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TRANSISTORES Dilan Ávila, Universidad Técnica Luis Vargas Torres (UTELVT), Esmeraldas – Ecuador

Resumen – Índices –.

I.

INTRODUCCIÓN.

El transistor, inventado en 1951, es el componente electrónico estrella, pues inició una auténtica revolución en la electrónica que ha superado cualquier previsión inicial. Con el transistor vino la miniaturización de los componentes y se llegó al descubrimiento de los circuitos integrados, en los que se colocan, en pocos milímetros cuadrados, miles de transistores. Estos circuitos constituyen el origen de los microprocesadores y, por lo tanto, de los ordenadores actuales. Por otra parte, la sustitución en los montajes electrónicos de las clásicas y antiguas válvulas de vacío por los transistores, reduce al máximo las pérdidas de calor de los equipos. Un transistor es un componente que tiene, básicamente, dos funciones:  Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una PEQUEÑA señal de mando.  Funciona como un elemento AMPLIFICADOR de señales. Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica. También en algunas aplicaciones de electrónica digital como la tecnología TTL o BICMOS. Se consideran dispositivos activos por que pueden obtener una mayor corriente de salida a partir de, corriente o tensión de entrada y, por lo tanto, se utilizan en amplificaciones de corrientes o tensiones. Disponen de 3 terminales, pudiendo adoptar varias configuraciones: considerándose como entrada dos de ellos y de salida el tercero. A. Clasificación.

B. Transistores de efecto de campo. Los transistores de efecto de campo o FET (Field Electric Transistor) son particularmente interesantes en circuitos integrados y pueden ser de dos tipos:  Transistor de efecto de campo de unión o JFET  Transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor (MOSFET). Son dispositivos controlados por tensión con una alta impedancia de entrada (1012Ω). Ambos dispositivos se utilizan en circuitos digitales y analógicos como amplificador o como conmutador. Sus características eléctricas son similares aunque su tecnología y estructura física son totalmente diferentes.

Fig. Transistores FET

1) Ventajas del FET 1. Son dispositivos controlados por tensión con una impedancia de entrada muy elevada (107a 1012Ω). 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 más dispositivos en un C1. 5. Los FET se comportan como resistencias controlados por tensión para valores pequeños de tensión drenajefuente. 6. La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener carga el tiempo suficiente para permitir operaciones de muestreo en conversores A/D y memorias. 7. Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes. 2) Desventajas que limitan la utilización de los FET 1. Presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacidad de entrada, y en general son menos lineales que los BJT. 2. Se pueden dañar debido a la electricidad estática. II.

TRANSISTOR JFET.

C. Características eléctricas. Regiones de material tipo p situadas a ambos lados. Es un elemento tri-terminal cuyos terminales se denominan

drenador, fuente y puerta. En la figura 2.a se describe un esquema de un JFET de canal n, en la 2.b el símbolo de este dispositivo y en la 2.c el símbolo de un JFET de canal p.

r DS ( on )=

1 2 V −V (V DS− ( DS 1 ID 3 |V p|2

(

3 GS 2

)

−

V GS

3 2 1 2

))

|V p|

(1)

Fig.2 a) JFET de canal n. b) Símbolo de un JFET de canal n. c) Símbolo de un JFET de canal p.

La polarización de un JFET exige que las uniones p-n estén inversamente polarizadas. En un JFET de canal n, o NJFET, la tensión de drenador debe ser mayor que la de la fuente para que exista un flujo de corriente a través de canal. Además, la puerta debe tener una tensión más negativa que la fuente para que la unión p-n se encuentre polarizado inversamente. Ambas polarizaciones se indican en la figura 3.

Fig.4 Resistencia drenador-fuente de un transistor NJFET en la región lineal.

F. Región de saturación. En esta región de similares características que un BJT en la región lineal, el JFET tiene unas características lineales que son utilizadas en amplificación. Se comporta como una fuente de intensidad controlada por la tensión VGS cuya ID es prácticamente independiente de la tensión VDS. La ecuación

que relaciona la ID con la VGS se conoce como ecuación cuadrática o ecuación de Schockley que viene dada por: Fig.3 Característica de un NJFET.

D. Región a corte. En esta región la intensidad entre drenador y fuente es nula (ID=0). En este caso, la tensión entre puerta y fuente es suficientemente negativa que las zonas de inversión bloquean y estrangulan el canal cortando la corriente entre drenador y fuente. En las hojas técnicas se denomina a esta tensión como de estrangulamiento o pinch-off y se representa por V GS (off) o Vp. Por ejemplo, el BF245A tiene una VGS (off)=-2V E. Región lineal. En esta región, el JFET se comporta como una resistencia no lineal que se utiliza en muchas aplicaciones donde se precise una resistencia variable controlada por tensión. El fabricante proporciona curvas de resistencia de drenador-fuente (r ds (on)) para diferentes valores de VGS tal como se muestra en la figura 4. En esta región el transistor JFET verifica las siguientes relaciones:

V GS 2 I D =I DSS (1− ) Vp

(2) Donde Vp es la tensión de estrangulamiento y la I DSS es la corriente de saturación. Esta corriente se define como el calor de ID cuando VGS=0, y esta característica es utilizada como frecuencia para obtener una fuente de corriente de valor constante (IDSS). La ecuación 2 en el plano I D y VGS representa una parábola desplazada en Vp. esta relación junto a las características del JFET de la figura 3 permiten obtener gráficamente el punto de trabajo Q del transistor en la región de saturación. La figura 5 muestra la representación gráfica de este punto:

Tabla.1 Convenio de signos en la tensión y corrientes de un NJFET y PJFET

 Recta de carga y punto de trabajo:

Fig. 5 Curva característica de un JFET.

G. PARÁMETROS COMERCIALES Se presenta a continuación algunas de las características de los transistores JFET que ofrecen los fabricantes en las hojas de datos: • IDSS: Es la corriente de drenaje cuando el transistor JFET se encuentra en configuración de fuente común y se cortocircuita la puerta y la fuente (VGS=0). En la práctica marca la máxima intensidad que puede circular por el transistor. Conviene tener en cuenta que los transistores JFET presentan amplias dispersiones en este valor. • VP (Pinch-Off Voltage): es la tensión de estrangulamiento del canal. Al igual que IDSS, presenta fuertes dispersiones en su valor. • RDS (ON): Es el inverso de la pendiente de la curva ID/VDS en la zona lineal. Este valor se mantiene constante hasta valores de VGD cercanos a la tensión de estrangulamiento. III.

desplazando a los viejos BJT a otros fines. Los MOSFET de potencia son muy populares para aplicaciones de baja tensión, baja potencia y conmutación resistiva en altas frecuencias, como fuentes de alimentación conmutadas, motores sin escobillas y aplicaciones como robótica, CNC y electrodomésticos. La mayoría de sistemas como lámparas, motores, drivers de estado sólido, electrodomésticos, etc. utilizan dispositivos de control, los cuales controlan el flujo de energía que se transfiere a la carga. Estos dispositivos logran alta eficiencia variando su ciclo de trabajo para regular la tensión de salida. Para realizar la parte de conmutación, existen varios dispositivos semiconductores, a continuación se muestra una tabla con algunos de ellos. La siguiente es una tabla comparativa de las diversas capacidades entre potencia y velocidad de conmutación de los tipos de dispositivos.

Tabla.2 Propiedades relativas de los dispositivos de conmutación.

Los transistores JFET y MOSFET tienen una estructura física muy diferente pero sus ecuaciones analíticas son muy similares. H. La estructura MOS. La estructura MOS está compuesta de dos terminales y tres capas: Un Substrato de silicio, puro o poco dopado p o n, sobre el cual se genera una capa de Oxido de Silicio (SiO2) que, posee características dieléctricas o aislantes, lo que presenta una alta impedancia de entrada. Por último, sobre esta capa, se coloca una capa de Metal (Aluminio o polisilicio), que posee características conductoras. En la parte inferior se coloca un contacto óhmico, en contacto con la capsula, como se ve en la figura.

TRANSISTOR MOSFET.

Es un transistor cuyo funcionamiento no se basa en uniones PN, como el transistor bipolar, ya que en éste, el movimiento de carga se produce exclusivamente por la existencia de campos eléctricos en el interior del dispositivo. Este tipo de transistores se conocen como, efecto de campo JFET (del inglés, Juntion Field Effect Transistor). El transistor MOSFET está basado en la estructura MOS. En los MOSFET de enriquecimiento, una diferencia de tensión entre el electrodo de la Puerta y el substrato induce un canal conductor entre los contactos de Drenador y Surtidor, gracias al efecto de campo. El término enriquecimiento hace referencia al incremento de la conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la región correspondiente al canal, que también es conocida como la zona de inversión. Las ventajas que presentan este tipo de transistor, han llevado a que ocupen un lugar importante dentro de la industria,

Fig. 6 Estructura MOS.

La estructura MOS, actúa como un condensador de placas paralelas en el que G y B son las placas y el óxido, el aislante. De este modo, cuando VGB=0, la carga acumulada es cero y la distribución de portadores es aleatoria y se corresponde al estado de equilibrio en el semiconductor. Cuando VGB>0, aparece un campo eléctrico entre los terminales de Puerta y substrato. La región semiconductora p responde creando una región de empobrecimiento de cargas libres p+ (zona de deplexión), al igual que ocurriera en la región P de una unión PN cuando

estaba polarizada negativamente. Esta región de iones negativos, se incrementa con VGB. Al llegar a la región de VGB, los iones presentes en la zona semiconductora de empobrecimiento, no pueden compensar el campo eléctrico y se provoca la acumulación de cargas negativas libres (e–) atraídos por el terminal positivo. Se dice entonces que la estructura ha pasado de estar en inversión débil a inversión fuerte. El proceso de inversión se identifica con el cambio de polaridad del substrato, debajo de la región de Puerta. En inversión fuerte, se forma así un CANAL de e– libre, en las proximidades del terminal de Puerta (Gate) y de huecos p+ en el extremo de la Puerta. La intensidad de Puerta IG, es cero puesto que, en continua se comporta como un condensador (GB). Por lo tanto, podemos decir que, la impedancia desde la Puerta al substrato es prácticamente infinita e IG=0 siempre en estática. Básicamente, la estructura MOS permite crear una densidad de portadores libres suficiente para sustentar una corriente eléctrica.

En un MOSFET tipo P, el funcionamiento es a la inversa, ya que los portadores son huecos (cargas de valor positivas, el módulo de la carga del electrón). En este caso, para que exista conducción el campo eléctrico perpendicular a la superficie debe tener sentido opuesto al del MOSFET tipo N, por lo que la tensión aplicada ha de ser negativa. Ahora, los huecos son atraídos hacia la superficie bajo la capa de óxido, y los electrones repelidos hacia el sustrato. Si la superficie es muy rica en huecos se forma el canal P. Cuanto más negativa sea la tensión de puerta mayor puede ser la corriente (más huecos en el canal P), corriente que se establece al aplicar al terminal de Drenador una tensión negativa respecto al terminal de Fuente. La corriente tiene sentido opuesto a la de un MOSFET tipo N.

I. MOSFET de enriquecimiento de CANAL N. Bajo el terminal de Puerta existe una capa de óxido (SiO2) que impide prácticamente el paso de corriente a su través; por lo que, el control de puerta se establece en forma de tensión. La calidad y estabilidad con que es posible fabricar estas finas capas de óxido es la principal causa del éxito alcanzado con este transistor, siendo actualmente el dispositivo más utilizado. Además, este transistor ocupa un menor volumen que el BJT, lo que permite una mayor densidad de integración. Comencemos con la estructura básica del MOSFET, seguido de sus símbolos. Se trata de una estructura MOS, de cuatro terminales, en la que el substrato semiconductor es de tipo p poco dopado. A ambos lados de la interfase Oxido-Semiconductor se han practicado difusiones de material n, fuertemente dopado (n+).

Fig. 8 Transistores en conducción.

Fig. 9 Formación de canal.

Fig. 10 Transistores en conducción.

Fig. 7 Estructura MOSFET de canal N.

Cuando se aplica una tensión positiva al terminal de puerta de un MOSFET de tipo N, se crea un campo eléctrico bajo la capa de óxido que incide perpendicularmente sobre la superficie del semiconductor P. Este campo, atrae a los electrones hacia la superficie, bajo la capa de óxido, repeliendo los huecos hacia el sustrato. Si el campo eléctrico es muy intenso se logra crear en dicha superficie una región muy rica en electrones, denominada canal N, que permite el paso de corriente de la Fuente al Drenador. Cuanto mayor sea la tensión de Puerta (Gate) mayor será el campo eléctrico y, por tanto, la carga en el canal. Una vez creado el canal, la corriente se origina, aplicando una tensión positiva en el Drenador (Drain) respecto a la tensión de la Fuente (Source).

Si con tensión de Puerta nula no existe canal, el transistor se denomina de acumulación; y de vaciamiento en caso contrario. Mientras que la tensión de Puerta a partir de la cual se produce canal, se conoce como tensión umbral, VT. El terminal de sustrato sirve para controlar la tensión umbral del transistor, y normalmente su tensión es la misma que la de la Fuente. El transistor MOS es simétrico: los terminales de Fuente y Drenador son intercambiables entre sí. En el MOSFET tipo N el terminal de mayor tensión actúa de Drenador (recoge los electrones), siendo el de menor tensión en el tipo P (recoge los huecos). A modo de resumen, la figura anterior, muestra el funcionamiento de un transistor MOS tipo N de enriquecimiento. El símbolo más utilizado para su representación a nivel de circuito se muestra en la figura siguiente. La flecha entre el terminal de Fuente y Gate, nos informa sobre el sentido de la corriente.

Fig. 11 Simbologías.

En la estructura MOS de la siguiente figura, aparecen diversas fuentes de tensión polarizando los distintos terminales: VGS, VDS. Los terminales de substrato (B) y Fuente (S) se han conectado a GND. De este modo, VSB=0 (tensión Surtidorsustrato=0), se dice que no existe efecto substrato.

 Si VGS< VT la intensidad IDS=0 (en realidad sólo es aproximadamente cero) y decimos que el transistor opera en inversión débil. En ella, las corrientes son muy pequeñas y su utilización se enmarca en contextos de muy bajo consumo de potencia. Se considerará que la corriente es siempre cero. De otro lado;  Si VGS>=VT, entonces IDS es distinto de cero, si VDS es no nulo. Se dice que el transistor opera en inversión fuerte. Cuanto mayor sea el valor de VGS, mayor será la concentración de cargas libres en el canal y por tanto, será superior la corriente IDS.

J. Regiones de operación. Cuando ya existe canal inducido y VDS va aumentando, el canal se contrae en el lado del Drenador, ya que la diferencia de potencial Puerta-canal es en ese punto, más baja y la zona de transición más ancha. Es decir, siempre que exista canal estaremos en región óhmica y el dispositivo presentará baja resistencia. Fig. 12 Estructura MOS polarizada.

Según los valores que tome la tensión VGS, se pueden considerar tres casos: 1. VGS=0. Esta condición implica que VGS=0, puesto que VSB=0. En estas condiciones, no existe efecto campo y no se crea el canal de e–, debajo de la Puerta. Las dos estructuras PN se encuentran cortadas (B al terminal más negativo) y aisladas. IDS=0 aproximadamente, pues se alimenta de las intensidades inversas de saturación. 2. La tensión VGS>0, se crea la zona de empobrecimiento o deplexión en el canal. Se genera una carga eléctrica negativa e– en el canal, debido a los iones negativos de la red cristalina (similar al de una unión PN polarizada en la región inversa), dando lugar a la situación de inversión débil anteriormente citada. La aplicación de un campo eléctrico lateral VDS>0, no puede generar corriente eléctrica IDS. 3. La tensión VGS>>0, da lugar a la inversión del canal y genera una población de e– libres, debajo del óxido de Puerta y p+ al fondo del substrato. Se forma el CANAL N o canal de electrones, entre el Drenador y la Fuente (tipo n+) que, modifica las características eléctricas originales del sustrato. Estos electrones, son cargas libres, de modo que, en presencia de un campo eléctrico lateral, podrían verse acelerados hacia Drenador o Surtidor. Sin embargo, existe un valor mínimo de VGS para que el número de electrones, sea suficiente para alimentar esa corriente, es VT, denominada TENSIÓN UMBRAL (en algunos tratados se denomina VTH). Por lo tanto, se pueden diferenciar dos zonas de operación para valores de VGS positivos:

Fig. 13 Regiones de operación.

La operación de un transistor MOSFET se puede dividir en tres regiones de operación diferentes, dependiendo de las tensiones en sus terminales. Para un transistor MOSFET N de enriquecimiento se tienen las siguientes regiones: región de corte, región óhmica y región de saturación. K. Región de corte. El transistor estará en esta región, cuando VGS < Vt. En estas condiciones el transistor MOSFET, equivale eléctricamente a un circuito abierto, entre los terminales del Drenador-Surtidor. De acuerdo con el modelo básico del transistor, en esta región, el dispositivo se encuentra apagado. No hay conducción entre Drenador y Surtidor, de modo que el MOSFET se comporta como un interruptor abierto.

L. Región óhmica. Cuando un MOSFET está polarizado en la región óhmica, el valor de RDS (on) viene dado por la expresión: VDS (on) = ID (on) x RDS (on) En casi todas las hojas de datos, asocian el valor de RDS (on) a una corriente de Drenaje (ID) específica y el voltaje Puerta-Surtidor. Por ejemplo, si VDS (on)=1V e ID (on)=100mA = 0’1 A; entonces: Rds ( on )=

1V =10 ohms 100 mA

Así mismo, el transistor estará en la región óhmica, cuando VGS > Vt y VDS < (VGS – Vt). El MOSFET equivale a una resistencia variable conectada entre el Drenador y Surtidor. El valor de esta resistencia varía dependiendo del valor que tenga la tensión entre la Puerta y el Surtidor (VGS). M. Región de Saturación. El transistor MOSFET entra en esta zona de funcionamiento cuando la tensión entre el Drenador y el Surtidor (VDS) supera un valor fijo denominado tensión de saturación (Vds sat) Drenador-Surtidor; este valor viene determinado en las hojas características proporcionadas por el fabricante. En esta zona, el MOSFET mantiene constante su corriente de Drenador (ID), independientemente del valor de tensión que haya entre el Drenador y el Surtidor (VDS). Por lo tanto, el transistor equivale a un generador de corriente continua de valor ID. Es decir; el MOSFET estará en esta región, cuando VGS > Vt y VDS > (VGS – Vt). O sea, estaremos en la región de saturación cuando el canal se interrumpe o estrangula, lo que sucede cuando: VDS ≥ VGS – VT → Región de saturación Cuando la tensión entre Drenador y Fuente supera cierto límite, el canal de conducción, bajo la Puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del Drenador y desaparece. La corriente entre Fuente y Drenador no se interrumpe, es debido al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.

Fig. 14 Regiones de funcionamiento de un MOSFET canal n cuando VGS > o = VT.

En la figura anterior, la parte casi vertical corresponde a la zona óhmica, y la parte casi horizontal corresponde a la zona activa. El MOSFET de enriquecimiento, puede funcionar en cualquiera de ellas. En otras palabras, puede actuar como una

resistencia o como una fuente de corriente. El uso principal está en la zona óhmica. N. Región de Ruptura. Esta zona apenas se utiliza porque el transistor MOSFET pierde sus propiedades semiconductoras y se puede llegar a romper el componente físico. La palabra ruptura hace referencia a que se rompe la unión semiconductora de la parte del terminal del drenador. Los transistores unipolares están limitados en tres magnitudes eléctricas:  En tensión: no se puede superar el valor máximo de tensión entre la puerta y el surtidor. Este valor se denomina BVgs. Tampoco se puede superar un valor máximo de tensión entre el drenador y el surtidor denominado BVds.  En corriente: no se puede superar un valor de corriente por el drenador, conocido como Idmax.  En potencia: este límite viene marcado por Pdmax, y es la máxima potencia que puede disipar el componente. O. Resumiendo: Máxima Tensión Puerta-Fuente. La delgada capa de dióxido de silicio en el MOSFET funciona como aislante, el cual, impide el paso de corriente de Puerta, tanto para tensiones de Puerta negativas como positivas. Muchos MOSFET están protegidos con diodos zener internos, en paralelo con la Puerta y la Fuente. La tensión del zener, es menor que la tensión Puerta-Fuente que soporta el MOSFET VGS (Max). Zona Óhmica. El MOSFET es un dispositivo de conmutación, por lo que evitaremos, en lo posible, polarizarlo en la zona activa. La tensión de entrada típica tomará un valor bajo o alto. La tensión baja es 0 V, y la tensión alta es VGS (on), especificado en hojas de características. Drenador-Fuente en resistencia. Cuando un MOSFET de enriquecimiento se polariza en la zona activa, es equivalente a una resistencia de RDS (on), especificada en hojas de características. En la curva característica existe un punto Q test en la zona óhmica. En este punto, ID (on) y VDS (on) están determinados, con los cuales se calcula RDS (on). P. Capacidades parásitas. Al igual que en los transistores bipolares, la existencia de condensadores parásitos en la estructura MOS origina el retraso en la respuesta del mismo, cuando es excitado por una señal de tensión o intensidad externa. La carga/descarga de los condensadores parásitos, requiere un determinado tiempo, que determina la capacidad de respuesta de los MOSFET a una excitación. En la estructura y funcionamiento de estos transistores se localizan dos grupos de capacidades:

Fig. 15 Las capacidades asociadas a las uniones PN de las áreas de Drenador y Fuente. Son no lineales con las tensiones de las uniones. Se denominan Capacidades de Unión.

Fig. 17 Curva de salida y característica de transferencia de un MOSFET de canal n.

Fig. 16 Las capacidades relacionadas con la estructura MOS. Están asociadas principalmente a la carga del canal (iones o cargas libres) y varían notoriamente en función de la región de operación del transistor, de modo que, en general, no es posible considerar un valor constante de las mismas. Se denominan Capacidades de Puerta.

De ellas, las capacidades de Puerta suelen ser las más significativas y dentro de ellas, la capacidad de PuertaFuente CGS y de Drenador-Fuente, CDS son en general, las dominantes. En la siguiente figura, se muestran las curvas de entrada y salida de un transistor MOSFET N con Vt= 2V conectado en Fuente común (SC), es decir, el terminal de Fuente, es común la señal de entrada VGS y las señales de salida ID y VDS.

Estas curvas de salida, se obtienen al representar las variaciones de ID al aumentar VDS, para diferentes valores de VGS, es decir, ID=ƒ (Vds) VGS=cte. La curva más baja es la curva de VGS (T). Cuando VGS es menor que VGS (T), la corriente de Drenador es extremadamente pequeña. Cuando VGS es mayor que VGS (T), fluye una considerable corriente, cuyo valor depende de VGS. Si VGS≤VT, el transistor MOSFET, estará en la región de corte y la corriente ID=0. Si VGS≥VT, el transistor MOSFET, estará en la región de conducción y se pueden dar dos casos:  Si VDS≥VGS-VT, el transistor MOSFET, estará en la región de saturación y la corriente será constante para un valor determinado de VGS. La curva de transferencia de la figura que representa ID=ƒ (VDS) VGS=cte., se obtiene a partir de las curvas de salida para una tensión VDS constante que sitúe al transistor en saturación. Se observa que aproximadamente corresponde a la curva de una parábola con vértice en VT y por tanto, la corriente puede determinarse de forma aproximada por: ID=k (VGS-VT2 Donde k es el parámetro de transconductancia del MOSFET N y se mide en mA/V2.  Si VDS≤VGS-VT, el transistor MOSFET, estará en la región óhmica de forma que, al aumentar VDS, también lo harán la corriente y la resistencia del canal. El comportamiento del transistor puede asociarse a la resistencia que presenta el canal entre Drenador y Fuente.

Q. EL MOSFET COMO INVERSOR. El funcionamiento del transistor MOSFET en conmutación implica que la tensión de entrada y salida del circuito posee una excursión de tensión, elevada (de 0 a VDD) entre los niveles lógicos alto H (asociada a la tensión VDD) y bajo L (asociada a la tensión 0). Para el nivel bajo, se persigue que VGS > Vt y que el transistor se encuentre trabajando en la región óhmica, con lo cual VDS > 1. Se puede considerar que, el transistor MOSFET es capaz de funcionar como un interruptor. El funcionamiento como inversor del transistor MOSFET N se basa en sus características en conmutación: pasando de la región de corte a la región óhmica. El transistor MOSFET en conmutación, basado en un interruptor con resistencia de Drenador, es fundamental en circuitos digitales, puesto que la conmutación de corte a saturación y viceversa, implica unos tiempos de retardo de gran importancia en estos sistemas. Inversor con carga pasiva. La palabra pasiva se refiere a una resistencia normal como RD. En este circuito Vin puede ser alta o baja. Cuando Vin está en nivel bajo, el MOSFET está en corte y Vout es igual a la tensión de alimentación. Cuando Vin está en nivel alto, el MOSFET está en conducción y Vout cae a un nivel bajo. Para que este circuito funcione la corriente de saturación ID (sat) tiene que ser menor que ID (on). RDS (on) VT). Al transmitir VH, el terminal de la izquierda actúa como Drenador, ya que está a una tensión más alta, y el de la derecha como Fuente. A medida que la tensión en el terminal de Fuente aumenta, la tensión entre la Puerta y la Fuente, VGS, disminuye. Todo esto ocurre hasta que la tensión de la Fuente alcanza el valor VH-VT, momento en que VGS iguala la tensión umbral y el transistor deja de conducir. En cambio, al transmitir la tensión VL el terminal de la izquierda actúa como Fuente y el de la derecha como Drenador. La tensión entre la Puerta y la Fuente permanece en todo momento constante, a igual a VH-VL (valor que debe ser superior a la tensión umbral), por lo que en el Drenador se llega a alcanzar VL. De forma similar, el MOSFET tipo P transmite correctamente las tensiones altas, y falla en las bajas. Para evitar estos inconvenientes se conectan en paralelo dos transistores MOSFET, uno N y otro P.

Fig. 19 Dos transistores MOSFET conectados en paralelo.

Para terminar este punto, las tensiones bajas son transmitidas sin error por el MOSFET tipo N, mientras que las altas lo son por el tipo P. Esta configuración, se denomina puerta de paso. Para su funcionamiento, las tensiones en las puertas han de ser complementarias (cuando una es alta la otra es baja, y viceversa); esto se indica añadiendo un círculo a una de las puertas, o una barra sobre una de las tensiones. Fig. 18 Inversor del transistor MOSFET n.

Se denomina inversor, porque0 la tensión de salida, es de nivel opuesto a la tensión de entrada. Lo único que se requiere en los circuitos de conmutación, es que las tensiones de entrada y de salida se puedan reconocer fácilmente, ya sea en nivel alto o bajo. 1) El MOSFET como interruptor. Cuando VGS es mayor que VT se crea el canal, y el transistor entra en conducción. Cuanto mayor es la tensión de puerta menor es la resistencia del canal, y ésta puede llegar a aproximarse a un cortocircuito. Así, el MOSFET es capaz de funcionar como un interruptor. El MOSFET como interruptor se emplea frecuentemente en electrónica digital, para transmitir o no, los estados lógicos a través de un circuito. Existe, sin embargo, una pequeña dificultad: cuando el MOSFET tipo N actúa como cortocircuito es capaz de transmitir las tensiones bajas; sin

a) Polarización de MOSFET. Los circuitos de polarización típicos para MOSFET enriquecido, son similares al circuito de polarización utilizada para JFET. La principal diferencia entre ambos es el hecho de que el MOSFET de enriquecimiento típico sólo permite puntos de funcionamiento con valor positivo de VGS para canal n y valor negativo de VGS para el canal p. Para tener un valor positivo de VGS de canal n y el valor negativo de VGS de canal p, es adecuado un circuito de auto polarización. Por lo tanto hablamos de recorte de realimentación y circuito divisor de tensión para mejorar el tipo MOSFET. b) Realimentación, circuito de polarización. La siguiente figura, muestra el circuito de polarización con realimentación típico para MOSFET canal n de enriquecimiento.

Fig. 22 Curva de dos terminales. Fig. 20 Circuito polarizado.

En la figura anterior se indica como calcular la RD del MOSFET superior. Al ser VGS=VDS, cada punto de trabajo de este MOSFET tiene que estar en la curva de dos terminales, si se comprueba cada punto de la curva de dos terminales, se verá que VGS=VDS. La curva de dos terminales significa que el MOSFET superior actúa como una resistencia de valor RD. Este valor RD cambia ligeramente para los diferentes puntos. IV.

Fig. 21 Análisis circuito simplificado de polarización de realimentación D.C.

Como se mencionó anteriormente, para el análisis en corriente continua, podemos reemplazar el condensador de acoplamiento por circuitos abiertos y también reemplazar el resistor RG por su equivalente en corto circuito, ya que IG = 0. La figura, también muestra, el circuito simplificado, para el análisis con recorte de realimentación CC. Como los terminales de Drenaje y Puerta están en cortocircuito, VD=VG Y VDS=VGS=> Vs=0 Aplicando la segunda Ley de Kirchhoff a los circuitos de salida, obtenemos, V DD−I D × R D −V DS=0 Si

V DS=V DD−I D × RD V GS=V DD −I D × R D O V DS=V GS Si

TRANSISTOR BJT COMO AMPLIFICADOR.

Una de las aplicaciones más típicas del BJT es su uso como amplificador de corriente alterna. Dicha aplicación consiste en un sistema capaz de amplificar la señal de entrada en un factor de ganancia determinado, que será la relación de salida sobre la entrada. En términos de señales del voltaje, se habla de ganancia de voltaje

A v=

Vo para que este sistema funcione, Vi

el BJT debe estar polarizado en zona activa. Esto significa que simultáneamente conviven elementos de corriente continua (cc) y corriente alterna (ca). En los siguientes apartados se analizan los efectos de ambas componentes y se introducen conceptos dinámicos de funcionamiento de los sistemas basados en BJT. R. Variaciones en el punto Q debido a Excitaciones alternas. Sea el transistor polarizado de la Fig. 23a. Considerando que se encuentra en zona activa, sean los valores de iC=ICQ, vCE = VCEQ; iB = IBQ y vBE = VBEQ mostrados en la Fig. 23b (los valores indicados son en corriente continua).

c) Inversor con carga activa. En la figura se muestra un conmutador con carga activa, el MOSFET inferior actúa como conmutador, pero el superior actúa como una resistencia de valor elevado, el MOSFET superior tiene su Puerta conectada a su Drenador, por esta razón, se convierte en un dispositivo de dos terminales, como una resistencia activa, cuyo valor se puede determinar con:

RD=

V DS (activa) I DS (activa)

Donde VDS (activa) e IDS (activa) son tensiones y corrientes en la zona activa. Para que el circuito trabaje de forma adecuada, la RD del MOSFET superior, tiene que ser mayor que la RD del MOSFET inferior.

Fig. 23 (a) Circuito de polarización fija. (b) Variación del punto Q.

Considerando una excitación vi (t) de tipo alterna al circuito de base como lo indica el circuito de la Fig. 24a, el voltaje aplicado a la juntura base-emisor será variable. Si las variaciones son tales que el voltaje VBE aumenta, entonces la corriente de base IB, también aumenta, por lo tanto, IC aumenta, de esta forma, la tensión RC IC crece:

S. Recta de carga Alterna A. 1) Circuitos de cc y ca Dada la existencia de componente continua y señal alterna, se define el circuito de carga ante variaciones de la señal alterna. El elemento idóneo para actuar como separador de tales variaciones es el capacitor electrolítico. Sea el circuito de salida de la Fig. 26 correspondiente a una configuración de emisor común:

Fig. 24 (a) Circuito con excitación variable. (b) Variación del punto.

Fig. 26 (a) Etapa de salida de emisor-común. (b) Circuito de ca. (c) Circuito de cc.

Haciendo que VCE disminuya. Si la variación en la entrada hace disminuir el voltaje VBE, entonces IC disminuye, VCE crece, como se indica en la Fig.2b. Se observa que cada una de las variables posee una componente continua y una componente alterna. Considerado que el transistor será usado como un sistema capaz de amplificar señales, el dispositivo recibe corriente continua para efectos de polarización (funcionamiento) y señales de corriente alterna, las que serán amplificadas. Éstas deben convivir simultáneamente sin que cada una afecte a la otra produciendo un funcionamiento anómalo del sistema. Una de las configuraciones típicas amplificadoras es el circuito de emisor común de la Fig. 3, el cual recibe una señal vi (t) que es transmitida hacia la salida vo (t) y que además tiene una fuente de polarización de corriente continua VCC.

La misión del capacitor es transmitir la señal amplificada a la carga. Para tal efecto su reactancia a la frecuencia de señal debe resultar lo más pequeña respecto de la carga RL. Así, el capacitor recibe el nombre de condensador de paso. Este condensador bloquea en todo momento las componentes de corriente continua, pues, la reactancia del capacitor tiende a infinito, es decir, si

ω ≠ 0 , XC → 0.

XC =

1 , para ω =0, Xc → ∞ y para ωCc

Como las componentes alternas y continuas circularán por diferentes elementos del circuito, se establece una red de salida para corriente continua y otra para corriente al-terna de acuerdo a la Fig. 26b-c. Esto no significa que son circuitos distintos, sino que se comportan de distinta manera, tanto para cc como para ca, así se tendrán dos rectas de carga. Planteando la ecuación de salida en cc del circuito de la Fig. 26c, se tiene: La recta de carga está dada por:

Donde el término RC = RCC se llamará resistencia de cc. Fig. 25 Amplificador de emisor común.

Los capacitores, permiten conectar la excitación con el circuito y a su vez unir el circuito con la carga, por lo que reciben el nombre de capacitores de acoplo. Estos condensadores permiten la interconexión con fuentes de señal, carga u otra etapa de amplificación, su rol consiste en bloquear las componentes de cc. Por otro lado CE (bypassed capacitor) en ca, funciona como un cortocircuito haciendo que el emisor sea el terminal común, desde el punto de vista de las señales.

Fig. 27 Circuitos de ca simplificado.

Para ca se considera el circuito de la Fig. 26b. Dada las variaciones en torno al punto Q, sea vCE; la variación del voltaje colector emisor respecto de dicho punto e iC la

variación de la corriente de colector, entonces, la variación de voltaje está dada por:

Donde RC||RL = RAC será la resistencia de ca. Reescribiendo la variación respecto del punto Q, se tiene: Finalmente:

La que se conoce como recta de carga alterna. Para vCE = 0, se tiene, entonces:

Luego la recta de ca será:

Donde RAC = RL||RC: Se observa que la recta de carga de cc tiene una pendiente menor que la recta de carga en ca. Dibujando ambas rectas de carga y dibujando las ondas iC y vCE, se tiene:

Luego, si iC = 0, entonces se tiene que: Al dibujar las rectas de carga de cc y ca, se intersectan en el punto Q, como se ve en la Fig. 28.

Fig. 28 Interacción de la recta de la carga con la recta de la carga cc.

2) Amplificador en emisor común con RE. Para el amplificador de la Fig. 25, para cc, se tiene el circuito de la Fig. 7a y para ca se obtiene el circuito de la Fig.7b. La ecuación de salida para cc se será:

Se observa que la salida estará dada por: Luego Vop=VCEQ 3) Máxima excursión simétrica De acuerdo a la curva y la recta de carga de ca de la Fig. 30, las variaciones de vCE, pueden ir desde el punto Q hasta un vCEmax. Esto produce una variación de iC respecto de ICQ, que puede no ser iCmax; la corriente no alcanza el valor máximo dado.

Fig. 29 Emisor común con RE (a) en cc. (b) en ca.

Donde,

RCC=RC+

( β+1β ) ℜ≈ RC+ ℜ , si β ≫1.

Para ca se tiene: Fig. 30 Excursión de la señal de Vce e ic.

Para obtener una excusión máxima en corriente, que per-mita una salida máxima de voltaje en la carga, se debe colocar el punto Q en el centro de la recta de carga de ca. Este concepto se define como máxima excursión simétrica o funcionamiento en clase A de alterna.

Fig. 32 (a) Colector común. (b) Seguidor de emisor.

Sea la configuración de la Fig. 32a, en cc y suponiendo zona activa, se tiene la malla de entrada y salida:

Fig. 31 máxima excursión simétrica.

Donde la recta de carga será:

Así, para garantizar una amplificación lineal y de máxima excursión simétrica, se debe cumplir que: Considerando la recta de cc dada en (1) en el punto Q, entonces,

Con

RCC=RC +

β +1 ℜ. β

Mediante el circuito de la Fig. 33 se determina la recta de carga en ca, luego la variación del voltaje colector emisor estará dada por:

Finalmente, se tiene que:

La cual resulta muy útil para analizar los circuitos de máxima excursión simétrica de salida. 4) Condensador en el emisor. Al existir una resistencia en el terminal de emisor, no se puede establecer que dicha configuración es de emisor común (note el caso de la red de polarización universal y otras). Para permitir que el emisor sea un punto de potencial nulo, se incluye un condensador electrolítico CE, el cual, presenta una reactancia baja frente al valor de la resistencia vista en emisor, es decir, CE debe ser tal que la resistencia vista desde el emisor sea nula (corto circuito), y debe ser facilitado a la frecuencia de señal. En general, en tanto: CE y CC deben ser tales que:  En ca se comportan como corto circuito.  En cc se comportan como circuito abierto. T. Amplificador colector común. Sea el amplificador de la Fig. 12, dicha configuración se conoce como colector común dado que la señal está medida respecto del colector. Esta configuración recibe el nombre de Seguidor de Emisor.

Fig. 33 seguidores de emisor en ca.

Reemplazando las variaciones se tiene:

β +1 )(R E ∨¿ RL ) donde RE > (RE||RC) y β β+1 β +1 RC + RE> (R E ∨¿ RC ) la pendiente de la recta β β

Donde

RCA =(

de carga de cc es menor que la pendiente de la recta de carga de ca.

Fig. 34 Seguidores de corriente. (a) Equivalente en cc (b) equivalente en ca.

Sea el circuito de la Fig. 32b, su equivalente en cc se muestra en la Fig. 34a, dado que el circuito no tiene la resistencia de colector, la recta de cc es distinta la circuito de la Fig. 32a, así:

Donde

RCC=

Fig. 36 Amplificador base común.

β+ 1 R E. Por otro lado, la recta de carga de β

ca será: Fig. 37 Base común en ca.

La salida estará dada por: Donde

RCA=(

β +1 )( R E ∨¿ R L ). Note que si RL>>RE, β

la recta de carga ca puede llegar a ser la misma que la recta de carga cc:

V. CONCLUSIONES. La incorporación de señales de corriente alterna en el circuito un circuito con transistores define el uso de la recta de carga para ca, o también llamada recta de carga dinámica. Este nuevo elemento permite describir el comportamiento de las variables del BJT cuando éste recibe señales tipo ca, pues establece los valores entre los cuales fluctuará la corriente iC y el voltaje vCE. Para definir esta nueva recta de carga de ca, se debe establecer el punto Q para un valor determinado. Si se quiere lograr una prestación lineal del amplicador, el punto Q debe estar en el centro de la recta de carga de ca, esto se conoce como máxima excursión simétrica. VI. REFERENCIAS.

Fig. 35 recta de carga del seguidor de emisor.

U. Amplificador en base común. El amplificador de la Fig. 36 se conoce como Amplificador en Base Común, dado que las señales están referenciadas respecto de la base del transistor. El circuito en cc corresponde a un circuito de polarización universal, por lo tanto la recta de carga en cc será:

El circuito de ca será el de la Fig.37, luego planteando la malla de salida se tiene:

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