Electrónica I

Universidad Tecnolgica de Puebla Electrnica l

Carrera de Electricidad y Electrnica Industrial Ing. Magdalena Villar Salvador 1

Universidad Tecnolgica de Puebla

Electrnica I Manual de asignatura

Carrera

Electricidad y Electrnica Industrial

Programa 2004

Ing. Magdalena Villar Salvador



Crditos

Elabor: Ing. Magdalena Villar Salvador / actualizacin 2008. Revis: Colaboradores: Autoriz:



Contenido

Objetivo general

Utilizar dispositivos electrnicos bsicos en circuitos electrnicos

Habilidades por desarrollar en general

Utilizar dispositivos electrnicos bsicos en circuitos electrnicos

Horas Pgina Teora Prctica Total 30 60 90 I Introduccin a la electrnica 5 1 6 4

II Diodos semiconductores 6 6 12 6

III Transistor bipolares de unin (BJT) 6 22 28 25

IV Transistor de efecto de campo (FET) 6 10 16 35

V Fuentes de CD y osciladores 7 21 28 60 Gua de practicas 73



I INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA

Objetivo particular de la unidad

Identificar la importancia y alcances de la electrnica definiendo su rea de aplicacin

Habilidades por desarrollar en la unidad

Alcances de la electrnica acorde a su aplicacin.

1.1 ANTECEDENTES

La introduccin de los tubos de vaco a comienzos del siglo XX propici el rpido crecimiento de la electrnica moderna. Con estos dispositivos se hizo posible la manipulacin de seales, algo que no poda realizarse en los antiguos circuitos telegrficos y telefnicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispas de alta tensin para generar ondas de radio. Por ejemplo, con los tubos de vaco pudieron amplificarse las seales de radio y de sonido dbiles, y adems podan superponerse seales de sonido a las ondas de radio. El desarrollo de una amplia variedad de tubos, diseados para funciones especializadas, posibilit el rpido avance de la tecnologa de comunicacin radial antes de la II Guerra Mundial, y el desarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco despus de ella. Hoy da, el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi completamente al tubo de vaco en la mayora de sus aplicaciones. Al incorporar un conjunto de materiales semiconductores y contactos elctricos, el transistor permite las mismas funciones que el tubo de vaco, pero con un coste, peso y potencia ms bajos, y una mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnologa de semiconductores, atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa de exploracin del espacio, llev al desarrollo, en la dcada de 1970, del circuito integrado. Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de transistores en un pequeo trozo de material, permitiendo la construccin de circuitos electrnicos complejos, como los de las microcomputadoras, equipos de sonido y vdeo, y satlites de comunicaciones. 1.2 DEFINICIONES ELECTRONICA: La electrnica es el campo de la ingeniera y de la fsica aplicada relativo al diseo y aplicacin de dispositivos, por lo general circuitos electrnicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la generacin, transmisin, recepcin, almacenamiento de informacin, entre otros. Esta informacin puede consistir en voz o msica como en un receptor de radio, en una imagen en una pantalla de televisin, o en nmeros u otros datos como en una computadora.



ELECTRICIDAD: La electricidad es el campo de la fsica aplicada relativo a la generacin, transmisin y distribucin de energa elctrica. 1.3 DIVISIN DE LA ELECTRNICA Electrnica analgica y electrnica digital: La electrnica digital dispositivos que trabajan con dos estados 1 (Lgico) y 0 (lgico), La electrnica analgica dispositivos que trabajan una seal que vara en el tiempo. Los circuitos electrnicos ofrecen diferentes funciones para procesar esta informacin, incluyendo la amplificacin de seales dbiles hasta un nivel que se pueda utilizar; el generar ondas de radio; la extraccin de informacin, como por ejemplo la recuperacin de la seal de sonido de una onda de radio (demodulacin); el control, como en el caso de introducir una seal de sonido a ondas de radio (modulacin), y operaciones lgicas, como los procesos electrnicos que tienen lugar en las computadoras.



II

DIODOS SEMICONDUCTORES

Objetivo particular de la unidad Utilizar los diodos de unin y especiales en circuitos de aplicaciones especifica.


Aplicar la teora de los diodos por medio del armado de circuitos.

2.1 INTRODUCCIN Los diodos semiconductores son uno de los dispositivos ms sencillos que existen dentro de la electrnica y no por esto quieren decir que sean menos importantes, en la actualidad los diodos juegan un papel muy importante ya que su uso esta relacionado a casi toda la electrnica. Un diodo semiconductor esta formado por dos materiales semiconductores impurificados que al unirse forman el diodo. Un diodo semiconductor tiene una infinidad de aplicaciones entre las cuales podemos mencionar el rectificador, rectificar significa recortar es decir recorta una seal de tipo alterno y como se sabe las seales de tipo alterno tienen un semiciclo positivo y un semiciclo negativo, entonces recortan ya sea el semiciclo positivo o el semiciclo negativo dependiendo de la posicin del diodo en el circuito, doblador de voltaje, sujetador de voltaje etc. El funcionamiento de un diodo semiconductor de unin ideal tiene un comportamiento similar a un interruptor, es decir el interruptor puede estar encendido o apagado, o comnmente podemos decir que conduce cuando esta encendido o no conduce cuando est apagado. En este tema aprenderemos a probar fsicamente si un diodo este en buenas condiciones, adems sabremos sealar cuales son las dos terminales de los diodos (nodo, ctodo), al final del tema podremos elaborar circuitos electrnicos donde se involucren los diodos. Adems de los diodos de unin existen otros diodos conocidos como diodos Zener este dispositivo lleva este nombre en honor a su descubridor Karl Zener, lo diodos Zener sirven para regular voltajes, sabremos utilizar estos diodos en circuitos prcticos. Los diodos LED (Light Emmited Diode) son otro tipo de diodos que generalmente se utilizan como sealizadores, aprenderemos a determinar de una forma practica las terminales de un diodo LED.



2.2 SEMICONDUCTORES El nombre de semiconductor por si misma proporciona una pista en cuanto a las caractersticas de este dispositivo. El prefijo semi se aplica en general a todo aquello que se encuentra entre la mitad de dos lmites. El trmino Conductor se aplica a cualquier material que permita un flujo considerable de carga debido a la aplicacin de una cantidad limitada de presin externa. Un semiconductor es por lo tanto un material que tiene un nivel de conductividad en algn lugar entre los extremos de un aislante (de muy baja conductividad) y un conductor como el cobre que tiene un alto nivel de conductividad. El Silicio (Si) y el Germanio (Ge) son materiales semiconductores que tienen la propiedad de cambiar sus caractersticas elctricas a travs de un proceso de impurificacin. Otras razones incluyen el hecho de que sus caractersticas pueden alterarse notablemente mediante la aplicacin de calor y luz (una consideracin importante en el desarrollo de los dispositivos sensibles a la luz y calor). Un semiconductor es un elemento con valencia igual a cuatro. Esto significa que un tomo aislado de semiconductor tiene cuatro electrones en su orbita exterior o de valencia. El nmero de electrones en la rbita de valencia es clave para la conductividad elctrica. Los conductores poseen un electrn de valencia, los semiconductores tienen cuatro electrones de valencia y los aislantes tienen ocho electrones de valencia. Algunas cualidades nicas del Si y del Ge sealadas se deben a su estructura atmica. Los tomos de ambos materiales forman un patrn bastante definido que es de naturaleza peridica (esto es, se repite en forma continua). Un patrn completo se denomina cristal y el arreglo peridico de los tomos se denomina red. En el caso del Si y del Ge el cristal tiene una estructura tridimensional del diamante como se muestra en la figura 2.1

Fig. 2.1 Estructura monocristalina del Si y del Ge

Cualquier material compuesto nicamente de estructuras cristalinas repetitivas del mismo tipo se llama estructura monocristalina En materiales semiconductores de aplicacin prctica en el campo de la electrnica, existe esta caracterstica monocristalina y adems, la periodicidad de la estructura no cambia de manera importante con la adicin de impureza en el proceso de impurificacin.



Como sabemos el tomo se compone de tres partculas fundamentales que son el electrn, protn y neutrn en la red atmica los electrones y los protones forman los ncleos en tanto que los electrones giran alrededor del ncleo en una orbita fija. El tomo de Ge tiene 32 electrones en rbita, mientras que el silicio tiene 14 electrones alrededor del ncleo. En cada caso, existen cuatro electrones en la rbita exterior (de valencia). El potencial (potencial de ionizacin) que se requiere para movilizar cualquiera de estos cuatro electrones de valencia, es menor que el requerido por cualquier otro electrn dentro de la estructura. En un cristal puro de Ge o de Si estos cuatro electrones de valencia se encuentran unidos a cuatro tomos adyacentes como se muestra en la figura 2.2 para el silicio. Tanto el Ge como el Si se dice tomos tetravalentes, porque cada uno tiene cuatro electrones de valencia. Este tipo de unin formada por electrones compartidos recibe el nombre de enlace covalente.

Figura 2.2 Enlace covalente del tomo de Si.

Los materiales semiconductores como el Ge y el Si, muestran una reduccin en resistencia con el incremento en la temperatura entonces se dice tienen un coeficiente de temperatura negativo. Al contrario de los materiales conductores que su resistencia aumenta conforme aumenta su temperatura de estos se dice que tiene un coeficiente de temperatura positivo. 2.3 MATERIALES EXTRNSECOS TIPO N Y TIPO P Las caractersticas de los materiales semiconductores pueden alterarse de modo considerable mediante la adicin de ciertos tomos de impureza en el material semiconductor relativamente puro. Estas impurezas, aunque slo haya sido aadida 1 parte en 10 millones, pueden alterar en forma suficiente la estructura de la banda y cambiar totalmente las propiedades elctricas del material.



Un material semiconductor que haya sido sujeto de dopado (dopar significa impurificar) se denomina un material extrnseco. Existen dos materiales extrnsecos muy importantes para la fabricacin de dispositivos semiconductores el tipo N y el tipo P. 2.3.1 Material tipo N Tanto el material tipo N como el tipo P se forman mediante la adiccin de un nmero predeterminado de tomos de impurezas a una base de Si o Ge. El tipo N se crea a travs de la introduccin de elementos de impureza que poseen cinco electrones de valencia (pentavalentes), como el Antimonio, Arsnico y Fsforo. El efecto de estas impurezas se muestra en la figura 2.3.

Fig. 2.3 Impurezas de antimonio en el Silicio para formar un material tipo N

Note que los cuatro enlaces covalentes estn aun presentes, sin embargo, hay un quinto electrn adicional debido al tomo de impureza el cual no esta asociado con algn enlace covalente particular. Las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se les llaman tomos donadores. Es importante comprender que, aunque un nmero importante de portadores "libres" se han creado en el material tipo n, ste an es elctricamente neutro, debido a que de manera ideal el nmero de protones cargados positivamente en los ncleos es todava igual al nmero de electrones "libres" cargados negativamente y en rbita en la estructura. 2.3.2 Material tipo P El material tipo P se forma mediante la impurificacin de un cristal puro de Germanio o de silicio con tomos de impureza que tengan tres electrones de



valencia. Los elementos que se utilizan con mayor frecuencia para este propsito son el Boro, Galio e Indio. En la figura 2.4 se muestra el efecto de uno de estos elementos el Boro sobre una base de Si.

Fig. 2.4 Impurezas de Boro en un en el Si para formar un material tipo P.

En la figura se muestra que ahora hay un nmero insuficiente de electrones para completar los enlaces covalentes de la red recin formada. La vacancia que resulta se denomina Hueco y se presenta por un pequeo crculo o signo positivo, debido a la ausencia de carga negativa. Puesto que la vacancia resultante aceptar de inmediato un electrn libre, las impurezas aadidas reciben el nombre de tomos aceptores. El material tipo P es elctricamente neutro. El efecto de un hueco en la conduccin se muestra en la figura 2.5 Si un electrn de valencia adquiere suficiente energa cintica para romper el enlace covalente y llena la vacancia creada por un hueco, entonces se crear un hueco en el enlace covalente que liber ese electrn. En efecto hay una transferencia de huecos hacia la izquierda y de electrones hacia la derecha como se muestra en la figura 2.5.



Fig.2.5 flujo de electrones contra flujo de huecos

2.4 PORTADORES MAYORITARIOS Y MINORITARIOS En el estado intrnseco, el nmero de electrones libres en Ge o en Si se debe slo a aquellos electrones en la banda de valencia que han adquirido suficiente energa de las fuentes trmicas o luminosas para romper el enlace covalente o a las pocas impurezas que no pudieron eliminarse. Las "vacantes" dejadas atrs en la estructura del enlace covalente representan una cantidad muy limitada de huecos. En un material tipo n, el nmero de huecos no ha cambiado de manera significativa de su nivel intrnseco. El resultado neto, por tanto, es que el nmero de electrones supera por mucho el nmero de huecos. Por esta razn: En un material tipo n al electrn se le llama portador mayoritario y el hueco es el portador minoritario. En un material tipo p el hueco es el portador mayoritario y el electrn el portador minoritario. Lo anterior se muestra en la figura 2.6

Fig. 2.6 (a) material tipo P (b) material tipo N



En la figura 2.6 se muestran los portadores mayoritarios y minoritarios para los dos tipos de semiconductores. En la figura 2.6 (b) es lo inverso que el material tipo N. Cuando el quinto electrn de un tomo donador deja a su tomo, el tomo que deja adquiere una carga positiva neta: de ah el signo positivo en la representacin de ion donador. Por razones anlogas, el signo negativo aparece en el ion aceptor. Los materiales tipo n y p representan los bloques de construccin bsicos de los dispositivos semiconductores. En la siguiente seccin se encontrar que la "unin" de un solo material tipo n con un material tipo p tendr por resultado un elemento semiconductor de importancia considerable en los sistemas electrnicos. 2.5 DIODO IDEAL El diodo es un dispositivo electrnico, el ms sencillo de los dispositivos semiconductores, pero desempea un papel muy importante en los sistemas electrnicos. Sus caractersticas son muy similares a las de un sencillo interruptor, El diodo tiene una amplia variedad de aplicaciones, que van desde las ms sencillas a las ms complejas. A parte de los detalles de su construccin y sus caractersticas, los datos y grficas muy importantes que se encuentran en las hojas de especificaciones tambin se estudiaran para asegurar el entendimiento de la terminologa empleada y para poner de manifiesto la abundancia de informacin de la por lo general se dispone y que viene de los fabricantes Antes de examinar la construccin y las caractersticas de un dispositivo real, se considera el dispositivo ideal, para proporcionar una base comparativa. El diodo ideal es un dispositivo de 2 terminales que tiene el smbolo y las caractersticas que se muestran en la figura 2.7.

Fig. 2.7 Diodo ideal smbolo y caracterstica



En la figura se puede apreciar que los voltajes a la izquierda (polarizacin inversa) del eje Y son negativos, por el contrario los voltajes a la derecha (polarizacin directa) del eje Y son positivos. De manera ideal, un diodo conducir corriente en la direccin que define la flecha en el smbolo, y actuar como un circuito abierto en cualquier intento por establecer corriente en direccin opuesta. Es decir es un dispositivo unidireccional. Un diodo ideal es un corto circuito para la regin directa de conduccin (ID0) o polarizacin directa. El diodo ideal es un circuito abierto en la regin que no hay conduccin (ID=0) o polarizacin inversa. En sntesis en la figura 2.8 y 2.9 se muestran lo explicado en los prrafos anteriores.

Figura 2.8. Estado de conduccin de un diodo ideal

Figura 2.9. Estado de no-conduccin de un diodo ideal

2.6 DIODO SEMICONDUCTOR El diodo semiconductor se forma simplemente uniendo los materiales tipo n y tipo p. Como se muestra en la figura 2.10. Existen tcnicas para formar esta unin.

Fig. 2.10 Unin P-N sin polarizacin



En el momento en que son "unidos" los dos materiales, los electrones y los huecos en la regin de la unin se combinan, dando por resultado una falta de portadores en la regin cercana a la unin. Esta regin de iones positivos y negativos descubiertos se le llama regin de agotamiento o de vaciamiento, debido al agotamiento de portadores en esta regin. Como el diodo es un dispositivo de dos terminales, la aplicacin de un voltaje a travs de sus terminales permite tres posibilidades: A) Sin polarizacin (VD = 0V): en ausencia de un voltaje de polarizacin aplicado, el flujo neto de la carga en cualquier direccin para un diodo semiconductor es cero.

Figura 2.11. Unin p-n sin polarizar externamente.

B) Polarizacin inversa. Si un potencial o voltaje externo se aplica en la unin P-N de manera tal que la terminal positiva este conectada al material tipo N y la terminal negativa la materia tipo P, como se muestra en la figura 2.12 el nmero de iones positivos descubiertos en la regin de vaciamiento del material tipo N aumentar debido al mayor nmero de electrones libres arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. Por razones similares el numero iones negativos descubiertos se incrementar en el material tipo P. El efecto neto, en consecuencia, es un ensanchamiento de la regin de vaciamiento. Dicho ensanchamiento de la regin de vaciamiento establecer una barrera demasiado grande como para que los portadores mayoritarios puedan superarla, reduciendo efectivamente el flujo de los mismos a cero. Como se muestra en la figura 2.12



Fig. 2.12 Unin P-N polarizada inversamente

Sin embrago el nmero de portadores minoritarios que estarn entrando a la regin de vaciamiento no cambiar, lo que ocasiona vectores de flujo de portadores minoritarios de la misma magnitud que cuando no se aplica voltaje. La corriente que existe bajo estas condiciones se denomina corriente de saturacin inversa y se representa mediante el subndice S. b) Polarizacin directa (VD > 0V): Una condicin de polarizacin directa se establece aplicando un voltaje positivo al material tipo P y un voltaje negativo al material tipo N como se indica en la figura 2.13. Es importante notar que el flujo de portadores minoritarios no ha cambiado en magnitud, pero que la reduccin del ancho de la regin de vaciamiento ha provocado un flujo de portadores mayoritarios intenso a travs de la unin. La magnitud del flujo de portadores mayoritarios se incrementar exponencialmente con el aumento de la polarizacin directa como se indica en la figura 2.14.



Figura 2.13. Unin p-n con polarizacin directa

Fig. 2.14 Caracterstica del diodo semiconductor



2.7 OPERACIN Y CURVA CARACTERSTICA DEL DIODO El la figura 2.15 se ilustran las caractersticas de operacin de un diodo prctico. Esta curva difiere de la caracterstica ideal de la figura 2.7 en los siguientes puntos: conforme el voltaje en polarizacin directa aumenta ms all de cero Volts, la corriente no fluye de inmediato. Es necesario un voltaje mnimo, denotado por VT, tambin llamado voltaje de conduccin, para obtener una corriente significativa. Conforme el voltaje tiende a exceder VT la corriente aumenta con rapidez. La pendiente de la curva caracterstica es grande pero no infinita, como en el caso del diodo ideal. La tensin mnima VT necesaria para obtener una corriente significativa, es aproximadamente 0.7 V para el diodo de Si (a temperatura ambiente) y 0.3 V para los diodos de Ge. La diferencia de para el silicio y el germanio radica en la estructura atmica de los materiales. Para diodos luminiscentes o diodo LED (Ligth Emmited Diodo) de arseniuro de galio, VT es aproximadamente de 1.2 Volts. Estos diodos se estudiaran ms adelante Cuando el diodo est polarizado el inversa, existe una pequea corriente de fuga, est corriente se produce siempre que el voltaje sea inferior al requerido para romper la unin. El voltaje mximo de polarizacin inversa antes de entrar a la regin Zener se denomina Voltaje de pico inverso o VPI. Si una aplicacin requiere de un VPI nominal mayor que el de una sola unidad, varios diodos de las mismas caractersticas pueden conectarse en serie. Los diodos tambin se conectan en paralelo para aumentar la corriente. Los diodos de Si tienen, en general, valores nominales de VPI y de corriente ms alto e intervalos de temperatura ms amplios que los diodos de Ge. El VPI nominal para los diodos de Si puede encontrarse alrededor de los 1000 Volts, en tanto que para los de Ge el valor mximo es cercano a los 400 Volts. El Si puede utilizarse en aplicaciones en las que es posible que la temperatura aumente a cerca de los 200 C. (400 F), en tanto que el Ge presenta un valor nominal mximo ms bajo 100 C. El Si presenta desventajas con respecto al Ge, esto es el voltaje de polarizacin directa al cual el diodo empieza a conducir es del orden de 0.7 V para diodos comerciales de Si y de 0.3 V para los diodos de Ge.



Fig. 2.15 Curva caracterstica del diodo de Silicio y de Germanio 2.8 EFECTOS DE LA TEMPERATURA La temperatura es un aspecto de suma importancia en el diseo o anlisis de los sistemas electrnicos. Afectar prcticamente casi todas las caractersticas de cualquier dispositivo semiconductor. El cambio en las caractersticas de un diodo semiconductor debido a las variaciones de la temperatura por encima o por debajo de la temperatura ambiente (25oC)se muestra en la figura 2.16 Se observan niveles reducidos de cada del voltaje directo, pero tambin niveles crecientes de la corriente de saturacin a 100 C. El potencial Zener experimenta tambin un cambio de nivel pronunciado.



Fig. 2.16 Variacin de las caractersticas del diodo con el cambio de temperatura.

2.9 HOJAS DE ESPECIFICACIONES DEL DIODO Los datos relativos a los dispositivos semiconductores especficos se proporciona normalmente por el fabricante en dos formas. Una es una muy breve descripcin de un dispositivo que permitir, en una cuantas paginas una rpida revisin de todos los dispositivos disponibles. El otro caso es una revisin completa de un dispositivo, incluso grficas, aplicaciones, etc. Esta ltima solo normalmente se proporciona slo cuando se solicita en forma especfica. Sin embargo, hay ciertas partes de los datos que casi siempre aparecen en cualquiera de las dos, ellas se sealan a continuacin: El mximo voltaje en polarizacin directa VF (mx.) (a temperatura y corrientes especificadas) La mxima corriente en polarizacin directa IF (mx.) (a una temperatura especificada) La mxima corriente e polarizacin inversa IR (mx.) ( a una temperatura especificada) El valor nominal del voltaje inverso (VPI) o bien PRV o VBR donde BR proviene del trmino ruptura (a una temperatura especificada), Capacitancia Mxima. La mxima temperatura de operacin o del encapsulado. Dependiendo del tipo de diodo que se est considerando, es posible que tambin se proporcionen datos adicionales, como el rango de frecuencia, el nivel de ruido, el tiempo de conmutacin, los niveles de resistencia trmica y los valores pico repetitivo. Para la aplicacin que se tiene en mente, la importancia de los datos casi siempre ser evidente por si misma, Si la potencia mxima o el valor nominal de disipacin se proporciona tambin, se entiende que ser igual al siguiente producto.

PDmax = VD ID



Donde ID y VD son la corriente y el voltaje del diodo en un punto de operacin particular, sin que cada variable exceda su valor mximo

Tabla 2.1 Caracterstica de algunos diodos de propsito general.



Fig. 2.17 caractersticas elctricas de los diodos BAY73 y BA123 de alto voltaje.



2.10 APLICACIONES DEL DIODO DE UNIN 2.10.1 Rectificacin de media onda El anlisis en torno al diodo se extender para incluir funciones que varan con el tiempo como la forma de onda senoidal y la forma de onda cuadrada. Es claro que el grado de dificultad aumentara, pero una vez que se comprendan algunos cuantos procedimientos fundamentales, el anlisis ser bastante directo y seguir un camino comn. La red ms simple que se examinar con una seal variable en el tiempo aparece en la figura 2.18 (en este caso se utiliza el modelo ideal).

Figura 2.18 Rectificador de media onda

A travs de un ciclo completo, definido por el periodo T, el valor promedio es cero. El circuito rectificador de media onda que se muestra en la figura 2.19 generar una forma de onda vo, la cual tendr un valor promedio de uso particular en el proceso de conversin de AC a DC. Cuando un diodo es usado para el proceso de rectificacin, es comn que se le llame rectificados. Sus valores nominales de potencia y corriente son normalmente mucho ms altos que los de los diodos que se usan en otras aplicaciones, como en computadoras o sistemas de comunicacin. Durante el intervalo t = 0 ==> T/2, la polaridad del voltaje aplicado vi es como para establecer "presin" en la direccin que se indica, y encender el diodo con la polaridad indicada arriba del diodo. Al proceso de eliminacin de la mitad de la seal de entrada para establecer un nivel DC se le llama rectificacin de media onda. El efecto del uso de un diodo de silicio con VT = 0.7 V se seala en la siguiente figura par regin de polarizacin directa. La seal aplicada debe ser ahora de por lo menos 0.7 antes de que el diodo pueda "encender". Para los niveles de vi menores de 0.7 V el diodo an est en estado de circuito abierto y v0 = 0 V, como indica la misma figura. Cuando conduce, la diferencia entre v0 y vi se encuentra en un nivel fijo de VT = 0.7 V y v0 = vi - VT, segn se indica en la figura. El efecto



neto es una reduccin en el rea arriba del eje, la cual reduce de manera natural el nivel resultante de voltaje DC. 2.10.2 Rectificacin de onda completa, puente de diodos El nivel de CD que se obtiene a partir de una entrada senoidal puede mejorar al 100% si se utiliza un proceso que se llama rectificacin de onda completa. La red ms familiar para llevar a cabo tal funcin aparece en la figura 2.19 con sus cuatro diodos en una configuracin en forma de puente durante el periodo t = 0 a T/2 la polaridad de la entrada se muestra en la figura 2.20 para mostrar que D2 y D3 estn conduciendo, en tanto que D1 y D4 se hallan en estado "apagado". El resultado neto es la configuracin de la figura 2.21, con su corriente y polaridad indicadas a travs de R. Debido a que los diodos son ideales, el voltaje de carga vo = vi, segn se muestra en la misma figura.

Figura 2.19 Puente rectificador de onda completa.

Figura 2.20. Rectificador de onda completa para el periodo 0? T/ 2 de voltaje de

entrada vi.

Figura 2.21. Trayectoria de conduccin para la regin positiva de vi.



2.11 EL DIODO ZENER Los diodos rectificadores y los diodos para seales pequeas nunca se emplean intencionalmente en la regin de rompimiento, ya que esto podra daarlos. Un diodo zener es diferente; se trata de un diodo de silicio que se ha diseado para que opere en la regin de rompimiento. En otras palabras, a diferencia de los ordinarios que nunca trabajan en la regin de rompimiento, los diodos zener funcionan mejor en la regin de rompimiento. Llamado a veces diodo de rompimiento, el diodo zener es la esencia de los reguladores de voltaje, los cuales son circuitos que mantienen el voltaje casi constante sin importar que se presenten grandes variaciones en el voltaje de lnea y la resistencia de carga. En cualquiera smbolo de diodos, donde aparezca una letra z, denota al zener. Variando el nivel de impurificacin de los diodos de silicio, el fabricante puede producir diodos zener con voltajes de rompimiento que van desde 2 hasta 200V. Estos diodos pueden operar en cualquiera de las tres regiones: directa de fuga y rompimiento. En la regin directa, el diodo zener comienza a conducir aproximadamente a los 0.7 V, igual que un diodo ordinario de silicio. En la regin de fuga (entre cero y el rompimiento) exhibe solamente una pequea corriente inversa. En un diodo zener, el rompimiento tiene una rodilla muy pronunciada, seguida de un aumento casi vertical en la corriente. En las hojas de datos usualmente se indica el valor de (vz) para un valor particular de la corriente (IET). No permita que lo confunda el signo menos. Los signos menos tienen que incluirse en las grficas por que en ellas se muestran al mismo tiempo los valores para polarizacin directa e inversa. Pero no es necesario emplear signos menos en otros contextos si su significado es claro sin ellos. Por ejemplo, es preferible decir que un diodo zener tiene un voltaje de rompimiento de 10V. Un diodo zener tiene que estar polarizado inversamente. 2.12 DISPOSITIVOS OPTOELECTRONICOS La opto electrnica es la tecnologa que combina la electrnica con la ptica. Este emocionante campo incluye muchos dispositivos basados en la accin de una unin (pn. Ejemplos de dispositivos opto electrnicos son los diodos emisores de luz (led), y los foto diodos. 2.12.1 DIODOS EMISOR DE LUZ Tambin se simboliza como a los diodos convencionales, excepto que estos llevan unas flechas que salen y simbolizan la luz que irradia. En un led con polarizacin directa, los electrones libres atraviesan la unin y caen en los huecos. Como caen de niveles energticos altos a niveles energticos bajos, radian luz. En los diodos ordinarios, esta energa se disipa en forma de calor.



III

TRANSISTORES BIOLARES DE UNIN (BJT)


Utilizar los BJTs en circuitos de aplicaciones especifica.


Aplicar la teora de los BJTs por medio del armado de circuitos.

3.1 INTRODUCCIN La seal de radio o televisin es tan dbil que no sirve para excitar un altavoz o un tubo de televisin. Por eso la seal debe amplificar hasta que tenga la potencia suficiente para ser til. La seal de radio o televisin recibida por una antena es tan dbil que no sirve para excitar un altavoz o un tubo de televisin. Por esto la seal se debe amplificar hasta que tenga la potencia suficiente necesaria para ser til. Antes de l951, el tubo de vaco era el elemento principal empleado para amplificar seales dbiles. A pesar de que amplificaba muy bien, el tubo de vaco tiene varias desventajas. En primer lugar posee un filamento interno que consume 1 W o ms de potencia. En segundo lugar, su vida unos cuantos miles de horas, ya que el filamento se quema al cabo del tiempo. En tercer lugar, ocupa demasiado espacio. En cuarto lugar disipa calor que eleva la temperatura interna del cuerpo electrnico. En 1951, shockley invento el primer transistor de unin, un dispositivo semiconductor capaz de amplificar seales de radio y televisin. Las ventajas del transistor superan las desventajas del tubo del vaci. En primer lugar, no tiene filamento calefactor; por lo tanto, consume un apotencia mucho menor. En segundo lugar, como un transistor es un dispositivo semiconductor, puede durar indefinidamente. En tercer lugar, como es tan pequeo, ocupa mucho menos calor, el equipo electrnico puede funcionar a temperaturas ms bajas. Gracias al transistor se han logrado muchos otros inventos, incluyendo al circuito integrado (CI), pequeo dispositivo que contiene miles de transistores. Las computadoras modernas y otros milagros de la electrnica con posibles gracias al CI.



3.2 CONSTRUCCIN DEL TRANSISTOR El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas, compuesto ya sea de dos capas de material tipo N y una tipo P y una de tipo N. El primero se denomina transistor NPN, en tanto que el ltimo recibe el nombre de transistor PNP. La abreviatura BJT (Bipolar Junction Transistor = Transistor de Unin Bipolar) se aplica a menudo a este dispositivo de tres terminales. El trmino bipolar refleja el hecho de que los electrones y los huecos participan en el proceso de inyeccin en el material polarizado opuestamente. Si solo uno de los portadores se emplea (electrn hueco), se considera que el dispositivo es unipolar. 3.2.1 Diodos del emisor y el colector El transistor de la figura (3.1.) tiene dos uniones: una entre el emisor y al base y otra entre la base y el colector. Por esto, un transistor es similar a dos diodos. El emisor y la base forman uno de los diodos, mientras que el colector y la base forman el otro.

Fig. 3.1 estructura del transistor Fig. 3.2 Zonas de deplexin



3.3 OPERACIN DEL TRANSISTOR 3.3.1 Electrones del emisor En la figura (3.3) se ve un transistor con polarizacin. El signo menos representa electrones libres. Los iones no se muestran pero estn presentes en cada regin. En la figura (3.3) el emisor esta fuertemente impurificado: su funcin consiste en emitir o inyectar electrones libres a la base. Esta es muy delgada y tiene una impurificacin muy ligera; deja de pasar hacia el colector la mayor parte de electrones inyectados por el emisor. El nivel de purificacin del colector es un valor intermedio entre al fuerte impurificacin del emisor y la ligera impurificacin del emisor y la ligera impurificacin de la base. El colector se llama as porque colecta o recoge electrones provenientes de la base. La fuente de la izquierda en la figura (3.3) polariza directamente al diodo emisor, y la fuente de la derecha polariza inversamente al diodo colector.

Fig. 3.3 Transistor polarizado 3.3.2 Electrones de la base

Si VBB es mayor que la barrera de potencial, los electrones del emisor entraran a la regin de la base como se ve en la figura. Estos electrones libres pueden circular en cualquiera de dos direcciones. Por una parte, circulan hacia la izquierda saliendo por la base y pasando a travs de RB hacia la terminal positiva de la fuente. Por otra, los electrones libres pueden circular hacia el colector.

Cul es la trayectoria que sigue la mayor parte de electrones libres? La mayor parte de ellos seguir el camino hacia el colector por qu? Por dos razones; la primera es la poca impurificacin de la base. Debido a esto, los electrones tienen un largo tiempo de vida de regin de la base eso les da el tiempo necesario para



llegar al colector. La segunda razn es que la base es muy angosta. Esto les da mayores posibilidades de llegar al colector. Dicho en otras palabras, para fluir fuera de la base hacia el resistor externo, los electrones libres deben primero recombinarse con los huecos de la base. Luego, ya como electrones de valencia, pueden fluir hacia la izquierda hasta salir de la base y entrar al conductor externo de conexin. Como la purificacin de la base es pequea, y adems la base es angosta, muy pocos electrones pueden recombinarse y escapar por la conexin externa.

Fig. 3.4 Electrones que entran en la base

3.3.3 Electrones del colector

Casi todos los electrones van hacia el colector (vea la figura siguiente) estando ya en el colector, sienten la atraccin del voltaje VCC. A consecuencia de esto, circulan a travs del colector y a travs de RC hasta que alcanzan la terminal positiva de la tensin de la fuente del colector.

VBB polariza directamente al diodo emisor, forzando los electrones del emisor entrar a la base. Delgada y apenas impurificada base les da casi a todos ellos el tiempo suficiente para difundirse en el colector. Estos electrones circulan al colector a travs de RC y hacia la terminal positiva de la frente del voltaje VCC. En la mayor parte de los transistores, ms del 95% de los electrones del emisor fluyen hacia el colector; menos del 5% fluyen hacia la conexin externa de la base.



Fig.3.5 Electrones que entran al colector

3.3.4 Corriente en un transistor

La figura 3.6 contiene un smbolo de un transistor (a) flujo convencional (b) flujo de electrones. En la figura hay tres corrientes distintas en el transistor. La corriente del emisor IE, la corriente de la base IB y la corriente del colector IC. Como el emisor es la fuente de electrones, su corriente es la mayor de las tres. Casi todos los electrones del emisor circulan hacia el colector; por lo tanto, la corriente de este es aproximadamente igual a la corriente del emisor. La corriente de la base es muy pequea comparando con las otras dos.

Fig. 3.6 Smbolo del transistor



Recuerde las leyes de las corrientes de Kirchhoff. Estas establecen que la

suma de todas las corrientes que entran a un nodo o unin es igual a la suma de todas las corrientes que salen. Al aplicar a un transistor, la ley de Kirchhoff proporciona esta importante relacin entre las tres corrientes del transistor.

IE = IC + IB

Como la corriente de la base mucha menor que la corriente del colector, la ecuacin sugiere de inmediato esta idea: en muy buena aproximacin, la corriente del colector es igual a la corriente del emisor.

Una de las cosas que hacen que el transistor sea til es que la corriente del colector es mucho mayor que la corriente de la base. De hecho, la ganancia de corriente CC de un transistor se define como la corriente del colector dividida entre la corriente de la base.

CC = IC / IB La ecuacin de la ganancia se puede reordenar en dos formas

equivalentes. La primera cuando se conocen los valores de CC e IB, permite calcular la corriente del colector mediante la siguiente ecuacin:

IC = CC * IB

La segunda, cuando se conocen los valores de la IC y CC se puede calcular la IB con:

IB = IC / CC

Las tres ecuaciones son importantes en el anlisis y el diseo de circuitos con transistores. Ejemplo. Un transistor tiene una corriente de colector de 10 mA y una corriente de base de 40 mA Cul es la ganancia de corriente del transistor? Solucin:

CC = IC / IB = 10 mA / 40 mA= 0.25 mA



3.4 TRES REGIONES DE OPERACIN La curva de la figura 3.7 exhibe tres regiones o reas, en cada una de las cuales la operacin de los transistores es diferente.

Fig.3.7 Familia de las curvas de salida

Primero se tiene la regin central, en la que el valor de VCE puede entrar entre 1-40V aproximadamente. Esta es la regin ms importante ya que representa la operacin normal de un transistor. En ella el diodo emisor esta polarizado directamente y el diodo colector tiene polarizacin inversa. Adems el colector se encuentra juntando o reuniendo casi todos los electrones que el emisor ha enviado a la base por esto los cambios en el voltaje del colector no tienen efecto sobre la corriente del colector. A esta regin se le da el nombre de regin activa prcticamente esta regin es la parte horizontal de la curva.

Otra de las regiones de operacin es la regin de rompimiento. El transistor nunca debe operar en ella, ya que en tal caso seria alternante probable su destruccin o bien su degradacin. Un transistor no esta diseado para operar en la regin de rompimiento.

Finalmente, en la parte ascendente de la curva donde VCE esta entre cero y aproximadamente 1V est mostrada por una inclinacin en de la curva, esta es la regin de saturacin. En esta regin el diodo del colector no esta polarizado inversamente.

En resumen la curva tiene una regin de saturacin, una regin activa y una regin de rompimiento. Un transistor puede operar sin peligro de saturacin o en la regin activa pero no en la regin rompimiento. En aplicaciones en las que el



transistor amplifica seales dbiles de radio y televisin siempre estar pasando la regin activa. 3.4.1 Configuracin de base comn

La terminologa relativa o base comn se desprende del hecho de que la base es comn a los dos lados de entrada y salida de la configuracin.

En la regin activa la unin colector- base esta inversamente polarizada mientras que la unin base-emisor se encuentra polarizada en forma directa en la regin de corte se define como aquella regin donde la corriente de colector es de cero en la regin de corte ambas uniones, colector-base y base-emisor, de un transistor estn inversamente polarizadas.

En la regin de saturacin las uniones colector-base y base-emisor estn polarizadas inversamente. 3.4.2 Configuracin de colector comn

La configuracin de colector comn se emplea fundamentalmente para propsitos de acoplamiento de impedancia, ya que tiene una elevacin de impedancia de entrada y una baja impedancia de salida. Que es lo opuesto a la configuracin de base comn y de emisor comn. 3.4.3 Circuitos de base comn

Como se mencion anteriormente, la base comn funciona con la seal de entrada y la de salida en un circuito de base comn. Al circuito de base comn tambin se le conoce como circuito de base a tierra. Este tipo de circuitos proporciona altas ganancias de voltaje, pero su ganancia de corriente es inferior a uno.

Por lo anterior, los transistores son amplificadores ideales, porque cuando se aplica una seal de CA a las terminales de entrada de un transistor, en las terminales de salida aparece una reproduccin amplificada de la misma seal. Aunque hay muchas maneras posibles de conectar las seales de entrada, solo hay tres configuraciones tiles de circuitos de transistores para la amplificacin de corriente o potencia de base comn, de emisor comn y de colector comn. As, el circuito de base comn ( base a tierra) la seal entra al circuito emisor-base y sale del circuito de colector-base.

En consecuencia, el elemento de la base del transistor es comn tanto al circuito de entrada como al circuito de salida debido a que el circuito de entrada emisor-base del transistor tiene baja impedancia (del orden de 1 a 100) y que la salida del transistor, sea el circuito del colector base tiene una alta impedancia del orden 1000 a 1M la ganancia de voltaje o potencia para la configuracin de base comn puede ser hasta de 1000.



En los transistores reales, ms o menos entre 97 y 99.5% la corriente del emisor llega al colector. Por lo tanto las ganancias de corriente de una configuracin de base comn siempre es menor de 1 sea la unidad. 3.4.4 Relacin entre cc y CC Como se vio en la leccin anterior cc es la ganancia dada por la relacin IC / IB. Sin embargo existe otra relacin entre IC e IE dada por CC siendo esta una ganancia tambin pero entre el colector y el emisor, dada por:

CC = IC / IE

Mediante un sencillo clculo matemtico se obtiene la relacin entre cc y CC dada por:

cc = CC / (1 - CC)

Ejemplo: Determine la cc y la CC si el transistor tienen una corriente de base de 50 mA y una corriente en el colector de 3.65 mA Solucin

cc = IC / IB = 3.65mA / 50 A = 73 CC = cc / (cc +1) = 73 / 74 = 0.986

3.4.5 Anlisis de la corriente

A continuacin se indica como calcular la corriente de la base. Suponga el voltaje en la resistencia de base es igual a la diferencia entre la fuente de voltaje VBB y la tensin de base a emisor VBE hay una resistencia RB. Aplicando la ley de Ohm a la resistencia de base para hallar la corriente de la base queda:

IB = (VBB VBE) / RB

Por otro lado los voltajes con un solo subndice (VC, VE, VB) se refieren al

voltaje de una de las terminales del transistor con respecto a tierra. Los subndices dobles (VBE, VCE, VCB) se refieren a voltaje entre dos terminales del transistor. Un voltaje con subndices dobles se pueden calcular restando los correspondientes voltajes con un solo subndice:

VCE =VC - VE VCB =VC VB VBE = VB VE



Ejemplo: Sea VBB = a 10 V y RB = 100 K. Cul es el valor de la corriente de base?

A menos que se diga otra cosa, el lector siempre puede suponer que se trata de un transistor de silicio y emplear la segunda aproximacin, esto significa que el valor de 0.7 volts para VBE estar bien. As como el resistor de la base tiene un voltaje de diodo de 10 V en su extremo izquierdo y 0.7 V en su extremo derecho, se tiene que entre sus extremos hay un voltaje de 9.3 V y esto da una corriente base de 93 mA.



IV

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (FET)


Utilizar los FETs en circuitos de aplicaciones especifica.


Aplicar la teora de los FETs por medio del armado de circuitos.

4.1 INTRODUCCIN El transistor bipolar es la espina dorsal de la electrnica lineal. Su funcionamiento de basa en dos tipos de cargas, electrones y huecos por esta causa se denomina bipolar, el prefijo bi significa dos. Para muchas aplicaciones lineales el transistor bipolar es la mejor seleccin. Pero hay otras muchas aplicaciones donde el transistor unipolar es el ms adecuado. El funcionamiento de un transistor unipolar depende de un solo tipo de cargas que puede ser de electrones o de huecos. A este hechos se debe su nombre Uni significa uno. El transistor de efecto de campo (FET) es un ejemplo de un transistor unipolar en esta unidad se estudian los tres tipos de transistores de efecto de campo bsicos, su estructura y su forma de trabajar. En la siguiente unidad se estudiaran los transistores de JFET (Transistor de Efecto de campo de Unin) el MOSFET de empobrecimiento y el MOSFET de enriquecimiento. Los principales usos de un JFET son como seguidor de fuente de forma similar al seguidor de emisor y como interruptor analgico (un circuito que transmite o bloquea seales alternas). El MOSFET de empobrecimiento se us inicialmente como interruptor digital, elemento calve en los circuitos de las computadoras. 4.2 JFET DE COMPUERTA NICA Debido a que las dos compuertas estn siempre conectadas al mismo potencial, el dispositivo acta como si tuviera una sola compuerta, la compuerta JFET es anloga a la base del transistor bipolar. En la figura 4-1(c), la compuerta es una regin p, mientras que la fuente y el dren son regiones n. Por esto, un JFET es similar a dos diodos. La compuerta y la fuente forman uno de los dos diodos y la compuerta y el dren constituyen el otro. Como los JFET son dispositivos de silicio solo se requiere de 0.7 V de polarizacin directa para tener una corriente significante en cualquiera de los dos diodos. Estos dos diodos conducen en igual forma que un diodo de silicio.



Fig. 4.1 (a) Seccin de un JFET (b) JFET de doble puerta (c) JFET de puerta nica Obsrvese la semejanza que hay entre un JFET y el transistor bipolar: ambos dispositivos tienen tres terminales de conexin externas, ambos tienen dos diodos internos con una barrera de potencial de 0.7 V y ambos tienen tres regiones de inters.

ANALOGA

Bipolar JFET Emisor Fuente

Base Compuerta Colector Dren



Debido a estas regiones similares, muchas de las ecuaciones del JFET son las ecuaciones del bipolar disfrazadas: Bipolar JFET E S (Source) Fuente B G (gate) Compuerta C D (Drain) Drenaje

Por ejemplo, en lugar de una corriente de emisor de CD IE, un JFET tiene una corriente de CD IS. En lugar de una corriente de CD IB, o una corriente de compuerta de CD Ib. En lugar de una corriente de colector de CD IC, tiene una corriente de dren de CD ID. Las semejanzas anteriores pueden conducir a pensar que se puede sustituir un JFET directamente en un circuito con transistores bipolares No es as! 4.3 POLARIZACIN DEL FET La figura 4.2 a presenta la forma normal de polarizar un JFET mire cuidadosamente y ntese que esta es diferente de la manera en que polarizamos un transistor bipolar.

a) Polarizacin normal del JFET b) Capas de empobrecimiento

Fig.4.2 Polarizacin normal del JFET 4.4 CORRIENTE DE COMPUERTA La gran diferencia de sta: en un transistor bipolar polarizamos en directa el diodo base-emisor, pero, pero en un JFET siempre polarizamos en inversa el diodo de compuerta-fuente. Debido a la polarizacin inversa slo una muy pequea corriente de inversa puede existir en la terminal de conexin de la compuerta como una aproximacin, la corriente de compuerta es cero, simblicamente,

Ib = 0

Ib = 0



Si un dispositivo no tiene corriente de entrada, Qu indica acerca de su resistencia? Cabe sealar que el dispositivo tiene una resistencia de entrada infinita. Por ejemplo; si VGS = 2V, IG = 0, la resistencia de entrada es

RG = 2V/0 = La situacin real es que IG no es enteramente cero, as que la resistencia

de entrada no es la del todo infinita. Pero si muy cercana. Un JFET caracterstico tiene una resistencia de entrada de cientos de mega ohms. Est es la gran ventaja que tiene un JFET sobre un transistor bipolar. Y es la razn de que los JFET son excelentes en aplicaciones donde se requiere una gran impedancia de entrada. Una de las aplicaciones ms importantes del JFET es la fuente seguidora. 4.5 EFECTO DE CAMPO El trmino efecto de campo se relaciona con las capas de empobrecimiento alrededor de cada regin P como se observa en la figura 4-2 (b.) Las uniones entre cada regin P y las regiones n tienen capas de empobrecimiento debido a que los electrones libres se difunden desde las regiones n dentro de las regiones P. Entonces la recombinacin de los electrones libres y huecos crea las capas de empobrecimiento Mostradas por las reas sombreadas de la figura 4-2 (b.) Ntese el rea entre las dos capas de empobrecimiento, cuando los electrones fluyen desde la fuente hacia el dren, deben pasar a travs del canal estrecho entre las dos capas de empobrecimiento cunto ms el negativo es el voltaje de compuerta, mas estrecho ser el canal. En otras palabras, el voltaje de compuerta puede controlar la corriente a travs del canal. Cunto mas negativo es el voltaje de compuerta, ms pequea ser la corriente entre la fuente y el dren. Como la compuerta de un JFET est polarizada en inversa en vez de estar polarizado en directa, el JFET acta como un dispositivo controlado por voltaje en lugar de ser un dispositivo controlado por corriente.

En un JFET, la cantidad de entrada que controla es el voltaje compuerta a fuente VGS, los cambios en VGS determinan cuanta corriente puede circular desde la fuente a dren.

Esto es completamente diferente del transistor bipolar donde la cantidad de entrada es la corriente de base IB. El voltaje de control va de la mano con una alta impedancia de entrada, mientras que la corriente de control implica una impedancia de entrada menor. En la figura 4-2 (a) el voltaje de voltaje de dren es positivo y el voltaje de alimentacin de la compuerta es negativo. Por eso, el voltaje entre la compuerta y el dren es negativo. En consecuencia el diodo compuerta-dren est polarizado en inversa. Como se ve, ambos diodos en un JFET estn polarizados en inversa durante el funcionamiento normal.



4.6 FUNCIONAMIENTO En el instante en que el voltaje de alimentacin del dren se aplica al circuito, los electrones libres empiezan a circular desde la fuente hacia el dren. Estos electrones libres tienen que pasar a travs del canal estrecho entre las capas de empobrecimiento. El voltaje de compuerta controla el ancho de este canal cuanto mas negativo sea el voltaje de compuerta, mas estrecho ser el canal y mas pequea ser la corriente de dren. Casi todos los electrones libres que pasan a travs del canal fluyen al dren. Por esto,

ID = IS sta es una aproximacin sumamente exacta. El nico error es la extremadamente pequea corriente inversa de la compuerta. Pero hablamos acerca de mas del 99.99% de los electrones libres que van desde la fuente al dren. Por esta razn, todos consideramos a la corriente del dren igual a la corriente de la fuente.

En otras palabras, Un JFET es menos sensible a cambios en el voltaje de entrada que un transistor bipolar. En casi cualquier JFET un cambio en VG = 5 de 0.1 V produce una variacin en la corriente de dren menor que 10 mA. Pero un transistor bipolar el mismo cambia en VBE produce una variacin en la corriente de salida mucho mayor que 10 mA. Eso significa que un amplificador JFET tiene mucha menor ganancia de voltaje que un amplificador bipolar. Por esta razn la primera regla de diseo que gobierna los dos dispositivos es esta, utilice bipolares para ganancia de voltaje alta y emplee JFET para alta impedancia de entrada. Frecuentemente, un diseador combina un JFET con un transistor bipolar para obtener lo mejor de ambos, por ejemplo, la primera etapa puede ser una fuente seguidora JFET y la segunda etapa puede ser un amplificador bipolar Ec. Esto proporciona un amplificador multietapa, una impedancia de entrada alta y una ganancia de voltaje grande. 4.7 SMBOLO ESQUEMATICO El JFET que hemos estudiado se llama JFET de canal n debido a que el canal entre las capas de empobrecimiento est hecho de semiconductor tipo n. La figura 4-4 a muestra el smbolo esquemtico de un JFET de canal n. Para ayudar a memorizarlo, Visualice la delgada lnea vertical ver Figura 4-3 (b) como el canal n; la fuente y el dren se conectan a esta lnea. Como la compuerta es una regin P y el canal es una regin n, la compuerta tipo P apunta hacia el canal n.



Fig.4.3 Smbolo esquemtico del FET de canal n En muchas aplicaciones de baja frecuencia, la fuente y el dren estn intercambiados debido a que se puede usar cualquier terminal como la fuente y la otra terminal como el dren. Por esta razn, el smbolo del JFET de la figura 4-3 a esta dibujado simtricamente con la flecha apuntando al centro del dispositivo. Cuando utilice el smbolo simtrico del JFET, se puede etiquetar las terminales o emplear abreviaturas. La fuente y el dren de la mayora de los JFET se puede utilizar como la fuente para bajas frecuencias, esto no se cumple a altas frecuencias, casi siempre, es fabricante minimiza la capacitancia interna en el lado del dren del JFET, la capacitancia entre la compuerta y el dren as mas pequea que la capacitancia entre la compuerta y la fuente. Estas capacitancias internas degradan el comportamiento de un circuito con JFET a altas frecuencias. Por esta razn, se prefieren unas terminales de fuente y dren especificas. La hoja de datos indica exactamente las terminales correspondientes. Un JFET de canal P. Consiste de un material tipo P con islas difundidas en el material tipo A. El smbolo esquemtico de un JFET de canal P es similar al del JFET de canal n, excepto que la flecha de la compuerta apunta desde el canal hacia la compuerta. La accin de un JFET de canal P es complementaria lo que significa que todos los voltajes y corrientes estn invertidos. 4.8 CURVAS DEL DREN En la figura 4.4 (a) Se observa un JFET con polarizacin normales.

En este circuito simple, el voltaje de compuerta-fuente VGS es igual al voltaje de alimentacin de la compuerta VGG y el voltaje del dren-fuente VDS es igual al voltaje de alimentacin del dren VDD. Inciso a.



Fig.4.4 polarizacin de JFET 4.9 CORRIENTE DE DREN MXIMA La corriente de dren mxima que sale de un JFET ocurre cuando el voltaje de compuerta-fuente es cero como se observa en la figura 4.5 (b) se puede ver que la fuente de alimentacin de la compuerta est reemplazada por un corto circuito, lo que garantiza que

VDS = 0

Finalmente el inciso c presenta la grfica correspondiente a la corriente dren ID contra el voltaje de dren-fuente VDS. Ntese la similitud con la corriente del colector. La corriente del dren se incrementa rpidamente al principio, luego se nivela y se hace casi horizontal. En regin entre Vp y VDS (mx.), la corriente de dren es casi constante. Si el voltaje de dren es demasiado alto, el JFET entra en la regin de ruptura tal como se muestra.

Semejante a un transistor bipolar, un JFET acta como una fuente de corriente cuando est operando a lo largo de la seccin casi horizontal de la curva de dren. Est parte casi horizontal de la curva de dren se localiza entre el voltaje mnimo Vp y el voltaje mximo VDS (mx.). El voltaje mnimo Vp se denomina voltaje de estancamiento y el voltaje mximo VDS (mx.) se llama voltaje de rompimiento. Entre el estancamiento y el rompimiento, el JFET acta aproximadamente como una fuente de corriente con un valor de IDSS.

El voltaje mnimo Vp se denomina voltaje de estancamiento y el voltaje mximo VDS (mx.) se llama voltaje de rompimiento. Entre el estancamiento y el



rompimiento, el JFET acta aproximadamente como una fuente de corriente con un valor de IDSS.

Por otro lado, IDSS representa la corriente desde el dren hacia la fuente con una compuerta en corto e IDSS es la corriente del dren mxima que un JFET ms importantes y es el primero que se debe considerar porque proporciona la limitacin de corriente en el JFET. Por ejemplo, el MPF102 tiene una IDSS caracterstica de que indica que la corriente del dren estar entre 0 mA para. Este es diferente de un transistor bipolar el cual no tiene un lmite superior aparte del valor con el que se quema. 4.10 CORTE Y ESTRANGULAMIENTO DE LA COMPUERTA

En la figura se muestra un conjunto de curvas de dren para un JFET con una IDSS de 10 mili amperes. La curva superior corresponde a un VGS = 0. El voltaje de rompimiento es de 30v. La siguiente curva inferior es para VGS = -1v, la que sigue para VGS = -2v, y as sucesivamente. Como se puede ver cuanto ms negativo sea el voltaje de compuerta-fuente, ms pequea ser la corriente de dren. La curva inferior especialmente importante. Ntese que un VGS = -4v reduce la corriente de dren a casi cero.

Fig. 4.5 Caractersticas de salida del JFET 4.11 CURVAS DEL DREN

Este voltaje se denomina de corte de compuerta-fuente. En las hojas de datos, se Este voltaje se denomina de corte de compuerta-fuente. En las hojas de datos, se presenta con VGS (off), As:

VGS(off) = -4v y Vp = 4v

Las magnitudes de estos voltajes son siempre iguales. Vale la pena recordarlo ya que muchas hojas de datos indican un solo valor y no los dos. Se hace esto porque se supone que se sabe que los dos voltajes son iguales en magnitud. Dar el valor de uno es equivalente a dar el valor de otro. Por ejemplo, la hoja de datos de MPF102 proporciona

VGS(off) = -8 V



Para el voltaje de corte de compuerta-dren.

Aunque el valor de estrangulamiento no se da, automticamente se sabe que:

Vp = 8 V

El recordatorio formal de cmo el voltaje de corte de compuerta-fuente se relaciona con el voltaje de estrangulamiento es:

VGS(off) = - Vp

Que indica que el voltaje de corte de compuerta-fuente es igual al negativo del voltaje de estrangulamiento. 4.12 REGIN OHMICA

El voltaje de estrangulamiento es el voltaje donde la curva superior cambia casi vertical a la horizontal. Es un voltaje muy importante ya que separa las dos regiones principales de funcionamiento del JFET. La parte casi vertical de la curva de dren se llama regin hmica y es equivalente a la regin de saturacin de un transistor bipolar. Cuando un JFET funciona en la regin hmica, acta como un resistor pequeo con un valor aproximadamente de:

RDS = Vp / IDSS Donde: Vp = voltaje de estrangulamiento IDSS = Corriente de dren mxima EJEMPLO

Una Hoja de datos especifica los siguientes valores del JFET; IDSS = 20 mA Y Vp = 5V. Cul es la corriente del dren mxima? Cul es el voltaje de corte de compuerta-fuente? Para cualquier voltaje de compuerta, la corriente de dren tiene que estar en est intervalo.

0 < IDSS < mA Cuando el voltaje de compuerta es cero, la corriente de dren tiene su valor mximo de

ID = 20 mA

El voltaje de compuerta-fuente tiene la misma magnitud del voltaje de estrangulamiento, pero con signo cambiado. Puesto que el voltaje de estrangulamiento es 5v. Entonces:

VGS(off) = -5v



As la resistencia de CD del JFET en la regin hmica es:

RDS = 5v / 20mA = 250 4.13 CURVA DE TRANSCONDUCTANCIA

La curva de transconductancia de un JFET es una grafica de la corriente de dren contra el voltaje de compuerta, o sea ID contra VGS. Al relacionar los valores de ID y VGS se puede dibujar la curva de transconductancia. En general, La curva de transconductancia de cualquier JFET tendr la misma forma slo que los nmeros sern diferentes.

La curva de transconductancia de cualquier JFET se basa el funcionamiento del JFET y es la misma para todos los JFET. Slo que el tamao de las regiones de impurificacin, el nivel de impurezas cambian de un JFET porque tienen una curva de transconductancia que es la grfica de la siguiente ecuacin.

ID =IDSS ((1- VGS)/ VGS (OFF))2

Con la ecuacin anterior, se puede calcular la corriente de dren una vez dada la corriente mxima, el voltaje de corte compuerta-fuente y el voltaje de compuerta. Esto es la forma algebraica de encontrar la corriente del dren.

Se puede ver a simple vista que la corriente de dren mxima es 10m A y que el voltaje de corte de compuerta-fuente es de 4v. Entre estos puntos extremos, en una grfica, es la parte no lineal. De hecho, la forma de la grfica es parte de una parbola, la curva que existe cuando las cantidades son elevadas al cuadrado. La cantidad que multiplica a IDSS en las ecuaciones entonces es el factor k, que est dado por:

K = (1 VGS / VGS(off) )2 La ecuacin tambin se puede escribir como:

ID = K IDSS

Si se tiene el valor de K para cualquier circuito, rpidamente se calcula la corriente del dren dada la corriente del dren mxima. A propsito, la ley cuadrada es otro nombre en lugar de parablica. Por eso los JFET se denominan frecuentemente dispositivos de la ley cuadrada. Y sta es otra gran diferencia entre un transistor bipolar y un JFET.

Las propiedades de la ley cuadrada de hacen que los JFET aventajan por

mucho los transistores bipolares cuando se usan en mezcladoras, circuitos que utilizan en equipos de comunicaciones.



Ejemplo Suponga que un JFET tiene una IDSS = 7 mA y VGS (off) = -3V. Calcule la corriente de dren para un voltaje de compuerta-fuente de 1V. K = (1- VGS / VGS (off))2 K = ((1- (-1)) /3)2 = (0.667)2 K = 0.445 ID = 0,445 (7 mA) = 3.11 mA 4.14 JFET IDEAL

A continuacin, se estudiarn dos aproximaciones de CD. Para cualquier JFET. Ambos se deducen en la forma siguiente: Si un fabricante pudiera producir un JFET ideal, esto es lo que sucedera a las curvas de la figura. Primero, no haba regin de rompimiento. Segundo, todas las curvas de dren se sobrepondran en la regin hmica. Tercero, todas las curvas de dren seran horizontales en la regin donde el comportamiento es el de una fuente de corriente, As se observan las curvas de dren de un JFET ideal y una lnea caracterstica de carga de CD. El JFET ideal tiene dos regiones principales de funcionamiento: la regin hmica

Fig. 4.6 Observe las curvas del dren de un JFET ideal y una lnea caracterstica de carga de CD. El JFET ideal tiene dos regiones principales de funcionamiento: la regin hmica (saturacin) y la regin de fuente de corriente (activa). La regin hmica del JFET es sumamente deseable ya que se puede utilizar en todos los tipos de aplicaciones de comunicacin analgica. Por esto que se ha incluido la parte casi vertical de las curvas de dren. Cuando se quiera que un JFET acte como un resistor, se debe asegurar de que el JFET este saturado, que su punto de operacin est en la parte casi vertical de las puntas del dren.



Pero cuando es necesario que un JFET acte como un resistor, se tiene que asegurar que el JFET est saturado que su punto de operacin est en la parte casi vertical de las curvas de dren. Pero cuando se desee que el JFET acte como una fuente de corriente se tiene que asegurar que el punto de operacin este en la parte horizontal del punto de dren. Puesto que hay dos regiones principales de funcionamiento, se necesitan dos modelos o circuitos equivalentes para describir el funcionamiento de CD Primero, aproximamos un JFET por el modelo de CD inciso a. 4.15 LNEA DE CARGA Como se puede ver, el lado de la entrada del JFET tiene una resistencia de entrada de CD RGS Si es necesario podemos calcular su valor al tomar la razn de los valores de VGS e IGS que se dan en la hoja de datos. Sin embargo la mayora de las veces, se puede ignorar ya que tiende al infinito. Recuerde que el lado de la salida, el JFET acta como una fuente de corriente de valor K IDSS. Este es el modelo de CD que se puede usar cuando el JFET funciona en la regin activa. Recuerde que el voltaje de estrangulamiento es aqu la gua. Cuando VDS es mayor que Vp, el JFET actuar, como una fuente de corriente para cualquier voltaje de compuerta. Dado IDSS e VGS(off) es posible calcular el valor de K para cualquier voltaje de entrada VGS. En un segmento del JFET del modelo hmico, ya no es vlido cuando el JFET funciona en la parte casi vertical de las curvas de dren. Ah, el JFET ya no se comporta como una fuente de corriente de lado de salida. Antes el dren actuaba como una resistencia de valor RDS. Se puede calcular el valor de RDS mediante la razn de Vp e IDS. 4.16 CIRCUITOS CON JFET A continuacin se vern algunos ejemplos de anlisis del JFET. Primero es necesario establecer las ecuaciones que se necesitan. Para empezar, debemos se tienen IDSS y VSG(off). Estas cantidades contribuyen la base. Sin ellas, no se tiene suficiente informacin para analizar el circuito. Dependiendo del avance del anlisis, se necesitan algunas o todas las frmulas que siguen:

VP = - VGS(off) RDS = Vp / IDSS

K = (1 (VGS / VGS(off)))2 ID = K IDSS VP = ID RDS



Ejemplo Cul es el voltaje de dren-fuente cuando VGS nulo? Considere una RD = 360 y VCC = 10V. Suponga que el JFET acta como una fuente de corriente. Como el voltaje de compuerta es nulo, la corriente de dren est en su valor mximo de 10mA. En consecuencia, el voltaje de dren-fuente es

VDS = 10V ((10mA)(360)) VDS = 6.4

Puesto que VGS(off) = -4V, el voltaje de estancamiento de PV es 4V. Debido a que

DSV es mayor que 4V, la suposicin acerca a la fuente de corriente es correcta. El calculo de DSV es idntico al clculo de CEV en un transistor bipolar excepto que combinan los subndices. As es como se ven los clculos en una frmula del JFET.

VDS = VDD ID RD La frmula bipolar correspondiente es

VCE = VCC IC RC Siguiendo con los datos del ejemplo anterior, el resistor se cambia por uno de 3.6 K. Ahora Cul es el voltaje de dren-voltaje? Supngase que el JFET acta como una fuente de corriente. Como el voltaje de compuerta es nulo la corriente de dren tiene su valor mximo de 10 mA en consecuencia; el voltaje de dren-fuente es

VDS = 10V ((10mA) (3.6 K)) VDS = - 26V Imposible!

El voltaje de dren no puede ser negativo, por ende se tiene un resultado absurdo, lo cual significa que el JFET no puede estar funcionando en la regin de fuente de corriente. Por lo tanto, debe estarlo en la regin hmica. As, pues, a continuacin se debe hacer lo siguiente. Puesto que al JFET est funcionando en la regin hmica, es necesario calcular el valor de DSR , que es igual al voltaje de estrangulamiento dividido entre la corriente de dren mxima.

VGS(off) = Vp = -4V,

Rohmica = 4V / 10 mA Rohmica = 400



Y despus se resuelve usando la ley de ohm: Por divisin de voltaje

VDS = (Rohmica / (RD + Rohmica)) VCC VDS = (400 + (3.6K + 400)) 10V VDS = 1V Ahora bien Cual es el voltaje de dren-fuente en el ejemplo anterior para VGS = -2.2V? Como GSV ha cambiado de 0 a -2.2 v, hay menos corriente de dren, es posible que el JFET no funcione ya ms en la regin hmica. Entonces se resuelve de la siguiente manera. Suponga que el JFET esta funcionando como una fuente de corriente. Primero, se obtiene el factor K y la corriente de dren como sigue:

K = (1 (2.2V / 4V))2 K = 0.203

Segundo: ID = K IDSS

ID = 0.203 (10mA) ID = 2.03 mA

Tercero, el voltaje de dren-fuente es:

VDS = VDD ID RD

VDS = 10V ((2.03mA) (3.6K)) VDS = 2.69V

Cuarto, el voltaje de estrangulamiento proporcional:

Vp = ID RDS Vp = (2.03mA)(400)

Vp = 0.812V

Este voltaje separa la regin hmica y la regin activa cuando GSV = -2.2v. Como un DSV de 2.69v es mayor que un Vp de 0.812v, el JFET esta funcionando como una fuente de corriente. Esta concuerda con la suposicin original. En consecuencia, la respuesta final es: VDS = 2.69V.



4.17 ESTRANGULAMIENTO PROPORCIONAL El voltaje de estrangulamiento separa la regin hmica de la regin activa cuando GSV no es igual a cero, podemos el voltaje de estrangulamiento proporcional como nuestra gua. Su smbolo es Vp este voltaje es la frontera entre la regin hmica y la regin de fuente de corriente para cualquier valor de GSV . Esta cantidad esta dada por:

Vp = ID RDS La forma de emplear esta ecuacin es la siguiente. Primero, se calcula DSR al dividir Vp entre .DSSI A continuacin multiplicamos DSR por la corriente de dren que circula para encontrar el valor de Vp. Este valor es la frontera entre las dos regiones de funcionamiento. 4.18 TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO CON COMPUERTA AISLADA.

Este tipo de transistor (IGFET) (el que a menudo se menciona como transistor de efecto de campo de semiconductor metal-oxido o MOSFET), este busca aumentar el valor de la impedancia de entrada de un amplificador. Los IGJFET, opera ya en el modo de incremento o de agotamiento (disminucin), en ciertos casos, en una combinacin de ambos. 4.19 MOSFET EN MODO EMPOBRECIMIENTO

El FET de semiconductor de metal-oxido, o MOSFET, tiene una fuente, una compuesta y un dren. Sin embargo, a diferencia de JFET la compuerta esta aislada elctricamente del canal. Por esto, la corriente de compuerta es extremadamente pequea, sin importar que la compuerta sea positiva o negativa. El MOSFET frecuentemente se llama IGFET, que quiere decir FET de compuerta aislada (en ingls insulated -gate FET). MOSFET en modo empobrecimiento, dispositivo muy semejante al JFET. El MOSFET en modo de enriquecimiento es diferente al JFET

En la figura se observa un MOSFET en modo empobrecimiento de canal n con una regin p. Consiste de un material n con una regin p a la derecha y una compuerta aislada a la izquierda. Los electrones libres pueden circular desde la fuente hacia el dren a travs del material n la regin p se denomina sustrato (o cuerpo). Los electrones que circulan desde la fuente hacia el dren deben pasar a travs del estrecho canal entre la compuerta y la regin p.

Una capa delgada de

Electrónica I

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