UNIDAD TEMÁTICA NO 4. TRANSISTORES BIPOLARES BJT

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1 UNIDAD TEMÁTICA NO 4. TRANSISTORES BIPOLARES BJT 4.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS TRANSISTORES BJT Un transistor 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. 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 (constituye la región de corte), estado de saturación (constituye la región de saturación) y estado de actividad (constituye la región activa) Estructura Física del transistor BJT, NPN y PNP Un transistor de unión bipolar consiste en tres regiones semiconductoras dopadas: la región del emisor, la región de la base y la región del colector. Estas regiones son, respectivamente, tipo P, tipo N y tipo P en un PNP, y tipo N, tipo P, y tipo N en un transistor NPN. Cada región del semiconductor está conectada a un terminal, denominado emisor (E), base (B) o colector (C), según corresponda.

2 La base está físicamente localizada entre el emisor y el colector y está compuesta de material semiconductor ligeramente dopado y de alta resistividad. El colector rodea la región del emisor, haciendo casi imposible para los electrones inyectados en la región de la base escapar de ser colectados, lo que hace que el valor resultante de α se acerque mucho hacia la unidad, y por eso, otorgarle al transistor una gran β ( ganancia en DC). El transistor de unión bipolar, a diferencia de otros transistores, no es usualmente un dispositivo simétrico. Esto significa que intercambiando el colector y el emisor hacen que el transistor deje de funcionar en modo activo y comience a funcionar en modo inverso. Debido a que la estructura interna del transistor está usualmente optimizada para funcionar en modo activo, intercambiar el colector con el emisor hacen que los valores de α y β en modo inverso sean mucho más pequeños que los que se podrían obtener en modo activo; muchas veces el valor de α en modo inverso es menor a 0.5. La falta de simetría es principalmente debido a las tasas de dopaje entre el emisor y el colector. El emisor está altamente dopado, mientras que el colector está ligeramente dopado, permitiendo que pueda ser aplicada una gran tensión de reversa en la unión colector-base antes de que esta colapse. La unión colector-base está polarizada en inversa durante la operación normal. La razón por la cual el emisor está altamente dopado es para aumentar la eficiencia de inyección de portadores del emisor: la tasa de portadores inyectados por el emisor en relación con aquellos inyectados por la base. Para una gran ganancia de corriente, la mayoría de los portadores inyectados en la unión base-emisor deben provenir del emisor. En la figura No. 52 se muestra el símbolo eléctrico de un transistor NPN y de un transistor PNP Figura NO. 52.Símbolo eléctrico de los transistores NPN y PNP Fuente: Transistor de unión bipolar en Google libros Factores de Ganancia de Corriente Beta y Alfa.

3 Una forma de medir la eficiencia del BJT es a través de la proporción de electrones capaces de cruzar la base y alcanzar el colector. El alto dopaje de la región del emisor y el bajo dopaje de la región de la base pueden causar que muchos más electrones sean inyectados desde el emisor hacia la base que huecos desde la base hacia el emisor. La ganancia de corriente emisor común está representada por o por hfe. Esto es aproximadamente la tasa de corriente continua de colector a la corriente continua de la base en la región activa directa y es típicamente mayor a 100. Otro parámetro importante es la ganancia de corriente base común,. La ganancia de corriente base común es aproximadamente la ganancia de corriente desde emisor a colector en la región activa directa. Esta tasa usualmente tiene un valor cercano a la unidad; que oscila entre 0.98 y El Alfa y Beta están más precisamente determinados por las siguientes relaciones (para un transistor NPN o PNP): Regiones de operación Los transistores de unión bipolar tienen diferentes regiones operativas, definidas principalmente por la forma en que son polarizados: Región activa: directa en cuanto a la polaridad: Corriente del emisor: IE = (β + 1) * Ib, esta corriente se da en ma Corriente del colector: IC= β* Ib, esta corriente se da en ma Corriente de base se da en µa o na nunca cero amperios. VBE = 0.7v Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de β (ganancia de corriente, es un dato del fabricante) y de las resistencias que se encuentren conectadas en el colector y emisor. Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador de señal.

4 Región inversa: Al invertir las condiciones de polaridad del funcionamiento en modo activo, el transistor bipolar entra en funcionamiento en modo inverso. En este modo, las regiones del colector y emisor intercambian roles. Debido a que la mayoría de los BJT son diseñados para maximizar la ganancia de corriente en modo activo, el parámetro beta en modo inverso es drásticamente menor al presente en modo activo. Región de corte: Un transistor está en corte cuando: Corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0) En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0) De forma simplificada, se puede decir que la unión CE se comporta como un circuito abierto, ya que la corriente que lo atraviesa es cero. En esta región se tiene : VC= Vcc = VCE VE = 0v Región de saturación: Un transistor está saturado cuando: Corriente de colector corriente de emisor = corriente máxima, (Ic Ie = Imáx) En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos. Se presenta cuando la diferencia de potencial entre el colector y el emisor desciende por debajo del valor umbral VCE,sat. Cuando el transistor esta en saturación, la relación lineal de amplificación Ic=β Ib (y por ende, la relación Ie=(β+1) Ib ) no se cumple. De forma simplificada, se puede decir que la unión CE se comporta como un cable, ya que la diferencia de potencial entre C y E es muy próxima a cero. En esta región se tiene: VC = 0v VE = es un voltaje grande VCE= 0v IB está dada en ma y las corrientes de emisor y colector están dadas en amperios. Las regiones de corte y saturación, es importante para la electrónica digital, representando el estado lógico alto y bajo, respectivamente.

5 4.1.4 Punto de operación Para amplificadores con transistores, la corriente y voltaje de DC resultantes establecen un punto de operación en las características que definen la región que se empleará para amplificar la señal aplicada. Como el punto de operación es un punto fijo en las características, también se llama punto quiescente (abreviado punto Q). Por definición, quiescente significa quieto, inmóvil, inactivo Recta de carga En la figura No. 53 se muestra la representación gráfica del punto de trabajo Q del transistor, especificado a través de tres parámetros: ICQ, IBQ y la VCEQ. Este punto se encuentra localizado dentro de una recta denominada recta de carga estática: si Q se encuentra en el límite superior de la recta, el transistor estará saturado, en el límite inferior el transistor estará en corte y en los puntos intermedios en la región lineal. Esta recta se obtiene a través de la ecuación del circuito que relaciona la IC con la VCE que, representada en las curvas características del transistor de la figura 54, corresponde a una recta. La siguiente ecuación define la recta de carga obtenida al aplicar LVK al circuito de polarización, de forma que: Para dibujar esta recta de una manera sencilla en el plano (VCE, IC) del transistor se seleccionan dos puntos: a) VCE=0, entonces IC=VCC / RC. b) IC=0, entonces VCE=VCC. Estos puntos se pueden identificar en la figura 53 y representan los cortes de la recta de carga estática con los ejes de coordenadas. Figura No. 53. Gráfica del punto Q y la recta de carga de un transistor BJT Fuente:

6 Figura No. 54 Fuente: CONFIGURACIONES BÁSICAS DEL TRANSISTOR BJT Configuraciones Emisor común, Base común y Colector común Configuración de base común: recibe este nombre porque la base es el punto común (tierra) entre el colector y el emisor del transistor BJT. Es una configuración bastante popular porque en el dominio de AC tiene una muy baja impedancia de entrada, una alta impedancia de salida y una buena ganancia. En esta configuración el transistor actúa como un amplificador de corriente. Figura NO. 55 Amplificador en base común Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág. 189 Al aplicar la ley de voltajes de Kirchhoff se obtiene: - VEE + IERE + VBE = 0

7 Al aplicar la ley de voltajes de Kirchhoff a todo el perímetro de la red de la figura 55 se obtiene: - VEE + IERE + VCE + ICRC - VCC = 0 VCE = VEE + VCC - IERE ICRC IE = IC El voltaje de la figura VCB se determina aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff a la malla de salida de la figura 55 para obtener: VCB + ICRC - VCC = 0 VCB = VCC ICRC IE = IC VCB = VCC ICRC Configuración de Emisor común (el transistor como conmutador): este circuito se denomina de esta forma porque el emisor es el punto común entre la base y el colector del transistor. Este circuito se utiliza como interruptor o switche en computadoras y sistemas de control. Figura No. 56 Configuración de emisor común Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág. 207 Trabajando en la región activa se tiene que: IB = (VBB 0.7 ) / RB VCE = Vc VE pero VE = 0v entonces: VCE = VC = VCC - VRC La red de la figura No. 56 se puede emplear como un inversor en los circuitos lógicos de una computadora. El voltaje de salida VC se opone al aplicado a la terminal de entrada o base. El diseño apropiado para el proceso de inversión requiere que el punto de operación cambie de corte a saturación a lo largo de la recta de carga. Por lo tanto se tiene: IC = ICEO = 0 ma cuando IB = 0 ma VCE = VCEsat = 0 V

8 Además de contribuir a lógica de la computadora, el transistor también se puede emplear como interruptor si se utilizan las mismas extremidades de la recta de carga. En condiciones de saturación, la corriente IC es bastante alta y el voltaje VCE muy bajo. El resultado es un nivel de resistencia entre las dos terminales, determinado por: que se ilustra en la figura No. 57 Figura NO. 57 Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág. 208 Configuración de Colector común: Este circuito se llama así porque el colector es el punto común entre la base y el emisor del transistor. A esta configuración se la suele llamar seguidor de emisor. La entrada de señal se produce por la base y la salida por el emisor, en vez de por el colector como en el resto de los circuitos. Si la unión base emisor está polarizada directamente, el transistor va a conducir, mientras que si está inversamente polarizada no lo hará. En esta configuración se tiene ganancia de corriente, pero no de tensión que es ligeramente inferior a la unidad. La impedancia de entrada es alta, aproximadamente β+1 veces la impedancia de carga,y, la impedancia de

9 salida es baja, aproximadamente β veces menor que la de la fuente de señal, por lo cual es usado para acople de impedancias. Figura No. 58 Configuración de colector común Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág. 209 En esta configuración en la región activa se tiene: IB = (VBB 0.7) / (β * IB) R VCE= VC VE, pero VC = 0v, Entonces: VCE = -VE = -(IE * R) 4.3 POLARIZACIONES BÁSICAS DEL TRANSISTOR BJT

10 Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág Punto de operación en las diferentes polarizaciones Polarización Fija

11 Figura NO 59 Curva de carga y punto Q configuración Fija Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág Configuración de polarización de emisor Figura NO. 60 Recta de carga y punto Q para la configuración de polarización de emisor

12 Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág Configuración de polarización por divisor de voltaje Figura No. 61 Punto Q y recta de carga de la configuración de polarización por divisor de voltaje

13 Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág. 177 RTH= R1// R2