Capitulo3 electronica

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UNIVERSIDAD ESTATAL DE UNIVERSIDAD ESTATAL DE BOLIVAR BOLIVAR FACULTAD: CIENCIAS ADMINISTRATIVAS GESTION FACULTAD: CIENCIAS ADMINISTRATIVAS GESTION EMPRESARIAL E INFORMATICA EMPRESARIAL E INFORMATICA ESCUELA DE SISTEMAS ESCUELA DE SISTEMAS ELECTRÓNICA BÁSICA CAPITULO III TEMA: EL TRANSISTOR NIVEL: CUARTO ING. ROBERTO RODRIGUEZ

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Page 1: Capitulo3 electronica

UNIVERSIDAD ESTATAL DE UNIVERSIDAD ESTATAL DE BOLIVARBOLIVAR

FACULTAD: CIENCIAS ADMINISTRATIVAS FACULTAD: CIENCIAS ADMINISTRATIVAS GESTION EMPRESARIAL E INFORMATICAGESTION EMPRESARIAL E INFORMATICA

ESCUELA DE SISTEMASESCUELA DE SISTEMAS

ELECTRÓNICA BÁSICACAPITULO III

TEMA: EL TRANSISTOR

NIVEL: CUARTO

ING. ROBERTO RODRIGUEZ

Page 2: Capitulo3 electronica

INDICE: INTRODUCCION. TIPOS DE TRANSISTORES TRANSISTOR BIPOLAR ESTRUCTURA DE UN TRANSISTOR BIPOLAR PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN BJT CONCLUCIONES I PARTE TALLER CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL BJT TIPO NPN ZONAS DE OPERACIÓN CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL BJT TIPO PNP EL FOTOTRNSISTOR EL OPTOACOPLADOR

Page 3: Capitulo3 electronica

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNEl Transistor, que se empezó a utilizar a finales de la década de los años cuarenta del siglo XX, se considero en su época como una maravilla de lo compacto en comparación con el tamaño de los tubos al vacio que se utilizaban hasta esa época, los transistores vinieron a cumplir la misma función de los tubos de vacio.A partir de los años 50 el tamaño de los dispositivos electrónicos se ha reducido en un factor de diez veces cada cinco años.En los años 60 se empezó a utilizar la palabra microelectrónica, un bloque(chip) de silicio de un área de 0,5 cm cuadrados podía contener de 10 a 20 transistores con varios diodos ,resistencias y capacitores.Hoy en día tales bloques pueden contener varias docenas de miles de componentes-Gran parte del estimulo para miniaturizar circuitos electrónicos provino de los programas para construir diferentes equipos para la guerra.A medida que la microelectrónica se desarrolló, se aplico muy rapidamente a las computadoras comerciales, reduciendo enormemente el tamaño de sus procesadores.Mas tarde se diseñaron diferentes dispositivos portatiles como las calculadoras y otros que han inundado la casa, la oficina, la escuela, las carreteras, etc.En la actualidad vivimos la era de la nanoelectronica

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Introducción: tipos de transistores

BIPOLARES (BJT)

NPN

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

* FET : Field Effect Transistor

Page 5: Capitulo3 electronica

TRANSISTOR BIPOLAR

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador.

El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente que forman dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base).

El transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a diferencia de los resistores, capacitores e inductores que son elementos pasivos.

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Estructura de un transistor bipolar BJT (Bipolar Junction Transistor)

-

-

-

-

- -

-

-

-

-

--

-

-

-

- +

+

++

+

+

++

+

+

+

+++

++

-

-

-

-

--

-

-

-

-

--

-

-

-

-

+

+

++

+

+

++

+

+

+

++ +

+ +

P N N P

Concentración de huecos

+ -

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N

Principio de funcionamiento del transistor bipolar PNP

PP

Page 8: Capitulo3 electronica

N

Principio de funcionamiento del transistor bipolar

PP

El terminal central (base) maneja una fracción de la corriente que circula entre los otros dos terminales (emisor y colector): EFECTO TRANSISTOR

Page 9: Capitulo3 electronica

Principio de funcionamiento del transistor bipolar

N PP

El terminal de base actúa como terminal de control manejando una fracción de la corriente mucho menor a la de emisor y el colector.

El emisor tiene una concentración de impurezas muy superior a la del colector: emisor y colector no son intercambiables

Emisor

Base

Colector

Transistor PNP

Page 10: Capitulo3 electronica

P

Principio de funcionamiento del transistor bipolar

NN

Se comporta de forma equivalente al transistor PNP, salvo que la corriente se debe mayoritariamente al movimiento de electrones.

En un transistor NPN en conducción, la corriente por emisor, colector y base circula en sentido opuesto a la de un PNP.

Transistor NPN

Page 11: Capitulo3 electronica

Principio de funcionamiento del transistor bipolar

P NN

La mayor movilidad que presentan los electrones hace que las características del transistor NPN sean mejores que las de un PNP de forma y tamaño equivalente. Los NPN se emplean en mayor número de aplicaciones en comparación con los PNP.

Emisor

Base

Colector

Transistor NPN

Transistor NPN

Page 12: Capitulo3 electronica

Concluciones I parte:

• Un transistor bipolar está formado por dos uniones PN, cuyo comportamiento será igual que el de la unión del diodo semiconductor visto en el capitulo anterior.

• La zona de Base es mas estrecha que las otras zonas, aproximadamente en una proporción de 150:1

• La zona de base es menos impura que las otras zonas o capas en una proporción de 10:1

• El emisor debe de estar muy dopado.

• Normalmente, el colector es menos dopado que el emisor y es mucho mayor en área que la base y el emisor

N+P

N-

C

EB

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TALLERTALLER

CADA ESTUDIANTE DEBE REALIZAR:INVESTIGACIÓN SOBRE UN TIPO DE CONFIGURACIÓN DE UN TRANSISTOR BJTANALIZARA LAS CARACTERISTICAS IMPORTANTES DE OPERACIÓN DE UN BJT EN :

BASE COMUNEMISOR COMUNCOLECTOR COMUN

HACER EN DIAPOSITIVAS SU INVESTIGACIÓN.DEFENDERA SU TRABAJO.CALIFICACIÓN SOBRE 2 PUNTOS EN TRABAJO INVESTIGATIVO

Page 14: Capitulo3 electronica

Características eléctricas del transistor bipolar

+

-

+

-

VCE

IC

VBE

IB

IE

+

-

VCB

características eléctricas importantes a tomar en cuenta en un transistor para su operación en un circuito:En principio necesitamos conocer 3 tensiones y 3 corrientes:

IC, IB, IE

VCE, VBE, VCB

En la práctica basta con conocer solo 2 corrientes y 2 tensiones.

Normalmente se trabaja con IC, IB, VCE y VBE.

Por supuesto las otras dos pueden obtenerse fácilmente:

IE = IC + IB

VCB = VCE - VBE

IB = f(VBE, VCE) Característica de entrada

IC = f(VCE, IB) Característica de salida

Transistor NPN

Page 15: Capitulo3 electronica

Características eléctricas del transistor bipolar

+

-

+

-

VCE

IC

VBE

IB

IB = f(VBE, VCE) Característica de entrada

Transistor NPN

VBE

IB

VCE

Entre base y emisor el transistor se comporta como un diodo.

La característica de este diodo depende de VCE pero la variación es pequeña.

Page 16: Capitulo3 electronica

Características eléctricas del transistor bipolar

Transistor NPN: linealización de la característica de entrada

+

-

+

-

VCE

VBE

IB

IC

VBE

IB

VCE

La característica de entrada corresponde a la de un diodo y se emplean las aproximaciones lineales vistas en el tema anterior.

Ideal

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Características eléctricas del transistor bipolar

+

-

+

-

VCE

IC

VBE

IB

IC = f(IB, VCE) Característica de salida

Transistor NPN

VCE

IC

La corriente que circula por el colector se controla mediante la corriente de base IB.

IB

Page 18: Capitulo3 electronica

ZONAS DE OPERACIÓN DE UN TRANSISTORZONAS DE OPERACIÓN DE UN TRANSISTOR

ZONA DE SATURACIÓN:-Entrada polarizado directamente y salida polarizado directamente (ambos diodos polarizados directamente).-Se da el fenómeno de la conducción en la entrada y salida por estar polarizados directamente, la corriente tiende a aumentar, limitada solamente por las características del cristal y por la magnitud del voltaje de polarización.-El transistor se comporta como un corto circuito, es decir como un interruptor en estado ON ZONA DE CORTE:-Entrada polarizado inversamente y salida polarizado inversamente (ambos diodos polarizados inversamente).-Se da el fenómeno de NO conducción en la entrada y salida por estar polarizados inversamente, .-El transistor se comporta como un circuito abierto, es decir como un interruptor en estado OFF

NOTA: cuando el transistor BJT se encuentra en condiciones de saturación o corte, el dispositivo se utiliza como un conmutador, porque prende o apaga.

Page 19: Capitulo3 electronica

ZONAS DE OPERACIÓN DE UN TRANSISTORZONAS DE OPERACIÓN DE UN TRANSISTOR

ZONA ACTIVA:-Entrada polarizado directamente y salida polarizado inversamente.-Se dice que el transistor esta en operación, su funcionamiento será el de un amplificador y es la función que se estudiara como lo contempla un curso de electrónica básica, las otras funciones corresponden a cursos de electrónica mas avanzados.-La diferencia entre un transistor PNP y NPN en esta zona de operación radica en el sentido de la corriente de entrada y salida que son en sentido contrario

ZONA NO UTILIZADA o SIN APLICACIÓN:-Entrada polarizado inversamente y salida polarizado directamente.

Page 20: Capitulo3 electronica

Características eléctricas del transistor bipolar

IB

VBE

VCE = 0 VCE1 VCE2

Característica de Entrada

AvalanchaPrimaria

IC

VCEVCEMax

ICMax

PMax = VCEIC

1V

AvalanchaSecundaria

Saturación

IB6

IB5

IB4

IB3

IB2

IB1

IB= 0

Corte

Activa

Característica de Salida

Características reales (NPN)

Page 21: Capitulo3 electronica

Zona de saturación

Zona de corte

Zona activa: IC=·IB

Zonas de operación del transistor bipolar:

Transistor NPN: característica de salida

VCE (V)

IC (mA)

FIG.- zonas de operación de un transistor NPN

El parámetro fundamental que describe la característica de salida del transistor es la ganancia de corriente .

IB (μA)

1 2

100

200

300

400

10

20

30

40

0

+

-

+

-

VCE

VBE

IB

IC

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Zonas de operación del transistor bipolar

Transistor NPN: zonas de funcionamiento del transistor ideal

+

-

+

-

VCE

VBE

IB

IC

VCE

ICIB

+

-

+

-

VCE

VBE

IB

IC

·IB

Zona activa

+

-

+

-

VCE=0

VBE

IB

IC

IC<·IB

Zona de saturación

+

-

+

-

VCE

VBE

IB

IC=0

Zona de corte

Page 23: Capitulo3 electronica

Características eléctricas del transistor bipolar

+

-

+

- VEC

IC

VEB

IB

IB = f(VBE, VEC) Característica de entrada

Transistor PNP

VEB

IB

VEC

Las tensiones y corrientes van en sentido contrario a las de un transistor NPN.

Entre emisor y base se comporta como un diodo. La corriente por la base es saliente.

Page 24: Capitulo3 electronica

Características eléctricas del transistor bipolar

IC = f(IB, VCE) Característica de salida

Transistor PNP

VEC

IC

La corriente que circula por el colector es saliente y se controla mediante la corriente de base IB.

IB

+

-

+

- VEC

VEB

IB

IC

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Características o parámetros eléctricos a tomar en cuenta a la hora de comprar un transistor bipolar

IC-MAX Corriente máxima de colector

VCE-MAX Tensión máxima CE

PMAX Potencia máxima

VCE-SAT Tensión C.E. de saturación

HFE Ganancia

ICMAX

PMAX

VCE-MAX

SOAR

Área de operación segura(Safety Operation Area)

IC

VCE

C

E

B

Características reales: datos proporcionados por los fabricantes

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Ejemplos de Transistores bipolares BJT que existen en la practica

VCE = 1500IC = 8HFE = 20

TOSHIBA

Page 27: Capitulo3 electronica

Existe otro tipo de transistor: El fototransistor

Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos, La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva al transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor.Un fototransistor es igual a un transistor BJT común, con la diferencia que el primero puede trabajar de 2 formas:Como transistor normal con la corriente de base Ib (modo común).Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. Ib (modo de iluminación).Puede utilizarse las dos formas simultáneamente, aunque el fototransistor se utiliza principalmente con el pin de la base sin conectar.En el mercado se encuentran fototransistores tanto con conexión de base como sin ella y tanto en cápsulas plásticas como metálicas (TO-72, TO-5) provistas de una lente.Se han utilizado en lectores de cinta y tarjetas perforadas, lápices ópticos, etc. Para comunicaciones con fibra óptica se puede usar como detectores, pero se prefiere utilizar fotodiodos, También se pueden utilizar en la detección de objetos cercanos cuando forman parte de un sensor de proximidad.

Page 28: Capitulo3 electronica

El Fototransistor

La luz (fotones de una cierta longitud de onda) al incidir en la zona de base desempeñan el papel de la corriente de base

C

E

El terminal de Base, puede estar presente o no.

No confundir con un fotodiodo.

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El fototransistor

Page 30: Capitulo3 electronica

El fototransistor

DISTINTOS ENCAPSULADOS

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UNA APLICACIÓN DEL LED Y EL FOTOTRANSISTOR

OPTOACOPLADOR

OBJETIVO:

Proporcionar aislamiento eléctrico

Al interrumpir el has de luz, deja de conducir el fototransistor y se abre, cuando existe la presencia de luz el fototransistor conduce es decir se comporta como un interruptor

Conjunto led + fototransistor

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Conclusiones II parte

Sobre el uso del transistor como interruptor se profundiza en Electrónica de Potencia y en Electrónica Digital.

Sobre el uso del transistor como amplificador se profundiza en Electrónica analógica (básica).

Como se ha visto los dos tipos de transistores bipolares NPN Y PNP tienen iguales características eléctricas y constructivamente similares, su diferencia radica en el sentido de circulación de las corrientes que actúan en estos elementos.

También se diferencian en la rapidez: El transistor NPN funciona básicamente con electrones mientras que el PNP lo hace con huecos (Mayoritarios del emisor en cada caso).

Recuérdese que la movilidad de los electrones es mayor que la de los huecos, es decir, el transistor NPN es mas rápido que le PNP en igualdad de condiciones.

Page 33: Capitulo3 electronica

CONFIGURACIONES TRANSISTORES BIPOLARESCONFIGURACIONES TRANSISTORES BIPOLARES

Todos los transistores bipolares, NPN Y PNP pueden polarizarse de manera que quede una terminal común en su circuito de polarización; es decir un terminal que forma parte tanto del lazo (malla) de entrada como del lazo de salida. Este puede ser cualquiera de las tres terminales de dispositivo (emisor, base, colector). Así entonces se tiene tres configuraciones

Page 34: Capitulo3 electronica

CONFIGURACION BASE COMUNCONFIGURACION BASE COMUN

La base es común a la entrada (emisor-base) y a la salda (colector-base)

Para describir el comportamiento de un dispositivo de tres terminales se requiere de dos conjuntos de características, uno para la entrada y otro para la salida

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CARACTERISTICAS DE ENTRADA PARA EL AMPLIFICADOR BASE COMUN

En la figura se muestra el conjunto de características de entrada para el amplificador base común, relaciona la corriente de entrada IE con el voltaje de entrada VBE para varios niveles de voltaje de salida VCB

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CARACTERISTICAS DE SALIDA PARA EL AMPLIFICADOR BASE COMUN

En la figura se muestra el conjunto de características de salida para el amplificador base común, relaciona la corriente de salida IC con el voltaje de salida VCB para varios niveles de corriente de entrada IE

El conjunto de características de salida tiene tres regiones operativas del transistor bipolar, como se indica en la figura, la región activa (active región), la región de corte (cutoff region) y la region de saturación (saturation region)

Page 37: Capitulo3 electronica

CONFIGURACION EMISOR COMUNCONFIGURACION EMISOR COMUN

El emisor es común a la entrada (base-emisor) y a la salida (colector- emisor), la entrada esta en la base y la salida en el colector

Para describir el comportamiento de un dispositivo de tres terminales se requiere de dos conjuntos de características, uno para la entrada y otro para la salida

Page 38: Capitulo3 electronica

CARACTERISTICAS DE ENTRADA PARA EL AMPLIFICADOR EMISOR COMUN

En la figura se muestra el conjunto de características de entrada para el amplificador emisor común, relaciona la corriente de entrada IB con el voltaje de entrada VBE para varios niveles de voltaje de salida VCE

Page 39: Capitulo3 electronica

CARACTERISTICAS DE SALIDA PARA EL AMPLIFICADOR EMISOR COMUN

En la figura se muestra el conjunto de características de salida para el amplificador emisor común, relaciona la corriente de salida IC con el voltaje de salida VCE para varios niveles de corriente de entrada IB

El conjunto de características de salida tiene tres regiones operativas del transistor bipolar, como se indica en la figura, la región activa (active región), la región de corte (cutoff region) y la region de saturación (saturation region)

Page 40: Capitulo3 electronica

GRACIASGRACIASPREPARARSE PARA LA EVALUACIÓN Y RELIZAR LA TAREA DE FIN DE UNIDAD