UNIDAD TEMATICA 3: TRANSITORES DE UNION BIPOLAR (BJT S)

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1 UNIDAD TEMATICA 3: TRANSITORES DE UNION BIPOLAR (BJT S) 1.-Operación del transistor bipolar El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja. Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o BICMOS. Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones: Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga. Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector. Colector, de extensión mucho mayor. La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, porque es muy angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de operación: estado de corte, estado de saturación y estado de actividad.

2 A continuación describiremos la operación básica del transistor utilizando el transistor pnp. La operación del transistor npn es exactamente la misma con los roles de los electrones y huecos intercambiados. En la figura 3.3 se volvió a dibujar el transistor pnp sin polarización entre la base y el emisor. Observe las semejanzas entre esta situación y la del diodo polarizado en directa en el capítulo 1. El ancho de la región de empobrecimiento se redujo a causa de la polarización aplicada y el resultado fue un intenso flujo de portadores mayoritarios del material tipo p al material tipo n. 2.- Configuraciones básicas (BC, EC, CC) Configuración en Base común La notación y símbolos utilizados junto con el transistor en la mayoría de los textos y manuales publicados en la actualidad se indican en la figura 3.6 para la configuración de base común con transistores pnp y npn. La terminología en base común se deriva del hecho de que la base es común tanto para la entrada como para la salida de la configuración. Además, la base por lo general es la terminal más cercana a, o en, un potencial de tierra. A lo largo de este libro todas las direcciones de la corriente se referirán a un flujo convencional (de huecos) y no a uno de electrones. Esta opción se basó principalmente en el hecho de que la mayor parte de la literatura disponible en instituciones educativas e industriales emplea el flujo convencional, y las flechas en

3 todos los símbolos electrónicos tienen una dirección definida de acuerdo con esta convención. Recuerde que la flecha en el símbolo del diodo definía la dirección de conducción de corriente convencional. Configuración del emisor común Se llama configuración en emisor común porque el emisor es común o sirve de referencia para las terminales de entrada y salida (en este caso es común para las terminales base y colector). De nueva cuenta se requieren dos conjuntos de características para describir plenamente el comportamiento de la configuración en emisor común: uno para el circuito de entrada o de baseemisor y uno para el circuito de salida o de colector-emisor.

4 Configuración en colector común La configuración en colector común se utiliza sobre todo para igualar impedancias, puesto que tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, lo contrario de las configuraciones en base común y en emisor común. 3.- Curvas Características y regiones de operación. Curvas características ideales del transistor bipolar: Partiendo de las ecuaciones de Ebers-Moll, se puede establecer una familia de curvas características que representan el comportamiento del transistor bipolar en régimen estacionario. Vamos a considerar las características de entrada y de salida en las configuraciones de Base Común y de Emisor Común.

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8 4.- Parámetros y especificaciones del BJT (Hoja de datos). 1.- En la característica de salida del transistor bipolar se ven: Las curvasic=f(vce) con Ib=constante 2.- En saturación: El valor de Vce es pequeño * Después de contestar las preguntas anteriores, se ubicó el circuito del transistor D1 en la parte superior derecha de la plaqueta EB-111 * Se conectó de la siguiente manera:

9 * RV1 fue ajustado para obtener los valores de corriente de base (Ib) indicados en la tabla. Para cada valor de corrientede base se midió (con el CH1 del osciloscopio) y se anotó la tensión entre base y emisor (Vbe) * Con respecto al cuadro, se obtuvo la curva de corriente de base en función de la tensiónbaseemisor * Luego se estudió el siguiente circuito: * Se conectó de la siguiente manera, cortocircuitando el resistor R5 usando un cordón de puenteo * Se midió la corriente de baseconectando el amperímetro entre RV1 y los 5V de la fuente. RV1 fue ajustado hasta obtener una corriente de base de 10 micro Amper. Luego se desconectó el amperímetro y punteamos la tensión de 5V de lafuente a RV1. * Se ajustó PS-1 hasta obtener 1V. Conectamos el amperímetro en serie con PS-1. Se midió la corriente de colector e ingresó el valor obtenido. Y el procedimiento se repitió:ajustando RV1 para obtener las corrientes de base indicadas; para cada Ib se midió la corriente de colector para distintos valores de Vce. * Ahora se tiene la familia de curvas de Ic=f(Vce) con Ibconstante, se traza una curva para cada valor Ib. Además está identificada las tres regiones de operación (activa, saturación y corte) en el gráfico. * Se halla la ganancia de corriente en laregión lineal (activa). El valor típico de la ganancia de corriente es: β=icib=18,68exp-3a100exp-6a= Disipación de potencia en el BJT Aun cuando se utilizan circuitos integrados en aplicaciones de señal pequeña y baja potencia, la mayoría de las aplicaciones de alta potencia aún requieren transistores de potencia individuales. Las mejoras en las técnicas de producción han permitido obtener valores nominales de potencia más altos en cápsulas pequeñas, han incrementado el voltaje de ruptura máximo de los transistores, y puesto a la disposición transistores de conmutación de potencia más rápidos. La potencia máxima manejada por un dispositivo particular y la temperatura en las uniones de un transistor están relacionadas, puesto que la potencia disipada por el dispositivo incrementa la temperatura en la unión de éste. Obviamente, un transistor de 100 W tendrá más capacidad de potencia que uno de 10 W. Por otra parte, las técnicas correctas de disipación de calor permitirán operar un dispositivo a casi la mitad de su valor nominal de potencia máximo.

10 De los dos tipos de transistores bipolares germanio y silicio los de silicio proporcionan mayores valores nominales de temperatura máximos. En general, la temperatura máxima de unión de estos tipos de transistores de potencia es como sigue: Silicio 150 Germanio 100 Para muchas aplicaciones la potencia disipada promedio se puede representar de forma aproximada como: P D = V CE I C Esta disipación de potencia, sin embargo, se permite sólo hasta una temperatura máxima. Por arriba de esta temperatura, la capacidad de disipación del dispositivo de potencia debe reducirse de modo que a más altas temperaturas de la cápsula la capacidad de manejo de potencia se reduce a 0 W a la temperatura máxima de la cápsula del dispositivo. 6.- El BJT como interruptor El transistor de unión bipolar o BJT Bipolar Junction Transistor- es un tipo de transistor que depende en el contacto de dos tipos de semiconductores para su operación. Los transistores BJT pueden ser utilizados como amplificadores, interruptores u osciladores; y pueden ser encontrados como componentes individuales o en gran número como parte de circuitos integrados. Los transistores bipolares reciben su nombre debido a que sus operaciones envuelven electrones negativos y huecos positivos. Estos dos tipos de conductores de carga son características de los dos tipos de material de semiconductores dopados. Los BJT constan de tres capas o zonas. Existen dos tipos de BJT: Los transistores PNP que constan de dos zonas de material pen los extremos y en medio una zona de material tipo n, y los NPN que

11 están constituidos por dos zonas de material n en los extremos y en medio una zona de material tipo p. A la zona central se le conoce por Base, y a los extremos Emisor y Colector. Cada zona contiene un terminal por donde extraer las corrientes. Siendo la zona del emisor la mas dopada de las 3. La función de la zona de emisores inyectar portadores mayoritarios hacia la base. La zona base posee un nivel de dopado inferior a la zona de emisor y su objetivo es dejar pasar la mayor parte posible de portadores inyectados por el emisor hacia el colector. La zona del colector, se encarga de colectar los portadores inyectados por el emisor que han logrado pasarla base. Es la zona menos dopada de las tres. BJT Como Interruptor El transistor puede se utilizado como un interruptor electrónico, se utiliza las regiones de corte y saturación de la operación BJT. La polarización de base es muy útil en los circuitos digitales, la razón es que, por lo general, estos circuitos se diseñan para funcionar en las regiones de saturación y corte. Por ello, se va a obtener a la salida una tensión cerca de la alimentación (saturación) y también cercana a cero (corte). Región de Corte. Si o similar, la unión emisor base EBJ conducirá corriente insignificante. También, la unión colector base CBJ estará con polaridad invertida con un Vcc grande. Por consecuencia Lo cual significa que. Estas son las condiciones de corte y el transistor esta en el estado de apagado. Región de Saturación. Para el estado de encendido del interruptor, se incrementa hasta saturar el transistor BJT. Esto ocurre cuando la unión emisor base EBJ y la unión colectro base CBJ están en polaridad directa. Debido a la asimetría en la fabricación del dispositivo, las caídas de voltaje son diferentes para estas uniones de polaridad directa. Estos son solo valores aproximados para BJT saturados, para conocer los valores reales de VCE y VEC dependen mayormente de Ic.

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