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TRANSISTORESJaime Guillermo PEÑA GARCIAIngeniería de Sistemas e InformáticaIV CicloFísica Electrónica

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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

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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)

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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.

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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

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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

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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

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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

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VCE = 1500IC = 8HFE = 20

TOSHIBA

TRANSISTOR BIPOLARES

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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.

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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

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N N

P

Substrato(Substrate)

Canal(Channel)

Puerta(Gate)Drenador

(Drain)

Fuente(Source)

VISTA SUPERIOR

SECCIÓN

TRANSISTOR MOSFET - canal NAislante (Si O2)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

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N+P

N-

C

EB

BIPOLAR DE POTENCIA

MOSFET DE POTENCIA

(Muchos pequeños MOSFET en paralelo, realmente es un "Circuito Integrado")

Cada punto representa un MOSFET