5. Transistor de Unión Bipolar BJT. Electrónica Analógica

Transcripción

1 5. Transistor de Unión Bipolar BJT Electrónica Analógica

2 Temas: Estructura de un BJT Operación básica de un BJT Características y parámetros de un BJT El BJT como amplificador El BJT como interruptor Transistor de Unión Bipolar BJT

3 Objetivos Transistor de Unión Bipolar BJT Describir la estructura básica del BJT (por sus siglas en inglés, bipolar junction transistor) Explicar cómo se polariza un BJT y analizar las corrientes del transistor y sus relaciones Analizar los parámetros y características de un BJT y utilizarlas para analizar un circuito con transistores Analizar cómo se utiliza un BJT como amplificador de voltaje Analizar cómo se utiliza un BJT como interruptor electrónico

4 Estructura de un BJT Transistor de Unión Bipolar BJT El BJT (transistor de unión bipolar) se construye con tres regiones semiconductoras separadas por dos uniones pn, como lo muestra la estructura plana epitaxial de la figura (a). Las tres regiones se llaman emisor, base y colector. En las figuras (b) y (c) se muestran representaciones físicas de los dos tipos de BJT. Un tipo se compone de dos regiones n separadas por una región p (npn) y el otro tipo consta de dos regiones p separadas por una región n (pnp). El término bipolar se refiere al uso tanto de huecos como de electrones como portadores de corriente en la estructura de transistor.

5 Estructura de un BJT Transistor de Unión Bipolar BJT Construcción Básica de un BJT

6 Estructura de un BJT Transistor de Unión Bipolar BJT Construcción Básica de un BJT

7 Estructura de un BJT Transistor de Unión Bipolar BJT Estructura simplificada de un BJT

8 Estructura de un BJT Transistor de Unión Bipolar BJT La unión pn que une la región de la base y la región del emisor se llama unión base-emisor. La unión pn que une la región de la base y la región del colector se llama unión basecolector, como la figura (b) lo muestra: un conductor conecta a cada una de estas tres regiones. Estos conductores se designan E, B y C por emisor, base y colector, respectivamente. La región de la base está ligeramente dopada y es muy delgada en comparación con las regiones del emisor, excesivamente dopada, y la del colector, moderadamente dopada.

9 Estructura de un BJT Transistor de Unión Bipolar BJT Símbolos de BJT estándar (transistor de unión bipolar)

10 Modos de Operación de un BJT

11 Modos de Operación de un BJT

12 Polarización en directa-inversa de un BJT Transistor de Unión Bipolar BJT Operación Básica de un BJT. Región Activa (Amplificador) Para que un BJT opere adecuadamente como amplificador, las dos uniones pn deben estar correctamente polarizadas con voltajes de cd externos. La figura muestra los arreglos para polarización tanto de BJT npn como pnp para que operen como amplificador.

13 Operación Básica de un BJT. Región Activa (Amplificador)

14 Operación Básica de un BJT. Región Activa (Amplificador) Current flow in an npn transistor biased to operate in the active mode. (Reverse current components due to drift of thermally generated minority carriers are not shown.)

15 Operación Básica de un BJT. Región Activa (Amplificador) La región del emisor de tipo n excesivamente dopada tiene una densidad muy alta de los electrones de banda de conducción (libres), como muestra la figura. Estos electrones libres se difunden con facilidad a través de la unión BE polarizada en directa hacia la región de la base de tipo p muy delgada y levemente dopada (flecha ancha). La base tiene una baja densidad de huecos, los cuales son los portadores mayoritarios, representados por los puntos blancos. Un pequeño porcentaje del número total de electrones libres se va hacia la base, donde se recombinan con huecos y se desplazan como electrones de valencia a través de la base hacia el emisor como corriente de huecos, como lo indican las flechas rojas.

16 Operación Básica de un BJT. Región Activa (Amplificador) Cuando los electrones que se recombinaron con huecos como electrones de valencia abandonan las estructura cristalina de la base, se transforman en electrones libres en el conductor de la base metálica y producen la corriente de base externa. La mayoría de los electrones libres que entraron a la base no se recombinan con huecos porque es muy delgada. A medida que los electrones libres se desplazan hacia la unión BC polarizada en inversa, son arrastrados a través del colector por la atracción del voltaje de alimentación positivo del colector. Los electrones libres se desplazan a través del colector hacia el circuito externo y luego regresan al emisor junto con la corriente de base, como se indica. La corriente de emisor es un poco más grande que la corriente de colector debido a la pequeña corriente de base que se desprende de la corriente total inyectada a la base proveniente del emisor.

17 Operación Básica de un BJT. Región Activa (Amplificador) Corrientes del Transistor

18 Operación Básica de un BJT. Región Activa (Amplificador) Corrientes del Transistor Las direcciones de las corrientes en un transistor npn y su símbolo esquemático se muestran en la figura (a); las correspondientes a un transistor pnp se muestran en la figura (b). Observe que la flecha en el emisor en el interior de los símbolos de transistor apunta en la dirección de la corriente convencional. Estos diagramas muestran que la corriente de emisor (IE) es la suma de la corriente de colector (IC) y la corriente de base (IB), expresada de la siguiente manera: Como ya se mencionó, I B es muy pequeña comparada con I E o I C. El subíndice de letra mayúscula indica valores de cd.

19 Operación Básica de un BJT. Región Activa (Amplificador) Corrientes del Transistor Corriente de Colector: Corriente de Base: Donde b es un parámetro del transistor cuyo rango está entre 50 y 200, aunque en dispositivos especiales puede llegar a b es llamada ganancia de corriente de emisor común.

20 Operación Básica de un BJT. Región Activa (Amplificador) Corrientes del Transistor

21 Operación Básica de un BJT. Región Activa (Amplificador) Corrientes del Transistor Corriente de Emisor:

22 Modelo Equivalente de Circuito de Gran Señal de un BJT en modo Activo.

23 Modelo Equivalente de Circuito de Gran Señal de un BJT en modo Activo.

24 Análisis de Circuitos con BJT

25 Análisis de Circuitos con BJT V BB + V RB + V BE = 0 V BB + I B R B + V BE = 0 I B = V BB V BE R B V CE V RC + V CC = 0 V CE = V CC I C R C I C = β DC I B V CB + V CE V BE = 0 V CB = V CE V BE

26 Análisis de Circuitos con BJT

27 Características de Voltaje Corriente (Región Activa) Voltage polarities and current flow in transistors biased in the active mode.

28 Características de Voltaje Corriente (Región Activa)

29 Características de Voltaje Corriente (Región Activa)

30 Características de Voltaje Corriente (Región Activa)

31 Características de Voltaje Corriente (Región Activa) Característica i C v BE del Transistor NPN

32 Características de Voltaje - Corriente (Región Activa) Efecto de la temperature en i C v BE. A una corriente de emisor constante v BE cambia -2mV/ C

33 Características de Voltaje Corriente. Curvas Características de Colector

34 Características de Voltaje Corriente. Curvas Características de Colector

35 Características de Voltaje Corriente. Curvas Características de Colector Suponga que V BB se ajusta para que produzca un cierto valor de I B y que V CC es cero. En esta condición, tanto la unión base-emisor como la unión base-colector están polarizadas en directa porque la base está a aproximadamente 0.7 V, en tanto que el emisor y el colector están a 0 V. La corriente de base circula a través de la unión base-emisor debido a la trayectoria de baja impedancia hacia tierra y, por consiguiente, I C es cero. Cuando ambas uniones están polarizadas en directa, el transistor se encuentra en la región de saturación de su operación. Saturación es el estado de un BJT en el cual la corriente en el colector alcanza un máximo independientemente de la corriente en la base.

36 Características de Voltaje Corriente. Curvas Características de Colector A medida que V CC se incrementa, V CE lo hace a medida que la corriente de colector se incrementa. Esto es indicado por la parte de la curva característica entre los puntos A y B de la figura. I C se incrementa a medida que V CC lo hace, porque V CE permanece a menos de 0.7 V debido a la unión base-colector polarizada en directa. Idealmente, cuando V CE excede de 0.7 V, la unión base-colector se polariza en inversa y el transistor entra a la región lineal o activa de su operación. Una vez que la unión basecolector se polariza en inversa, I C se nivela y permanece esencialmente constante para un valor dado de I B a medida que V CE continúa incrementándose. En realidad, I C se incrementa muy poco a medida que V CE se incrementa debido al ensanchamiento de la región de empobrecimiento base-colector. Esto produce pocos huecos para recombinación en la base lo que efectivamente provoca un incremento leve de b CD. Esto es mostrado por la parte de la curva característica entre los puntos B y C en la figura. Para esta parte de la curva característica, la relación expresada como I C = (b CD )(I B ) determina el valor de I C.

37 Características de Voltaje Corriente. Curvas Características de Colector Cuando V CE alcanza un voltaje suficientemente alto, la unión base-colector polarizada en inversa entra en la condición de ruptura, y la corriente de colector se incrementa con rapidez como lo indica la parte de la curva a la derecha del punto C en la figura Un transistor nunca debe ser operado en esta región de ruptura. Se produce una familia de curvas características cuando I C contra V CE se traza para varios valores de I B, como lo ilustra la figura. Cuando I B = 0, el transistor se encuentra en la región de corte, aunque existe una corriente de fuga muy pequeña en el colector, como se indica. Corte es el estado de no conducción de un transistor. La cantidad de corriente de fuga en el colector con I B = 0 está exagerada en la gráfica en aras de la claridad.

38 Características de Voltaje Corriente. Curvas Características de Colector Corte Como se mencionó, cuando I B = 0, el transistor se encuentra en la región de corte de su operación. Esto se muestra en la figura con la terminal de la base abierta, lo que produce una corriente de cero en la base. En esta condición, existe una cantidad muy pequeña de corriente de fuga en el colector, I CEO, debido principalmente a portadores producidos térmicamente. Como I CEO es extremadamente pequeña, normalmente se omite en el análisis de circuitos, de tal forma que VCE = VCC. En la región de corte, ni la unión base-emisor ni la unión base-colector están polarizadas en directa. El subíndice CEO representa colector con respecto a emisor con la base abierto. Corte: La corriente de fuga en el colector (ICEO) es extremadamente pequeña y normalmente se desprecia. Uniones base-emisor y base colector se polarizan en inversa.

39 Características de Voltaje Corriente. Curvas Características de Colector Saturación Cuando la unión base-emisor se polariza en directa y la corriente en la base se incrementa, la corriente en el colector también lo hace I C = (b CD )(I B ) y V CE se reduce a consecuencia de más caída a través del resistor del colector (V CE = V CC - I C R C ). Cuando V CE llega a su valor de saturación, V CE(sat), la unión base-colector se polariza en directa e I C ya no puede incrementarse más, incluso con un incremento continuo de I B. En el punto de saturación, la relación I C = (b CD )(I B ) ya no es válida. V CE(sat) para un transistor ocurre en alguna parte debajo de la inflexión de las curvas de colector y normalmente es de sólo unos cuantos décimos de un volt. Saturación: Conforme I B se incrementa a medida que V BB lo hace, I C también se incrementa y V CE se reduce a causa de la caída de voltaje incrementada a través de R C. Cuando el transistor se va a saturación, I C ya no se incrementa más pese al incremento adicional de I B. Las uniones base-emisor y base-colector se polarizan en directa.

40 Dependencia de i c del voltaje de colector. Efecto Early

41 Dependencia de i c del voltaje de colector. Efecto Early Cuando operan en la región activa los transistores BJT muestran alguna dependencia de la corriente de colector sobre el voltaje de colector, con el resultado que sus curvas características i C v CB no son rectas perfectamente horizontales. Para ver esta dependencia más claramente, considere el circuito conceptual de la figura. El transistor está conectado en la configuración de emisor común, y su V BE se puede fijar en cualquier valor deseado al ajustar la fuente de DC conectada entre base y emisor. A cada valor de v BE, le correspondiente curva característica i C v CE se puede medir punto por punto al hacer variar la fuente de DC conectada entre colector y emisor y medir la corriente de colector correspondiente. El resultado es la familia de curvas características i C v CE A bajos valores de v CE a medida que el voltaje de colector cae por debajo del de la base, la unión entre colector y base se polariza directamente y el transistor sale del modo activo y entra en el de saturación.

42 Dependencia de i c del voltaje de colector. Efecto Early Observamos que estas curvas, aun cuando sean rectas, tienen pendiente finita. De hecho, al extrapolar, las rectas características se encuentran en un punto en el eje negativo v CE, en v CE = -V A, un número positivo, es un parámetro para el BJT en particular, con valores entre 50 y 100V. Recibe el nombre de voltaje Early. A un valor dado de v BE, un creciente v CE incrementa el voltaje de polarización inversa en la unión entre colector y base y por lo tanto aumenta el ancho de la región de agotamiento de esta unión. Esto, a su vez, resulta en un decremento en el ancho eficaz de base W. Si recordamos que I S es inversamente proporcional a W, vemos que I S aumentará e i C aumenta proporcionalmente. Este es el efecto Early.

43 Dependencia de i c del voltaje de colector. Efecto Early La dependencia lineal de i C en v CE se puede justificar si se supone que I S permanece constante y se incluye el factor (1+v CE /V A ) como sigue: La pendiente diferente de cero de las rectas i C v CE indica que las resistencia de salida que mira hacia el colector no es infinita sino que, más bien, es finita y está definida por: Donde I C es el nivel de corriente correspondiente al valor constante de v BE, cerca de la frontera de la región activa. Raras veces es necesario incluir la dependencia de i C en v CE en el diseño y análisis de polarización DC, pero la resistencia finita de salida r o puede tener un efecto significativo en la ganancia de amplificadores transistorizados.

44 Dependencia de i c del voltaje de colector. Efecto Early Large-signal equivalent-circuit models of an npn BJT operating in the active mode in the common-emitter configuration with the output resistance r o included.

45 Recta de Carga de DC Transistor de Unión Bipolar BJT Las condiciones de corte y saturación pueden ser ilustradas en relación con las curvas características de colector con el uso de una recta de carga. La figura muestra una recta de carga de cd trazada sobre una familia de curvas que conecta el punto de corte y el punto de saturación. La parte inferior de la recta de carga se encuentra en el punto de corte ideal donde I C = 0 y V CE = V CC. La parte superior de la recta de carga se encuentra en el punto de saturación donde I C = I C(sat) y V CE = V CE(sat). Entre el punto de saturación y el punto de corte a lo largo de la recta de carga se encuentra la región activa de la operación del transistor.

46 Recta de Carga de DC Transistor de Unión Bipolar BJT Recta de carga de cd sobre una familia de curvas características de colector que ilustra las condiciones de corte y saturación

47 Recta de Carga de DC Transistor de Unión Bipolar BJT

48 Recta de Carga de DC Transistor de Unión Bipolar BJT

49 Recta de Carga de DC Transistor de Unión Bipolar BJT

50 Recta de Carga de DC Transistor de Unión Bipolar BJT

51 Más sobre bdc Transistor de Unión Bipolar BJT La b CD o h FE es un parámetro de BJT importante que debe ser examinado más a fondo. El b CD no es verdaderamente constante: varía tanto con la corriente de colector como con la temperatura. Si se mantiene constante la temperatura de la unión y se incrementa I C, b CD se incrementa a un máximo. Un incremento más de I C más allá de este punto máximo hace que b CD se reduzca. Si I C se mantiene constante y la temperatura varía, b CD cambia directamente con la temperatura. Si se eleva la temperatura, b CD se eleva y viceversa. La figura muestra la variación de b CD con I C y la temperatura de la unión (T J ) de un BJT típico. Normalmente, una hoja de datos de un transistor especifica b CD (hfe) a valores específicos de I C. Incluso a valores fijos de I C y temperatura, b CD varía de un dispositivo a otro para un tipo dado de transistor debido a las inconsistencias en el proceso de fabricación que son inevitables. El b CD especificado a un cierto valor de I C casi siempre es el valor mínimo, b CD (mín), aun cuando en ocasiones los valores máximo y típico también se especifican.

52 Más sobre bdc Transistor de Unión Bipolar BJT

53 Valores nominales máximos de un transistor Un BJT, como cualquier otro dispositivo electrónico, tiene limitaciones en su operación. Estas limitaciones se establecen en la forma de valores nominales máximos y normalmente vienen especificadas en la hoja de datos del fabricante. Típicamente se dan valores nominales máximos de voltaje en el colector con respecto a la base y voltaje en el colector con respecto al emisor, voltaje en el emisor con respecto a la base, corriente en el colector y disipación de potencia. El producto de V CE e I C no debe exceder la disipación de potencia máxima. Tanto V CE como I C no pueden ser máximos al mismo tiempo. Si V CE es máximo, I C se calcula como. Si I C es máxima, V CE se calcula reordenando la ecuación previa como sigue:

54 Valores nominales máximos de un transistor

55 Reducción del valor nominal de PD(máx) P D(máx) normalmente se especifica a 25 C; a temperaturas más altas, P D(máx) es menor. Las hojas de datos a menudo dan factores de reducción de su valor nominal para determinar P D(máx) a cualquier temperatura de más de 25 C. Por ejemplo, un factor de reducción de valor nominal de 2 mw/ C indica que la disipación de potencia máxima se reduce 2 mw por cada grado Celsius de incremento de temperatura.

56 Hoja de datos del transistor En la figura se muestra una hoja de datos parcial del transistor npn 2N3904. Observe que el voltaje máximo en el colector con respecto al emisor (V CEO ) es de 40 V. El subíndice CEO indica que se mide del colector (C) al emisor (E) con la base abierta (O). En la clase se utiliza V CE(máx) para este parámetro. Asimismo, observe que la corriente máxima en el colector es de 200 ma. La b CD (hfe) se especifica para varios valores de I C. Como se puede ver, h FE varía con I C como previamente se discutió. El voltaje de saturación del colector al emisor, V CE(máx) es de 0.2 V máximo con I C(sat) = 10 ma y se incrementa con la corriente.

57 Hoja de datos del transistor

58 Hoja de datos del transistor

59 Hoja de datos del transistor

60 Hoja de datos del transistor

61 El BJT como Amplificador Amplificación es el proceso de incrementar linealmente la amplitud de una señal eléctrica y es una de las propiedades importantes de un transistor. Un BJT presenta una ganancia de corriente (llamada b). Cuando se polariza un BJT en la región activa (o lineal), como previamente se describió, la unión BE tiene baja resistencia debido a la polarización en directa y la unión BC tiene una alta resistencia debido a la polarización en inversa.

62 El BJT como Amplificador. Amplificación de voltaje mediante un transistor Un transistor amplifica corriente porque la corriente al colector es igual a la corriente en la base multiplicada por la ganancia de corriente, b. La corriente en la base en un transistor es muy pequeña comparada con las corrientes en el colector y emisor. Por eso, la corriente en el colector es aproximadamente igual a la corriente en el emisor. Con esto presente, examine el circuito de la figura. Se superpone un voltaje de ca, V s, sobre el voltaje de polarización de cd V BB mediante acoplamiento capacitivo, como se muestra. El voltaje de polarización de cd V CC se conecta al colector mediante el resistor R C. El voltaje de entrada de ca produce una corriente alterna en la base, lo cual produce una corriente alterna en el colector mucho más grande. La corriente alterna en el colector produce un voltaje de ca a través de R C, produciéndose así una reproducción amplificada, pero invertida, del voltaje de entrada de ca en la región activa de operación, como ilustra la figura.

63 El BJT como Amplificador. Amplificación de voltaje mediante un transistor

64 El BJT como Amplificador. Amplificación de voltaje mediante un transistor La unión base-emisor polarizada en directa presenta una muy baja resistencia a la señal de ca. Esta resistencia interna de ca en el emisor se expresa como r e en la figura y aparece en serie con R B.

65 El BJT como Amplificador. Amplificación de voltaje mediante un transistor

66 El BJT como Amplificador. Amplificación de voltaje mediante un transistor

67 El BJT como un Interruptor La segunda área importante de aplicación se encuentra en aplicaciones de conmutación o interrupción. Cuando se utiliza como interruptor electrónico, un BJT normalmente opera alternadamente en corte y saturación. Muchos circuitos digitales utilizan el BJT como interruptores. La figura ilustra la operación básica de un BJT como dispositivo de conmutación. En la parte a), el transistor está en la región de corte porque la unión base-emisor no está polarizada en directa. En esta condición, existe, idealmente, una abertura entre el colector y el emisor, como lo indica el equivalente de interruptor. En la parte b), el transistor está en la región de saturación porque la unión base-emisor y la unión base-colector están polarizadas en directa y la corriente en la base llega a ser suficientemente grande para provocar que la corriente en el colector alcance su valor de saturación. En esta condición, existe, idealmente, un corto entre el colector y el emisor, como lo indica el equivalente de interruptor. En realidad, normalmente ocurre una pequeña caída de voltaje a través del transistor de unos cuantos décimos de volt, la cual es el voltaje de saturación, V CE(sat).

68 El BJT como un Interruptor

69 El BJT como un Interruptor Condiciones en corte. Como se mencionó, un transistor está en la región de corte cuando la unión base-emisor no está polarizada en directa. Si se ignora la corriente de fuga, todas las corrientes son cero y V CE es igual a V CC.

70 El BJT como un Interruptor Condiciones en Saturación: Cuando la unión base-emisor está polarizada en directa y existe suficiente corriente en la base para producir una corriente máxima en el colector, el transistor está en saturación. La fórmula para la corriente de saturación de colector es: Puesto que V CE(sat) es muy pequeño comparado con VCC, casi siempre puede ser despreciado. El valor máximo de la corriente en base requerida para producir saturación es Normalmente, I B debe ser significativamente más grande que I B(mín) para garantizar que el transistor esté en saturación.

71 El BJT como un Interruptor

72 El BJT como un Interruptor Aplicación Sencilla