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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERIA DE PRODUCCION Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA

CURSO: FUNDAMENTOS DE ELECTRONICA PRESENTADO POR: JULIANO BARRA LUIGGI JAVIER DOCENTE: ING. MANUEL CALLO AREQUIPA-PERÚ 2017

APLICACIONES Y FUTURO DEL TRANSISTOR

1. INTRODUCCION Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los artefactos domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, celulares, entre otros más. Los transistores son parte esencial para el funcionamiento de la radio. 2. APLICACIONES DEL TRANSISTOR Básicamente el transistor funciona como: a. INTERRUPTOR: El transistor funciona como interruptor CERRADO cuando aplicamos una corriente a la base El transistor funciona como interruptor ABIERTO cuando NO aplicamos una corriente a la base b. AMPLIFICADOR: Por medio de una pequeña corriente aplicada a la base se pueden gobernar otra mucho más intensa entre colector y emisor Esto significa que pequeñas corrientes se pueden transformar en otras más fuertes

2.1.

EL TRANSISTOR COMO DISPOSITIVO AMPLIFICADOR

Al transistor se lo puede montar en emisor común (EC), base común (BC) o colector común (CC). Cada una de estas configuraciones posee ventajas y desventajas una respecto de las otras, siendo la de emisor común la más recurrida a la vez que es la de mejor respuesta en la mayor parte de las aplicaciones. Cada configuración obtiene diferentes coeficientes de ganancia en tensión (GV), así como diferentes impedancias tanto de entrada como de salida. A continuación vemos un resumen de las principales características de cada uno de los tres posibles montajes: 1

El montaje en Base Común posee una mayor ganancia de tensión frente a los otros dos. También tiene baja impedancia de entrada, lo que lo hace bastante inadecuado para operar en circuitos de baja frecuencia (B. F.). Con un montaje en Colector Común logramos una muy baja distorsión sobre la señal de salida y, junto con el montaje en Base Común, es bastante idóneo a la hora de diseñar adaptadores de impedancia. a. La Amplificación: Es la aplicación práctica más importante para la que se usan los transistores. El diagrama muestra una etapa amplificadora en emisor común:

El transistor ha sido polarizado por medio de polarización por división de tensión. Como sabemos, un capacitor en altas frecuencias se comporta como un cortocircuito mientras que a bajas frecuencias la misma aumenta hasta comportarse como un circuito abierto para C.C. Viéndolo desde este punto de vista conviene analizar al amplificador en dos etapas, una desde el punto de vista de la C.A. y el otro desde el punto de vista de la C.C. Con esta subdivisión podremos analizar al circuito mediante dos circuitos mas sencillos, con lo cual, gracias a la teoría de la superposición, lo que ocurrirá será que la respuesta total resultará de la suma de los datos obtenidos en los dos circuitos en que descompusimos al original. Comenzaremos el análisis en el dominio de la C.C., para ello seguimos los siguientes pasos: 1º) Se cortocircuita el generador de entrada de alterna. 2º) Se consideran los capacitores como circuitos abiertos. 3º) Se analiza este circuito resultante. 2

Abriendo C1, C2 y C3 y cortocircuitando al generador de entrada en nuestro circuito obtenemos el circuito resultante que vemos a continuación:

Ahora, y con las referencias ya explicadas, se procede a la resolución del circuito resultante. Con estos datos obtenemos el punto de polarización (Q). Para el análisis en C.A. recurrimos a las siguientes reglas: 1º) Se cortocircuita la fuente de tensión de C.C. 2º) Se considera a los capacitores como circuitos cerrados (cortocircuitos). 3º) Se estudia el circuito resultante. En la figura vemos de que forma hemos procedido para obtener el circuito resultante:

Los capacitores han desaparecido del circuito haciéndose cortocircuitos, la resistencia R4 desaparece por estar en paralelo con un cortocircuito, las resistencias R1 y R3 están ahora en paralelo, con lo cual obtenemos Ra. Con las resistencias de salida ocurre lo mismo, y obtenemos Rb. Para terminar con nuestro análisis debemos suponer que ahora aplicamos una señal al circuito y veremos cómo varía el punto Q En la figura vemos un ejemplo, donde se muestra el punto Q en ausencia de señal y cómo varía con la aplicación de una señal de entrada.

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Se ve que la señal Ie no es una correspondencia directa de la aplicada en la base del transistor dado la curvatura de la gráfica de la característica del transistor. Es importante verificar bien el lugar de ubicación del punto Q, dado que si queremos que el transistor opere en la zona activa y polarizamos a éste en un punto Q cercano a la zona de saturación, corremos el riesgo de que cuando le aplicamos una señal de entrada, Q se desplace hacia la zona de saturación, dejando la zona activa. Para evitar este problema conviene analizar siempre antes la variación de Q en nuestro transistor y verificar que no salga de la región donde queremos que trabaje. Otra familia de transistores muy importante es la de los de efecto de campo, de los cuales es parte el FET. Los mismos realizan la función de control de la corriente mediante una tensión aplicada en uno de sus terminales. Están construidos con una zona semiconductora tipo P o N que une los dos terminales (Fuente y Drenador), a esta región se la llama canal y sobre ésta existe otra con signo opuesto que se conecta a la puerta, entre ambas se forma una unión PN o NP, según sea su topología. Este conjunto está montado sobre un semiconductor con igual signo al de la puerta. Cuando se aplica una tensión entre Drenador y Fuente, habrá circulación de corriente por el canal. El control de dicha corriente se hará con una tensión variable que es aplicada a la puerta, ya que, al aplicar dicha tensión, las uniones P-N se polarizan en forma inversa, haciendo que el canal se haga más delgado y, por consiguiente, aumente la resistencia de éste, generando así una variación de la corriente circulante por él. Como esta corriente de Puerta será extremadamente débil debido a que se trata de una unión polarizada en inversa, será posible variar la corriente que circula por el transistor sin que sea necesario absorber corriente de él. 4

También la familia de transistores MOS o MOSFET (Metal, Oxido, Semiconductor) es parte de los transistores de efecto de campo. Este tipo de transistor es fabricado partiendo de un semiconductor tipo P en el que se difunden dos regiones tipo N que forman la fuente y el Drenador, y, encima de la superficie de estos, se aplica una capa de dióxido de silicio (SiO 2), que tiene la propiedad de ser muy aislante, sobre la que está situada la Puerta. Entre Fuente y Drenador también existirá un canal similar al del tipo FET, cuya resistencia y anchura será controlada con la tensión de puerta. En las curvas características de los transistores de efecto de campo se representa la corriente de Drenador (ID) en función de la tensión aplicada entre Drenador y Fuente (VDS). Como en el caso de la transferencia de los transistores bipolares, se traza una curva para cada uno de los valores de V GS deseados. También en estas curvas se observan dos zonas; desde el origen la corriente crece con la tensión, pero alcanzado cierto valor Vp, se hace constante y se forma a partir de allí la segunda zona, a estas dos zonas se las llama región lineal a la primera y región de saturación a la última. Este tipo de transistores pueden ser utilizados en los circuitos en una disposición similar a la de los bipolares, es decir: Fuente común, Puerta común y Drenador común, aunque la primera y la última son las más utilizadas en la práctica. 2.2.

APLICACIONES DE LOS TRANSISTORES: FOTOTRANSISTORES

Se han utilizado en lectores de cinta y tarjetas perforadas, lápices ópticos, etc. Para comunicaciones con fibra óptica se prefiere usar detectores con fotodiodos p-i-n. También se pueden utilizar en la detección de objetos cercanos cuando forman parte de un sensor de proximidad. Se utilizan ampliamente encapsulados conjuntamente con un LED, formando interruptores ópticos (opto-switch), que detectan la interrupción del haz de luz por un objeto. Existen en dos versiones: de transmisión y de reflexión. Teniendo las mismas características de un transistor normal, es posible regular su corriente de colector por medio de la corriente de base. Y también, dentro de sus características de elemento optoelectrónico, el fototransistor conduce más o menos corriente de colector cuando incide más o menos luz sobre sus junturas. Los dos modos de regulación de la corriente de colector se pueden utilizar en forma simultánea. Si bien es común que la conexión de base de los fototransistores no se utilice, e incluso que no se la conecte o ni siquiera venga de fábrica, a veces se aplica a ella una corriente que estabiliza el funcionamiento del transistor dentro de cierta gama deseada, o lo hace un poco más sensible cuando se debe detectar una luz muy débil. Esta corriente de estabilización cumple con las mismas reglas de cualquier transistor, es decir, tendrá una relación de amplificación determinada por 5

la ganancia típica de corriente, o hfe. A esta corriente prefijada se le suman las variaciones producidas por los cambios en la luz que incide sobre el fototransistor. Los fototransistores, al igual que los fotodiodos, tienen un tiempo de respuesta muy corto, es decir que pueden responder a variaciones muy rápidas en la luz. Debido a que existe un factor de amplificación de por medio, el fototransistor entrega variaciones mucho mayores de corriente eléctrica en respuesta a las variaciones en la intensidad de la luz. 3. EL FUTURO DE LOS TRANSISTORES: UNA ALTERNATIVA AL SILICIO Y EL GRAFENO

Más pequeño y más eficiente que los chips electrónicos actuales, la Molidbenita podría ser un sustituto. En un artículo publicado online en la revista Nature Nanotechnology , el Laboratorio de Electrónica EPFL (Escuela Politécnica Federad de Lausana) publica un estudio que muestra que este material tiene ventajas sobre el silicio tradicional o el grafeno para su uso en aplicaciones electrónicas. El descubrimiento hecho en la EPFL podría desempeñar un papel importante en la electrónica, permitiendo hacer transistores más pequeños y energéticamente más eficientes. La investigación llevada a cabo en el Laboratorio de Electrónica y estructuras a nanoescala ha revelado que molibdenita, o MoS2, es un semiconductor muy eficaz. Este mineral, que es abundante en la naturaleza, a menudo se utiliza como elemento de las aleaciones de acero o como aditivo en lubricantes. Pero aún no había sido estudiado para uso en electrónica. “Es un material de dos dimensiones, muy delgado y fácil de usar en nanotecnología. Tiene un verdadero potencial en la fabricación de transistores muy pequeños, diodos emisores de luz (LED) y células solares”, dice el profesor de la EPFL, Andras Kis, cuyos colegas M. Radisavljevic, Radenovic y M. Brivio han trabajado con él en el estudio. Él compara sus ventajas con dos otros materiales: silicio, actualmente el principal componente utilizado en chips electrónicos e informáticos, y el grafeno, 6

cuyo descubrimiento en 2004 hizo ganar a los físicos Geim André y Novoselov Konstantin el Premio Nobel de Física en 2010. Una de las ventajas de la molibdenita es que es menos voluminosa que el silicio, que es un material tridimensional. “En una hoja de 0,65 nanómetros de espesor, los electrones pueden moverse con tanta facilidad como en una hoja de 2 nanómetros de grosor de silicio”, explica Kis. “Pero no es posible en la actualidad fabricar una lámina de silicio tan fina como una hoja de monocapa de MoS2.” Otra ventaja de la molibdenita es que puede ser utilizada para fabricar transistores que consuman 100 mil veces menos en estado de espera que los transistores de silicio tradicionales. Un semiconductor con una “brecha” se debe utilizar para convertir un transistor encendido y apagado, y una placa de molibdenita de 1,8 brecha electrón-voltios es ideal para este propósito. Mejor que el grafeno. En la física de estado sólido, la teoría de banda es una forma de representar la energía de los electrones en un material determinado. En los semiconductores, los espacios libres de electrones entre estos grupos, la llamada “banda de las lagunas.” Si el espacio no es demasiado pequeño o demasiado grande, algunos electrones saltan a través del boquete. Por lo tanto, ofrece un mayor nivel de control sobre el comportamiento eléctrico del material, que puede ser encendido y apagado fácilmente. La existencia de esta brecha en la molibdenita también le da una ventaja sobre el grafeno. Considerado hoy por muchos científicos como el material de la electrónica del futuro, el “semi-metal” grafeno no tiene hueco, y es muy difícil de reproducirlo artificialmente en el material.

4. LOS TRANSISTORES DE GRAFENO IMPRESOS ABREN EL FUTURO A LA ELECTRÓNICA FLEXIBLE Varios investigadores hacen demostraciones de circuitos de grafeno flexibles lo suficientemente rápidos como para las comunicaciones de telefonía móvil.

El uso de circuitos electrónicos flexibles haría posibles dispositivos radicalmente nuevos, como ordenadores tableta resistente al agua que se pudieran enrollar o plegar. Un grupo de investigadores académicos y de la industria ha demostrado uno de los componentes más importantes de este futuro totalmente flexible: electrónica de radiofrecuencia de grafeno lo suficientemente rápida para producir, recibir y procesar señales de telecomunicaciones.

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Existen muchos materiales que podrían ser candidatos para su uso en circuitos flexibles, y cada uno conlleva su propia serie de problemas. Algunos realizan cálculos con demasiada lentitud como para usarse en aplicaciones prácticas, mientras que otros logran procesar las señales rápidamente, aunque los investigadores saben que no hay esperanza de poder fabricarlos a precios razonables. Eso está empezando a cambiar, señala Deji Akinwande, ingeniero eléctrico e informático en la Universidad de Texas en Austin (EE.UU.), que dirige el trabajo sobre los transistores de grafeno impresos. "Creo que, de forma realista, podemos imaginar teléfonos inteligentes, tabletas y otros dispositivos de comunicación flexibles", señala. El grupo de Akinwande se centra en aplicaciones prácticas para el grafeno, hojas de carbono de un átomo de espesor con propiedades mecánicas y eléctricas excepcionales. Los transistores y circuitos de grafeno, hechos sobre superficies rígidas con técnicas de fabricación de chips convencionales, han roto varios récords de velocidad dentro de la electrónica. Pero cuando los investigadores han tratado de sacar provecho de la resistencia del grafeno y su flexibilidad extrema en dispositivos flexibles construidos en plástico, la velocidad de conmutación cae en picado. Esto resulta problemático puesto que para que la electrónica flexible sea económica, según Akinwande, debe ser impresa en zonas más extensas, como un periódico. Los transistores de grafeno no solo son rápidos, sino muy sólidos. Los dispositivos siguen funcionando incluso después de mojarse en agua, y son lo suficientemente flexibles como para plegarse. "A medida que haces que la [electrónica] sea más delgada, las propiedades mecánicas son cada vez mejores", asegura Javey. "Y el grafeno es el material más delgado que puedes conseguir".

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5. EL TRANSITOR FIN-FET El término FinFET fue definido por investigadores de la Universidad de Berkeley (California) para describir un nuevo modelo de transistor multipuerta, que no seguía la arquitectura MOS plana. La característica principal es que el canal conductor se encuentra envuelto por la puerta por tres de sus lados. En estos dispositivos, la unión entre fuente y drenador está construida verticalmente a la superficie del sustrato y presenta una anchura reducida. Esto hace posible una disminución de la resistencia en serie entre los terminales de fuente y drenador. La longitud de puerta del dispositivo viene determinada por dicha anchura. La puerta es una película de polisilicio altamente dopado que rodea la unión entre fuente y drenador. Al aplicar una tensión en dicha puerta se crea un canal en la superficie de la unión, poniendo el transistor en conducción. Una segunda configuración se consigue utilizando dos puertas laterales independientes, creando el denominado “FinFET 4T” que presenta cuatro terminales: fuente, drenador, puerta 1 y puerta 2. El control independiente de las puertas permite modificar la tensión umbral (Vth) del dispositivo y, adicionalmente, aumenta la inmunidad al indeseado efecto de canal corto. Generalmente el grosor del óxido de puerta suele ser simétrico, pero modificando estas medidas se puede mejorar aún más el control de la tensión umbral del transistor. El gran interés mostrado hacia el FinFET es fruto de las ventajas que muestra respecto a otros transistores multipuerta, tales como menor coste de fabricación de obleas, baja densidad de defectos en los dispositivos por oblea, menor voltaje de polarización y sobretodo su gran compatibilidad con los procesos de fabricación actuales. Todo ello hace que el FinFET sea el primer transistor multipuerta implementado a nivel comercial.

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