Transistor BJT: Fundamentos

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1 Transistor BJT: Fundamentos Lección 05.1 Ing. Jorge Castro-Godínez Escuela de Ingeniería Electrónica Instituto Tecnológico de Costa Rica II Semestre 2013 Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 1 / 48

2 Contenido 1 Estructura Física Curvas características Dependencia de i C respecto v C 5 Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 2 / 48

3 Transistores de Unión Bipolar (1) Primer transistor inventado en Bell Laboratories. John Bardeen, Walter Brattain y William Schockley. Premio Nobel de Física en Transistor de Germanio de tres puntos. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 3 / 48

4 Transistores de Unión Bipolar (2) Aplicaciones: Alta frecuencia. Compuertas lógicas (antes TTL; actualmente BiCMOS). Electrónica de potencia. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 4 / 48

5 Transistores de Unión Bipolar (3) Consta de dos uniones p-n construidas de manera especial. Bipolar? La corriente es por electrones y huecos. Empleados en multitud de aplicaciones: analógicas, amplificación de señales; digitales, circuitos digitales lógicos y de memoria. Concepto de operación: la tensión entre dos terminales controla la corriente que circula en la tercer terminal. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 5 / 48

6 Transistor bipolar de unión (BJT) BJT consiste en tres capas semiconductoras -dos del mismo tipo de dopado en los extremos -una de dopado complementario en el centro BJT es un dispositivo de tres terminales: base (dopado complementario), colector y emisor Dos uniones PN en un BJT Bipolar = tanto electrones como huecos participan en el flujo de corriente Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 6 / 48

7 Transistor npn Estructura simplificada de un trasistor npn. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 7 / 48

8 Transistor pnp Estructura simplificada de un trasistor pnp. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 8 / 48

9 Modos de operación Modo EBJ CBJ Corte Inversa Inversa Activo Directa Inversa Saturación Directa Directa A. Reversa Inversa Directa Modo activo: se utiliza si el transistor debe operar como amplificador. Modo corte y saturación: aplicaciones de conmutación, e.g., circuitos lógicos. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 9 / 48

10 Regiones de Operación BE en directa, BC en reversa I C 0, amplificación lineal BE en directa, BC en directa I C 0, interruptor cerrado BE en reversa, BC en reversa I C 0, I E 0, interruptor abierto BE en reversa, BC en directa I C 0, I E 0 Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 10 / 48

11 Operación npn, modo activo Transistor npn polarizado en modo activo. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 11 / 48

12 Perfiles de concentración Carrier concentration Emitter (n) Hole concentration EBJ depletion region n p (0) Base (p) Electron concentration n p (ideal) CBJ depletion region Collector (n) p n0 p n (0) n p (with recombination) Distance (x) Effective base width W Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 12 / 48

13 (1) Concentración de electrones máxima del lado de la base, n p (0) n p (0) = n p0 e v BE/V t n p0 : concentración de portadores minoritarios (e ), equilibrio térmico. v BE : polarización directa entre emisor y base. V t : voltaje térmico ( 25 mv). Concentración cero en el lado del colector, debido a que v CB barre los electrones a través de la región de agotamiento CBJ. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 13 / 48

14 (2) Corriente electrónica de difusión I n es directamente proporcional a la pendiente del perfil de concentración. dn p (x) I n = A E qd n ( dx = A E qd n n ) p(0) W A E : área transversal de la unión B-C, q: carga electrónica, D n : difusividad electrónica en la base, W : ancho efectivo de la base. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 14 / 48

15 Corriente de colector (1) i C = I S e v BE/V T La corriente de saturación I S está dada por: I S = A E qd n n p0 /W siendo n p0 = n 2 i /N A I S = A EqD n n 2 i N A W Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 15 / 48

16 Corriente de colector (2) La magnitud de i C es independiente de v BC I S es inversamente proporcional al ancho W y directamente proporcional al área de la unión EBJ. área de unión factor de escala de corriente. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 16 / 48

17 Corriente de base (1) i B1 = A EqD p n 2 i N D L p e v BE/V T D p : difusividad de huecos en el emisor, L p : longitud de difusión de huecos en el emisor, N D : concentración de donadores en el emisor. i B2 = Q n τ b = 1 2 A E qw n 2 i τ b N A e v BE/V T Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 17 / 48

18 Corriente de base (2) ( Dp N A W i B = I S + 1 D n N D L p 2 i B = W 2 D n τ b i B = i C β ( ) IS e v BE/V T β ( Dp N A W β = 1/ + 1 D n N D L p 2 ) e v BE/V T W 2 D n τ b ) Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 18 / 48

19 Corriente de base (3) β, para transistores npn, ronda entre 100 y 200, pero puede llegar a valores de hasta β: ganancia de corriente de emisor común. Para obtener un β alto, la base de ser delgada (W pequeño), y el emisor fuertemente dopado en comparación de la base (N A /N D pequeño) Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 19 / 48

20 Corriente de emisor (1) i E = i C + i B i E = β + 1 β i C i E = β + 1 β I Se v BE/V T Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 20 / 48

21 Corriente de emisor (2) i C = αi E α = β β + 1 i E = (I S /α) e v BE/V T β = α 1 α Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 21 / 48

22 Corriente de emisor (3) α: ganancia de corriente de base común. Pequeños cambios en α implica grandes cambios en β Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 22 / 48

23 Modelo de circuito equivalente C C i C i C I S e v BE V T F i E i B i B B v BE D E (I SE I S F ) i E B v BE i E D E (I SE I S F ) E Modelo equivalente a gran señal del BJT npn. E Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 23 / 48

24 Sección transversal E B C Sección trasversal de un transistor BJT npn. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 24 / 48

25 Modelos de circuito equivalente C B i C D C (I SC I S R ) R i C E Modelo equivalente para un npn en polarización inversa. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 25 / 48

26 Operación pnp, modo activo Transistor pnp polarizado en modo activo. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 26 / 48

27 Modelo de circuito equivalente i B D (I S F ) Modelo equivalente a gran señal del BJT pnp. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 27 / 48

28 Símbolos de circuito npn pnp Símbolos de circuito para BJT. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 28 / 48

29 Símbolos de circuito Polaridades de tensión y corrientes en transistores BJT polarizados en modo activo. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 29 / 48

30 Ejemplo El transistor del circuito presenta β = 100 y v BE = 0, 7 V a una corriente i C = 1 ma. Diseñe el circuito para que i C = 2 ma y se tenga V C = +5 V 15 V R C R E 15 V Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 30 / 48

31 Ejercicio 1 4 V 10 V R C 4.7 k Analice el circuito para determinar las tensiones en los nodos y las corrientes en las ramas. Asuma que β = 100 y v BE = 0, 7 V R E 3.3 k Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 31 / 48

32 Ejercicio 2 Las mediciones del circuito indican que V B = +1, 0 V y V E = +1, 7 V Cuál es el valor de α y β para el transistor? Cuál es el valor esperado en V C? V B 10 V 5 k V E 100 k 5 k V C 10 V Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 32 / 48

33 Ejercicio 3 Se desea analizar el circuito para determinar las tensiones y corrientes. Considere que β = 100. R B1 100 k 15 V R C 5 k R B2 50 k R E 3 k Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 33 / 48

34 Curvas características Dependencia de i C respecto v C Curvas características (1) La curva característica i C - v BE presenta una relación exponencial. i C = I S e v BE/V T Es una relación similar a la del diodo. Para i E I S /α e i B I S /β Para valores normales de corriente v BE está en un rango de 0,6 a 0,8 V. Normalmente se supondrá v BE = 0,7 V. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 34 / 48

35 Curvas características Dependencia de i C respecto v C Curvas características (2) Curva característica i C - v BE. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 35 / 48

36 Curvas características Dependencia de i C respecto v C Características de Salida Saturación Reversa Activa V BC Saturación Corte Directa Activa V BE Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 36 / 48

37 Efecto de la temperatura Curvas características Dependencia de i C respecto v C Efecto de la temperatura en la curva característica i C - v BE. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 37 / 48

38 El Estructura Física Curvas características Dependencia de i C respecto v C Las curvas características i C - v CB no so rectas perfectamente horizontales. El para un BJT constituye en un decremento en el ancho eficaz o efectivo de la base W Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 38 / 48

39 Curva característica Curvas características Dependencia de i C respecto v C i C Saturation region I E1 Active region i E I E1 I E2 i C i E I E2 i C v CB i E 0 i E V 0 v CB V CB BV CBO Expanded scale Curva característica i C - v CB. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 39 / 48

40 Estructura Física Curvas características Dependencia de i C respecto v C Circuito conceptual y curva característica. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 40 / 48

41 El Estructura Física Curvas características Dependencia de i C respecto v C La pendiente diferente de cero indica que existe una resistencia de salida finita y determinada por: [ ic r o = esto para una v BE constante. v CE r o V A I C ] 1 Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 41 / 48

42 Modelo gran señal y Curvas características Dependencia de i C respecto v C i B i C i C B C B i B C v BE D B (I S ) I S e v BE V T r o D B (I S ) i B r o i E v BE i E E BJT operando en modo activo y configuración de emisor común. E Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 42 / 48

43 Modelo Simplificado de Gran Señal c) Modelo simplificado de gran señal para un transistor bipolar npn en la región activa directa: (a) modelo de emisor común y (b) modelo de base común, c) modelo de gran señal para un transistor en saturación Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 43 / 48

44 Modelo Simplificado de Gran Señal c) Modelo simplificado de gran señal para un transistor bipolar pnp en (a) región activa directa en configuración de emisor común, (b) región activa directa en configuración de base común, (c) saturación. Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 44 / 48

45 Modelo de Ebers-Moll (1) Región activa directa: Junta BE en polarización directa, junta BC en polarización inversa Electrones que fluyen de emisor a colector deben hacerlo a través de la base B C N P N+ E F I F I F I F B I I F F BEs C F I F E I F VBE / VT VBE / VT e 1 IFO e 1 VBE / VT VBE / VT I e 1 I e 1 F BEs I FO : Corriente de saturación de reversa de junta base-emisor F FO Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 45 / 48

46 Modelo de Ebers-Moll (2) Región activa inversa: Junta BE en polarización inversa, junta BC en polarización directa Electrones que fluyen de colector a emisor deben hacerlo a través de la base C C B N P N+ I R R I R B I R E R I R I RO : Corriente de saturación de reversa de junta base-colector E I R I I R R BCs VBC / VT VBC / VT e 1 IRO e 1 VBC / VT VBC / VT I e 1 I e 1 R BCs R RO Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 46 / 48

47 Modelo de Ebers-Moll (3) Combinando los modelos de ambas regiones se obtiene el modelo de Ebers-Moll El modelo es válido para toda región de operación I C C I FO, I RO : Corrientes de saturación de reversa de las juntas base-emisor y base-colector B I B I R R I R I E E BJT NPN F I F IF I I E C I I F de región activa R de región activa inversa R BCs F BEs I I E C I R I F R F I I VBC / VT VBE / VT e 1 IBEs e 1 VBE / VT VBC / VT e 1 I e 1 BCs F R Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 47 / 48

48 Referencias Bibliográficas I J. M. Albella et al. Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica. Pearson, 1era edición, A. Sedra, K. Smith. Circuitos Microelectrónicos Oxford, 4ta edición, Jorge Castro-Godínez Transistor BJT 48 / 48