EL TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN

Transcripción

1 L TRANSSTOR POLAR D UNÓN 1. ntroducción V V P N P V N P N V V V = 0 V = V V V V Región activa Región de saturación Región activa inversa Región de corte V V Región de corte Región activa inversa Transistor PNP Región de saturación Transistor NPN Región activa

2 2. omportamiento cualitativo fecto Transistor

3 W W misor P ase N olector P p p n Z O n Z ondiciones del transistor bipolar: Dopados: N >> N >>N La base es muy estrecha comparada con la longitud de difusión de los portadores minoritarios en ella (W << L ), de manera que prácticamente no hay generación ni recombinación en la base. ntonces O Ι n Definiciones: actor de transporte en la base: Ιp αt (para un transistor PNP) Ι p ficiencia de inyección del emisor: Ιp γ (para un transistor PNP) Ι orrientes en el transistor bipolar en la zona activa De la figura, para el transistor PNP en condiciones normales de funcionamiento (región activa): = = p n = p n = α T p O = α T γ O = α O siendo α = γ α. T α representa la corriente de huecos procedentes del emisor que sobreviven a la recombinación en la región cuasineutra de la base y logran alcanzar el colector.

4 O es la corriente inversa de saturación de la unión cuando la unión está en circuito abierto ( = 0). l parámetro α se llama ganancia de corriente en directa para grandes señales en la configuración de base común. Junto con α, otro parámetro fundamental es β, ganancia de corriente en directa para grandes señales en la configuración de emisor común: = α O = 0 Despejando: α O = 1 α 1 α Si llamamos α = β 1 α se obtiene: = β (1 β ) O Hasta aquí hemos estudiado cualitativamente el comportamiento del transistor bipolar en la zona activa (V > 0 y V < 0 en un transistor PNP). Podemos generalizar la expresión anterior para cualquier valor de la tensión V, no necesariamente en inversa. Para ello basta recordar que la corriente que circula a través de esa unión se puede expresar como la corriente a través de una unión PN polarizada con voltaje V, y cuya corriente inversa de saturación sea O : = α O { exp (qv /kt) 1 } l parámetro α tiene un valor próximo a la unidad en la zona activa y se puede definir como: Ι α V = 0 Ι Puesto que = 0 α O qv qv = exp 1 = β ( 1 β ) O exp 1 1 α 1 α kt kt l parámetro β se puede definir como: Ι β V = 0 Ι Por otra parte, si el transistor se polariza en la región activa inversa, en la que la unión se encuentra en inversa y la unión en inversa (V > 0 y V < 0 en un transistor PNP), se puede expresar en función de siguiendo un razonamiento similar al anterior: = α R O Generalizando esta expresión para cualquier valor de la tensión : = α R O { exp (qv /kt) 1 }

5 donde el parámetro α R se conoce como la ganancia de corriente en inversa para grandes señales en la configuración de base común: Ι α R V = 0 Ι e O es la corriente inversa de saturación de la unión cuando la unión está en circuito abierto (es decir, cuando =0). 3. cuaciones de bersmoll Las ecuaciones qv = O exp 1 αr kt qv = α O exp 1 kt son válidas para cualquier régimen de funcionamiento del transistor y fueron deducidas por primera vez por J. J. bers y J. L. Moll en Se pueden expresar también de la siguiente forma: = S qv exp 1 αr kt S qv exp kt 1 = α R R qv kt qv kt = αs exp 1 S exp 1 = α R en donde S = 1 α O α R S = 1 α O α R S es la corriente inversa de saturación de la unión cuando la unión está en cortocircuito (V =0) S es la corriente inversa de saturación de la unión cuando la unión está en cortocircuito (V =0). Los parámetros α, α R y las corrientes O, O S e S son constantes que dependen de la estructura física del transistor bipolar, es decir de los dopados de cada una de las zonas, de la anchura de la base y de las longitudes de difusión de electrones y huecos en el semiconductor. Las ecuaciones de bersmoll verifican la condición de reciprocidad: α S = αrs y, por tanto: α = α O R O

6 A partir de estas ecuaciones podemos obtener un circuito equivalente, conocido como modelo de bersmoll para grandes señales. = α R R = α R α R R α ( S ) ( S ) R V V Transistor PNP en la zona activa W>>L p muy mal transistor : mucha recombinación en la base p n (0)= p n0 exp(v /kt) V >0 p n0 Z ~3L p Z ~3L p p n (W)= p n0 exp(v /kt) V <0 x=0 x=w W~L p W<<L p buen transistor Z Z Z Z

7 4. Regiones de funcionamiento del transistor bipolar V Región de saturación P N P Región activa V >0 V <0 V <0 >0 (entra) <0 (sale) <0 (sale) Región de corte V <0 V <0 V >0 V >0 >0 (entra) Si V > V, <0 (salen) Si V < V, <0 e >0 Región activa inversa V <0 V >0 V V V <0 (sale) V >0 (entra) <0 (sale) Transistor PNP A. Región activa (PNP) kt V >> y q kt V >> q onfiguración en ase omún qv qv S exp 1 ( αrs) S exp = > 0 kt kt qv ya que exp >> 1 kt qv α S exp S α α < 0 kt = (1 α ) 0 < α

8 onfiguración en misor omún qv S exp > 0 kt qv = β 1 β O exp 1 β 1 β ( O) kt = β 1 β β ( ) ( ) = ( ) 0 O < β qv = (1 α)s exp < 0 kt W W misor P ase N olector P p p n Z n O Z orrientes en el transistor bipolar en la zona activa misor P ase N olector P p (x) n 0 n (x) p 0 n (x) n 0 Distribuciones de portadores minoritarios en el transistor bipolar en la zona activa

9 . Región activa inversa (PNP) kt qv V <0, V >> exp << 1 q kt kt qv V >0, V >> exp >> 1 q kt α R R qv qv αs S exp S exp > 0 kt kt qv qv S αrs exp αrs exp = αr < 0 kt kt = (1 α ) 0 R < W W misor P ase N olector P p p n n Z Z orrientes en el transistor bipolar en la zona activa inversa misor P ase N olector P p (x) n (x) n (x) n 0 p 0 n 0 Distribuciones de portadores minoritarios en el transistor bipolar en la zona activa inversa

10 . Región de saturación (PNP) kt qv V >0, V >> exp >> 1 q kt kt qv V >0, V >> exp >> 1 q kt l transistor bipolar se comporta como un cortocircuito. Las corrientes que circulen por él dependerán del circuito externo. S qv exp αr kt S qv exp kt = α R R qv kt qv kt qv exp kt (1 α = αsexp Sexp = α R = = (1 α ) S R ) S qv exp kt = (1 α ) (1 α R ) R W W misor P ase N olector P p p p p n n Z 1 2 (rec.) 3 Z orrientes en el transistor bipolar en la zona de saturación (directa)

11 misor P ase N olector P p (x) n (x) n (x) n 0 p 0 n 0 Distribuciones de portadores minoritarios en el transistor bipolar en la zona de saturación (directa) D. Región de corte (PNP) kt qv V <0, V >> exp << 1 q kt kt qv V <0, V >> exp << 1 q kt α S α S R S S = = S S α S (1 α ) = O S (1 α ) l transistor se comporta como un interruptor en circuito abierto. Las tensiones en bornes del emisor, base y colector dependerán del circuito externo. O S (1α ) S (1α R ) Situaciones de corte: V <0 e =0. ntonces, 0 = O ( 0 : orriente de saturación en ase omún) V <0 e =0 0 (1β) O ( 0 : orriente de saturación en misor omún)

12 W W misor P ase N olector P n n Z 1 3 Z orrientes en el transistor bipolar en la zona de corte misor P ase N olector P n 0 n (x) n 0 p 0 p (x) n (x) Distribuciones de portadores minoritarios en el transistor bipolar en la zona de corte

13 5. urvas características ideales del transistor bipolar Partiendo de las ecuaciones de bersmoll, 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 ase omún y de misor omún. A. aracterísticas en ase omún del transistor PNP (entrada) V V (salida) aracterísticas de entrada del transistor PNP en ase omún (ma) Saturación 4 = 4 ma 3 2 Zona activa = 3 ma = 2 ma 1 O orte = 1 ma = 0 ma V (Volts) aracterísticas de salida del transistor PNP en ase omún PNP: = α O { exp (qv /kt) 1 } Zona de corte: Si = 0, y la unión está polarizada en inversa: O = O

14 . aracterísticas en misor omún del transistor PNP V V aracterísticas de entrada del transistor PNP en misor omún (ma) Saturación 8 = 80 µa 6 4 Zona activa = 60 µa = 40 µa 2 O orte = 20 µa = 0 µa V (Volts) aracterísticas de salida del transistor PNP en misor omún qv PNP: = β ( 1 β ) O exp 1 kt Zona de corte: Si = 0, y la unión está polarizada en inversa: = O ( 1 β ) O

15 . aracterísticas en ase omún del transistor NPN (entrada) V V (salida) V (V) aracterísticas de entrada del transistor NPN en ase omún (ma) Saturación 4 = 4 ma 3 2 Zona activa = 3 ma = 2 ma 1 O orte = 1 ma = 0 ma V (Volts) aracterísticas de salida del transistor NPN en ase omún NPN: = α O { exp (qv /kt) 1 } Zona de corte: Si = 0, y la unión está polarizada en inversa: O = O

16 D. aracterísticas en misor omún del transistor NPN V V aracterísticas de entrada del transistor NPN en misor omún (ma) Saturación 8 = 80 µa 6 4 Zona activa = 60 µa = 40 µa 2 O orte = 20 µa = 0 µa V (Volts) aracterísticas de salida del transistor NPN en misor omún qv NPN: = β ( 1 β ) O exp 1 kt Zona de corte: Si = 0, y la unión está polarizada en inversa: = O ( 1 β ) O

17 aracterísticas aproximadas de entrada y salida del transistor PNP en ase omún (ma) V V V Saturación Zona activa orte = 8 ma = 6 ma = 4 ma = 2 ma = 0 ma 0,7 V 0, V (V) Zona activa V >0 V <0 >0 <0 V 0,7 V α Zona de saturación (directa) V 0,8 V > α V 0,7 V Zona de corte V < 0,7 V 0 aracterísticas aproximadas de entrada y salida del transistor PNP en misor omún V V 0,7 V V (ma) Saturación Zona activa orte 0 0,2 V 2 4 = 80 µa = 60 µa = 40 µa = 20 µa = 0 µa V (Volts) Zona activa V <0 V <0, <0 V 0,7 V β V < 0,2 V ( V > 0,2 V) Zona de saturación (directa) V <0, <0 V 0,8 V < β ( < β ) V 0,2 V Zona de corte V < 0,7 V 0

18 aracterísticas aproximadas de entrada y salida del transistor NPN en ase omún (ma) V V V Saturación Zona activa orte = 8 ma = 6 ma = 4 ma = 2 ma = 0 ma 0,7 V 0, V (V) Región activa V <0 V >0 <0 >0 V 0,7 V α Región de saturación V 0,8 V < α V 0,7 V Región de corte V > 0,7 V 0 aracterísticas aproximadas de entrada y salida del transistor NPN en misor omún (ma) 8 Saturación = 80 µa V 6 4 Zona activa = 60 µa = 40 µa V 0,7 V V 2 orte ,2 V = 20 µa = 0 µa V (Volts) Zona activa V >0 V >0, >0 V 0,7 V β V > 0,2 V Zona de saturación (directa) V >0, >0 V 0,8 V < β V 0,2 V Zona de corte V < 0,7 V 0

19 6. fectos no ideales en las características del transistor bipolar A. fecto arly o Modulación de la anchura de la base.. enómenos de ruptura V V V

20 A. fecto arly, o Modulación de la anchura de la base. W (V ) (anchura efectiva de la base) Z de la unión oncentración de portadores minoritarios en la base l gradiente portadores minoritarios aumenta con V W para V creciente V W x = 0 x = W (V ) (ma) aracterísticas de salida del transistor NPN en misor omún mostrando el efecto arly ( ) V (Volts). enómenos de ruptura en el transistor bipolar La ruptura en un transistor bipolar se puede deber a dos mecanismos:.1. strangulamiento o punchthrough..2. Avalancha..1. strangulamiento Al aumentar el voltaje inverso, la zona de carga espacial de esa unión se ensancha, reduciendo la anchura efectiva de la base. l efecto de estrangulamiento tiene lugar cuando la zona de carga espacial ocupe completamente la base. La figura (a) representa un transistor bipolar en equilibrio

21 térmico, y la (b) el diagrama de bandas de un transistor bipolar para dos valores del voltaje de polarización inversa de la unión olectorase, V R1 y V R2. uando se aplica un voltaje pequeño, V R1, la barrera de potencial de la unión no se ve afectada. Si a esta unión no se le aplica ningún voltaje externo, la corriente que circula por ella será nula. Sin embargo, cuando se aplica un voltaje grande, V R2, la zona de carga espacial se extiende a toda la base y la barrera de potencial de la unión disminuye debido al voltaje de la unión. n estas condiciones, esta disminución de la barrera de potencial produce un gran aumento de corriente al aumentar ligeramente el voltaje V. ste efecto se conoce como estrangulamiento o punchthrough. Los parámetros que afectan Voltaje de Ruptura por estrangulamiento son la anchura y el dopado de la base..2. Avalancha n la figura (a) se muestra un transistor NPN con la unión polarizada en inversa y con el emisor abierto. n estas condiciones, la corriente que circula por la unión es O = O. La figura (b) es un transistor NPN con la base desconectada, al que se aplica un voltaje V. De esta forma, la unión también se encuentra polarizada en inversa, y la corriente que circula por él es 1 β. O = ( ) O La corriente O que circula por la unión en inversa es debida al flujo de huecos (portadores minoritarios) desde el colector hacia la base. ste flujo de huecos hacia la base le hace positiva con respecto al emisor, y la unión se polariza en directa. ntonces, la unión produce la corriente O, debida sobre todo a la inyección de electrones del emisor hacia la base. Puesto que el emisor (tipo N) está mucho más dopado que la base (tipo P), esta corriente de electrones será mucho mayor que la corriente de huecos que la ha producido. Los electrones inyectados se difunden por la base hacia la unión. Algunos de estos electrones se recombinarán en la base. La corriente debida a los electrones que alcanzan la unión será α O. Por tanto, O O = α O O O = β O 1 α

22 Si el transistor se encuentra en base común con el emisor abierto ( =0), al acercarse el voltaje V hacia valores próximos a la ruptura, el aumento de la corriente O se puede expresar como M O, donde M es el factor de multiplicación: 1 M = V 1 V O n y de manera similar para la corriente O cuando el transistor se encuentra en emisor común con la base en circuito abierto ( = 0): M O = M (α O O ) O = 1 α La ruptura ocurrirá para un voltaje V que cumpla la condición α M = 1: 1 α = 1 n V 1 VO O M Puesto que la unión se encuentra en polarización directa, V 0,7 V. omo la ruptura se produce por avalancha, V >> V y, por tanto V V. ntonces: α 1 V 1 V O n = 1 V V O O = (1 α ) 1 n V O V n β O ase común misor común