El Transistor BJT 1/11

Transcripción

1 l Transistor JT 1/11 1. ntroducción Un transistor es un dispositivo semiconductor de tres terminales donde la señal en uno de los terminales controla la señal en los otros dos. Se construyen principalmente de Silicio o Germanio. Se utilizan en la amplificación de señales, fuentes de poder reguladas y como switches o interruptores. Se tienen varios tipos de transistores, los cuales se pueden ubicar en dos grupos: JT: Transistor ipolar de Unión FT: Transistor de fecto de ampo ste tema abarca básicamente el uso del transistor JT como amplificador de señales. 2. Transistor JT l transistor bipolar de unión (JT, por sus siglas en ingles: ipolar Junction Transistor) es también conocido como transistor de unión. omo su nombre lo indica, es un dispositivo de tres terminales, dos uniones y doble polaridad. stá formado por la unión de material tipo P y tipo N a manera de capas, dando así la clasificación del JT en NPN y PNP, tal como muestra la figura 1. N P N P N P JT NPN JT PNP lectrónica Figura 1 A cada capa se le asocia un terminal, y reciben los nombres de: misor ase olector Las capas de los extremos (de mayor espesor) corresponden a los terminales y. La capa central, de menor espesor, corresponde al terminal. La capa asociada al terminal misor posee el mayor nivel de impurezas, lo que indica alta conductividad debida a los portadores mayoritarios. La capa asociada al terminal olector está menos dopada que la capa misor, por lo cual es un poco menos conductiva que esta última. La capa asociada al terminal ase posee un ligero nivel de

2 l Transistor JT 2/11 impurezas, lo que indica que esta capa tiene una alta resistencia para los portadores mayoritarios, es decir, es una capa de baja conductividad. 3. Operación del JT La operación del transistor se logra con la polarización de cada unión PN o NP del dispositivo. Dependiendo del tipo de polarización (directa o inversa) de cada unión, se tendrá al transistor operando en una zona de trabajo específica de acuerdo a la tabla 1. Tabla 1 Polarización Zona de Unión - Unión - Operación aracterísticas Directa nversa Activa Vsal > 0, sal > 0 nversa Directa nvertida Vsal < 0, sal < 0 Directa Directa Saturación Vsal 0 nversa nversa orte sal 0 La ubicación del transistor en la zona activa, permite el uso del dispositivo como amplificador de señales, por tal razón se hará énfasis en esta zona de operación. 4. Operación del JT en la Zona Activa JT PNP en la Zona Activa La polarización de las uniones en un transistor JT PNP se muestra en la figura 2. JT PNP P N P V y V fuentes para polarización de las uniones V V Figura 2 La unión - está polarizada directamente y la barrera de potencial en la unión es estrecha, lo que permite la conductividad debida a los portadores mayoritarios del material tipo P al material tipo N, tal como muestra la figura 3. lectrónica

3 l Transistor JT 3/11 JT PNP PORMAY P N P V V Figura 3 La unión - está polarizada inversamente y no hay conducción debido al flujo de portadores mayoritarios, pero si se presenta un flujo de portadores minoritarios del material tipo N al material tipo P, tal como indica la figura 4. JT PNP PORMAY pormin P N P V V Figura 4 n vista de que la capa asociada al terminal ase tiene muy baja conductividad, muy pocos portadores mayoritarios irán hacia ese terminal. La mayor parte de los portadores mayoritarios que vienen de la unión -, al llegar al material tipo N de la unión - se convierten en portadores minoritarios que provocan la conductividad en esta unión polarizada inversamente. Se puede resumir entonces que en un JT PNP la conductividad (corriente) se presenta desde el terminal misor hacia el terminal olector con una muy baja corriente hacia el terminal ase. La figura 5 ilustra las corrientes en el JT PNP. JT PNP PORMAY pormin P N P V V lectrónica Figura 5

4 l Transistor JT 4/11 Todo esto permite establecer una ecuación para las corrientes en un JT PNP: JT NPN en la Zona Activa = + n el JT NPN el sentido de las corrientes a través del dispositivo lleva el sentido contrario al del JT PNP. La figura 6 muestra la polarización de las uniones, el efecto sobre la barrera de potencial de cada unión, el flujo de portadores, así como también el sentido de las corrientes en el dispositivo. JT NPN PORMAY pormin N P N V V Figura 6 La corriente en un JT NPN se presenta de olector a misor con muy poca corriente a través del terminal ase, pero observando la figura 6, se puede concluir que en un JT NPN se sigue cumpliendo la ecuación de corrientes del JT PNP, por lo cual la ecuación se conoce en general como: cuación de corrientes del JT. = + 5. Símbolo ircuital del JT l símbolo circuital para el JT NPN y el JT PNP es similar, diferenciándose entre ellos por el sentido de la corriente en cada dispositivo. La figura 7 muestra los símbolos del JT. JT PNP JT NPN Figura 7 lectrónica

5 l Transistor JT 5/11 6. Relación entre las orrientes en el JT La ecuación de corrientes en el JT es: = +, La corriente es muy pequeña, debido a la baja conductividad de la capa ase, lo que hace que con >, por los niveles de impurificación de las capas misor y olector. ntonces: >> e >> La relación entre las corrientes en el JT indican que el mismo es un dispositivo controlado por corriente, ya que una corriente muy pequeña ( ) controla una corriente mayor (, ), lo que permite expresar al dispositivo como un amplificador de señales. 7. onfiguración del JT como Amplificador de Señales Un amplificador es un dispositivo que eleva o aumenta la magnitud de una señal de entrada sin modificar su forma de onda. (Ver figura 8) Vi Vo t Vi A Vo t Figura 8 n el amplificador las señales son medidas con respecto a un punto común y en vista de que el transistor es un dispositivo de tres terminales, su uso en los amplificadores requiere que uno de sus terminales sea común a los otros dos. Dependiendo del terminal que se tome común a los otros dos, se tendrá una configuración específica del transistor para su uso como amplificador. stas configuraciones son: onfiguración ase omún onfiguración misor omún onfiguración olector omún onfiguración ase omún Para la configuración de base común con transistores pnp y npn, la terminología de la base común se deriva del hecho de que la base es común tanto a la entrada como a la salida de la configuración. A su vez, por lo regular la base es la terminal más cercana a, o que se encuentra en, el potencial de tierra. La figura 9 muestra un transistor JT NPN en configuración base común. lectrónica

6 l Transistor JT 6/11 onfiguración ase omún JT NPN ntrada V V Salida Figura 9 xiste una relación de proporcionalidad entre la corriente de salida ( ) y la corriente de entrada ( ) en la configuración base común:. La relación de proporcionalidad entre estas dos corrientes viene dada por el factor de amplificación de corriente de base común (α). l valor de α se evalúa en c.c., es decir para voltaje de salida constante como: α = omo > c, α 1 y < 1. sta configuración no produce ganancia de corriente, pero si de tensión. n la configuración base común, los valores de corriente de salida, amplificación, o mejor dicho es reducción siempre son menores a 1 (No quiere decir que tendremos corrientes de 1 A, sino que la corriente de colector base será menor a la corriente de emisor base ejemplo = 7 puede originar una corriente = 6.9, siendo la entrada de señal en el emisor y el colector la salida, V, la cual está en fase con respecto a la entrada V onfiguración misor omún La configuración de transistor que se encuentra más a menudo aparece en la figura 10 para los transistores pnp y npn. Se le denomina configuración de emisor común debido a que el emisor es común o hace referencia a las terminales tanto de entrada como de salida (en este caso, es común tanto a la terminal de base como a la de colector). lectrónica

7 l Transistor JT 7/11 onfiguración misor omún JT NPN ntrada V V Salida Figura 10 La relación de proporcionalidad entre la corriente de salida ( ) y la corriente de entrada ( ) en la configuración emisor común viene expresada por el factor de amplificación de corriente de emisor común (β). l valor de β se mide en c.c. para un punto de operación estático del transistor (salida fija) como: β = l valor de β puede relacionarse con el valor de α a partir de la ecuación de corrientes del JT. = + = y α = β Sustituyendo los valores de e en la ecuación de corrientes se tiene: = + α β 1 α = 1+ 1 β on lo que: β α = y β +1 α β = 1 α lectrónica

8 l Transistor JT 8/11 Además con el valor de β y la ecuación de corrientes del JT se puede determinar el valor de como: = + = β = ( β +1) La configuración emisor común puede utilizarse para amplificación de voltaje, corriente o potencia, además de poder actuar como interruptores. No se puede decir que una configuración es mejor que la otra, depende del uso que se le quiera dar, aprovechando sus particulares características, en esta configuración por una corriente pequeña de entrada se obtiene una corriente enorme de salida ejemplo para 10uA de entrada se obtiene 1 ma de salida, pero no se tiene la estabilidad de la configuración base común donde las corrientes son muy similares. Por otro lado, esta configuración tiene una salida desfasada con respecto a la entrada onfiguración olector omún n la configuración de colector la amplificación de corrientes es similar a la que realiza la configuración emisor común con la diferencia de que en la configuración colector común la salida está en fase con la entrada. La ganancia de voltaje es ligeramente menor que la unidad. Se caracteriza por tener una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, lo que permite el uso de esta configuración como convertidor de impedancias y como aislador. La figura 11 muestra una configuración del JT NPN en colector común. Obsérvese que el colector se encuentra conectado a la tierra aunque el transistor esté conectado de manera similar a la configuración del emisor común. onfiguración olector omún JT NPN ntrada V V Salida Figura 11 lectrónica

9 l Transistor JT 9/11 8. urvas aracterísticas del JT l comportamiento del JT se representa gráficamente a través de dos curvas: urva de entrada y urvas de Salida. stas curvas características del JT son propias de cada configuración. La curva de entrada relaciona la corriente de entrada con el voltaje de entrada para mostrar gráficamente el voltaje de salida. La figura 12 muestra una curva de entrada general. i entrada v salida v entrada Q v entrada (V) Figura 12 Las curvas de salida, relaciona la corriente de salida con el voltaje de salida para los diferentes valores de corriente de entrada constante. ada curva de salida corresponde a una curva de corriente de entrada constante. La figura 13 muestra un juego de curvas de salida general. i salida i entrada n i entrada n-1 i entrada3 i entrada2 i entrada1 0 v salida Figura 13 lectrónica

10 l Transistor JT 10/11 9. Límites de Operación del JT n las curvas de salida del transistor JT se pueden identificar las zonas de operación del transistor: corte, saturación, activa e invertida; tal como indica la figura 14, donde se muestra el juego de curvas de salida para un JT en configuración misor omún. i cmax O NVRTDA S A T U R A O N V sat ATVA ORT V O Pdmax Pd1 Vce Figura 14 Zona de orte: sta zona se caracteriza por tener una corriente de salida en el transistor aproximadamente cero, por lo que en esta zona el dispositivo actúa como circuito abierto (útil en interruptores). stá limitada por el valor de O, que indica el tope de la zona de corte. Zona de Saturación: n esta zona el transistor presenta un voltaje de salida aproximadamente cero, por lo que puede representarse como un corto circuito para esta condición (útil en interruptores). La zona de saturación se limita para valores de salida del transistor por debajo del voltaje de saturación, en este caso V sat, el cual es un valor suministrado por el fabricante en las hojas de datos del dispositivo. Zona Activa: Se define también como la zona lineal de la característica, y por ello el transistor se ubica aquí para su uso como amplificador de señales aprovechando las propiedades de la linealidad en el análisis circuital. La salida del transistor tanto en corriente como el voltaje son valores positivos los cuales se mantienen constantes sobre una curva de entrada seleccionada. La zona activa está limitada en cuanto a voltaje para valores de voltaje de salida del transistor, en este caso V, para: V sat<v <V O, donde V O es suministrado en las hojas de datos e indica el máximo voltaje de salida que puede obtenerse del transistor sin salir de la zona lineal. n cuanto a corriente el valor de max dado por el fabricante indica el tope de la zona activa. lectrónica

11 l Transistor JT 11/11 Zona nvertida: La zona invertida permite tener salidas negativas en el transistor tanto en corriente como en voltaje. La ubicación del transistor en esta zona no tiene gran utilidad en la amplificación de señales. La figura 14 muestra otro juego de curvas tipo hipérbola, estas curvas limitan la operación del transistor con respecto a los niveles de potencia disipada por el dispositivo (Pd). 10. specificaciones del Fabricante Al igual que para el diodo, para el transistor se especifica una hoja de datos con varios parámetros característicos del dispositivo. ntre estos parámetros los más utilizados son: V O : Máximo voltaje de colector a emisor en la zona lineal. V O : Máximo voltaje de base a emisor. O : Máxima corriente en la zona de corte. max: Máxima corriente de colector a base en la zona lineal. Pdmax: Potencia máxima disipada por el dispositivo. Tjmax: Temperatura máxima permitida en cada unión del JT. T O : Máxima temperatura en la carcaza del transistor, por debajo de la cual se tiene Pdmax. β o hfe: Factor de amplificación de corriente en emisor común. α : Factor de amplificación de corriente en base común. lectrónica