Transistores: BJT y CMOSfet

Transistor BJT (Base Junction Transistor):

El transistor es un dispositivo de tres zonas o capas. Podemos tener una zona de
material tipo n en medio de dos zonas de material tipo p, en este caso se denomina
transistor pnp, o bien tener una zona tipo p con dos zonas tipo n a cada lado, en cuyo
caso estaríamos hablando de un transistor npn:

El transistor BJT funciona como amplificador.

Video de como funciona un transistor BJT:

 

Transistor CMOSfet (Field Effect Transistor):

Este tipo de transistor es específico para eléctronica digital (01010101).

El transistor MOSFET está basado en la estructura MOS. En los MOSFET de enriquecimiento, una diferencia de tensión entre el electrodo de la Puerta y el substrato induce un canal conductor entre los contactos de Drenador y Surtidor, gracias al efecto de campo.

La estructura MOS:

La estructura MOS esta compuesta de dos terminales y tres capas: Un Substrato de silicio, puro o poco dopado p o n, sobre el cual se genera una capa de Oxido de Silicio (SiO₂) que, posee características dieléctricas o aislantes, lo que presenta una alta impedancia de entrada. Por último, sobre esta capa, se coloca una capa de Metal (Aluminio o polisilicio), que posee características conductoras. En la parte inferior se coloca un contacto óhmico, en contacto con la capsula, como se ve en la figura. 



 


La estructura MOS, actúa como un condensador de placas paralelas en el que G y B son las placas y el óxido, el aislante. De este modo, cuando V_GB=0, la carga acumulada es cero y la distribución de portadores es aleatoria y se corresponde al estado de equilibrio en el semiconductor.
Cuando V_GB>0, aparece un campo eléctrico entre los terminales de Puerta y substrato. La región semiconductora p responde creando una región de empobrecimiento de cargas libres p⁺ (zona de deplexión), al igual que ocurriera en la región P de una unión PN cuando estaba polarizada negativamente. Esta región de iones negativos, se incrementa con V_GB.

Video de como funciona un transistor Mosfet:

24 cuestiones de transistores.

1. Un transistor está constituido por dos uniones pn polarizadas:

-Una directamente y otra inversamente.

-Un diodo polariza directamente:

 

Aquí pongo otro dibujo para comprenderlo un poco mejor:

2. La corriente de electrones que circula por la base de un transistor NPN es:

-Un 4 % del total. Porque dijimos que Ic es aproximadamente Ie y se necesita muy poca corriente para poner en marcha el transistor:

No puede ser un 20 % de la total ni el 100 % de la total porque es demasiada corriente.

3. El efecto transistor consiste en:

-Hacer pasar una gran corriente por una unión NP polarizada inversamente, polarizando directamente la otra unión:

La respuesta es correcta porque es cuando cae toda la corriente, cuando amplifica el transistor.

4. La barrera de potencial que se crea en un transistor de silicio tiene un valor aproximado de:

0,7 voltios. Porque esa es la diferencia de potencial entre las dos patillas del diodo:

5. En la operación de un transistor el diodo colector-base tiene:

Polarización inversa porque pasa de n a p:

6. La ganancia de corriente de un transistor es:

La razón de división entre el colector y la base:

Beta es igual a Ic/Ib.

7. Si la ganancia de corriente beta = 200 e Ic = 100 mA; la corriente de base es igual a:

-0,5 mA: porque si beta es igual a 200 e Ic es igual a 100 mA; entonces Ib = 100/200 = 0,5 mA.

8. Si la ganancia de corriente beta = 100 y la Ic = 300 mA; la corriente de base es igual a:

-2,97 mA.    

Razonamiento científico:

Si beta = Ic/Ib; entonces Ib = Ic/100; Ic = 100.Ib;
entonces si Ie = Ic + Ib; Ie = 100.Ib + Ib;
entonces como Ie es aproximadamente Ic; 300 mA = 101.Ib;
finalmente queda que Ib = 300 mA/101 = 2,97 mA.

9. En un transistor NPN se mide Vbe = 0,7 V y Vce = 10 V. La Vcb será igual a:

-9, 3 voltios. Explicación:

Vcb = Vce - Vbe; Vcb = 10 V - 0,7 V = 9,3 V

-La diferencia de potencial entre colector-base es igual a la diferencia de potencial entre colector-emisor y base-emisor.

10. La potencia disipada por un transistor es aproximadamente:
Igual a la Ic multiplicada por:

-Vce porque por donde pasa la Ic es también donde estará la diferencia de potencial entre colector-emisor:

-P = V.I; entonces la potencia disipada será igual a Vce multiplicado por Ic. P = Vce.Ic

11. Si en el emisor de un transistor NPN se miden 5 V; ¿Qué tensión se mide en la base?

-Se medirán 5,7 V porque de la base al emisor hay un voltaje de 0,7 V, que es la diferencia de potencial entre las dos patillas del diodo. Entonces Vb = 5 + 0,7 V = 5,7 V.

-Vb = 5 + 0,7 V = 5,7 voltios.

12. Si en la base de un transistor PNP se miden 5 V, ¿Qué tensión se mide en el emisor?

-Se medirá 5,7 voltios, porque se sumará la tensión del diodo al ir de negativo a positivo:

-La respuesta es correcta porque vas del emisor que tiene 5 V a la base, que entre medias por el diodo le sumas 0,7 V.

13. Si Vcb = 5,1; en un transistor NPN:

-Vce será 5 V - 0,7 V = 4,3 V. Porque va de positivo a negativo:

14. Si Vcb = 5,1 V; en un transistor PNP:

Vce = 5,8 V. Vce es 5,8 V porque va de positivo a negativo y se suma:

15. A partir de el siguiente circuito; Ic es igual a :

 

 -Ic es igual a 6,06 mA:

-En saturación Vce es igual a 0 así que aplicamos la ley de ohm a las mallas y calculamos Ic:

20 V - 3,3 K.Ic - Vce = 0
20 V - 3,3 K.Ic - 0 = 0
Ic = 20 V/3,3 K = 6,06 mA.

16. A partir del siguiente circuito, calcular la Ic y la Vc:

 

-Calculamos primero la Ve porque sabemos Vbb y sabemos el voltaje que hay en el diodo.
Ve = 2,5 V - 0,7 V = 1,8 V.

Ve/1,8 K = Ie; Ie es aproximadamente igual a Ic.

1,8 V/1,8 K = 1 mA. Ic será aproximadamente 1 mA.

Ahora calculamos la Vc a partir de la ley de ohm, como tenemos la Ic podemos calcular Vc.

Vc = 20 V - 10 K.1 mA = 20 V - 10 V = 10 V.

17. La I por el LED es igual a:

 

-Calculamos la Ie aplicando la ley de ohm.

Ie = 2 V - 0,7 V/100 V = 13 mA

Dijimos que Ie es aproximadamente Ic así que la intensidad que pasa por el LED es aproximadamente 13 mA.

18. A partir del siguiente circuito, calcular Ic y Vbb:

Primer paso:

Calculo la Ic para poder calcular Vbb porque Ic es aproximadamente Ie.

24 V - 1 K.Ic - 2V = 0
22 V - 1 K.Ic = 0
Ic = 22 V/1 K = 22 mA


Segundo paso:

Calculo la Ib a partir de la ganancia (beta).

Beta = Ic/Ib
Ib = 22 mA/150 = 0,14 mA.


Tercer paso:

Calculo Vbb a partir de Ib.

Vbb - 47K.0,14 mA + 0,7 V =0

Vbb = 47 K.0,14 mA + 0,7 V = 7,28 V

19. A partir del siguiente circuito, calcular la Rb:

 

 

 Paso 1: Calcular la Rb:

 

Ie = 2,5 V/0,5 K = 5 mA.

 

Paso 2 : Conozco la ganancia, es decir, beta, así que puedo calcular la I que pasa por la base porque Ie es aproximadamente Ic.

 

250 = 5 mA/Ib; Ib = 5 mA/ 250 = 0,02 mA

 

Paso 3: Sabiendo ahora la I que pasa por la base puedo calcular la Rb:

 

Rb = 15 V - 0,7 V - 2,5 V/ 0,02 mA = 590 K.

 

20. Calcular la Vc del siguiente circuito:

 

 

 Paso 1: Calculo la Vb:

 

Vb = 10.100 K/330+100 K = 2,3 V

 

Paso 2: Calculo la Ve:

 

Ve = Vb - 0,7 V = 2,3 - 0,7 = 1,6 V

 

Paso 3 : Calculo la Ic para saber que tensión pasa por la resistencia de 150 K (Ic es aproximadamente Ie):

 

Ic = Ie = 1,6 V/51 K = 0,03 mA

 

Voltaje que pasa por la resistencia de 150 K = 0,03 mA.150 K = 4,78 V

 

Vc = 10 V - 4,78 V = 5,21 V.

 

21. Calcular la Vc del siguiente circuito:

 

 

 

 

Paso 1: Calcular la Vb:

 

Vb = 10.33 K/ 50K + 33 K = 3,67 V

Paso 2: Ic es aproximadamente Ie así que calculo primero la Ve para poder calcular después la Ic:

 

Ve = Vb + 0,7 V = 3,67 V + 0,7 V = 4,67 V.

 

Ic = Ie = 10 V - 4,67 V/39 K = 0,136 mA

 

Paso 3: calculo la Vc:

 

Vc = 0,136 mA.10 K = 1,36 V.

 

22. Calcular la Vc a partir del siguiente circuito:

 

 

 

 

Paso 1: calculo la Ib:

 

0= 10 K.Ib + 0,7 K + 10 K.100.Ib - 15 V

 

0= 1010 K.Ib + 0,7 - 15V

 

Ib = -0,7 + 15 V/1010 K = 0,011 mA

 

Paso 2: calculo la Ic:

 

Ic = 100.Ib; Ic = 100.0,011 mA = 1,1 mA

 

Paso 3: calculo la Vc:

 

Vc = 15 V - 1,1 mA.4,7 K = 8,34 V

 

23. A partir del siguiente circuito, sacar la Ic y la Rb:

 

 



 Paso 1: primero calculamos la Icmáx, para poder saber luego la Ic media que será la Icmáx dividida entre dos:

 

Icmáx = 20 V/2 K = 10 mA; Ic = 10 mA/2 = 5mA

 

Paso 2: calculamos Ib a partir de beta e Ic:

 

β = Ic/Ib; 5 mA/Ib = 100; Ib = 5 mA/100 = 0,05 mA

 

Paso 3: sabiendo ahora la Ic podemos calcular la Rb:

 

20 V - 0,05 mA.Rb - 0,7 V = 0

 

Rb = 19,3 V/0,05 V = 3,86 K

 

24. A partir del siguiente circuito, calcular la I que pasa por el LED; el transistor es PNP:

 

 

 

 

Paso 1: divisor de tensión:

 

 

Vb = 12 V.620 Ω/680 Ω + 620 Ω = 5,7 V

 

Paso 2: calcular la Ve:

 

Ve = 5,7 V + 0,7 V = 6,4 V

 

Paso 3: calcular la Ic que pasa por el LED:

 

Ic = 12 V - 6,4 V/ 200 Ω; Ic = 5,6 V/ 200 = 28 mA

 

 

 

 

 

Factor de potencia

¿Para que sirve?

-Una bobina ``retrasa´´ la intensidad. Crea un campo magnético, no hace trabajo real. 

Ejemplo: Un motor; hace trabajo real eléctrico, pero también ``gasta/pierde´´ potencia en el campo magnético.

¿Cuándo se aprovecha toda la intensidad?

P = V.I.cos φ 
φ  = 0
 

• Cuando φ  = 0; cos φ  = 1; porque cos 0º = 1

• En las resistencias:

P = V.I.cos φ  = V.I

A la potencia que se ``aprovecha´´ se le llama potencia activa.

A la potencia que no genera trabajo se le llama potencia reactiva.

Todo esto se puede representar en la siguiente ilustración con dos ejes de coordenadas:

En una empresa me interesa que el cos de φ = 1, es decir que el ángulo de desfase no sobrepase este valor, porque si no pueden multar a la empresa y encima tienen que pagar.

En este caso φ = 0. Pero para que esto no pase las grandes fábricas utilizan condensadores gigantes.

Esto no pasa, las empresas solo intentan conseguir que toda la potencia ``gastada´´ sea activa.

A continuación dejo un video que explica el factor de potencia:

Problema 3 del transistor

Enunciado: 

Hallar la Ib y Rb para que el transistor esté en activa:


 

Datos: G = 100; Vbe = 0,625 V; Vce = 7,59 V

• Paso 1:

    
Aplicamos la fórmula de las mallas para calcular la Ic:

10 V-2,2 K.Ic-7,59 V = 0
Ic = 10 V-7,59 V/2,2 K = 1,09 mA. 

• Paso 2:

   A continuación como sabemos la Ic podemos calcular la I de base a partir de la ganancia (beta).

Beta = Ic/Ib; 100 = 1,09 mA/Ib; Ib = 1,09 mA/100 = 0,0109 mA 

• Paso 3:

Ahora sabemos la I de base, así que podemos calcular la Rb:

5 V-0,0109.Rb-0,625 V = 0;
Rb = 5 V-0,625 V/401 K.

  

Transistor: la I de base

El transistor como amplificador:

El transistor de trabajo debe situarse aproximadamente en el centro de la recta de carga.

Si se desplaza  a la zona de saturación la intensidad de colector se hace máxima y deja de responder a los incrementos de intensidad de base.

Si se desplaza a la zona de corte la intensidad de colector se hace cero y el transistor no conduce.

Entre el corte y la saturación, el transistor funciona como amplificador, ya que, a cada intensidad de base (del orden de microamperios) corresponde una intensidad de colector amplificada (del orden de miliamperios).

 

Ib en corte:

 

 

Ib en saturación:

 



Funcionamiento del transistor

Representación  de un transistor trabajando con dos resistencias:

 

Punto de corte:

El transistor no conduce, cuando el transistor no conduce en sus extremos ( colector, emisor) cae toda la tensión de alimentación:

Punto de saturación:

  

El transistor conduce, Vce es casi un cortocircuito: