Tema 5: Transistor Bipolar de Unión (BJT) Contenidos 5.1 Introducción 5.2 Funcionamiento del transistor en Zona Activa Directa 5.3 Modelo de Corrientes del Transistor. Modelo de Ebers-Moll 5.4 Modos o Zonas de Operación 5.5 Modelos Spice 5.6 Ejemplos de puntos de operación 1 5.1 Introducción • BJT (Bipolar Junction Transistor) • Los transistores de unión bipolares, son dispositivos de estado sólido de tres terminales usados en circuitos de conmutación y procesado de señal. Existen 2 tipos transistores bipolares: transistores NPN y transistores PNP • El transistor se ha convertido en el dispositivo más empleado en electrónica, a la vez que se han ido incrementando sus capacidades de manejar potencias y frecuencias elevadas, con gran fiabilidad. (No existe desgaste por partes móviles). • Su reducido tamaño ha permitido integrar millones de ellos en un solo C.I. • Los transistores son dispositivos activos con características altamente no lineales. • Efecto Transistor: el transistor es un dispositivo cuya resistencia interna puede variar en función de la señal de entrada. Esta variación de resistencia provoca que sea capaz de regular la corriente que circula por el circuito al que está conectado: Transfer Resistor. 2 nE > pB > nC Estructura simplificada de un transistor NPN Estructura real de un transistor PNP Replica del primer transistor de válvula pE > nB > pC Símbolos del Transistor Bipolar de Unión NPN PNP 3 5.2 Funcionamiento del transistor en Zona Activa Directa IE IC IB nb (0) neo > pbo > nco nbo pe pco nb pc peo 0 W ↑↓ W WB 4 Suponemos: • W~WB; W↓ • Baja inyección en la base, nb(0) <<pbo • No hay caída de potencial en las zonas neutras VBE nb (0) nboe Ley de la Unión VTE VBC nb (W ) nboe VTE nb (W ) 0 nb ( x) nb ( x) nb 0 VBE V TE W↓ nb (0) nb 0 e 1 n’b(0) >> n’b(W) dn nb (0) nb (W ) nb (0) VBC V TE dx W W nb (W ) nb 0 e 1 nb 0 5 Intensidad de Colector en Modo Activo Directo dnb I C qADb dx x 0 VBE qADb nb 0 VTE IC e 1 W Si W↓ → Poca recombinación-generación → IC ~ IE I B = IE - I C ~ 0 6 Exceso de Carga en la Base ⌂ QF ≡ Exceso de Carga en la Base W QF qA 0 qAWnb (0) nb ( x)dx 2 VBE qADb nb 0 VTE IC e 1 W ⌂ τF ≡ Tiempo de transito en sentido directo IC QF F 2 QF W IC 2 Db 2 F W 2 Db Modelo de Control de Carga IC se encarga de mantener el exceso de portadores 7 Corriente de Base En general interesa que IB sea lo más PEQUEÑO posible, sin embargo en la realidad NO es 0 IB está compuesto por 3 componentes: IBB Algunos minoritarios (e-) en su tránsito por la base se recombinan, para reemplazar estos huecos hay que suministrar una corriente externa, IBB I BB IBE QB B W qA 0 nb ( x) b dx I BB W b Corriente de difusión de los huecos desde la base al emisor I BE IBC I B I BB I BE I BC 2 VBE V TE qADe pe 0 n e 1 I BE pe 0 i N DE Le N DE Corriente de difusión de los huecos desde la base al colector I BC VBC VTE qADc pc 0 e 1 VBC 0 I BC Lc 8 5.3 Modelo de Corrientes del Transistor Modelo de Ebers-Moll E p n C n E n p B B R I DC F I DE R I DC C E IE I DE B C p IB I DC I E I DE R I DC I C F I DE I DC IC F I DE C E IE I DE B IB I DC IC I E I DE R I DC I C F I DE I DC 9 Modelo de Corrientes del Transistor Modelo de Ebers-Moll Transistor NPN Transistor PNP I E I DE R I DC I E I DE R I DC I C F I DE I DC VBE I E I ES (e VTE VBE I C F I ES (e I C F I DE I DC VBC 1) R I CS (e VTE VBC 1) I CS (e VTE VTE VEB 1) I E I ES (e VTE VEB 1) I C F I ES (e VCB 1) R I CS (e VTE VCB 1) I CS (e VTE 1) VTE 1) Teorema de Reciprocidad F I ES R I CS Valores Típicos: αF=0.99 αR=0.66 IES=10-15 A ICS=10-15 A 10 5.4 Modos o Zonas de Operación , Directa OBJETIVO: Encontrar un MODELO LINEAL para el transistor en cada modo de operación 11 Zona Activa Directa Ecuaciones de Ebers-Moll VBE I E I ES (e VTE VBE I C F I ES (e VBC 1) R I CS (e VTE VBC 1) I CS (e VBE VTE VTE 1) 1) VBE > Vdon VBC < 0 I E I ES e VTE VBE I C F I ES e R I CS VTE I CS Despejando el término exponencial de la primera y sustituyéndolo en la segunda: I C F ( I E R I CS ) I CS IC F I E IC 0 F 1 IB IC0 IC F IC F I B IC 0 IC I C 0 I CS (1 F R ) 1F 1F I E I B IC I C F I B (1 F ) I CO F F 1F ⌂ βF ≡Ganancia de Corriente en directo, β F 12 Zona Activa Directa I C F I B (1 F ) I CO E C C B B Vdon E Valores Típicos: F [50, 300] Vdon [0.5, 0.7]V F I B I C 0 (1 F ) 13 Zona Activa Inversa VBE I E I ES (e VTE VBE I C F I ES (e VBC 1) R I CS (e VTE VBC 1) I CS (e VBC VTE 1) VTE VBC VTE ⌂ βR ≡Ganancia de Corriente en inverso R 1R R I EO I ES (1 F R ) B I E I ES R I CS e I C F I ES I CS e 1) I E R I B (1 R ) I EO R VBC > Vdon VBE < 0 VTE Vdon I E R I B (1 R ) I E 0 EC C E B Valores Típicos: C E B R [1,10] Vdon [0.5, 0.7]V R I B I E 0 (1 R ) 14 Zona Corte VBE I E I ES (e VTE VBE I C F I ES (e VBC 1) R I CS (e VTE VBC 1) I CS (e VTE VTE 1) I E I ES R I CS VBC < 0 VBE < 0 I C F I ES I CS 1) IE 0 IC 0 I B I E IC 0 B C E B 15 Zona Saturación VBE I E I ES (e VTE VBE I C F I ES (e VBC 1) R I CS (e VTE VBC 1) I CS (e VTE VTE 1) VBE I E I ES e VBC > Vdon VBE > Vdon VBE 1) VBC VTE I C F I ES e R I CS e VTE VBC I CS e VTE VTE ¡¡ No se pueden simplificar más !! VCE VCB VBE VCE ( sat) 1 IC 1 IB R VTe ln R IC 1 1 IB R VCE (sat) B Valores Típicos: VBE ( sat) [0.7, 0.8]V C B E VBE (sat) V ln 1 Te R VCE ( sat) [0.05, 0.2]V IC I B 16 Gráficas de Intensidad 17 Tensión Early V I C F I B (1 F ) I CO 1 CE VA VCE I C F I B 1 V A ⌂ VA ≡ Tensión Early o Factor de Modulación de la Base VA ↑↑ (>30V), es la pendiente de la curva en Z. Activa 18 Condiciones a Verificar 19 5.5 Modelos SPICE C C rc rc F I DE I DC QBC rcb rb B B R I DC I DE reb IC rb QBE IE re re E E Modelo Ebers-Moll, incluyendo efectos de 2º orden Modelo dinámico del BJT en Spice VBE QBE F I S (e VBC QBC R I S (e VTE VBE 1) C je 0 0 VTE VBC 1) C jc 0 0 1 V e VBE C BE me 1 V c dV dQBE F I S e dVBE VTE mc VBC dV C BC dQBC R I S e dVBC VTE Hidalgo López, José A.; Fernández Ramos Raquel; Romero Sánchez, Jorge (2014). Electrónica. OCW-Universidad de Málaga. http://ocw.uma.es. Bajo licencia Creative Commons AttributionNonCommercial-Share-Alike 3.0 Spain VTE VTE C je 0 1 VBE e me C jc 0 1 VBC c 20 mc