Transistores jaime peña
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1
TRANSISTORESJaime Guillermo PEÑA GARCIAIngeniería de Sistemas e InformáticaIV CicloFísica Electrónica
2
TRANSISTORES (Panorámica)
BIPOLARESNPN
PNP
EFECTO DE CAMPO
UNIÓN
METAL-OXIDO-SEMICONDUCTOR
CANAL N (JFET-N)
CANAL P (JFET-P)
CANAL N (MOSFET-N)
CANAL P (MOSFET-P)
TRANSISTORES
3
TRANSISTOR BIPOLAR NPN (NPN bipolar transistor)
N P NColector
(C)
Base(B)
Emisor(E)
En principio un transistor bipolar está formado por dos uniones PN.
Para que sea un transistor y no dos diodos deben de cumplirse dos condiciones.
1.- La zona de Base debe ser muy estrecha (Fundamental para que sea transistor).
2.- El emisor debe de estar muy dopado.
Normalmente, el colector está muy poco dopado y es mucho mayor.
N+P
N-
C
EBASPECTO MAS REAL DE UN TRANSISTOR BIPOLAR
C E
BSÍMBOLO
Descubiertos por Shockley, Brattain y Barden en 1947 (Laboratorios Bell)
4
IC [mA]
VCE
IB [mA] =
0
10
20
C
E
B
303000
2000
1000
= 100
CARACTERÍSTICAS DE UN TRANSISTOR NPN
ZONA DE SATURACIÓN:Comportamiento como interruptor cerrado.
ZONA DE TRANSISTOR INVERSO:Emisor y colector intercambias papeles.Podemos tener una INVERSA, que en el dispositivo ideal consideraremos cero
ZONA DE CORTE:Comportamiento como interruptor abierto.
ZONA ACTIVA:Comportamiento como Fuente de Corriente.
5
USOS DEL TRANSISTOR NPN: Como interruptor
12 V
12 V36 W
3 A
I
12 V
12 V36 W
3 AI
= 100
40 mA
Sustituimos el interruptor principal por un transistor.
La corriente de base debe ser suficiente para asegurar la zona de saturación.
Ventajas:No desgaste, sin chispas, rapidez, permite control desde sistema lógico.
Electrónica de Potencia y Electrónica digital
IB = 40 mA4 A
IC
VCE
3 A
PF (OFF)12 V
PF (ON) ON
OFF
6
USOS DEL TRANSISTOR PNP: Como interruptor
12 V
12 V36 W
3 A
I
12 V
12 V36 W
3 AI
= 10040 mA
IB = 40 mA4 A
IC
VEC
3 A
PF (OFF)
Al igual que antes, sustituimos el interruptor principal por un transistor.
La corriente de base (ahora circula al reves) debe ser suficiente para asegurar la zona de saturación.
12 V
PF (ON) ON
OFF
7
AvalanchaPrimaria
IC
VCEVCEMax
ICMax
PMax = VCEIC
1V
AvalanchaSecundaria
Saturación
IB6
IB5
IB4
IB3
IB2
IB1
IB= 0
Corte
Activa
IB
VBE
VCE = 0 VCE1 VCE2
Característica de Entrada
Característica de Salida
CARACTERÍSTICAS REALES DE LOS TRANSISTOR NPN y PNP
8
IC-MAX Corriente máxima de colector
VCE-MAX Tensión máxima CE
PMAX Potencia máxima
VCE-SAT Tensión C.E. de saturación
HFE Ganancia
TRANSISTOR BIPOLAR:PARÁMETROS SUMINISTRADOS POR LOS FABRICANTES
ICMAX
PMAX
VCE-MAX
SOAR
Área de operación segura(Safety Operation Area)
IC
VCE
C
E
B
10
TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (FET - Field Effect Transistor)
EFECTO DE CAMPO
UNIÓN
METAL-OXIDO-SEMICONDUCTOR
CANAL N (JFET-N)
CANAL P (JFET-P)
CANAL N (MOSFET-N)
CANAL P (MOSFET-P)
Dr Julius Lilienfield (Alemania) en 1926 patentó el concepto de "Field Effect Transistor".
20 años antes que en los laboratorio Bell fabricaran el primer transistor bipolar.
11
TRANSISTORES MOSFET (MOS - Metal Oxide Semiconductor + FET - Field Effect Transistor )
EFECTO DE CAMPO
UNIÓN
METAL-OXIDO-SEMICONDUCTOR
CANAL N (JFET-N)
CANAL P (JFET-P)
CANAL N (MOSFET-N)
CANAL P (MOSFET-P)
Dr Martín Atalla y Dr Dawon Kahng desarrollaron en primer MOSFET en los laboratorios Bell en 1960
12
N N
P
Substrato(Substrate)
Canal(Channel)
Puerta(Gate)Drenador
(Drain)
Fuente(Source)
VISTA SUPERIOR
SECCIÓN
TRANSISTOR MOSFET - canal NAislante (Si O2)
13
N N
P
SubstratoGD S
TRANSISTOR MOSFET - canal N
D
G
S
Substrato
SÍMBOLO
NOTAR:
METALOXIDOSEMICONDUCTOR
De momento, vamos a olvidarnos del substrato.
Posteriormente veremos que hacer con este terminal "inevitable" para que no afecte a la operación del dispositivo.
¡¡Que no moleste!!
NOTAR QUE EN PRINCIPIO ES UN DISPOSITIVO SIMÉTRICO
14
MOSFET DE CANAL N (Característica real de salida)
ID
VDS
UGS[V]
+15
+10
+5
0
ZONA DE COMPORTAMIENTO RESISTIVO
ZONA COMPORTAMIENTO FUENTE DE CORRIENTE
COMO ANTES, LA TENSIÓN DE PUERTA (UGS) JUEGA EL PAPEL DE LA CORRIENTE DE BASE.
PODEMOS DECIR QUE ES UN DISPOSITIVO CONTROLADO POR TENSIÓN.
D
G
S
Substrato
15
MOSFET DE CANAL N (¿ Que pasa con el substrato?)
N N
P
SubstratoG
DS
D
S
SubstratoCanal.
Aparece entre D y S en paralelo a los diodos iniciales
canal
Se observa que los diodos juegan un papel secundario en la operación del dispositivo.
Debemos asegurar que nunca entren en operación.
EL SUBSTRATO se conecta al punto mas negativo del circuito.
Para un solo transistor, se conecta a la FUENTE (S).
En los circuitos integrados se conectará el SUBSTRATO a la alimentación negativa
16
N N
P
SubstratoG
DS
canal
D
S
D
S
MOSFET DE CANAL N (¿ Que pasa con el substrato?)
¡¡¡ AHORA YA NO ES UN DISPOSITIVO SIMÉTRICO !!!
Se une con S
D
SG
17
ID
VDS
UGS[V]
=+15 V=+10 V
=+5 V
= 0 V
MOSFET DE CANAL N (¿ Que pasa con el substrato?)
Diodo parásito(Substrato - Drenador)
COMENTARIO:
Aunque a veces se dibuje el símbolo con un diodo, tener en cuenta que NO ES UN COMPONENTE APARTE.
D
S
G
D
S
G
18
ID
VGS
MOSFET DE CANAL N (precauciones con la puerta)
- 30 V + 30 V
CAUTION, ELECTROSTATIC SENSITIVE !!!
La puerta (G) es muy sensible.
Puede perforarse con tensiones bastante pequeñas (valores típicos de 30 V).
No debe dejarse nunca al aire y debe protegerse adecuadamente.
D
S
G
19
USOS DEL MOSFET - Canal N: Como interruptor
12 V
12 V36 W
3 A
I
12 V
12 V36 W
3 AI
Sustituimos el interruptor principal por un transistor.
¡¡¡ LA CORRIENTE DE PUERTA ES NULA (MUY PEQUEÑA) !!!
UGS= 12 V4 A
ID
VDS
3 A
PF (OFF)12 V
PF (ON) ON
OFF
La puerta no puede quedar al aire (debe protegerse)
20
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Inventado por H.W. Becke y C.F. Wheatley en 1982
Combinación de MOSFET y transistor Bipolar que aúna las ventajas de los dos:
La facilidad de gobierno del MOSFET
El buen comportamiento como interruptor de BIPOLAR
Dispositivo reciente muy importante en Electrónica de Potencia
C
EG
21
COMENTARIO:
Con los MOSFET e IGBT para manejar corrientes elevadas se produce un cambio de tendencia importante.
Un Transistor Bipolar de potencia es un solo dispositivo de dimensiones (Sección) suficiente para manejar la corriente elevada.
Un Transistor MOSFET o un IGBT de potencia, pensado para manejar corrientes elevadas, está formado por muchos transistores integrados colocados en paralelo