX=BVDS0+VGS

El canal se cierra por completo cuando VGS= VGsoff, en este momento la corriente

iDS es aproximadamente cero.

Al presentar la corriente de drenador en función de las dos tensiones (VDS y VGS) ,

aparecen las denominadas curvas características del transistor JFET.

Zona óhmica o de no saturación:

Se da para valores de VDS inferiores al de saturación, es decir, cuando VDS VGS -

VGSoff . Para estos valores de tensión el canal se va estrechando de la parte del

drenador, principalmente, hasta llegar al estrangulamiento completo para VDSsat.

En esta zona el transistor se comporta aproximadamente como una resistencia

variable controlada por la tensión de puerta, sobre todo para valores pequeños de

VDS, ya que a medida que nos aproximamos al valor de VDSsat, y para cada valor

de VGS se va perdiendo la linealidad debido al estrechamiento del canal que se

aproxima al cierre.

Zona de corte o no conducción:

Se corresponde con el eje horizontal de la gráfica. En esta zona la corriente ID = 0

con independencia del valor VDS. Esto se da para valores de VGS VGSoff, donde

el canal está completamente cerrado.

Zona de saturación o de corriente constante:

Esta zona se da para valores VDS > VDSsat. Ahora la corriente ID permanece

invariante frente a los cambios de VDS (suponiendo la hipótesis de canal largo) y

sólo depende de la tensión VGS aplicada. En esta zona el transistor se comporta

como una fuente de corriente controlada por la tensión de puerta VGS. La relación

entre la tensión VGS aplicada y la corriente ID que circula por el canal en esta zona

viene dada por la siguiente ecuación:

Zona de ruptura:

Las uniones p-n están sometidas a una mayor polarización inversa del lado del

drenador. Por tanto, el JFET entrará en ruptura cuando en la zona del drenador se

supere la tensión de ruptura de la unión, es decir, cuando VDG Vr. Teniendo en

cuenta que VDS = VGS + VDG la ruptura se dará para VDSruptura VGS + Vr Por

ello a medida que VGS se hace más negativo, la tensión VDS para la que se produce

la ruptura será menor, lo que origina que en la zona de ruptura se crucen las líneas.

Polarización

El transistor de efecto de campo (FET) es un ejemplo de un transistor unipolar. La relación

no lineal entre ID y VGS puede complicar el método matemático del análisis de DC de las

configuraciones a FET.

Configuraciones de polarización

Algunas de las formas típicas de polarización de un JFET son las siguientes

1) Polarización fija o de compuerta

Es la peor forma de polarizar al transistor JFET puesto que depende mucho del transistor

empleado la cual es una de las pocas configuraciones a FET que pueden resolverse tanto

por un método matemático como por uno gráfico.

La configuración de la Figura, muestra los niveles de ac, Vi y V0 y

los capacitares de acoplamiento (C1 y C2). Los capacitores de

acoplamiento son “circuitos abiertos” para el análisis dc e

impedancias bajas (esencialmente cortos circuitos) para el

analizas en ac. El resistor RG está presente para asegurar que Vi

aparezca en la entrada del amplificador FET. Para el análisis en

dc.

2) Autopolarización

También conocida como autopolarizado por resistencia

de fuente: en este circuito solo se usa una fuente, que

es la del drenador suprimiendo la fuente de puerta. Y se

acopla una resistencia de surtidor. Este circuito es más

estable que el anterior. La configuración de

autopolarización elimina la necesidad de dos fuentes de

dc. El voltaje de control de la compuerta a la fuente

ahora lo determina el voltaje a través del resistor RS,

que se conecta en la terminal de la fuente de la

configuración como se muestra en la siguiente figura.

3) Polarización por divisor de voltaje

Es la forma más segura de saber que el punto de

funcionamiento Q va a estar en el punto que se

estabilice. La forma de calcular es exactamente igual

que los transistores que se le aplica Thevening.

En la regla de polarización mediante divisor de voltaje

que se aplicó a los amplificadores a transistor BJT

también puede aplicarse a los amplificadores a FET,

como lo muestra la figura. La construcción básica es exactamente la misma, pero el

análisis en dc de cada una es muy diferente. Para los amplificadores FET IG = 0A, pero la

magnitud de IB para los amplificadores de emisor común puede afectar los niveles de

corriente y voltaje de dc tanto en los circuitos de entrada como en los de salida. Recuerde

que IB proporciono la relación entre los circuitos de entrada y de salida para la

configuración de divisor de voltaje para el BJT, mientras que VGS hará lo mismo en la

configuración a FET.

Aplicaciones del transistor de efecto de campo

Entre las principales aplicaciones de este dispositivo se destacan las siguientes:

Aplicación Principal ventaja Usos

Aislador o separador (Buffer)

Impedancia de entrada alta y de salida baja

Uso general, equipo de medida, receptores.

Amplificador de RF Bajo ruido Sintonizadores FM, equipo para comunicaciones

Mezclador Baja distorsión de intermodulación

Receptores FM y TV, equipos para

comunicaciones Amplificador CAG Facilidad para controlar

ganancia Receptores, generadores de

señales Amplificador cascada Baja capacidad de entrada Instrumentos de medición,

equipo de prueba Troceador Ausencia de deriva Amplificadores de cc,

sistemas de control de dirección

Resistor variable por voltaje

Se controla por voltaje Amplificadores operacionales , controles de

tono Amplificador de baja

frecuencia Capacidad pequeña de

acoplamiento Audífonos para sodera

Oscilador Mínima variación de frecuencia

Generadores de frecuencia

Circuitos MOS digital Pequeño tamaño Integración en gran escala, computadoras, memorias.

Análisis del transistor de efecto de campo en señal pequeña

El análisis de AC de una configuración a FET requiere que se desarrolle un modelo de AC

de pequeña señal para el FET. Un componente principal del modelo de AC reflejará el

hecho de que un voltaje AC aplicado a las terminales de compuerta-fuente controlará el

nivel de la corriente del drenaje a la fuente.

El voltaje compuerta-fuente controla la corriente de drenaje-fluente (canal) de un FET.

El voltaje de DC compuerta-fuente controla el nivel de la corriente de drenaje de DC

mediante una relación conocida como ecuación de Shockley: ID = IDSS (I — VGS/VP)^2. El

cambio en la corriente del colector que se ocasionará por el cambio en el voltaje

compuerta-fuente puede determinarse mediante el uso del factor de transconductancia

gm de la forma siguiente:

El prefijo trans- de la terminología aplicada a gm indica que éste establece una relación

entre una cantidad de entrada y una de salida. La raíz conductancia se seleccionó debido a

que gm se encuentra determinado por una relación voltaje a corriente similar a la relación

que define la conductancia de un resistor G = 1/R = IN. Al resolver para gm en la ecuación

tenemos:

Determinación gráfica de gm

Si ahora revisamos las características de transferencia de la ecuación, encontramos que

gm es en realidad la pendiente de las características en el punto de operación. Es decir, al

seguir la curvatura de las características de transferencia, queda claro que la pendiente, y

por tanto gm se incrementa a medida que se va de VP a IDss. O en otras palabras, a

medida que VGS se acerca a 0V, la magnitud de gm se incrementa.

Amplificador de compuerta común

El amplificador de compuerta común se caracteriza por tener una impedancia de entrada

más baja que la de un amplificador de fuente común y adicionalmente por su

característica no inversora en la señal de salida. Lo anterior se debe a que la señal de

entrada ingresa por la fuente del transistor y no por la compuerta del mismo.

Amplificador de drenaje común

El amplificador de drenaje común suele ser un diseño cuyo objetivo no es amplificar sino

actuar como un adaptador de impedancias. Esto es recibir una señal de alta impedancia y

producir una señal con una amplitud similar pero con baja impedancia. Por esta razón los

valores de ganancia para este amplificador siempre son menores a 1 [V/V].

Amplificador de fuente común

El amplificador de fuente común es una de las configuraciones más usuales de

amplificación con transistores MOSFET. Esto se debe a que permite una ganancia

significativa siempre y cuando se consideren cuidadosamente los parámetros de diseño.

El transistor MOFSET

Una variación del JFET es el transistor MOSFET o

simplemente MOS ( Metal oxide

semiconductor).La diferencia fundamental de este

tipo de transistor es que la puerta se encuentra

aislada del canal mediante un dieléctrico tal como

el dióxido de silicio. Esto hace que

fundamentalmente la corriente que circula por la

puerta sea tan pequeña que prácticamente no se

toma en cuenta, debido a esto, la resistencia que

presenta es extremadamente elevada, aún más

elevada que la que pueda presentar un JFET.

Los transistores MOS se dividen en dos tipos, esto

es, MOS de enriquecimiento y MOS de

empobrecimiento.

MOS de empobrecimiento:

Estos tipos de transistores pueden ser construidos tanto en canal n como de canal p. La

construcción de este transistor, tanto para un tipo de canal como para otro, es realizando

un canal físico entre drenador y fuente, por lo que en ausencia de señal de puerta el

drenador y la fuente se encuentran comunicados por dicho canal y, por lo tanto, al aplicar

una tensión entre drenador y fuente VDS habrá circulación de corriente de drenador Id.

Sobre el canal que une drenador y fuente, se crea una capa de dióxido de silicio y, sobre

dicha capa otra capa fina de aluminio que constituye el terminal de puerta, de esta forma,

la puerta queda aislada del canal.

Como se puede observar, entre el terminal de puerta y el canal hay una capa de dióxido

de silicio, de ahí que la puerta quede aislada y, por lo tanto, exista una elevada resistencia

de entrada con una pequeñísima e insignificante corriente de puerta.

Un MOS de empobrecimiento puede trabajar con valores tanto negativos como positivos

de VGS esto es:

Para un MOS de canal n, una tensión negativa VGS saca los electrones de la región del

canal y por lo tanto lo empobrece (el canal se hace más pequeño), disminuyendo con esto

la corriente de drenador ID. Cuando VGS alcanza Vp, e l canal de contrae o estrangula

como sucedía con un JFET.

Por el contrario, una tensión positiva de VGS lo que hace es aumentar el tamaño del canal

y, por lo tanto, hay un aumento de la corriente de drenador ID.

Los dos tipos de transistores MOS de empobrecimiento suelen representarse mediante los

siguientes símbolos ya sean de canal n o de canal p, respectivamente:

Canal N Canal P

Curvas características:

Obsérvese cómo esta curva aparece dibujada en

los dos cuadrantes del eje de tensiones. Esto es

debido a que el MOSFET puede operar tanto con

tensiones positivas como negativas. Por esta

razón, la corriente IDSS, correspondiente a la

intersección de la curva con el eje ID, ya no es la

de saturación.

Como ocurría con el JFET, esta curva de

trasconductancia es parabólica y la ecuación que

la define es también:

Obsérvese cómo en esta curva aparecen

tanto tensiones negativas de VGS

(trabajo en modo de empobrecimiento),

como positivas (trabajo en modo de

enriquecimiento). La corriente más

elevada se consigue con la tensión más

positiva de VGS y el corte se consigue

con tensión negativa de VGS(apag).

De esta familia de curvas se puede

obtener la curva de trasconductancia,

que nos indica la relación que existe

entre VGS e ID.

Al igual que ocurría con el JFET, las características de transferencia de un MOS de

empobrecimiento relacionan la entrada VGS y la salida ID, por lo tanto, esta curva

también puede definirse por la siguiente expresión ya conocida:

MOS de enriquecimiento:

Al igual que con el MOS de empobrecimiento, pueden fabricarse MOS de enriquecimiento

tanto de canal n como de canal p la construcción de este transistor tanto para un canal

como para otro, difiere un tanto del MOS de empobrecimiento.

El MOS de enriquecimiento de canal n no tiene la capa delgada de material, sino es

necesario una tensión positiva entre puerta y fuente para crear dicho canal. Por lo tanto al

contrario que en el caso anterior, al aplicar una tensión entre drenador y fuente VDS, no

habrá circulación de corriente de drenador ID, la corriente del drenador solo se dará

cuando exista una tensión entre puerta y fuente VGS, teniendo en cuenta que además

dicha tensión deberá sobrepasar un determinado nivel de tensión llamada, tensión umbral

VT, no habiendo circulación de corriente hasta que no sobrepase dicho nivel.

Los dos tipos de transistores MOS de enriquecimiento suelen representarse mediante los

siguientes símbolos, ya sean de canal n, o de canal p respectivamente.

Canal N Canal P

En este tipo de transistor se ha anulado la capa de material n que existía entre el sustrato

y la capa de dióxido de silicio, ahora el canal es creado como se ha dicho anteriormente, al

establecer una tensión positiva entre la puerta y fuente, VGS. Para un MOS de

enriquecimiento de canal n la tensión entre la puerta y fuente e atrae los electrones de

sustrato de la zona entre drenaje y fuente, haciendo que dichos electrones se acumulen

en la parte inferior de la capa de dióxido de silicio, de tal forma que, cuando VGS alcance

el valor de VT, existirán electrones suficientes como para que dicha zona se comporte

como un canal n conductor.

Este tipo de MOSFET está diseñado de tal manera que sólo admite la forma de trabajo en

modo de enriquecimiento. La aplicación fundamental de este transistor se realiza en

circuitos digitales, microprocesadores, etc.

En la siguiente figura (a), se muestran un ejemplo de las curvas de drenador y en la (b) las

de transconductancia de este tipo de MOSFET.

Como se podrá observar en las curvas características, este transistor sólo conduce cuando

son aplicadas tensiones positivas al drenador, por lo que normalmente estará en no

conducción o apagado.

REGULADORES DE TENSIÓN

También conocidos como estabilizadores pueden ser circuitos formados por elementos

discretos o por circuitos integrados y su función es proporcionar una tensión estable y

bien especificada para alimentar otros circuitos a partir de una fuente de alimentación de

entrada de poca calidad, es uno de los circuitos integrados más utilizado, además debe ser

capaz de proporcionar corrientes de salida desde unas decenas de mA en reguladores

pequeños hasta varios A para reguladores grandes.

Reguladores de tensión usando diodos zener y transistores

Zener

Un diodo zener recibe a veces el nombre de diodo regulador de tensión porque mantiene

la tensión entre sus terminales constante, incluso cuando la corriente sufra cambios. En

condiciones normales el diodo zener debe tener polarización inversa, como se ve en la

figura 4.6. Además para trabajar en la zona zener, la tensión de la fuente Vs debe ser

mayor que la tensión de ruptura Vz. Siempre se emplea una resistencia en serie Rs para

limitar la corriente a un valor menor de su limitación máxima de corriente. En caso

contrario el diodo zener se quemaría, como cualquier dispositivo que disipase excesiva

potencia.

En la figura 4.7 se ve la salida de una fuente de

alimentación conectada a una resistencia en

serie con un diodo zener. Este circuito se utiliza

cuando se desea una tensión continua de salida

que sea menor que la salida de la fuente de

alimentación. Un circuito como este recibe el

nombre de regulador zener de tensión o

simplemente regulador zener. En algunos textos

se refieren a este circuito como estabilizador

zener

En la figura se ve la salida de una fuente de

alimentación conectada a una resistencia en

serie con un diodo zener. Este circuito se

utiliza cuando se desea una tensión continua

de salida que sea menor que la salida de la

fuente de alimentación. Un circuito como este

recibe el nombre de regulador zener de tensión o simplemente regulador zener. En

algunos textos se refieren a este circuito como

estabilizador zener.

Transistores

Las características de un regulador de tensión

pueden mejorarse ampliamente empleando

dispositivos tales como el transistor. El

regulador de tensión más simple del tipo de

transistores en serie aparece la figura 4.8. En

esta configuración el transistor se comporta

como un simple resistor variable cuya resistencia se determina mediante las condiciones

de operación. En resumen, para una carga creciente o decreciente, la resistencia variable

debe cambiar en la misma forma y a la misma velocidad para mantener la misma división

de tensión. Hay que recordar que la regulación de tensión se determina observando las

variaciones en la tensión terminal frente a la demanda de corriente.

Reguladores integrados y especificaciones del fabricante

Los reguladores de tensión abarcan una amplia clase de circuitos integrados (CI) de amplio

uso. Estas unidades contienen los circuitos para la fuente de referencia, el amplificador de

error, el dispositivo de control y la protección a sobrecarga, todos en un solo chip de CI.

Aunque la construcción interna es un poco diferente a la que se describió para los

circuitos reguladores de tensión discreto, la operación externa es casi la misma. Una

categoría básica de los reguladores de tensión incluye aquellos empleados solo con

tensiones positivas, los que se usan únicamente con tensiones negativas y los que se

clasifican también por tener tensiones de salidas fijas o ajustables. Estos reguladores

pueden seleccionarse para operación con corrientes de carga con cientos de miliampers a

decenas de ampers.

Los reguladores de tensión que proporcionan una tensión regulada fija positiva dentro de

un intervalo de corriente de carga se representa esquemáticamente en la figura 4.9. El

regulador de tensión fijo tiene una tensión no regulado Vent aplicado a una terminal,

entrega una tensión de salida regulado Vo desde una segunda terminal y la tercera

terminal conectada a tierra. Para un CI particular las especificaciones del dispositivo

señalan un intervalo de tensión dentro del cual la tensión de entrada puede variar para

mantener la tensión de salida regulada Vo dentro de un intervalo de corriente de carga Io.

Debe mantenerse una tensión diferencial de salida-entrada para que el CI opere, lo que

significa que la variación de tensión de entrada debe siempre mantenerse lo

suficientemente grande para conservan una caída de tensión a través del CI que permita

la operación adecuada del circuito interno. Las especificaciones del dispositivo también

incluyen la cantidad del cambio de la tensión de salida Vo que resulta de los cambios en la

corriente de carga y también en los cambios en la tensión de entrada.

DISPOSITIVOS ÓPTICOS Y DE POTENCIA

Diodos emisores de luz

En un principio cuando fueron creados los leds, estos fueron diseñados con el único propósito de ser utilizados como señalizadores luminosos que indican el funcionamiento de un aparato electrónico, su potencia y cantidad de luz era muy pequeña, pero para el efecto utilizado era más que suficiente. Al paso del tiempo estos leds han ido beneficiándose de muchos avances tecnológicos, razón por la que se han creados leds de alta luminosidad, hasta llegar a los leds RGB que son más que tres diodos emisores de luz encapsulados en un solo led. Es un dispositivo semiconductor que emite luz incoherente de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN en la cual circula por él una corriente eléctrica . Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia, el LED es un tipo especial de diodo que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. En los diodos emisores de luz de estado sólido (LED), el suministro de electrones de mayor energía proviene de la polarización directa, inyectando así electrones en la región n y huecos en la región p. Los huecos y electrones inyectados se recombinan con los portadores mayoritarios próximos a la unión. La radiación por recombinación es emitida en todas direcciones, observándose la mayor luz en la superficie superior porque el promedio de material entre la unión y esta superficie es mínimo.

La figura a muestra un diagrama de niveles de energía, que se emplea para describir la radiación que tiene lugar en un LED. La figura b muestra varias de las sales de plomo empleadas en fotodetectores de infrarrojos también se emplean como emisores de luz electroluminiscentes. El GaAs es uno de los materiales más antiguos y mejores para LED. Una de las ventajas principales del GaAs es que tiene una gran probabilidad de transición directa radiactiva. Es decir, toda transición directa es siempre de la banda de conducción a la de valencia. Para tener el máximo rendimiento de un LED, los fabricantes: 1. Utilizan los materiales menos absorbentes y de alto rendimiento directo con cristales lo menos defectuosos posible, de forma que los portadores o fotones no se pierdan en el sistema, atrapados en los defectos del cristal. 2. Colocan lentes con índices de refracción lo más próximos posible al del material del LED, de forma que se refleje la menor luz posible hacia el interior cuando atraviesan la separación LED-aire. 3. Trabajan en funcionamiento intermitente para eliminar problemas de Saturación y

Sección de un diodo emisor de luz (LED), en la figura a) se explica el

funcionamiento y en la b) la construcción típica.

temperatura. 4. Enfrían los dispositivos para disminuir el número de transiciones no radiantes originadas por la dispersión de estados de energía cuando se añade energía térmica. La mayoría de los LED’s tienen un encapsulado comercial de plástico con una lente directamente sobre la unión p-n. No todos los fotones generados por la unión salen de la superficie del LED, tres elementos separados disminuyen la cantidad de fotones emitidos. 1. Perdidas debidas a los materiales de construcción (GaAsP/ GaAs n=0.15, GaAsP/GaP n= 0.76) 2. Perdidas FRESNEL (en dos elementos con diferente índice de refracción una parte de la radiación se refleja)

3. Pérdidas por ángulo crítico

(

La unión de todas las pérdidas da:

Esquema de un LED típico:

El patrón de luminosidad en un LED es importante y generalmente las características nos dicen la luminosidad a media intensidad. Esto es el ángulo al cual la intensidad luminosa es la mitad de la del eje del LED. El patrón de iluminación depende del tipo de encapsulado. Funcionamiento físico de un LED: consiste en que, en los materiales semiconductores, un electrón al pasar de la banda de conducción a la de valencia, pierde energía; esta energía perdida se puede manifestar en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria. El que esa energía se manifieste en (calor por ejemplo) va a depender principalmente del tipo de material semiconductor. Cuando Al polarizar directamente un diodo LED conseguimos que por la unión PN sean inyectados huecos en el material tipo N y electrones en el material tipo P; O sea los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p, produciéndose por consiguiente, una inyección de portadores minoritarios. Ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo. Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse, es decir, los electrones pueden pasar a "ocupar" los huecos, "cayendo" desde un nivel energético superior a otro inferior más estable

Cuando estos portadores se recombinan, se produce la liberación de una cantidad de energía proporcional al salto de banda de energía del material semiconductor. Una parte de esta energía se libera en forma de luz, mientras que la parte restante lo hace en forma de calor, estando determinadas las proporciones por la mezcla de los procesos de recombinación que se producen. La energía contenida en un fotón de luz es proporcional a su frecuencia, es decir, su color. Cuanto mayor sea el salto de banda de energía del material semiconductor que forma el LED, más elevada será la frecuencia de la luz emitida.

LED RGB es un pequeño diodo emisor formado internamente por tres leds de similares características pero de distintos colores, en específico rojo, verde, azul. Estos nuevos leds tienen atributos y ventajas sobre otros sistemas de iluminación como son el bajo consumo de energía, alta eficiencia del calor , vida útil extremadamente larga, pequeñas dimensiones, alta resistencia al impacto y a las vibraciones, ausencia de radiaciones IR/UV, poca generación de calor y distribución direccional de la luz . En la siguiente figura (espectro visible de un led RGB )se puede apreciar que el color azul tiene la frecuencia mas baja siendo desde 440nm hasta 500nm, el verde 510nm a 560nm y el rojo de 610nm a 650nm.

Conexión de los leds

Para conectar LED de modo que iluminen de forma continua, deben estar polarizados directamente, es decir, con el polo positivo de la fuente de alimentación conectada al

ánodo y el polo negativo conectado al cátodo. Además, la fuente de alimentación debe suministrarle una tensión o diferencia de potencial superior a su tensión umbral. Por otro

lado, se debe garantizar que la corriente que circula por ellos no excede los límites admisibles (Esto se puede hacer de forma sencilla con una resistencia R en serie con los

LED).

El fenómeno de emisión de luz está basado en la teoría de bandas, por la cual, una tensión externa aplicada a una unión p-n polarizada directamente, excita los electrones, de manera que son capaces de atravesar la banda de energía que separa las dos regiones. Si la energía es suficiente los electrones escapan del material en forma de fotones. Cada material semiconductor tiene unas determinadas características que y por tanto una longitud de onda de la luz emitida. A diferencia de la lámpara de incandescencia cuyo funcionamiento es por una determinada tensión, los Led funcionan por la corriente que los atraviesa. Su conexión a una fuente de tensión constante debe estar protegida por una resistencia limitadora. Teoría de bandas: En un átomo aislado los electrones pueden ocupar determinados niveles energéticos pero cuando los átomos se unen para formar un cristal, las interacciones entre ellos modifican su energía, de tal manera que cada nivel inicial se desdobla en numerosos niveles, que constituyen una banda, existiendo entre ellas huecos, llamados bandas energéticas prohibidas, que sólo pueden salvar los electrones en caso de que se les comunique la energía suficiente. En los aislantes la banda inferior menos energética (banda de valencia) está completa con los e- más internos de los átomos, pero la superior (banda de conducción) está vacía y separada por una banda prohibida muy ancha (~ 10 eV), imposible de atravesar por un e-. En el caso de los conductores las bandas de conducción y de valencia se encuentran superpuestas, por lo que cualquier aporte de energía es suficiente para producir un desplazamiento de los electrones. Entre ambos casos se encuentran los semiconductores, cuya estructura de bandas es muy semejante a los aislantes, pero con la diferencia de que la anchura de la banda prohibida es bastante pequeña. Los semiconductores son, por lo tanto, aislantes en condiciones normales, pero una elevación de temperatura proporciona la suficiente energía a los electrones para que, saltando la banda prohibida, pasen a la de conducción, dejando en la banda de valencia el hueco correspondiente. En el caso de los diodos LED los electrones consiguen saltar fuera de la estructura en forma de radiación que percibimos como luz (fotones).

8.2) Fotodiodos y fototransistores

Fotodiodo

Un fotodiodo realiza la función inversa a la de in diodo o LED, ya que transforma la luz en

una corriente eléctrica siendo proporcional dicha corriente a la cantidad de luz que incide

sobre el fotodiodo.

El funcionamiento de dicho fotodiodo se realiza mediante su conexión en polarización

inversa. El símbolo característico de este tipo de diodos es el siguiente:

Su forma constructiva es tal que la luz que incida sobre él llegue fácilmente a la unión

semiconductora. Suelen tener una cara plana junto con un par de terminales de fácil

soldadura en circuitos impresos.

El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para definir

sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz visible (longitud de

onda de hasta 1µm); germanio o para luz infrarroja (longitud de onda hasta aprox. 1,8 µm

); o de cualquier otro material semiconductor.

Fototransistor

Es un transistor sensible a la luz, por lo general infrarroja. Combinan en uno solo la

detección de luz y la ganancia. Los hay de tres y de dos patas.

Los fotones que llegan al lente (base), generan pares electrón- la unión hueco en el

espacio entre C-B; La tensión de polarización inversa de C-B, llevan los huecos a la

superficie de la base y los electrones al colector. La unión de B-E polarizada directamente,

hace que los huecos se dirijan a la base al emisor mientras que los electrones van del

emisor a la base. En este momento la función del transistor se ejecuta cuando los

electrones cruzan del emisor a la base alcanzando el colector. Esta tensión constituye una

corriente de colector inducida por la luz.

Su aspecto es igual al de un LED, sin embargo la polaridad en estos dos es diferente,

mientras que en el LED; la pata más larga es el positivo y la corta el negativo en el

fototransistor es inversa esta polaridad, aparte su capsula viene oscura.

En los fototransistores la base es reemplazada por un cristal fotosensible, que al recibir

luz, ya sea visible o infrarroja; produce una corriente y desbloquea el transistor.

Son usados comúnmente en sensores de proximidad o de movimiento, acompañados de

un emisor de luz ya sea visible o infrarroja. Para hacer un circuito usando el fototransistor;

se debe tener mucho cuidado al proteger este circuito ya que este elemento es muy

sensible a la luz incluso a la del ambiente.

En todos los casos el fototransistor debe llevar un emisor de luz, algunos de estos

sensores necesitan un espejo para que refleje la luz, enviándola al receptor.

En estos dispositivos, este se activa por medio de los botones que hacen la parte de

interruptores (pulsadores) dando el haz de luz al fototransistor que es el receptor, ubicado

por lo general en el electrodoméstico.

Optoacopladores

Cuando se Combina una fuente óptica (generalmente un Led) con algún tipo de detector

óptico (generalmente un semiconductor de si) en un solo encapsulado, el dispositivo

resultante se llama optoacoplador u optointerruptor. Esta estructura produce un

elemento que permite el acoplamiento de señales dos tipos de circuitos electrónicos

independientes y totalmente aislados entre si, según el encapsulado de estos dispositivos

pueden tener un aislamiento hasta de 3500 V.

El acoplador óptico es un dispositivo que ofrece a los diseñadores electrónicos una mayor

libertad para diseñar circuitos y sistemas. La operación está basado en la detección de luz

emitida. La entrada del acoplador está conectada a un emisor de luz y la salida es un

fotodetector. Se alimenta de una fuente externa conectada entre sus terminales (8)

positiva y (1) tierra; el valor de la fuente de alimentación se extiende desde 4.5 Volts hasta

16.0 Volts de corriente continua, la misma fuente exterior se conecta a un circuito pasivo

RC exterior, que proporciona por medio de la descarga de su capacitor una señal de

voltaje que está en función del tiempo, esta señal de tensión es de 1/3 de Vcc y se

compara contra el voltaje aplicado externamente sobre la terminal (2) que es la entrada

de un comparador.

La terminal (6) se ofrece como la entrada de otro comparador, en la cual se compara a 2/3

de la Vcc contra la amplitud de señal externa que le sirve de disparo.

La terminal (5) se dispone para producir (PAM) modulación por anchura de pulsos, la

descarga del condensador exterior se hace por medio de la terminal (7), se descarga

cuando el transistor (NPN) T1, se encuentra en saturación, se puede descargar

prematuramente el capacitor por medio de la polarización del transistor (PNP) T2.

Se dispone de la base de T2 en la terminal (4) del circuito integrado 555, si no se desea

descargar antes de que se termine el periodo, esta terminal debe conectarse

directamente a Vcc, con esto se logra mantener cortado al transistor T2 de otro modo se

puede poner a cero la salida involuntariamente, aun cuando no se desee. La salida esta

provista en la terminal (3) del microcircuito y es además la salida de un amplificador de

corriente (buffer), este hecho le da más versatilidad al circuito de tiempo 555, ya que la

corriente máxima que se puede obtener cuando la terminal (3) sea conecta directamente

al nivel de tierra es de 200 mA

TRIAC Y SCR

TRIAC

El TRIAC es un semiconductor capaz de bloquear tensión y conducir corriente en ambos sentidos entre los terminales principales T1 y T2. Es un componente simétrico en cuanto a conducción. Tiene unas fugas en bloqueo y una caída de tensión en conducciones prácticamente iguales a las de un tiristor y el hecho de que entre en conducción, si se supera la tensión de ruptura en cualquier sentido, lo hace inmune a destrucción por

sobretensión

Fundamentalmente es un Diac con una terminal de compuerta, es decir, actúa como dos SCR en paralelo. Por eso, el Triac puede controlar la corriente en cualquier dirección.

Las características del Triac en el 1er. Y 3er. Cuadrantes, son diferentes a las del Diac, la corriente de sostenimiento en cada dirección no está presente

en las características del Diac.

El voltaje de rompimiento a saturación es generalmente alto, así que la forma común de encender un Triac es aplicando un disparo de polarización directa.Si v tiene la polarización mostrada, tenemos que aplicar un disparo positivo; esto cierra el cerrojo izquierdo.

Cuando tiene la polaridad opuesta, un disparo negativo es necesario, cerrando el cerrojo de la derecha

Se puede considerar a un TRIAC como si fueran dos SCR conectados en antiparalelo, con una conexión de compuerta común, como se muestra en el ejercicio siguiente.

Dado que el TRIAC es un dispositivo bidireccional, no es posible identificar sus terminales

Modos de funcionamiento:

El TRIAC puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales puerta y T1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. A continuación se verán los fenómenos internos que tienen lugar en los cuatro modos de disparo posibles.

Modo I + : Terminal T2 positiva con respecto a T1.

Intensidad de puerta entrante.

Funcionan las capas P1N1P2N2 como tiristor con emisor en corto circuito, ya que la metalización del terminal del cátodo cortocircuita parcialmente la capa emisora N2 con la P2. La corriente de puerta circula internamente hasta T1 , en parte por la unión P2N2 y en parte a través de la zona P2. Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2 que es favorecida en el área próxima a la puerta por la caída de tensión que produce en P2 la circulación lateral de corriente de puerta. Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2N1, que bloquea el potencial exterior, y son acelerados por ella iniciándose la conducción.

Modo I - : Terminal T2 positivo respecto a T1.

Intensidad de puerta saliente.

El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unión. Inicialmente conduce la estructura auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal P1N1P2N2.

El disparo de la primera se produce como un tiristor normal actuado T1 de puerta y P de cátodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensión positiva de T2 y polariza fuertemente la unión P2N2 que inyecta electrones hacia el área de potencial positivo. La unión P2N1 de la estructura principal que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conducción.

Modo III + : Terminal T2 negativo respecto a T1.

Intensidad de puerta entrante.

El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción la estructura P2N1P1N4. La inyección de electrones de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I +. Los que alcanzan por difusión la unión P2N1 son absorbidos por su potencial de unión, haciéndose más conductora. El potencial positivo de puerta polariza más positivamente el área de la unión P2N1 próxima a ella que la próxima a T1, provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unión N1P1 encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en conducción.

Modo III - : Terminal T2 negativo respecto a T1. Intensidad de puerta saliente.

También se dispara por el procedimiento e puerta remota, conduciendo las capas P2N1P1N4.

La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen más conductora la unión P2N1. La tensión positiva de T1 polariza el área próxima de la unión P2N1 más positivamente que la próxima a la puerta. Esta polarización inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte la unión N1P1 y la hacen pasar a conducción.

Los cuatro modos de disparo descritos tienen diferente sensibilidad. Siendo los modos I + y III - los más sensibles, seguidos de cerca por el I -. El modo III + es el disparo más difícil y debe evitarse su empleo en lo posible. El fabricante facilita datos de características eléctricas el bloqueo, conducción y de dispar por puerta de forma similar a lo explicado para el tiristor.

Aplicaciones:

Se utiliza para controlar la corriente a través de una carga grande. R1 y C, modifican el ángulo de fase en la señal de compuerta, debido a este corrimiento de fase, el voltaje de la compuerta está atrasado con respecto al voltaje de línea un ángulo entre 0º y 90º.

El voltaje de línea tiene un ángulo de fase de 0º mientras que el voltaje de la compuerta esta atrasado. Cuando este voltaje de la compuerta es suficientemente grande para alimentar la corriente de disparo, el Triac conduce. Una vez encendido el Triac, continua conduciendo hasta que el voltaje de línea regresa a cero, debido a que R1 es variable, el ángulo de fase del voltaje de línea se puede controlar por medio de la carga. Un control como este es muy útil en calentadores industriales, alumbrado y otras aplicaciones de potencia alta.

SCR

Un rectificador controlado de silicio (SCR, rectificador controlado de silicio) es un dispositivo de tres terminales usado para controlar corrientes más bien altas para una carga. El símbolo esquemático del SCR se presenta en la figura

Un SCR actúa a semejanza de un interruptor. Cuando esta encendido (ON), hay una trayectoria de flujo de corriente de baja resistencia del ánodo al cátodo. Actúa entonces como un interruptor cerrado. Cuando esta apagado (OFF), no puede haber flujo de corriente del ánodo al cátodo. Por tanto, actúa como un interruptor abierto. Dado que es un dispositivo de estado só1ido, la acción de conmutación de un SCR es muy rápida.

El flujo de corriente promedio para una carga puede ser controlado colocando un SCR en serie con la carga. Este arreglo es presentado en la figura 2. La alimentaci6n de voltaje es comúnmente una fuente de 60-Hz de ca, pero puede ser de cd en circuitos especiales.

Si la alimentación de voltaje es de ca, el SCR pasa una cierta parte del tiempo del ciclo de ca en el estado ON, y el resto del tiempo en el estado OFF. Para una fuente de 60-Hz de ca, el tiempo del ciclo es de 16.67 ms. Son estos 16.67 ms los que se dividen entre el tiempo que esta en ON y el tiempo que esta en OFF. La cantidad de tiempo que esta en cada estado es controlado por el disparador.

Si una porción pequeña del tiempo esta en el estado ON, la corriente promedio que pasa a la carga es pequeña. Esto es porque la corriente puede fluir de la fuente, a través del SCR, y a la carga, só1o por una porción relativamente pequeña del tiempo. Si la señal de la compuerta es cambiada para hacer que el SCR este en ON por un periodo mas largo del tiempo, entonces la corriente de carga promedio será mayor. Esto es porque la corriente ahora puede fluir de la fuente, a través del SCR, y a la carga, por un tiempo relativamente

mayor. De esta manera, la corriente para la carga puede variarse ajustando la porci6n del tiempo del ciclo que el SCR permanece encendido.

Figura2. Relación de circuito entre la fuente de voltaje, un SCR y la carga

Como lo sugiere su nombre, el SCR es un rectificador, por lo que pasa corriente sólo durante los semiciclos positivos de la fuente de ca. El semiciclo positivo es el semiciclo en que el ánodo del SCR es mas positivo que el cátodo. Esto significa que el SCR de la figura 2 no puede estar encendido más de la mitad del tiempo. Durante la otra mitad del ciclo, la polaridad de la fuente es negativa, y esta polaridad negativa hace que el SCR tenga polarizaci6n inversa, evitando el paso de cualquier corriente a la carga.

Fuentes:

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https://termodinamica2012-

1.wikispaces.com/file/view/Transistor+de+Efecto+de+Campo,+de+Uni%C3%B3n+%28JFET

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http://es.slideshare.net/Humbertogato/transistor-fet

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electronic/fet.html#c4

http://rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/MOSFET.html

http://konnan2001.galeon.com/TRIAC.HTML