DOSSIER TRANSISTORES PDF

Preview

Summary

DOSSIER 2 ABRIL 2020 SEROTSISNART | BY ARELY GALINDO DAVID ISLAS & PREFACIO Este dossier trata sobre el dispositivo más versátil en la historia de la electrónica, el transistor, capaz de manipular las señales según sea dispuesta la configuración, nos permite conmutar o amplificar, con el podemos...

Description

SEROTSISNART

DOSSIER 2 ABRIL 2020 BY ARELY GALINDO DAVID ISLAS |

&

PREFACIO Este dossier trata sobre el dispositivo más versátil en la historia de la electrónica, el transistor, capaz de manipular las señales según sea dispuesta la configuración, nos permite conmutar o amplificar, con el podemos trabajar bajas señales pequeñas o a alta frecuencia, en un circuito de 5V o uno de 130V, pero para hacerlos debemos conocer las capacidades del dispositivo, por eso, en los siguientes capítulos, abordamos los tipos de transistores según su función, además algunos circuitos interesantes con el transistor, como un generador de ondas e incluimos reportes de practicas para entender más sobre las zonas de saturación, amplificación y corte; finalmente para asegurar un entendimiento completo del tema, se agregó un glosario de términos dedicado al tema de estudio.

[1] Marques, Angelo Eduardo B. Dispositivos semicondutores: diodos e transistores. Saraiva Educação SA, 1997.Recuperado de https://books.google.es/books?hl= es&lr=&id=GrdiDwAAQBAJ&oi=fnd&pg=PA6&dq=transistores&ots=lUFpc0b05v&sig=cLx16jaRC 7lTCwBOEKQGV-7k3eU#v=onepage&q=transistores&f=false

TABLA DE CONTENIDOS PREFACIO

2

TRANSISTOR IGBT

23

LINEA DEL TIEMPO DEL TRANSISTOR

5

TRANSISTOR UNI-UNIÓN

25

SEMICONDUCTORES

7

TRANSISTORES DE ALTA FRECUENCIA

27

REGIONES DE OPERACIÓN

10

PROCESO CMOS

31

TRANSISTOR BJT

11

COMPUERTAS LÓGICAS

38

TRANSISTOR MOSFET

14

BOOTSTRAP DIRVER

41

EL FOTOTRANSISTOR

18 PUENTE H CON BOOTSTRAP

TRANSISTORES DE POTENCIA 21

GENERADOR DE ONDAS

45

46

TABLA DE CONTENIDOS AMPLIFICADORES

58

REPORTES DE PRÁCTICAS

59

GLOSARIO

63

REFERENCIAS

68

LINEA DE TIEMPO

1897

Tubo de rayos catódicos Desarrollado por Karl Ferdinand, son tubos de vacío de vidrio donde un cañón de electrones emite una corriente de electrones hacia una pantalla, mas tarde se utilizarían en las televisiones [2]

1909

El triodo Lee de Forest inventor americano con más de 300 patentes registradas hasta este día; inventa el triodo que es una válvula termoiónica , reconocida como el primer dispositivo amplificador abriendo camino a la electrónica de potencia. [3]

1925

‘Un método capaz de controlar corrientes

El físico austro-húngaro Julius Edgar Lilienfeld solicitó en Canadá, una patente para lo que él denominó "un método y un aparato para controlar corrientes eléctricas" y que se considera el antecesor de los actuales transistores de efecto campo. [4]

1938

Experimentos de amplificación de señales los investigadores alemanes Robert Pohl y Rudolf Hilsch efectuaron experimentos en la Universidad de Göttingen, con cristales de bromuro de potasio, usando tres electrodos, con los cuales lograron la amplificación de señales de 1 Hz.[5]

1938

Experimentos en laboratorios Bell Con rectificadores a base de óxido de cobre y a base de semiconductores por parte del alemán Walter Schottky y del inglés Nevill Mott, llevo a William Shockley a estudiar la construcción de amplificadores a base de semiconductores, en lugar de tubos de vacío. [5]

1947

1948

Primer transistor de contacto de punto

Dentro de los laboratorios Bell de AT&T. John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley (ganadores del Premio Nobel de Física en 1956) buscan crear un conmutador que se pudiera utilizar en la telefonía, así fue como el transistor reemplazaba al triodo. [5]

Transistores de Germanio Inmediatamente se comprobó que el nuevo dispositivo poseía enormes ventajas, como eran su reducido tamaño y su fiabilidad; con el transistor nació también una nueva era, conocida como la de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TICs). [5]

1948

Se recibe patente por el transistor En los primeros días de enero del año, presentaron una patente para la fabricación del primer transistor de puntas de contacto de la historia, en la que no figuraba Shockley como autor. [6]

1948

Transistor de Union William Shockley crea el transistor de unión que en principio era de aleaciones de indio a caras opuestas de una lamina de germanio que se encapsulaban en plástico pero eran de rápido deterioro, aparecieron en mercado en 1952. [5]

1952

Transistor de efecto de campo En este año se recibe la patente por los transistores JFET el cual tenia un funcionamiento basado en el control del paso de corriente por el campo aplicado en la puerta construida por una o varias uniones n-p. [7]

1952

Arreglo Darlington el ingeniero Sidney Darlington solicitó la patente del arreglo de dos transistores conocido actualmente como transistor Darlington. Donde el transistor compuesto actúa como una sola unidad con una ganancia de corriente producto de las ganancias individuales [8]

1953

Transistor de Barrera Conocido como el primer transistor de alta frecuencia, de superficie de germanio desarrollado por Jhon Tiley y Richard Williams capaz de operar 60Mhz [5]

1954

Transistor de silicio Desarrollado en los laboratorios Bell en enero de ese año, por el quimico Morris Tanenbaum y Calvin Fuller y solicitaron patente hasta un año después. El silicio se volvería el material dominante en el mercado hasta la actualidad. [9]

1954

Funcionamiento del transistor Aparecen tres trabajos principales para la comprensión del funcionamiento de los transistores debidos a Giacolectto, Ebers Moll. Además de las contribuciones de Kroaner. [5]

1954

Transistor comercial Gracias a la cooperación de Gordon Teal que había trabajado anteriormente en los laboratorios Bell, Texas instruments lanza el primer transistor de silicio comercial, en Junio de ese año. [5]

1960

Transistor MOSFET El primer transistor de este tipo fue construido por el coreano estadounidense Dawon kahng y el egipcio Martin Atalla en los Laboratorios Bell, construido de un metal, un oxido y un semiconductor. Empezando la construcción de la electrónica miniaturizada. [3]

5

1961

Circuitos integrados Comercialización de los circuitos integrados por Texas Instruments y Fairchild, con una pequeña escala de integración (SSI)

1962

Mosfet Desarrollo del MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) por Fairchild

1966

MSI Se alcanza la integración a mediana escala MSI (Medium Scale Integration o integración a escala media). Comprende circuitos de aplicación general que realizan funciones lógicas más complejas que las citadas anteriormente.

1969

LSI Se alcanza la integración a gran escala LSI (Large Scale Integration o integración a gran escala). Son circuitos que realizan funciones lógicas muy complejas.

1971

Microprocesador 4004 Primer microprocesador (en un circuito integrado todo el procesador de una computadora), lo realizaron los ingenieros Ted Hoff y Federico Faggin en Intel y fue el 4004, de 4 bits y 275 transistores. El 4004 fue lanzado en un paquete de 16 pines CERDIP el 15 de noviembre de 1971

1975

VLSI Se alcanza la integración a muy gran escala (VLSI). VLSI (Very Large Scale Integration o integración a muy gran escala).

1999

Chip Molecular Se presenta el chip molecular, basado en moléculas de rotaxano, que harían las funciones de los transistores, si este proyecto finalmente se lleva a cabo un solo ordenador con un microprocesador molecular sería más potente que la suma de todos los ordenadores que existen en la actualidad.

2000

Circuito integrado (Nobel) . Premio Nobel de Física para Jack Kilby por la invención del circuito integrado.

2001

Athlon XP AMD tuvo que diseñar un nuevo núcleo, y sacó el Athlon XP. Este compatibilizada las instrucciones SSE y las 3D Now, se puede mencionar la pre recuperación de datos por hardware.

1952

Pentium 4 Prescott Intel introdujo una nueva versión de Pentium 4 denominada Prescott. Primero se utilizó en su manufactura un proceso de fabricación de 90 nm y luego se cambió a 65 nm.

2007

Phenom Phenom fue el nombre dado por Advanced Micro Devices (AMD) a la primera generación de procesadores de tres y cuatro núcleos basados en la micro arquitectura K10.

2008

Core i7 Los Core i7 son los primeros procesadores que usan la micro arquitectura Nehalem de Intel y es el sucesor de la familia Intel Core.

2008

Phenom II Phenom II es el nombre dado por AMD a una familia de microprocesadores o CPUs multinúcleo (multicore) fabricados en 45 nm, la cual sucede al Phenom original y dieron soporte a DDR3.

2011

2012

Chips Nehalem

Llegan para remplazar los chips Nehalem, con Intel Core i3, Intel Core i5 e Intel Core i7 serie 2000 y Pentium G. Estos procesadores Intel Core que no tienen sustanciales cambios en arquitectura respecto a nehalem, pero si los necesarios para hacerlos más eficientes y rápidos que los modelos anteriores.

Chips Nelhalem Permite meter el doble de ellos en la misma área. Un mayor número de transistores significa que puedes poner más bloques funcionales dentro del chip. Es decir, este será capaz de hacer un mayor número de tareas al mismo tiempo.

2013

Haswell Haswell es el nombre clave de los procesadores de cuarta generación de Intel Core. Son la corrección de errores de la tercera generación e implementan nuevas tecnologías gráficas para el gamming y el diseño gráfico, funcionando con un menor consumo y teniendo un mejor rendimiento a un buen precio.

2014

Haswell-E Las nuevas líneas de procesadores no innovarán principalmente desde el campo del número de núcleos, sino en la energía consumida, el tamaño y la velocidad, por lo que las computadoras que los utilicen serán más delgadas, ligeras y tendrán mayor autonomía por carga.

[2] Williams Villalta, Nathalia. "Evaluación de la adición de vidrio del panel frontal de tubos de rayos catódicos en el elaboración de concreto." (2010). [3] Alvarado, Pablo. "Introducción a la fabricación de Circuitos Integrados." Recuperado el 2 (2006). [4] Edgar, Lilienfeld Julius. "Method and apparatus for controlling electric currents." U.S. Patent No. 1,745,175. 28 Jan. 1930. [5] Mira Mira, José. "Efemérides: Su excelencia el Transistor cumple cincuenta años." Revista 100cias@ uned 1 (1998): 70-74. [6] WILLIAM, Shockley. Transistor amplifier. U.S. Patent No US 2,524,035 19 Ene. 1948. [7] BABCOCK, Jeffrey A., et al. Schottky junction-field-effect-transistor (JFET) structures and methods of forming JFET structures. U.S. Patent No 8,207,559, 26 Jun. 2012. [8] Boylestad, Robert L., and Louis Nashelsky. Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. PEARSON educación, 2003. Recuperado https://books.google.es/books?hl=es&lr=&id=hHVWXmr_RcYC&oi=fnd&pg=PA1&dq=arreglo+darlington+transistores+jfet&ots=6GjMGeF4vs&sig=2aRgVXpbloyenpRZ4ENy5xTSGY#v=onepage&q&f=false [9] “Three-dimensional semiconductor memory devices and manufacture method thereof”. 三星电子株式会社 .2011. china. CN102201416B [10]“Mejoras introducidas en los sistemas de electrodos de capa de bloqueo” Koninklijke Philips NV.1954.españa. ES222691A1 “Fabricación de dispositivos semiconductores” Fuller C S, Morris T. 1955.USA. US2861018A

de

6

Semiconductores Qué son y cómo se fabrican?

Un semiconductor se fabrica mediante un proceso que se conoce como dopado. El dopado consiste en introducir impurezas dentro de cristales de un material base durante su formación. Los materiales más comunes utilizados como bases son el Germanio (Ge) y el Silicio (Si). [30] En las plantas productoras de semiconductores, se inicia un crecimiento de cristales de Silicio, y mientras éstos crecen son expuestos a dosis controladas de Arsénico (As). El Arsénico se introduce en los cristales y les provoca un efecto de carga eléctrica: como el átomo de Arsénico posee cinco electrones y el de germanio solo cuatro, existe una carga resultante negativa en el cristal. El material resultante se conoce como Silicio N (N=negativo). Si en vez de crear una carga negativa se quiere crear una carga positiva, el material se expone a Boro (B) en el caso del Silicio. [31] TRANSISTORES  |   N

Un semiconductor es un material que bajo ciertas condiciones resulta ser aislante, pero bajo otras condiciones resulta ser conductor, de ahí su nombre. Por lo general, los semiconductores son aislantes, pero conforme aumenta su temperatura se vuelven conductores. [30]

DAVID ISLAS Editor

7

DECEMBER 2016

¿Cuándo se inventó el transistor y quién lo desarrolló? Aunque el invento "oficial" del transistor se produjo en 1947, tuvo varios antecedentes. Así, ya  en 1925, el físico austrohúngaro Julius Edgar Lilienfeld solicitó en Canadá una  patente  para lo que describió como "un aparato para controlar corrientes eléctricas", que se considera el antecesor de los actuales transistores de efecto campo o unipolares. Sin embargo, Lilienfeld no publicó ningún artículo de investigación sobre sus dispositivos ni sus patentes citan ejemplos específicos de un prototipo de trabajo y, debido a que la producción de materiales semiconductores de alta calidad no estaba disponible por entonces, sus ideas sobre amplificadores de estado sólido no hallaron salida práctica. En 1934, el inventor alemán Oskar Heil patentó en Alemania y Gran Bretaña un aparato similar, y cuatro años después los también alemanes Robert Pohl y Rudolf Hilsch

DAVID ISLAS Editor

LOS FÍSICOS JOHN BARDEEN Y WALTER HOUSE BRATTAIN

efectuaron  experimentos  en la Universidad de Göttingen con cristales de bromuro de potasio usando tres electrodos, con los cuales lograron la amplificación de señales de 1 Hz, pero sus investigaciones tampoco condujeron a usos prácticos.Mientras tanto, en 1938, la experimentación en los Laboratorios Bell (Nueva Jersey, Estados Unidos) con rectificadores a base de óxido de cobre llevó a William Bradford Shockley, jefe del llamado Grupo de Física del Estado Sólido, a pensar que era posible lograr la construcción de amplificadores a base de semiconductores, en lugar de tubos de vacío. Su intuición se vio finalmente confirmada cuando,  el 17 de noviembre de 1947, los físicos John Bardeen y Walter House Brattain,

TRANSISTORES  |   N

8

Referencia.

[30]OHNO, H. (1998). FABRICACIÓN DE SEMICONDUCTORES NO MAGNÉTICOS FERROMAGNÉTICOS. CIENCIA , 281 (5379), 951-956. [31]MENDIVIL REYNOSO, T. (2010). FABRICACIÓN DE TRANSISTORES FET A BASE DE UNA PELÍCULA DELGADA DE ÓXIDO DE ZINC (MASTER'S THESIS, MENDIVIL REYNOSO, TEMISTOCLES). [32]JOSKOWICZ, J. (2012). HISTORIA DE LAS TELECOMUNICACIONES. INSTITUTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, FACULTAD DE INGENIERÍA, UNIVERSIDAD DE LA REPÚBLICA MONTEVIDEO, URUGUAY.

LABORATORIOS BELL miembros del equipo de los Laboratorios Bell, empezaron una serie de experimentos en los que observaron que, al aplicar dos contactos puntuales de oro a un cristal de germanio, se producía una señal con una potencia de salida mayor que la de entrada.  Shockley, en colaboración con ambos, perfeccionó el sistema y –a sugerencia del ingeniero John R. Pierce– lo bautizaron como "transistor". En reconocimiento a este logro, Shockley, Bardeen y Brattain fueron galardonados conjuntamente con el  Premio Nobel  de Física de 1956, "por sus investigaciones sobre semiconductores y su descubrimiento del efecto transistor". Curiosamente, en 1948, el transistor de contacto fue inventado de forma independiente por los físicos alemanes Herbert Mataré y Heinrich Welker  mientras trabajaban en la Compagnie des Freins et Signaux, una subsidiaria francesa de la estadounidense Westinghouse. Mataré tenía experiencia previa en el desarrollo de rectificadores de cristal de silicio y de germanio, de la época en que había trabajado para intentar perfeccionar un radar alemán durante la  Segunda Guerra Mundial. Usando este conocimiento, empezó a investigar el fenómeno de la "interferencia" que había observado en los rectificadores de germanio durante la guerra. En junio de 1948, Mataré produjo resultados consistentes y reproducibles utilizando muestras de germanio elaboradas por Welker, de modo muy similar a como Bardeen y Brattain lo habían logrado anteriormente.  Al darse cuenta de que los  científicos  de Laboratorios Bell ya habían patentado el transistor antes que ellos, los francoalemanes se apresuraron a poner en producción su dispositivo bajo el nombre de "transistron", para su uso en la red telefónica de Francia. [32]

TRANSISTORES  |   N

DAVID ISLAS Editor

9

Regiones de operación

Un transistor esta en corte cuando la corriente de colector la corriente de emisor 0 Ic Ie 0 En este argumento el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito Como no hay corriente circulando no hay caída de voltaje ver Ley de Ohm Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base Ib 0 33  

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

,

 

 = (

=

 Región de saturación  

=

=

,

(

=

=

).

 

 

,

.

. (

). [

 

).[

 

, 

 

=

 

 

 

,

(

 

. 

 

=

 

=

).

 

.

 

]

 Región Activa

Un transistor está saturado cuando la corriente de colector la corriente de emisor la corriente máxima Ic Ie I máxima En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de los resistores conectados en el colector o el emisor o en ambos ver L a ley de Ohm Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente grande como inducir una corriente de colector ß veces más grande recordar que Ic ß x Ib 33  

 

 

 

=

 

 

 Región de Corte

uando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia la región activa En esta región la corriente de colector Ic depende principalmente de la corriente de base Ib de ß ganancia de corriente de un amplificador es un dato del fabricante y de las resistencias que hayan conectadas en el colector y emisor Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador 33  

 

,

.

(

(

),

)

(

 

,

)

).

 

 

. [

]

Corresponde a un punto Q con una IC prácticamente nula y un voltaje VCE elevado Si hacemos nula la Iß la IC ICEO es decir tendrá un valor muy pequeño y por lo tanto la c d t en RC será mín...