Transistores de Efecto de Campo

El transistor de efecto de campo (FET) (pos sus siglas en ingles Field Efect Transistor) es un dispositivo de tres terminales que es utiliza para diversas aplicaciones, en gran parte, similares a las del transistor BJT, la principal diferencia entre los dos tipos de transistores es el hecho de que el transistor BJT es un dispositivo controlado por corriente, mientras que el transistor JFET es un dispositivo controlado por voltaje. Así como existen transistores bipolares NPN Y PNP también hay transistores de efectos de campo de canal – N y de canal – P. El prefijo bi indica que el nivel de conducción está en función de dos portadores de carga: los electrones y los huecos. El FET es un dispositivo unipolar que depende únicamente de la conducción de electrones (canal – N) o de huecos (canal – P).

Una de las características más importantes del FET es su gran impedancia de entrada, con un nivel de 1 y hasta varios cientos de megaohms, excede por mucho los niveles típicos de resistencia de entrada de las configuraciones con transistor BJT. El transistor BJT tiene una mayor sensibilidad ante cambios en la señal aplicada, eso quiere decir que la variación en la corriente de salida es mucho mayor para el caso de los BJTs que para el caso de los FETs. También los FETs son más estables a la temperatura que los BJTs, y los primeros son frecuentemente de construcción más pequeña los BJTs, lo cual los hace particularmente útiles en los circuitos integrados. Las características de construcción de algunos FETs los pueden hacer de manejo más delicado que los BJTs. Luego se menciona la existencia de dos tipos de FETs: el transistor de efecto de campo de unión (JFET) y el transistor de efecto de campo metal-oxido-semiconductor (MOSFET), la categoría MOSFET se divide en dos tipos, decremental e incremental. El transistor MOSFET se ha convertido en uno de los dispositivos más importantes utilizados en el diseño y la construcción de los circuitos integrados para computadores digitales.

Construccion y características de los JFETs:

El JFET es un dispositivo de tres terminales, con una terminal capaz de controlar la corriente de las otras dos. En el análisis del transistor BJT, se utilizo el transistor NPN para la mayoría de las secciones de análisis y diseño, y luego se dedico solo una sección al impacto del uso del transistor PNP. Para el caso del transistor JFET el dispositivo de canal – N aparecerá como el dispositivo principal y se dedicaran párrafos y secciones al impacto del uso de un JFET de canal – P. En la construcción del JFET la mayor parte de la estructura es el material de tipo N que forma el canal entre las capas integradas de material tipo P. La parte superior del canal de tipo N se encuentra conectada por medio de un contacto óhmico a una terminal referida como drenaje (D), mientras que el extremo inferior del mismo material se conecta por medio de un contacto óhmico a una terminal referida como fuente (F). Los dos materiales de tipo P se encuentran conectados entre sí y también con la terminal de compuerta (G). Por tanto, el drenaje y la fuente se encuentran conectados a los extremos del canal de tipo N y la compuerta a las dos capas de material tipo P.

Transistores Bipolares de Union

Durante el periodo de 1904 a 1947, el tubo al vacio o bulbo fue, sin duda, el dispositivo electrónico de mayor interés y desarrollo. J. A. Fleming fue su quien lo presento, después de su aparición se le añadió un tercer elemento al dispositivo denominado rejilla de control, el responsable fue el señor Lee de Forest. Con el paso del tiempo aquellos bulbos fueron aumentando en cuanto a producción de cerca de un millón de unidades en 1922 hasta llegar en 1937 a una cantidad aproximada de 100 millones de unidades, esto fue gracias a su gran utilidad en la radio y televisión. En los años siguientes, la industria se convirtió en una de las más importantes y se lograron rápidos avances en la parte del diseño, técnicas de fabricación, aplicaciones de alta potencia y frecuencia y a la miniaturización. Luego de esto los señores Walter H. Brattain y John Bardeen demostraron la primera acción de amplificación del primer transistor en los laboratorios Bell Telephone.

Construcción del Transistor:

El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consta de ya sea dos capas de material tipo N y una capa tipo P, o bien de dos capas de material tipo P y una tipo N. A la primera capa se le denomina transistor NPN y a la segunda transistor PNP. Las capas también son denominadas emisor a la primera capa, a la segunda base y a la tercera capa colector. También se habla de la abreviatura BJT, de Transistor Bipolar de Unión (del ingles Bipolar Junction Transistor), suele aplicarse a este dispositivo de tres terminales. El término bipolar refleja el hecho de que tanto huecos como electrones participan en el proceso de inyección hacia el material polarizado en forma opuesta.

Operación del Transistor:

Los transistores PNP y NPN tienen ciertas similitudes en sus funciones, una de ellas es que el espesor de la región de agotamiento se reduce debido a la polarización aplicada, lo que da como resultado un flujo muy considerable de portadores mayoritarios desde el material tipo P hacia el material tipo N. También se dice que cuando una unión P – N de un transistor se encuentra en polarización inversa, mientras que la otra se encuentra en polarización directa. Una gran cantidad de portadores mayoritarios se difundirán a través de la unión P – N en polarización directa hacia el material tipo N. La cuestión es ahora si estos portadores contribuirán de forma directa con la corriente de base IB o si pasaran directamente hacia el material tipo P. Debido a que el material de tipo N del centro es muy delgado y tiene una baja conductividad, un número muy pequeño de estos portadores tomara esta trayectoria de alta resistencia hacia la terminal de la base. Luego aplicamos las leyes de Kirchhoff y obtenemos como resultado que la corriente del emisor es la suma de las corrientes del colector y de la base.

Laboratorio: Diodo Semiconductor

Objetivos:
- Identificar los nombres del terminal de diodo segun su ubicacion.
- Establecer la diferencia de las polarizaciones en directo y en inverso.


Materiales:
- Protoboard.
- Diodos (4 unds.)
- Cable UTP.
- Resistencias de 1 Kilo ohmnio (1 und.)
- Fuente de voltaje.
- 3 LEDS.
- Diodo zenner.
- Multimetro.


Marco Teórico:

Un componente semiconductor se define como un material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido.

Las propiedades eléctricas de un material semiconductor vienen determinadas por su estructura atómica. En un cristal puro de germanio o de silicio, los átomos están unidos entre sí en disposición periódica, formando una rejilla cúbica tipo diamante perfectamente regular. Cada átomo del cristal tiene cuatro electrones de valencia, cada uno de los cuales interactúa con el electrón del átomo vecino formando un enlace covalente. Al no tener los electrones libertad de movimiento, a bajas temperaturas y en estado cristalino puro, el material actúa como un aislante.

Diodo:

Es un componente electrónico que permite el paso de la corriente en un solo sentido. Los diodos más empleados en los circuitos electrónicos actuales son los diodos fabricados con material semiconductor. El más sencillo, el diodo con punto de contacto de germanio, se creó en los primeros días de la radio. En los diodos de germanio (o de silicio) modernos, el cable y una minúscula placa de cristal van montados dentro de un pequeño tubo de vidrio y conectados a dos cables que se sueldan a los extremos del tubo.

Procedimiento:

- Hacer montaje de los circuitos en la protoboard.

- Con ayuda del multimetro medir el voltaje en R1 en el montaje 1 y tabular el voltaje obtenido.

- Con ayuda del multimetro medir el voltaje en R2 en el montaje 2 y tabular el voltaje obtenido. 

- Que diferencia existe entre el valor de los montajes 1 y 2

Semiconductores

Los semiconductores son materiales cuya conductividad varía con la temperatura, pudiendo comportarse como conductores o como aislantes. Resulta que se desean variaciones de la conductividad no con la temperatura sino controlables eléctricamente por el hombre.

Para conseguir esto, se introducen átomos de otros elementos en el semiconductor. Estos átomos se llaman impurezas y tras su introducción, el material semiconductor presenta una conductividad controlable eléctricamente.

Existen dos tipos de impurezas, las P y las N, que cambian la conductividad del silicio y determinan el tipo de cristal a fabricar. Por tanto, como hay dos tipos de impurezas habrá dos tipos fundamentales de cristales, cristales de impurezas P y cristales de impurezas tipo N.

El material semiconductor más utilizado es el Silicio (Si), pero hay otros semiconductores como el Germanio (Ge) que también son usados en la fabricación de circuitos. El silicio está presente de manera natural en la arena por lo que se encuentra con abundancia en la naturaleza. Además, el Si presenta propiedades mecánicas y eléctricas buenas. Su purificación es relativamente sencilla (llegándose a Si puro del 99,99999%) y el Si se presta fácilmente a ser oxidado, formándose SiO2 y constituyendo un aislante que se utiliza en todos los transistores de la tecnología CMOS.

CRISTAL DE SILICIO PURO

Se denomina semiconductor puro aquél en que los átomos que lo constituyen son todos del mismo tipo, es decir no tiene ninguna clase de impureza.

La disposición esquemática de los átomos para un semiconductor de silicio podemos observarla en la figura, Las regiones sombreadas representan la carga positiva neta de los núcleos y los puntos negros son los electrones, menos unidos a los mismos. 

La fuerza que mantiene unidos a los átomos entre sí es el resultado del hecho de que los electrones de conducción de cada uno de ellos, son compartidos por los cuatro átomos vecinos.

A temperaturas bajas la estructura normal es la que se muestra en la figura en la cual no se observa ningún electrón ni hueco libre y por tanto el semiconductor se comporta como un aislante.

CONDUCCIÓN DEL CRISTAL DE SILICIO PURO

A la temperatura ambiente (20-25 grados C.) algunas de las fuertes uniones entre los átomos se rompen debido al calentamiento del semiconductor y como consecuencia de ello algunos de los electrones pasan a ser libres. En la figura siguiente se representa esta situación. La ausencia del electrón que pertenecía a la unión de dos átomos de silicio se representa por un círculo. Cuando un electrón puede vencer la fuerza que le mantiene ligado al núcleo y por tanto abandona su posición, aparece un hueco, y le resulta relativamente fácil al electrón del átomo vecino dejar su lugar para llenar este hueco.  Este electrón que deja su sitio para llenar un hueco, deja a su vez otro hueco en su posición inicial, De esta manera el hueco contribuye a la corriente lo mismo que el electrón, con una trayectoria de sentido opuesto a la de éste.

Bobinas

La bobina consiste en un hilo conductor enrollado. Al pasar una corriente a través de la bobina, alrededor de la misma se crea un campo magnético que tiende a oponerse a los cambios bruscos de la intensidad de la corriente. Al igual que un condensador, una bobina puede utilizarse para diferenciar entre señales rápida y lentamente cambiantes (altas y bajas frecuencias). Al utilizar una bobina conjuntamente con un condensador, la tensión de la bobina alcanza un valor máximo a una frecuencia específica que depende de la capacitancia y de la inductancia. Este principio se emplea en los receptores de radio al seleccionar una frecuencia específica mediante un condensador variable. Si una bobina de N vueltas, se coloca en la región de un flujo cambiante, se inducirá un voltaje en la bobina de acuerdo con la ley de Faraday, la cual dice que si un conductor se mueve a través de un campo magnético de manera que corte líneas magnéticas de flujo, se inducirá un voltaje en el conductor. Entre mayor es el número de líneas de flujo cortadas por unidad de tiempo o más intenso es el campo magnético, mayor será el voltaje inducido en el conductor. Otra forma de bobinas son los reóstatos que son resistencias bobinadas variables dispuestas de tal forma que pueda variar el valor de la resistencia del circuito en que está instalada, como ya sabemos, son capaces de aguantar más corriente. . A las resistencias variables se le llaman reóstatos o potenciómetros, con un brazo de contacto deslizante y ajustable, suelen utilizarse para controlar el volumen de radios y televisiones.

Condensadores

El condensador es uno de los componentes más utilizados en los circuitos eléctricos. Un condensador es un componente pasivo que presenta la cualidad de almacenar energía eléctrica. Está formado por dos laminas de material conductor (metal) que se encuentran separados por un material dieléctrico (material aislante). En un condensador simple, cualquiera sea su aspecto exterior, dispondrá de dos terminales, los cuales a su vez están conectados a las dos laminas conductoras. Los condensadores no son más que dispositivos que permiten la carga y descarga de energía y por lo tanto el almacenamiento de las mismas en el tiempo que sea necesario. Por tanto, son dispositivos que evitan el disparo repentino del flujo de energía almacenando una cantidad de la misma dentro de ellos. La capacidad de los condensadores depende no solo de los materiales “dieléctricos” que usan los diferentes fabricantes, sino también de la distancia que tienen las placas de separación. El flujo de protones y electrones dentro del capacitor dependen de la distancia que los separa, pues dicha distancia facilita o impide el más rápido traspaso de contaminante a las placas.

Leyes de Kirchhoff

Si un circuito tiene un número de derivaciones interconectadas, es necesario aplicar otras dos leyes para obtener el flujo de corriente que recorre las distintas derivaciones. Estas leyes, descubiertas por el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff, son conocidas como las leyes de Kirchhoff. La primera, la ley de los nudos, enuncia que en cualquier unión en un circuito a través del cual fluye una corriente constante, la suma de las intensidades que llegan a un nudo es igual a la suma de las intensidades que salen del mismo. La segunda ley, la ley de las mallas afirma que, comenzando por cualquier punto de una red y siguiendo cualquier trayecto cerrado de vuelta al punto inicial, la suma neta de las fuerzas electromotrices halladas será igual a la suma neta de los productos de las resistencias halladas y de las intensidades que fluyen a través de ellas. Esta segunda ley es sencillamente una ampliación de la ley de Ohm.

Primera Ley de Kirchhoff:

La corriente entrante a un nodo es igual a la suma de las corrientes salientes. Del mismo modo se puede generalizar la primera ley de Kirchhoff diciendo que la suma de las corrientes entrantes a un nodo es iguales a la suma de las corrientes salientes.

Segunda Ley de Kirchhoff:

En un circuito cerrado, la suma de las tensiones de batería que se encuentran al recorrerlo siempre será igual a la suma de las caídas de tensión existente sobre los resistores.

Circuitos

Circuito en Serie

Se define un circuito serie como aquel circuito en el que la corriente eléctrica solo tiene un solo camino para llegar al punto de partida, sin importar los elementos intermedios. En el caso concreto de solo arreglos de resistencias la corriente eléctrica es la misma en todos los puntos del circuito.

I1 = I2 = I3 = I4 ... In

V = V1 + V2 + V3 ...Vn

R = R1 + R2 + R3 ... Rn

I = Corriente

V = Voltaje

R = Resistencia

Circuito en Paralelo

Se define un circuito paralelo  como aquel circuito en el que la corriente eléctrica se  bifurca en cada nodo. Su característica mas importante es el hecho de que el potencial en cada elemento del circuito tienen la misma diferencia de potencial.

I1 = I2 = I3 = I4 ... In

V = V1 + V2 + V3 ...Vn

R =                1                

        1  +  1  +  1  ...  1 

       R1     R2    R3      Rn

I = Corriente

V = Voltaje

R = Resistencia

Circuito Mixto

Es una combinación de elementos tanto en serie como en paralelos. Para la solución de estos problemas se trata de resolver primero todos los elementos que se encuentran en serie y en paralelo para finalmente reducir a la un circuito puro, bien sea en serie o en paralelo.