1TEMA 5

EL TRANSISTOR BIPOLAR

ESTRUCTURA BSICA

Partimos de una unin P-N polarizada en inversa:

P N

V

RL

Inyeccinelectrones

IO

Slo pueden atravesar la unin los portadores minoritarios generadostrmicamente. La corriente inversa IO depende slo de la temperatura,siendo independiente de V y RL en un margen amplio.

24 INYECCIN DE ELECTRONES- Con can electrnico- Con otra unin polarizada directamente

P N

VCB

RL

VBE

N

RB

Emisor Base Colector

e-

Emisor: emite portadoresColector: recoge (colecciona) portadores

Transistor Bipolar de Unin: BJT (Bipolar Junction Transistor)

ANLISIS CUALITATIVOSe puede:

- Inyectar electrones en zona P => Transistor NPN- Inyectar huecos en zona N => Transistor PNP

N P N

E B C

+

_ _

+

_ +IE IC

IB

VCE

VEB VCB

E C

B

P N P

E B C

+

_ _

+

_ +IE IC

IB

VCE

VEB VCB

E C

B

IE + IB + IC = 0 VCE + VEB - VCB = 0

34CARACTERSTICAS

- Base estrecha y poco dopada para que la mayora de portadoresprocedentes del emisor pasen al colector

- Emisor ms impurificado que el colector para inyectar un elevado nmero de portadores

TRANSISTOR EN CIRCUITO ABIERTO- Todas las corrientes nulas

- Barreras de potencial de las uniones se ajustan a los potenciales decontacto:

2lni

DATO n

NNVV =- Si las concentraciones de Emisor y Colector son iguales, los perfilesde minoritarios sera:

JE JCP N P

E B C

nPo nPo

pno

JE JCP N P

E B C

VO

4POLARIZACIN EN REGIN ACTIVA- Regin activa => unin de emisor (JE) polarizada en directa y la

unin de colector (JC) polarizada en inversa

( ) TVVnn epp = 00JE JC

P N P

E B C

nPonPopno

JEJC

P N P

E B C

VO

VCC

RCVEE

RB

nP

pnnP

|VEB||VCB|

Ley de la unin:

COMPONENTES DE LA CORRIENTEP P

VCC

RL

VEE

N

RB

CE

B

IE

IB

ICIpE

InE

IpC1

IpE - IpC1 IpC0 InC0

IC0

pEnEpEE IIII +=Ya que E mucho ms impurificado que B( ) 001 nCpCpCpEnEB IIIIII ++=

Corriente de recombinacin en la base

EECpCCC IIIIII == 010E

C

E

pC

II

II = 1

5GANANCIA DE CORRIENTE CON GRANDES SEALES

00

==E

CC

E

C

III

cortedesdeIincrementocortedesdeIincremento

JE en circuito abierto

0,9 < < 0,995

Depende de IE, VCB y Temperatura

ECUACIN GENERALIZADA

EECC IIII = 0 Slo es vlida en la regin activa4Para generalizar la ecuacin: reemplazar ICO por la corriente de un

diodo P-N.

= 10 TV

V

diodo eII

CJECIII +=

00 CII =

CBVV =

= 10 T

CB

C

VV

CJ eII

+=

= T

CB

T

CBV

V

CEV

V

CEC eIIeIII 11 00

64Ecuacin similar a la del fotodiodo:

+= T

CBV

V

CEC eIII 10Ecuacin generalizada del transistor

SVV

IeII T +

= 10

V

II = I0 + IS

Aqu los portadores minoritariosson creados por la luz

En el transistor los portadores minoritarios son inyectados por la unin de emisor polarizada en directa

EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR

VCC

RL

VEE

VI+

_

IE IC

VL+

_

En zona activa: EC II EC II = ELCLL IRIRV == EeI IrV =

resistencia dinmica de JE

e

L

Ee

EL

I

L

rR

IrIR

VVA =

==

Ganancia

7e

L

rRA =

4Ejemplo

751

340

=

==

AKRr

Si Le

La corriente se transfiere desde el circuito de entrada, de baja resistencia,al circuito de salida de resistencia ms elevada

TRANSISTOR TRANSFER RESISTOR

CONFIGURACIN EN BASE COMN

VCC

RL

VEE

VI+

_

IE IC

VO+

_IB

+++

_

__

VCE

VCBVEB

TRT. pnp en regin activa

IE positivaIB, IC negativasVEB positivaVCB negativa

84CARACTERSTICAS DE ENTRADA: VEB=1(IE, VCB)

VEB (V)

IE (mA)

0,2

0,4

0,6

10 20 30 40 50

JC en circuito abierto

VCB = 0 VVCB = -10 VVCB = -20 V

TRT. p-n-p de Germanio

Si |VCB| aumenta con VEB constante => IE aumenta por el efecto Early (IE si pn aumenta)

Efecto Early

P N P

E B Cpn

WB

WB

Pequea polarizacin inversagran polarizacin inversa

Efecto Early: Variacin del perfil de concentracin de portadoresminoritarios en la base con VCB

Anchura efectiva de la base:

WB = WB - W

ancho real base

ancho zonacarga espacial

Consecuencias del efecto Early:- menor recombinacin en la base cuando |VCB| aumenta

|VCB| aumenta => aumenta e IB disminuye- pn aumenta cuando |VCB| aumenta => IE aumenta- WB puede reducirse a cero => peligro de perforacin de la base

94CARACTERSTICAS DE SALIDA: IC=2(VCB, IE)

IC (mA)

VCB (V)

-10

-30

-40

-2 -4 -6 -8 -10

IE = 40 mA

IE = 30 mA

IE = 20 mA

IE = 10 mA

TRT. p-n-p

Recta de carga:

+= T

CBV

V

CEC eIII 10

-20

L

CC

RV

CCV

Recta de carga

CCLCCB VRIV =

L

CB

L

CCC R

VRVI = Pendiente:

LR1

Regin activaJE polarizada en directaJC polarizada en inversa

Primer cuadrante de la grfica

IC (mA)

VCB (V)

-10

-30

-40

-2 -4 -6 -8 -10

-20

ReginActiva

EVV

CEC IeIII TCB

+=

||

0 1

IC prcticamente independiente de VCB -> ligera pendiente (0,5%) por el efecto Early: menor recombinacin enla base => aumenta e IB disminuye

IE = 0 mA

10

Regin de saturacinJE polarizada en directaJC polarizada en directa

Segundo cuadrante de la grfica

IC (mA)

VCB (V)

-10

-30

-40

-2 -4 -6 -8 -10

-20

ReginActiva

= 10 T

CBV

V

eII

La saturacin se produce cuando IE aumenta demasiado para unadeterminada RL -> IC aumenta exponencialmente con la tensin VCBde acuerdo con la caracterstica del diodo:

ReginSaturacin

IE = 0 mA

Regin de corteJE polarizada en inversaJC polarizada en inversa

Prcticamente eje de abscisas

IC (mA)

VCB (V)

-10

-30

-40

-2 -4 -6 -8 -10

-20

ReginActiva

ReginSaturacin

IE = 0 mA

Regin Corte

IE 0IC IC0

11

CONFIGURACIN EN EMISOR COMN

VCC

RL

IE

IC

IB

++

+_

_

_

VCE

VCB

VBE

4CARACTERSTICAS DE ENTRADA: VBE=f1(IB, VCE)

VBE (V)

IB (mA)

-0,1

-0,2

-0,3

-1 -2 -3 -4 -5

VCE = 0 V

VCE = -0,1VVCE = -0,2 V

TRT. p-n-p de Germanio

Si |VCE| aumenta con VBE constante => IB disminuye por el efecto Early (menor recombinacin en la base)

-0,4

-0,5

-0,6VCE = -0,3 VVCE = -1 V

12

4CARACTERSTICAS DE SALIDA: IC=f2(VCE, IB)

IC (mA)

VCE (V)

-10

-30

-40

-2 -4 -6 -8 -10

IB = -0,35 mA-0,3 mA

-0,15 mA

-0,1 mA

TRT. p-n-p

Recta de carga:

-20LCC

RV

CCV

Recta de carga

0=++ CELCCC VRIV

L

CE

L

CCC R

VRVI = Pendiente:

LR1

-50

-0,25 mA

-0,2 mA

-0,05 mAIB = 0 mA

Hiprbola demximadisipacin:PC = VCEIC < PCmax

Regin activa JE polarizada en directa; JC polarizada en inversa

( )BCCECC IIIIII ++== 00

IC (mA)

VCE (V)

-10

-30

-40

-2 -4 -6 -8 -10

-20

-50

IB = 0 mA

ReginActiva

Si |VCE| aumentacon IB constante => IC aumenta por el efecto Early

( ) BCBCBCC IIIIIII ++=+=+=

0

00 1111

= 1

13

( ) BBCBCC IIIIII ++=+= 00 11

= 1

Termino despreciable, ya que IC0tiene un valor muy pequeo (del orden de A o nA)

Por lo tanto se puede decir que en zona activa: BC II

Parmetro de gran dispersin

0,9 < < 0,995 = 0,9 => = 9 = 0,99 => = 99 = 0,995 => = 199 9 < < 199

Regin de corte JE polarizada en inversa; JC polarizada en inversa

00 CBCE IIII ===

IC (mA)

VCE (V)

-10

-30

-40

-2 -4 -6 -8 -10

-20

-50

IB = 0 mA

ReginActiva

Regin de Corte

Realmente IC es algo superior a IC0 debido a las corrientes de fugas superficiales: tomos superficiales => enlaces rotos => huecos

14

Regin de saturacin JE polarizada en directa; JC polarizada en directa

Se denomina as porque IC no aumenta ms con IB. No se cumple IC = IB

IC (mA)

VCE (V)

-10

-30

-40

-2 -4 -6 -8 -10

-20

-50

IB = 0 mA

ReginActiva

Regin de Corte

ReginSaturacin

IC (mA)

VCE (V)

-10

-30

-40

-0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5

-20IB = -0,05 mA

-0,1 mA-0,15 mA

-0,2 mA

JE y JC polarizadas en directa => VCE = VBE - VBC = dcimas de voltio

Trt. pnp Ge => VCB = VCE + VEB > 0,2 V; VCE > 0,2V - VEB -0,2VRecta de carga: CELCCC VRIV =

L

CC

L

CE

L

CCC R

VRV

RVI =

Csat

CEsatCEsat I

VR =

Recta de carga

L

CC

RV

15

4RESISTENCIA DE DISPERSIN DE BASE (rbb)

C

EB

Seccin base mucho menor que secciones de emisor y colector. Dopadode base menor que dopado de emisor y colector. => resistencia hmica de la base mucho mayor que la resistencia hmicadel emisor y colector.

La resistencia hmica de la base se denomina resistencia de dispersin de la base (rbb). Valores tpicos en torno a los 100 .

Construccin planar(difusin) de transistores

4GANANCIA DE CORRIENTE CONTINUA ( o hFE)

* de continuaRelacin directa de transferencia en continua

En zona activa

( ) BBCBCC IIIIII ++=+= 00 11

== 1FEBC hII

16

En saturacin

L

CCCsat R

VI

Conociendo en saturacin se puede calcular IBsat

L

CCCsatBsat R

VII = Corriente de base mnima para saturar al transistor

En saturacin => Csat

BsatBIII =>

El parmetro depende de IE, adems de T y VCB => tambin depende de IE => tambin depende de IC

-IC (mA)

100

150

20 40 60 80 100

50

alta

media baja

Curva de para tres muestras de transistor de Germanio(valor bajo de VCE)

parmetro de gran dispersin 0,9 < < 0,9959 < < 199

17

4VALORES TPICOS DE TENSIONES EN LOS TRANSISTORES

VCEsat VBEsat VBEact VBEumbral VCEcorte-0,2 V -0,8 V -0,7 V -0,5 V 0 V

-0,1 V -0,3 V -0,2 V -0,1 V 0,1 V

Si

Ge

Transistor pnp

Transistor npn => mismos valores pero con signos contrarios

4CURVAS DE CORRIENTE DE COLECTOR EN FUNCIN DELA TENSIN BASE-EMISOR

IC (valores negativos)

VBE (V)0,2 0,1 -0,1 -0,2 -0,3

Corte Umbral Activa Saturacin

IC=IC0

base en cortocircuitoIC=ICES base en circuito abierto

IC=ICE0

( ) === 10 00 CBCCEIIII

TRT de Ge pnp

18

CONFIGURACIN EN COLECTOR COMN(SEGUIDOR DE EMISOR)

VCC

RL

++

+_

_

_

VCE

VCB

VBE +

_VO

Mismas grficas que en Emisor Comn

MXIMA TENSIN ALCANZABLE

IC (mA)

VCE (V)

-10

-30

-40

-2 -4 -6 -8 -10

IB = -0,35 mA-0,3 mA

-0,15 mA

-0,1 mA-20

-50

-0,25 mA

-0,2 mA

-0,05 mAIB = 0 mA

Hiprbola demximadisipacin:PC = VCEIC < PCmax

4POTENCIA MXIMA

19

4RUPTURA POR AVALANCHA

IC

VCEBVCE0 BVCB0

BVCB0 -> mxima tensin C-B con Emisor en circuito abiertoBVCE0 -> mxima tensin C-E con Base en circuito abierto

102;100

corriente de colector a emisor aumenta enormemente y se puede destruir el transistor.

El lmite mximo de tensin viene dado por la potencia mxima,la avalancha o la perforacin. El lmite lo marca el valor msrestrictivo, es decir, la tensin que sea ms baja en cada transistor.