TBJ DISPOSITIVO ELECTRONICOS 2016

Transistor Bipolar

Tipos de Transistores BIPOLARES DE JUNTURA NPN PNP TRANSISTORES UNIÓN CANAL N (JFET-N) CANAL P (JFET-P) EFECTO DE CAMPO FET METAL-OXIDO- SEMICONDUCTOR MOS CANAL N (MOSFET-N) CANAL P (MOSFET-P) * FET : Field Effect Transistor

Definición Cualitativa Dispositivo Semiconductor de 3 terminales Función en el circuito: Amplificar Corriente Fuente de Corriente Llave Electrónica Tipos de Transistores: NPN PNP Símbolos que lo representan en el Circuito

Definición El transistor es un dispositivo de 3 terminales con los siguientes nombres: Base (B), Colector (C) y Emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con el terminal que tiene la flecha en el gráfico de transistor. El transistor es un Amplificador de Corriente, esto quiere decir que si le introducimos una corriente por el terminal de Base (IB), entregará por el terminal de Colector (IC), una corriente mayor en un factor que se llama ganancia de corriente en emisor común (b) - IC = b IB El factor β (Beta) es un parámetro del transistor.

Convenciones V-I I B _ V CB Colector + + I C Base + V BE _ Emisor V CE _ I E Corrientes positivas cuando entran al dispositivo Tensiones indicadas por subíndices

Estructura Física Colector N Colector Base Base P Emisor N Emisor

Estructura Física B Emisor Base Colector E N + N DE P N AB N N DC C W E W B W C B Concentración de portadores E n n0e N DE p p0 N AB n n0c N DC p noe n i 2 N DE n po n 2 i N AB p noc n i 2 N DC C

Zonas de Operación Juntura B-E Juntura B-C Zona de Operación Directa Inversa Activa Directa Directa Directa Saturación Inversa Inversa Corte Inversa Directa Activa Inversa Colector V BC Activa Inversa Saturación Base V BE Corte Activa Directa Emisor

Características V-I de Base Transistor NPN I B = f(v BE, V CE ) Característica de entrada I b + I B V BE - V BE Entre base y emisor el transistor se comporta como un diodo.

Características V-I de Colector Transistor NPN I C =b I B I C + I C (ma) V BE + I B V CE V BE - - Zona de saturación Zona de corte V CE (V)

Modelo para Zona Activa Directa I B = I C β I C = I S e V BE UT Parámetros I s y b

Modelo de Eber & Moll C B E

Características del Modelo de Eber & Moll Parámetros Validez del modelo I S b F b R Determinados por la fabricación Todos los modos de operación Funcionamiento del modelo Generador de corriente entre Colector Emisor controlado por V BC y V BE MODELO UTILIZADO POR LOS SIMULADORES

Limitaciones del Modelo No contempla Máximas Tensiones, Corrientes y Potencia (Zona de Operación Segura SOAR) C B I C I CMAX I C-MAX V CE-MAX P MAX E Corriente máxima de colector Tensión máxima CE Potencia máxima SOAR P MAX V CE-MAX V CE Área de operación segura (Safety Operation Area)

No representa la variación de la corriente IC con la tensión VCE (Modulación del ancho de la base) I C (ma) I C V BE V BE V CE (V) V CE

No representa la dependencia del valor de b con la corriente IC. No contempla la dependencia de b con la temperatura

No contempla los Efectos Capacitivos de las junturas que afecta al funcionamiento en altas frecuencias Capacidades de juntura C JC (Colector Base) C je (Emisor Base) Capacidades de difusión C DC (Colector Base) C DE (Emisor Base) La tecnología de fabricación de los TBJ introduce Resistencias Parásitas en serie con los terminales Base (r B ), Colector (r C ) Emisor ( r E ). r B r C r E

Corte Transversal de un TBJ NPN Emisor Colector Emisor Base N N + Base P P N N Colector

Colector Elementos parásitos Emisor Base N + P N Colector Emisor Base N + P N

Principio de Funcionamiento del Transistor Bipolar P N N N P Si la zona central es muy ancha el comportamiento es el de dos diodos en serie: el funcionamiento de la primera unión no afecta al de la segunda

Principio de Funcionamiento del Transistor Bipolar P N P

Principio de Funcionamiento del Transistor Bipolar Base P Emisor Colector Transistor PNP N P El terminal de base actúa como terminal de control manejando una fracción de la corriente mucho menor a la de emisor y el colector.

Principio de Funcionamiento del Transistor Bipolar Transistor NPN V BE V CB N P N

Desplazamiento de portadores en Zona Activa Directa N + P N E I En C I E I Ep I rb I C 0 W B x B I B I E = I En + I Ep V BE I B = I Ep + I rb V CB I C = I En I rb β = I C I B β = I En I rb I Ep + I rb α = I C I E α = I En I rb I Ep + I En α = I En I Ep + I En I En I rb I En

Corriente de electrones en la juntura B E Corriente total en la juntura B E γ E Eficiencia de inyección α = I En I Ep + I En I En I rb I En Corriente de electrones que llega a la juntura B C Corriente de electrones que pasa por la juntura B E α T Factor de transporte de base α = γ E α T β = α = α 1 α β 1 + β β alto α 1 α 1 γ E 1 α T 1

Concentraciones de portadores en Zona Activa Directa V BE p ne 0 = p n0e e U T n p 0 V BE = n p0 e U T N + P N E p ne x p ne 0 n p 0 n p x p n0c C p n0e W E 0 W B x B V BE V CB V BC < 0 n p W B V BC = n p0 e U T n p W B 0

Corrientes en Zona Activa Directa N + P N E n p 0 C p ne 0 p n0e p n0c W E 0 W B x B V BE V CB I En = qa E D n dn p x dx x=0 dn p x dx x=0 = n p 0 W B I En = qa E D n n p 0 W B I Ep = qa E D p dp ne dx x x=0 dp ne dx x x=0 = p ne 0 W E I Ep = qa E D p p ne 0 W E

N + P N E n p 0 C p ne 0 p n0e p n0c W E 0 W B x B V BE V CB I rb = Q B τ n Q B Carga almacenada en base τ n Tiempo de vida medio de electrones en base Q B = 1 2 qa EW B n p 0 I rb = 1 2 qa E W B τ n n p 0

RELACION I C vs V BE N + P N E I En C IE I Ep I rb I C 0 W B x B I B V BE V CB I C = I En I rb si I rb I En I C I En n p 0 V BE I En = qa E D n n p 0 = n p0 e U T W B I C = qa ED n n p0 W B V BE e U T V BE I C = I S e U T I S = qa ED n n p0 W B

Ganancia de Corriente β β = α 1 α β = 1 1 α 1 α = γ E α T α = I En I Ep + I En I En I rb I En α = 1 I Ep I En + 1 1 I rb I En γ E = 1 I Ep I En + 1 I Ep I En = D pp n0e W B D n n p0 W E I Ep = qa E D p p ne 0 W E I En = qa E D n n p 0 W B α T = 1 I rb I En I rb I En = W 2 B I 2 D n τ rb = 1 qa E W B n n 2 τ p 0 n

α = γ E α T α γ E β 1 γ E = 1 Si α T 1 1 γ E 1 I Ep I En + 1 1 γ E = 1 + I Ep I En 1 γ E 1 = I Ep I En I En I Ep = D nn p0 W E D p p n0e W B β D nw E n p0 D p W B p n0e β I En I Ep n p0 = n i 2 N AB p n0e = n i 2 N DE β D nn DE W E D p N AB W B

Modulación del ancho de la base (Efecto EARLY) N N DE P N A N N DC E p ne (0) n p (0) n p (x) C W E W 1B 0 W B V BE B V CB I C = (1+V CE /V A ) I S exp (V BE /U T )

b vs IC 250 BETA ZONA I ZONA II ZONA III 200 150 100 50 1.0uA 10uA 100uA 1.0mA 10mA 100mA 1.0A IC(Q1)/ IB(Q1) IC(Q1) 37

I C ~ I ne b = I C I B β = I ne I pe + I rb I pe I ne I B = I pe + I rb Zona I La corriente I rb es del orden de I pe por lo que no puede despreciarse I rb I pe I ne b 1 ma 1 ma 100 ma 50 1 ma 10 ma 1000 ma 90 1 ma 100 ma 10000 ua 99 250 BETA ZONA I ZONA II ZONA III 200 Zona II 150 La corriente I rb puede despreciarse Zona III Inyeccion de alto nivel 100 50 1.0uA 10uA 100uA 1.0mA 10mA 100mA 1.0A IC(Q1)/ IB(Q1) IC(Q1)

Tensión de ruptura V CB I E I C I C I E =0 I E3 V CB I E2 I E1 V CB0 V CB I * M * Cuando llega a la ruptura αm >1 C IE M: Factor de Multiplicación V CBO : Parámetro del TBJ M 1 V 1 ( V CB CBO ) n

Tensión de ruptura V CE I C I C = βi B β = α 1 α Cuando αm = 1 I C = I C αm 1 αm I B V CE αm = α 1 V CB V CB0 n = 1 α = 1 V CB V CB0 n V CB V CB0 = n 1 α V CB = V CB0 n 1 α V CB V CE V CE = V CB0 n 1 α Multiplico y divido el segundo miembro por α α 1 V CE = V CB0 n 1 α α V CE = V CB0 n β Cuanto más grande sea el valor de b menor es la ruptura V CEO

Tensión de ruptura V CE Colector N n P V CE Base P n P N + Emisor

Máximos Absolutos Dispositivos Electrónicos-FACET- 2011 42

Dispositivos Electrónicos-FACET- 2011 43

Fuente Espejo I REF I C2 = I 0 I B1 + I B2 I C1 Q 1 Q 2 I B1 I B2 47

Fuente Espejo I REF I 01 I 02 I 03 Q 1 Q 2 Q 3 Q REF I S1 = I SREF I S2 = 2 I SREF I S3 = 4 I SREF I 01 = I REF I 02 = 2 I REF I 03 = 4 I REF

Fuente Espejo de 3 Transistores V + I REF = I C1 + I B1 + I B2 β I REF I B1 + I B2 β Q 3 I C2 = I 0 I C1 = I C2 = I 0 I C1 I B1 = I B2 = I C1 β I B1 +I B2 Q 1 Q 2 I B1 I B2 I REF = I C1 + 2I C1 β 2 I REF = I 0 1 + 2 β 2 I REF = I C1 1 + 2 β 2 I 0 = I REF 1 + 2 β 2

Fuente Espejo Desequilibrada I C2 I REF + V BE1 _ + V BE2 _ + VR _ R R C V CC V BE1 I C1 = I S1 e U T V BE2 I C2 = I S2 e U T I C1 = I V S1 BE1 V BE2 Q 1 Q 2 e U T I C2 I S2 I S1 I S2 I V C1 BE1 V BE2 = e U T I C2 V BE1 V BE2 = I C2 R Despreciando las corrientes de base I REF I C1 I REF I C2 I C2 R = e U T I C2 R I REF = I C2 e U T

El Transistor como Amplificador I c = I CP + i c I b = I Bp + i b I b I c V be = V BEp + v i

Circuito de Polarización B I b C E I C = 1 + V CE V A V BEp I S e U T

I b I Bp Q V BE V BEp Cuando Vi es pequeño puedo linealizar la exponencial El diodo puedo reemplazarlo por un resistor (r π ) El valor del resistor se calcula como r π = dv BE di B Calculado en Q

I C I Cp V BEp V CEp V CE Cuando Vi es pequeño puedo linealizar la relación entre I c y V BE V i i C = I S eu T i c = g m v i g m = di C dv BE Calculado en Q

Modelo de Pequeña Señal configuración Emisor Común IS, b,, V VA VCBO V I CEp Cp BEp

I c =I C +i c g r I B m di dv dv di C BE BE B VBE VBE Is V exp( b U I b =I B +i b + v i - V BE BE I U T ) S T U b I V exp( U T CP BE T ) I U CP T + V CE - r I O C di dv C CE dv di I S CE C V (1 V I V S A V I CE A A Cp V )exp( U V exp( U BE T ) BE T ) di dv B BE IS bu T V exp( U BE T ) dvce dvce dic rm * rob dib dic dib

Validez del Modelo I c = I S e V BEp +v i U T I c = I CP + i c I b I c V be = V BEp + v i I c = I S e V BEp U T e v i U T I c = I CP e v i U T I c = I CP 1 + v i U T I c I CP = i c i c = I CP v i U T i c v i = I CP U T g m = I CP U T Si v i U T < 1 e v i U T = 1 + v i U T + 1 2 v i U T 2 + 1 3 v i U T 3 + Si v i U T 1 e v i U T ~1 + v i U T U T = 26mV v i ~2.6 mv

Capacitancias del Modelo Concentración de Portadores n p( p0 0) n V exp( vi ) Ut BE n p( p0 0) n V exp( Ut BE ) Ic ic Ic V BE v i Q E Q h

Tiempo de Tránsito D W I Q v q C Capacidad q v Q Q v V n B F C E i h b h i h E i BE 2 Neutralidad Corriente 2 * * m F b m F i h c F h F C h C E h E g C g v q i q I Q I Q Q Q Si Capacitancias del Modelo

Capacitancias del Modelo C π = C jbe + C b Capacidad de Juntura Base-Emisor Capacidad de Difusión Base-Emisor C jbe = C jbe0 1 V BE V j0be C b = τ F g m C μ = C jbc Capacidad de Juntura Base-Colector C jbc = C jbc0 1 V BC V j0bc

Colector Elementos parásitos Emisor Base N + P N Colector Emisor Base N + P N

Resistencias y Capacitancias Parásitas

Modelo considerando efectos parasitos

Respuesta en Frecuencia del Transistor Diagrama de alterna para la medición de f T Frecuencia de Transición Circuito Equivalente de pequeña señal

i 0 Rpi Rmu Puedo despreciar Rmu i 0 = g m V 1 V 1 = i i r π 1 + jωr π C π + C μ i 0 = i i g m r π 1 + jωr π C π + C μ β ω = i 0 ω i i ω β ω = g m r π 1 + jωr π C π + C μ

β ω = g m r π 1 + jωr π C π + C μ Para altas frecuencias ωr π C π + C μ 1 β ω = g m ω C π + C μ Definimos la frecuencia de ganancia unidad ω T A la frecuencia ω que β = 1 ω T = g m C π + C μ f T = 1 2π g m C π + C μ

ω T = g m C π + C μ ω T = g m C b + C jbe + C μ T T = 1 ω T T T = C b g m + C jbe g m + C μ g m C b = g m T F T T = T F + C jbe g m + C μ g m T F = W 2 N 2D n T T = W N 2 2D n + C jbe g m + C μ g m

Curva Típica ft en función de Ic para un transistor npn de circuito integrado con un área de 6 μ 2 en un proceso de alta velocidad. 71

Frecuencia de Ganancia Unidad β ω = g m ω C π + C μ β ω β = g m ω β C π + C μ = β 0 g m β 0 C π + C μ = ω β ω T β 0 = ω β ω T = ω x β jω x 72