Transistores Bipolares

1. Transistores Bipolares Electrónica I

2. Contenido • Principios físicos • Modelos de Ebers-Moll • Estado activo directo • Estados de corte y saturación • La recta de carga • Transistor pnp • Análisis del punto Q

3. Contenido (continuación) • Modelo estático SPICE del transistor bipolar • Efectos de segundo orden • Modelo dinámico del transistor • La conmutación del transistor • Modelo dinámico SPICE del transistor bipolar • Fabricación de CI

4. Introducción Los transistores de unión bipolares o bipolares tienen aplicaciones en electrónica analógica y digital. En electrónica analógica sus funciones son: amplificar señales, generar tensiones de referencia, proporcionar energía, proteger de sobrecalentamiento, etc. En electrónica digital sus funciones son: interruptores controlados por corriente, memorias digitales, etc.

5. Construcción El transistor bipolar se construye como un emparedado de tres regiones, tipo n, p, y n (o p, n, p). La base tipo p(n) se empareda por el emisor y el colector tipo n(p). Transistor npn Transistor pnp Base Colector Emisor Base Colector Emisor n p n p n p E E C C B B E C E C B B

6. Polarización en zona activa La unión de emisor y base se polariza directamente y la unión base colector se polariza inversamente. Base Colector Emisor E C n p n E C B B Potencial de los electrones

7. Corrientes en el transistor

8. continuación iE – corriente total de emisor iB – corriente total de base iC – corriente total de colector giE– corriente de electrones inyectados a la base at(giE) = aFiE – fraccíón de corriente de electrones inyectados que llegan al colector. at – factor de transporte

9. RiDC aFiDE iE iC iB iDE iDC Modelo de Ebers-Moll La corriente en el colector es: Sustituyendo Similarmente para el emisor

10. Continuación La ley de reciprocidad establece que: Donde aF es la alfa directa y aR es la alfa inversa. Sustituyendo en las ecs. anteriores

11. Estados del transistor Los estados del transistor se pueden resumir en la siguiente tabla: Polarización de las uniones Estado Base emisor Base colector Activo directo Directa (vBE > Vg) Inversa (vBC < Vg) Transistor inverso Inversa (vBE < Vg) Directa (vBC > Vg) Cortado Inversa (vBE < Vg) Inversa (vBC < Vg) Saturado Directa (vBE > Vg) Directa (vBC > Vg)

12. vBC Saturación Activo inverso 0.5 0 vBE 0 0.5 Corte Activo directo continuación

13. Estado activo directo En el amplificador de emisor común la fuente en el circuito de base polariza directamente a la unión base-emisor y una fuente de mayor tensión polariza inversamente la unión base-colector. El voltaje vBE deberá ser mayor que la tensión de codo y los términos que llevan vBE son mucho mayores que 1. La tensión vBC es mucho menor que la tensión de codo, las exponenciales que incluyen vBC son mucho menores que 1. Las ecuaciones de Ebers-Moll quedan como: El segundo término es mucho más pequeño que el primero, simplificando llegamos a:

14. Características de transferencia De la ley de Kirchhoff de corrientes se llega a: Definimos la beta directa del transistor como: Entonces: y Es fácil mostrar que la ecuación de entrada en emisor común es:

15. Configuración de base común En la configuración de base común la terminal de la base del transistor es común al circuito de entrada (izquierda) y al de salida (derecha). Las fuentes se etiquetan repitiendo el nombre de la terminal a la cual están conectadas. IE IC n p n C E B IB + - - + VEE VCC

16. Características de entrada en Base común Las características de entrada en base común relacionan la corriente de emisor IE, con el voltaje en la unión de emisor-base VBE para diferentes valores del voltaje de salida VCB. Para considerar que un transistor está encendido supondremos VBE = 0.7V

17. Características de salida Las características de salida en base común relacionan la corriente de colector IC, con el voltaje en la unión de colector-base VCB para diferentes valores de la corriente de entrada IE. Aquí se distinguen las diferentes regiones de operación.

18. Corriente de saturación inversa ICBO Esta es la corriente que circula en la unión base-colector cuando la corriente de emisor es igual a cero.

19. a del transistor La alfa en corriente directa se define como Los valores típicos son de 0.9 a 0.998. Si el punto de operación se desplaza sobre la curva característica, se define la alfa de corriente alterna Los valores típicos de aac son prácticamente iguales adc.

20. El transistor como amplificador Considere la siguiente red donde se ha omitido la polarización. Ii IL p n p + C E VL Ri 20 Ohm R Vi = 200 mV B 5k Ohm - Ii = 200mV/20 = 10 mA IL = Ii = 10 mA VL = ILRL = (10mA)(5k Ohm) = 50 V Ganancia de voltaje = VL/Vi = 50V/200mV = 250

21. Configuración de emisor común Configuración de emisor común para transistores npn y pnp.

22. Características de entrada en Emisor común Las características de entrada en emisor común relacionan la corriente de emisor IE, con el voltaje en la unión de emisor-base VBE para diferentes valores del voltaje de salida VCE.

23. Características de salida Las características de salida en emisor común relacionan la corriente de colector IC, con el voltaje en la unión de colector-base VCB para diferentes valores de la corriente de entrada Ib. Aquí se distinguen las diferentes regiones de operación.

24. Corrientes en emisor común De las corrientes del transistor tenemos: IC = aIE + ICBO Pero IE = IC + IB, sustituyendo, IC = aIC + aIB + ICBO Reordenando Definimos ICEO = ICBO/(1 – a) con IB = 0

25. Ejemplo

26. b del transistor Definimos la b de corriente continua como Suele tener un valor de entre 50 a 400. En las hojas de datos se especifica como hFE. La b de ac se define como En las hojas de datos se especifica como hfe.

27. Ejemplo

28. Relación entre a y b Dado que a = IC /IE y b= IC /IB y además IE = IC + IB, es fácil mostrar que Además se puede mostrar que ICEO = bICBO IC = bIB IE = (b + 1)IC

29. Configuración de colector común La impedancia de entrada de esta configuración es alta y la de salida es baja. Las características de salida son las mismas que las de emisor común reemplazando IC por IE. Las características de entrada son las mismas que para emisor común. E E IE p IE n IB IB n p B B p VEE n VEE VBB C VBB C IC IC

30. Límites de operación En las hojas de datos de los transistores se especifica la corriente máxima del colector y el voltaje máximo entre emisor y colector VCEO o V(CEO). La potencia de disipación máxima se defino por: PCmax = VCEIC Se debe cumplir: ICEO < IC < ICmax VCEsat < VCE < VCEmax ICEIO < PCmax

31. Hojas de datos 2N4123

32. Encapsulados TO-92 TO-18 TO-39 TO-126 TO-220 TO-3

34. Construcción

35. B C iB bFiB vBE E Modelo de emisor común Modelo de gran señal para el transistor en emisor común

36. n(x) n(0) x Emisor Base Colector Almacenamiento de cargas minoritarias La concentración de electrones en la unión base-emisor es: Sustituyendo el factor exponencial La pendiente de esta curva es proporcional a la corriente de colector

37. iC IB1 Activo directo Saturación IB2 IB3 Corte IB4 IB=0 vCE VCE,sat= 0.2 IB4 Activo inverso IB3 Corte IB2 IB1 Saturación Estados de corte, saturación y activo inverso Zonas de funcionamiento para los cuatro estados del transistor sobre las curvas características de salida.

38. C C ICB0 B B E E B C iB iC 0.7 V 0.2 V E Corte y saturación En la región de corte las corrientes del transistor son cero. Si se considera los efectos de la temperatura, habrá que incluir la corriente inversa de saturación entre colector y base. En saturación el transistor no funciona como fuente de corriente controlada por corriente. Cuando está saturado biBiC.

39. C iC VBC= 0.7 V bRiB iB B E Funcionamiento activo inverso En este caso la corriente de emisor es -bRiB, donde Por la ley de Kirchhoff Dado que bR + 1 << bF, las curvas en el tercer cuadrante están menos separadas que en las del primer cuadrante.

40. + Punto Q RC iC 50 40 - Recta de carga de entrada VCC iB 30 + - + vCE 20 + -1 10 RB - VBB vBE - 0 vBE 0.7 VBB RB La recta de carga La recta de carga es una ayuda para obtener las corrientes y tensiones de un dispositivo cuando está descrito pos sus curvas características. Las variables de entrada deben cumplir dos restricciones simultáneamente. La característica de entrada iB y vBE debe estar en algún punto de la curva no lineal. La otra condición es la impuesta por el circuito externo. La recta de carga pasa por los puntos (vBE, iB)=(VBB, 0) y (vBE, iB)=(0, VBB/RB).

41. iC(mA) iB=60mA 6 iB=50mA 5 50 iB=40mA 4 40 iB=30mA 3 30 Q iB=20mA 20 2 10 iB=10mA 1 0 vBE VCE (voltios) 0.5 0.7 VBB 0 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC Caida de tensión en el transistor Caida de tensión en la resistencia Recta de carga (continuación) VCC/RC

42. + iC 2kW - - vBC iB + - + + vCE + 120kW - vBE - iB 2 3 1 vBE Vg 0.7 VBB Recta de carga de saturación Para el circuito de la figura: 8V VBB Cuando la base alcanza 39mA, el transistor alcanza la saturación.

43. iC(mA) iB=60mA iC 6 iB=50mA iB=IB 5 iB=40mA 4 iB=30mA 3 bIB iB=20mA 2 iB=10mA Incremento de VBB 1 0 IC vCE 1 2 3 4 5 6 7 8 vCE VCE,sat= 0.2 Una medida cuantitativa de saturación es la beta forzada, definida para el transistor saturado por

44. n n Emisor Base Colector Emisor Base Colector n QFA QS Emisor Base Colector Almacenamiento de cargas en un transistor saturado La concentración de carga de minoritarios es la superposición de concentraciones individuales creadas por los incrementos idénticos de vBE y vBC. Límite del valor de saturación QT = QFA + QS Inyección del emisor Inyección del colector

45. iE iC iE iC E p p n C iB iB B RiDC aFiDE iE iC iB iDE iDC Transistor pnp C E B

46. iC + vBE iB -0.7 vCE + iC(mA) vBE iE iB - - Entrada Salida vCE -0.2 Configuración de emisor común Características de entrada y salida:

47. B C B C iB C iB iC vBE B 0.7 V 0.2 V E E E Zona de saturación Zona activa Análisis del punto Q bFiB Zona de corte

48. Análisis del estado activo • Si el transistor trabaja en el modo activo directo, se puede sustituir • el transistor por su modelo activo de gran señal. • El análisis de beta infinita hace las siguientes suposiciones: • VBE = 0.7 para npn y –0.7 para pnp. • IB = 0 • IC = IE • Para niveles de corriente bajos es conveniente utilizar el SPICE.

49. Análisis cuando el estado es desconocido • Análisis de circuitos con transistores de tres estados: • Hacer una suposición razonada acerca del estado del transistor • Hacer un diagrama del circuito, sustituir cada transistor por el modelo para su supuesto estado. • Analizar el circuito resultante para obtener valores de prueba asociadas con cada modelo. • Examinar las variables de prueba, buscando contradicciones al estado supuesto. • Si hay una contradicción, hacer una nueva suposición basada en la información calculada y volver al paso 2. • Cuando no haya contradicciones, las tensiones y corrientes calculadas a partir del circuito equivalente se aproximan a las del circuito real.

50. Prueba de validez para los estados del transistor supuestos. Como el estado activo inverso ocurre raramente, las pautas suponen primero funcionamiento en el primer cuadrante donde el funcionamiento activo inverso no puede ocurrir. • Suponiendo funcionamiento activo directo: • Sustituir por el modelo activo directo • Si iB 0, suponemos corte. • Si VCE 0.2, suponemos saturación. • Suponiendo corte • Sustituir el modelo de corte • Si VBE 0.5, suponer transistor activo • Suponiendo saturación • Sustituimos por el modelo de saturación • Si iB < 0, suponemos corte • Si iC > bFiB, suponemos funcionamiento activo directo