Electrónica Analógica. Conferencia #4 Funcionamiento y características del transistor bipolar.

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1 Electrónica Analógica Conferencia #4 Funcionamiento y características del transistor bipolar. Transistor bipolar. Principio de funcionamiento. Modelos y representación del BJT. Modos de operación. Bibliografía: Microelectrónica. Millman, J., Grabel, A. Sexta edición. Capítulo 3 pág Objetivos: Estudiar el principio de operación del transistor bipolar. Analizar el modelo y las ecuaciones de Ebers-Moll, así como las características principales del transistor. Conocer los diferentes modos de operación del transistor bipolar y sus características fundamentales. El transistor bipolar (Bipolar Junction Transistor, BJT) es un dispositivo estructurado a partir de uniones P-N, estudiadas en el tema anterior. Los transistores bipolares son muy utilizados en aplicaciones de amplificación y conmutación. El surgimiento de los transistores marcó un paso muy importante en el desarrollo de la electrónica, permitiendo reducir el tamaño de los diferentes circuitos y mejorando las características eléctricas de los mismos, además de que abrió un campo extenso de posibilidades para el diseño de diferentes dispositivos. El nivel de integración alcanzado en la actualidad no hubiera sido posible sin la aparición y el progreso de los transistores, que constituyen los principales componentes de la estructura interna de los circuitos integrados ( Integrated Circuits, ICs). Los IC modernos están formados generalmente por miles o millones de transistores. Principio de operación del transistor bipolar (BJT) Para explicar el principio de operación del transistor bipolar se tomará como base un transistor pnp en base común, con la unión E-B polarizada en directa y la B-C en inversa (figura 1). Al polarizar la unión E-B en directa se reduce la barrera de potencial en esta por lo que aparece una inyección de huecos del emisor a la base y también ocurre una pequeña circulación de electrones de la base al emisor. La concentración de impurezas de la base es mucho menor que la del emisor, ya que este tiene como función fundamental proporcionar la mayor parte de los portadores de carga para la conducción. Los huecos inyectados por el emisor en la base se difundan hacia la unión B-C. La región de la base es muy estrecha, lo que permite que solo un pequeño número de los huecos que penetran en esta se recombinen con los electrones y desaparezcan. Para mantener neutra la región de base, la fuente de polarización le entrega electrones para reponer los que se perdieron por recombinación, lo que corresponde con la corriente de base. Los huecos que alcanzan la unión B-C, son halados hacia el colector por el campo eléctrico existente en esta región, el cual se intensificó producto de la polarización inversa aplicada, que provocó también un aumento en la barrera de potencial y por tanto en el ancho de la ZCE de la unión. Existe otra pequeña contribución a la corriente de

2 colector dada por los portadores generados térmicamente, esta última componente constituye la corriente de saturación inversa de la unión B-C. Figura 1. Componentes de corriente en un transistor PNP con la unión E-B polarizada en directa y la B-C en inversa. Teniendo en cuenta los fenómenos explicados con anterioridad es posible plantear el modelo de gran señal (Figura 2) y las ecuaciones de Ebers-Moll para el transistor pnp Figura 2. Modelo de gran señal (Ebers-Moll) de un transistor bipolar pnp La corriente de emisor tiene dos componentes, una asociada con el diodo representando la unión E-B (I ED ) y la otra con el aporte proporcionado por la unión B-C (I CD ). De

3 forma similar la corriente de colector está formada por la corriente I CD (corriente del diodo representando la unión B-C) y una parte de la corriente I ED, constituida por el conjunto de portadores que lograron difundirse hacia el colector no habiéndose perdido por recombinación. En (1) y (2) se enuncian las ecuaciones de Ebers-Moll. / / ( V EB VT VCB VT I = I α I = I e 1) α I ( e 1) E ED R CD ES R CS VCB / VT VEB / VT I = I α I = I ( e 1) α I ( e 1) C CD F ED CS F ES (1) (2) Las corrientes I ES y I CS son las corrientes inversas de saturación de las uniones E-B y C- B respectivamente, ambas son del orden de A. Los parámetros α F (0,98 αf 0,998) y αr (0,4 α R 0,8) son menores que la unidad, ya que no toda la corriente de una unión llega completamente a la otra, se pierde una parte por recombinación en la base. Es importante señalar que en un transistor bipolar el emisor y el colector tienen diferentes características en cuanto a geometría y concentraciones. En efecto, el área del emisor es considerablemente más pequeña que la del colector, ya que en el modo de operación más frecuente del BJT, el colector debe manejar mayor potencia y por tanto se requiere de una superficie mayor para la disipación de calor. El emisor presenta un nivel de dopaje elevado, ya que generalmente es utilizado como fuente de emisión de portadores, lo cual provoca que αf se acerque a 1. La base tiene una concentración de impurezas más baja que el emisor, pero más alta que el colector, lo cual permite que la ZCE de la unión B-C se extienda fundamentalmente hacia el colector, además este no es utilizado normalmente como emisor de portadores por lo que no se necesitan altos niveles de dopaje. Debido a lo planteado con anterioridad cuando se polariza en inversa entre base y colector, el número de portadores disponibles para la conducción es pequeño, lo que hace que α R sea menor que α F. Los parámetros α F, α R, I CS y I ES se relacionan por (3). α I = α I (3) F ES R CS Existen transistores bipolares npn, donde el emisor y el colector son regiones de tipo n y la base es p. El modelo y las ecuaciones de Ebers-Moll son válidos para esta clase de transistor si se invierten todas las corrientes y voltajes con respecto al caso del pnp (ecuaciones (4) y (5)). Es de destacar que en los transistores npn se transportan fundamentalmente electrones en lugar de huecos como ocurría en un pnp. Es importante señalar que en las ecuaciones de Ebers-Moll planteadas no aparece el parámetro η en los términos correspondientes a las uniones p-n que conforman el transistor. Esto ocurre porque para los semiconductores fundamentales empleados en la construcción de transistores (germanio y silicio) y teniendo en cuenta los valores relativamente altos de corriente manejados en el dispositivo este parámetro toma el valor 1. I = I + I = I e + I e 1) / / ( V EB VT VCB VT E ED αr CD ES 1) αr CS( (4) VCB / VT VEB / VT I = I + α I = I ( e 1) + α I ( e 1) (5) C CD F ED CS F ES

4 Figura 2. Modelo de gran señal (Ebers-Moll) de un transistor bipolar npn En la figura 3 se muestra la representación simbólica del transistor, la saeta en el emisor indica el sentido convencional de la corriente en el modo de operación más común, o sea, con la unión B-E en directa y C-B en inversa. Figura 3. Símbolo eléctrico del transistor bipolar. En un BJT las uniones pueden ser polarizadas en directa o inversa de forma independiente. En la tabla 1 se muestran los modos de operación fundamentales del transistor. Tabla 1. Modos de operación del BJT Modo Emisor-Base Colector-Base Activo-Directo Directa Inversa Corte Inversa Inversa Saturación Directa Directa Activo-Inverso Inversa Directa En el modo de trabajo activo-directo, para una polarización inversa de la unión B-C de algunas décimas de V, se obtiene del análisis de las ecuaciones (2) y (5) que la corriente de colector depende de la de emisor a través del parámetro α F, modularmente hablando I α I. La corriente de emisor puede ser controlada a través del potencial B-E, y C F E

5 por tanto la de colector. Los planteamientos anteriores indican que el transistor se comporta como una fuente de corriente controlada cuando se utiliza en el modo activo directo. Esta forma de operación del BJT en aplicaciones de amplificación en circuitos analógicos. En corte las dos uniones están polarizadas en inversa, I E y I C se aproximan a los valores de sus corrientes de saturación inversas. El BJT puede considerarse como un circuito abierto. En saturación ambas uniones están polarizadas en directa, la corriente de colector puede ser apreciable, pero la diferencia de potencial entre colector y emisor es pequeña. El BJT se comporta como un interruptor cerrado. El manejo del transistor entre corte y saturación se aproxima al control de un interruptor entre conducción y corte. El modo de trabajo activo inverso es similar al directo, teniendo en cuenta la polarización de las uniones y realizando un análisis similar se puede plantear que modularmente IE αr I C. El valor pequeño de α R en comparación con α F hace que el modo inverso no sea práctico para aplicaciones de amplificación, sin embargo se utiliza en circuitos digitales. Ejemplo: Un transistor NPN con la unión C-B polarizada inversamente con algunas décimas de V y el emisor en circuito abierto. Determine: a) Modo de operación. b) Las corrientes de colector y base. Datos: I ES =10-15 A, I CS =2*10-15 A, α F =0,99 La unión colector base está polarizada inversamente y por el emisor no hay corriente por lo que debe estar en corte, pero para ello la unión base emisor debe estar en inversa, lo cual se verifica a continuación: De donde: I I e I VEB / VT E = 0 = ES ( 1) αr CS e α I = 1 = 1 αf I V / V R CS EB T ES

6 En la ecuación anterior fue utilizada la ecuación (3). 1 VEB = VT ln = VT ln(1 + βf ) 1 α F Trabajando a 27 o C. 300 V EB = ln100 = 119 mv Como se observa V EB es positivo, por tanto está en corte. I I e I I VEB / VT C = αf ES( 1) + CS = B I = I α α I = I (1 α α ) CO CS F R CS CS F R I CO se conoce como corriente de colector inversa. Si se polariza la unión E-B en inversa y se abre el colector, se obtiene I EO (corriente de emisor inversa). Para calcular α R se tiene: I = I α α I = I (1 α α ) EO ES F R ES ES F R α R 15 I ES 10 = αf = 0,99 = 0, I 210 CS I C = IB = (1 0,99 0,495) 2 10 = 1,02 10 A Estudio independiente Estudiar ejemplo 3.1 pág. 91.

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