El Transistor de Juntura Bipolar (BJT)

Transcripción

1 l Trasistor de Jutura iolar (JT) J,I. Huircá, R.A. arrillo Uiversidad de La Frotera December 9, 2011 Abstract l Trasistor de Jutura iolar (JT) es u disositivo activo de tres termiales, ase, olector y misor, cuya corriete se debe a la combiació de ortadores e y h. l disositivo es básicamete ua fuete de corriete cotrolada or corriete. Para su fucioamieto requiere u circuito de olarizació extero. Tiee tres zoas de trabajo, activa, corte y saturació. 1 Itroductio Desde su iveció a es de los 40, el trasistor como elemeto activo de los sistemas electróicos siemre ha estado resete, rimero como elemeto discreto y luego como arte de u circuito itegrado (I). s u disositivo amliamete utilizado e cotrol electróico, amli cació y e rácticamete toda las alicacioes de la electróica. l objetivo de este documeto es revisar los asectos básicos, si adetrarse más que lo su ciete e la física de los semicoductores, co el de establecer las relacioes de corriete y voltaje e el disositivo. 2 l trasistor de jutura biolar (JT) 2.1 aracterísticas geerales l JT es de aturaleza biolar, ues la corriete roducida es debido al aorte de los ortadores egativos (e, electroes) y ositivos (h, hoyos). osiste e dos juturas - y osee tres termiales los que so llamados misor (), ase () y olector (). l JT uede ser tio o, su estructura y símbolo se muestra e la Fig. 1, la echa idica la direcció ormal de la corriete y de e la olaridad de la tesió base-emisor. No es u disositivo simétrico, ues itercambiado el emisor or el colector se obtiee resultados distitos. 1

2 misor olector misor olector ase ase Figure 1: Símbolos del trasistor Fucioamieto Sea el JT de la Fig. 1a, éste cosidera ua regió de volume itermedio de alto doamieto (gra catidad de e ), ua regió muy delgada de equeño volume de bajo doamieto (oca catidad h ), y ua regió de gra volume de doamieto itermedio. Para establecer su fucioamieto rimero se olariza sólo la jutura, dejado el colector abierto. La jutura está olarizada directa, luego se roduce u ujo de e desde el emisor a la base, ero tambié uirá h e meor catidad desde la base al emisor. I h I h I I V V Figure 2: olector abierto. misor abierto. La corriete I se roduce or la suma de los e mayoritarios y h mayoritarios iyectados or el emisor y la base resectivamete. La corriete etre la base y el emisor será I. Dado que la base es muy delgada, o soorta grades corrietes. Polarizado solamete la jutura, dejado el emisor abierto, la jutura 2

3 está olarizada iversa, luego sólo existe movimieto de ortadores h ioritarios del colector y los e mioritarios de la base, roduciedo ua corriete iversa de saturació llamada I O, etre y. h h I I I h I (1- α) αi I 0 I I V V V V Figure 3: Polarizació comleta. orrietes Al olarizar de acuerdo a la Fig. 3a, los e mayoritarios iyectados or el emisor atraviesa la base llegado al colector, u equeño orcetaje se recombia e la base co los h mayoritarios aortados or ésta. Así, la corriete or el emisor debido a los e mayoritarios será I, ero la corriete e el colector debido a estos ortadores será I ; dode es u úmero meor que 1, dado que arte de los e se recombia e la base. Así, la corriete del emisor I, será fució de la corriete roducida or los ortadores mayoritarios e y la corriete debida a los ortadores mayoritarios h iyectados or la base. I = I I (1) La corriete que se desvía a la base será (1 )I = I R ; luego la corriete e la base será la corriete de los ortadores mayoritarios h de la base mas la corriete I R meos la corriete I O como se muestra e la Fig. 3b. I = I I R I O (2) Fialmete, la corriete or el colector I será la roveiete del emisor más la corriete de saturació iversa I O. I = I I O (3) osiderado desreciable el efecto de I O, se tiee I = I (1 )I (4) I = I (5) 3

4 Luego (1) se reemlaza I e (4) obteiédose la clásica ecuació I = I I (6) Por otro lado dado que I = I ; reemlazado (1) I = I = (I I ) osiderado que la corriete I debido a h geerada or la base es mucho meor que I ; etoces se llega a Dode es la gaacia de corriete e base comú. 2.3 Modos de Trabajo I = I (7) Deediedo de la codició de olarizació (directa o iversa) de cada ua de las juturas, se tiee distitos modos de oeració. el modo activo, el JT oera como amli cador. Los modos corte y saturació ermite usar el trasistor como iterrutor. Table 1: Zoas de trabajo del JT. Modo J J J J orte Iv Iv Iv Iv Activo Dir Iv Dir Iv Saturació Dir Dir Dir Dir Para el trabajo e zoa activa, la alimetació debe ser de acuerdo a la Fig. 4. La jutura base-emisor debe ecotrarse olarizada e setido directo; e cambio la jutura base-colector debe olarizarse e forma iversa. uado se cumle simultáeamete ambas codicioes, el JT se ecuetra e zoa activa. Así ara u trasistor, V > 0; luego V > 0 ara u trasistor. zoa activa, la corriete del colector está dada or i c = I s e v V T (8) Dode I s es la corriete de saturació iversa. Luego, la corriete de base se exresa como i = i Dode es ua costate roia del trasistor, la cual varía etre 100 y 200 ara alguos casos, ero uede llegar a valores muy elevados (o bajos 40 y 50), (9) 4

5 V V V V Figure 4: Polarizació del Trasistor... y recibe el ombre de gaacia de corriete de emisor comú. De acuerdo a (6), se tiee i = i i Luego i = 1 i ; lo que se uede exresar como i = i. Dode es llamada la gaacia corriete e base comú y su valor es muy cercao a 1 (0.99 ara = 100). 2.4 Reresetació grá ca de las características del JT omo i varía de acuerdo a (8), se costruye la curva de etrada i v, o la curva i v, ues sólo di ere e ua costate de acuerdo a (9). La característica de salida se exresa a través de ua curva i v. Dicha curva muestra como varía la corriete de colector ara distitos valores de la corriete de base. ada curva idicada es debido a u valor de i e articular. i [ua] i [ma] I Q I Q I 3 I = I 2 Q I 1 V [V] v v [V] Figure 5: aracterística de etrada i i v : v. aracterística de salida De acuerdo a la Fig.5, cuado el trasistor está oerado, se establece u voltaje e la jutura llamado V (ON), éste ermite establecer ua corriete e la base llamada I Q : Debido a la caracteristica de amli cació, la corriete de colector será I Q = I Q. l voltaje v e la zoa activa será mayor que cero ero meor que la fuete de alimetació que se use ara tal efecto. 5

6 i [ma] Zoa de P máxima D Regió de Saturació I 5 I 4 I 3 I 2 I 1 V (Sat) Regió de orte v [V] Figure 6: Zoas de fucioamieto del JT. la Fig. 6 se uede ideti car las tres zoas de fucioamieto, luego se tiee la zoa de corte, ara la cual se cumle que i = 0, esto imlica ua corriete de colector i = 0, dicha zoa se ecuetra e la arte iferior del cuadrate. la zoa de saturació, dode e el JT, la jutura está olarizada directa y la jutura tambié, esto roduce u icremeto de la corriete, lo que lleva a ua dismiució del voltaje colector emisor, ésta será la zoa a la izquierda e el rimer cuadrate. térmios ideales v 0; si embargo, e termios rácticos es establece que el trasistor estará e saturació ara u valor del voltaje colector emisor meor a V (Sat), dode este valor se establece e 0.2[V ]. la zoa derecha se tiee la curva de máxima disiació de otecia del disositivo, si el trasistor trasasa la zoa de máxima disiació, éste se destruye. l uto de oeració deberá ubicarse etre las zoas idicadas. 2.5 o guracioes básicas co el JT Dado que el JT es u disositivo de 3 termiales, existe tres osibilidades diferetes ara referirse al comú (referecia comú de los oteciales) del circuito, base comú, emisor comú y colector comu. i v i v i i v v i i v v (c) Figure 7: o guracioes del JT. misor comú. olector comú. (c) ase comú. ada ua de las co guracioes básicas tedrá distitas curvas de salida. 6

7 2.6 aracterísticas riciales del JT La i, será siemre mayor a la i : Por medio de ua equeña tesió directa e J, se logra cotrolar grades or el colector. i es bastate equeña (A) e cambio, i y i so del orde de los ma. i desfasa a i e 180 o. 3 Polarizació ásica Sea el circuito de la Fig. 8a. Se aaliza ara tres valores distitos de R, lo que ermite establecer sus zoas de trabajo. Para el ejemlo se latea la e la base del trasistor y luego ua malla que asa or el colector, de esta forma se tiee las siguietes ecuacioes. 10[V] R 10[K Ω ] i R 470 Ω v i v 10[V] R 10[K Ω ] i v v 470Ω i 10[V] Figure 8: Polarizació del JT. 10 [V ] = i 10 [K] v (10) 10 [V ] = i 470 [] v (11) osiderado que V (ON) = 0:7 [V ] y = 100; se tiee que i = 10 [V ] 0:7 [V ] 10 [K] Luego, como i = 100i = 93 [ma] ; = 930 [A] v = 10 [V ] 93 [ma] 470 [] = 33 [V ] De lo que se cocluye que el trasistor está e zoa de saturació. ambiado el R or 680 [K], se tiee 7

8 i = 10 [V ] 0:7 [V ] = 13:67 [A] 680 [K] i = 100i = 1:367 [ma] v = 10 [V ] 1:367 [ma] 470 [] = 9:36[V ] asi se ecuetra e corte, ues i 0: Fialmete, ara u valor de R = 100 [K], es factible teer el trasistor e zoa activa. 4 oclusioes i = 10 [V ] 0:7 [V ] = 93 [A] 100 [K] i = 100i = 9:3 [ma] v = 10 [V ] 9:3 [ma] 470 [] = 5:63[V ] l JT uede ser tio y, se comorta como ua fuete de corriete cotrolada or corriete. Tiee tres zoas de trabajo, zoa activa dode se cumle que i = i y el trasistor amli ca; corte, e la cual i = 0 e i = 0, el trasistor está "descoectado" y almete la zoa de saturació, dode el trasistor tiee u v V (sat) o v 0, cosiderado como u "cortocircuito" etre los termiales de salida. l aálisis iicial cosistirá e establecer el uto de oeració del trasistor, ara lo cual se requiere cotar co u circuito extero de olarizació. Refereces [1] Savat,, Rode, M., areter, G. 1992, Diseño lectróico.ircuitos y Sistemas. Addiso-Wesley Iberoamericaa. [2] Schillig, D., elove, ircuitos lectróicos Discretos e Itegrados. Mc Graw- Hill [3] Sedra, A. Smith, K, Microelectroics ircuits. Oxford Press. 8