Transistor BJT - Escuela de Ingeniería Electrónica
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Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Transistor BJT: Fundamentos Lección 05.1 Ing. Jorge Castro-Godı́nez EL2207 Elementos Activos Escuela de Ingenierı́a Electrónica Instituto Tecnológico de Costa Rica I Semestre 2014 Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 1 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Contenido 1 Estructura Fı́sica 2 Circulación de corriente 3 Análisis de circuitos transtorizados en CC 4 Efecto Early Curvas caracterı́sticas Dependencia de iC respecto vC 5 Modelo Ebers-Moll Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 2 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Transistores de Unión Bipolar (1) Primer transistor inventado en 1947. Bell Laboratories. John Bardeen, Walter Brattain y William Schockley. Premio Nobel de Fı́sica en 1956. Transistor de Germanio de tres puntos. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 3 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Transistores de Unión Bipolar (2) Aplicaciones: Alta frecuencia. Compuertas lógicas (antes TTL; actualmente BiCMOS). Electrónica de potencia. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 4 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Transistores de Unión Bipolar (3) Consta de dos uniones p-n construidas de manera especial. ¿Bipolar? La corriente es por electrones y huecos. Empleados en multitud de aplicaciones: analógicas, amplificación de señales; digitales, circuitos digitales lógicos y de memoria. Concepto de operación: la tensión entre dos terminales controla la corriente que circula en la tercer terminal. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 5 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Transistor bipolar de unión (BJT) BJT consiste en tres capas semiconductoras -dos del mismo tipo de dopado en los extremos -una de dopado complementario en el centro BJT es un dispositivo de tres terminales: base (dopado complementario), colector y emisor Dos uniones PN en un BJT Bipolar = tanto electrones como huecos participan en el flujo de corriente Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 6 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Transistor npn Estructura simplificada de un trasistor npn. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 7 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Transistor pnp Estructura simplificada de un trasistor pnp. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 8 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Modos de operación Modo Corte Activo Saturación A. Reversa EBJ Inversa Directa Directa Inversa CBJ Inversa Inversa Directa Directa Modo activo: se utiliza si el transistor debe operar como amplificador. Modo corte y saturación: aplicaciones de conmutación, e.g., circuitos lógicos. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 9 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Regiones de Operación BE en directa, BC en reversa BE en directa, BC en directa IC ≠ 0, amplificación lineal IC ≠ 0, interruptor cerrado BE en reversa, BC en reversa BE en reversa, BC en directa IC ≈ 0, IE ≈ 0, interruptor abierto IC ≠ 0, IE ≠ 0 Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 10 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Operación npn, modo activo Transistor npn polarizado en modo activo. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 11 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Perfiles de concentración Carrier concentration Emitter (n) EBJ depletion region Base (p) CBJ depletion region Collector (n) Electron concentration np (ideal) Hole concentration np (0) pn (0) pn0 np (with recombination) Distance (x) Effective base width W Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 12 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Circulación de corriente (1) Concentración de electrones máxima del lado de la base, np (0) np (0) = np0 evBE /Vt np0 : concentración de portadores minoritarios (e− ), equilibrio térmico. vBE : polarización directa entre emisor y base. Vt : voltaje térmico (∼ 25 mV). Concentración cero en el lado del colector, debido a que vCB barre los electrones a través de la región de agotamiento CBJ. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 13 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Circulación de corriente (2) Corriente electrónica de difusión In es directamente proporcional a la pendiente del perfil de concentración. dnp (x) dx np (0) = AE qDn − W In = AE qDn AE : área transversal de la unión B-C, q: carga electrónica, Dn : difusividad electrónica en la base, W : ancho efectivo de la base. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 14 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Corriente de colector (1) iC = IS evBE /VT La corriente de saturación IS está dada por: IS = AE qDn np0 /W siendo np0 = n2i /NA IS = Jorge Castro-Godı́nez AE qDn n2i NA W Transistor BJT 15 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Corriente de colector (2) La magnitud de iC es independiente de vBC IS es inversamente proporcional al ancho W y directamente proporcional al área de la unión EBJ. área de unión ⇒ factor de escala de corriente. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 16 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Corriente de base (1) iB1 = AE qDp n2i vBE /VT e ND Lp Dp : difusividad de huecos en el emisor, Lp : longitud de difusión de huecos en el emisor, ND : concentración de donadores en el emisor. iB2 = = Qn τb 1 AE qW n2i vBE /VT e 2 τb NA Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 17 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Corriente de base (2) iB = IS Dp NA W 1 W2 + Dn ND Lp 2 Dn τb evBE /VT iC β IS iB = evBE /VT β Dp NA W 1 W2 β = 1/ + Dn ND Lp 2 Dn τb iB = Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 18 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Corriente de base (3) β, para transistores npn, ronda entre 100 y 200, pero puede llegar a valores de hasta 1000. β: ganancia de corriente de emisor común. Para obtener un β alto, la base de ser delgada (W pequeño), y el emisor fuertemente dopado en comparación de la base (NA /ND pequeño) Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 19 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Corriente de emisor (1) iE = iC + iB iE = iE = β+1 iC β β+1 IS evBE /VT β Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 20 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Corriente de emisor (2) iC = αiE α= β β+1 iE = (IS /α) evBE /VT β= Jorge Castro-Godı́nez α 1−α Transistor BJT 21 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Corriente de emisor (3) α: ganancia de corriente de base común. Pequeños cambios en α implica grandes cambios en β Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 22 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Modelo de circuito equivalente C C iC iC IS ev BE /V T aF iE iB B iB B 1 vBE 2 DE (ISE 5 IS /aF) 1 DE (ISE 5 IS /aF) iE vBE iE 2 E E Modelo equivalente a gran señal del BJT npn. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 23 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Sección transversal E B C Sección trasversal de un transistor BJT npn. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 24 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Modelos de circuito equivalente C DC (ISC 5 IS yaR) iC B a R iC E Modelo equivalente para un npn en polarización inversa. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 25 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Operación pnp, modo activo Transistor pnp polarizado en modo activo. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 26 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Modelo de circuito equivalente iB D (ISyaF) Modelo equivalente a gran señal del BJT pnp. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 27 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Sı́mbolos de circuito npn pnp Sı́mbolos de circuito para BJT. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 28 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Sı́mbolos de circuito Polaridades de tensión y corrientes en transistores BJT polarizados en modo activo. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 29 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Ejemplo El transistor del circuito presenta β = 100 y vBE = 0, 7 V a una corriente iC = 1 mA. Diseñe el circuito para que iC = 2 mA y se tenga VC = +5 V 115 V RC RE 215 V Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 30 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Ejercicio 1 110 V RC 5 4.7 kV Analice el circuito para determinar las tensiones en los nodos y las corrientes en las ramas. Asuma que β = 100 y vBE = 0, 7 V 14 V RE 5 3.3 kV Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 31 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Ejercicio 2 Las mediciones del circuito indican que VB = +1, 0 V y VE = +1, 7 V 110 V 5 kV ¿Cuál es el valor de α y β para el transistor? ¿Cuál es el valor esperado en VC ? VE VB VC 100 kV 5 kV 210 V Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 32 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Ejercicio 3 Se desea analizar el circuito para determinar las tensiones y corrientes. Considere que β = 100. 115 V RB 1 5 100 kV RB 2 5 50 kV Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT RC 5 5 kV RE 5 3 kV 33 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Curvas caracterı́sticas Dependencia de iC respecto vC Curvas caracterı́sticas (1) La curva caracterı́stica iC - vBE presenta una relación exponencial. iC = IS evBE /VT Es una relación similar a la del diodo. Para iE ⇒ IS /α e iB ⇒ IS /β Para valores normales de corriente vBE está en un rango de 0,6 a 0,8 V. Normalmente se supondrá vBE = 0,7 V. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 34 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Curvas caracterı́sticas Dependencia de iC respecto vC Curvas caracterı́sticas (2) Curva caracterı́stica iC - vBE . Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 35 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Curvas caracterı́sticas Dependencia de iC respecto vC Características de Salida VBC Saturación Jorge Castro-Godı́nez Reversa Activa Saturación Corte Directa Activa Transistor BJT VBE 36 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Curvas caracterı́sticas Dependencia de iC respecto vC Efecto de la temperatura Efecto de la temperatura en la curva caracterı́stica iC - vBE . Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 37 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Curvas caracterı́sticas Dependencia de iC respecto vC El Efecto Early Las curvas caracterı́sticas iC - vCB no so rectas perfectamente horizontales. El Efecto Early para un BJT constituye en un decremento en el ancho eficaz o efectivo de la base W Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 38 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Curvas caracterı́sticas Dependencia de iC respecto vC Curva caracterı́stica iC Saturation region Active region iE 5 IE1 aIE1 DiC aIE2 iE 5 IE2 iC vCB iE 5 0 0 iE 0.4 2 0.5 V vCB VCB BVCBO Expanded scale (a) (b) Curva caracterı́stica iC - vCB . Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 39 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Curvas caracterı́sticas Dependencia de iC respecto vC Efecto Early Circuito conceptual y curva caracterı́stica. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 40 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Curvas caracterı́sticas Dependencia de iC respecto vC El Efecto Early La pendiente diferente de cero indica que existe una resistencia de salida finita y determinada por: ∂iC ro = ∂vCE −1 esto para una vBE constante. ro w Jorge Castro-Godı́nez VA IC Transistor BJT 41 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Curvas caracterı́sticas Dependencia de iC respecto vC Modelo gran señal y Efecto Early iC iB iC C B C B iB 1 vBE DB (IS yb) IS evBE yVT ro DB (IS yb) 1 biB ro 2 vBE iE iE 2 E E BJT operando en modo activo y configuración de emisor común. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 42 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Modelo Simplificado de Gran Señal c) Modelo simplificado de gran señal para un transistor bipolar npn en la región activa directa: (a) modelo de emisor común y (b) modelo de base común, c) modelo de gran señal para un transistor en saturación Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 43 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Modelo Simplificado de Gran Señal c) Modelo simplificado de gran señal para un transistor bipolar pnp en (a) región activa directa en configuración de emisor común, (b) región activa directa en configuración de base común, (c) saturación. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 44 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Modelo de Ebers-Moll (1) Región activa directa: Junta BE en polarización directa, junta BC en polarización inversa Electrones que fluyen de emisor a colector deben hacerlo a través de la base C FIF N B C FIF IFO: Corriente de saturación de reversa de junta base-emisor B P IF N+ E IF E 1 I e IF IBEs eVBE / VT 1 IFO eVBE / VT 1 F IF F IBEs e VBE / VT Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT VBE / VT F FO 1 45 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Modelo de Ebers-Moll (2) Región activa inversa: Junta BE en polarización inversa, junta BC en polarización directa Electrones que fluyen de colector a emisor deben hacerlo a través de la base C N B C IR P IR B N+ RIR RIR E IRO: Corriente de saturación de reversa de junta base-colector E 1 IR IBCs eVBC / VT 1 IRO eVBC / VT 1 RIR R IBCs e VBC / VT Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT I R RO e VBC / VT 1 46 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Modelo de Ebers-Moll (3) Combinando los modelos de ambas regiones se obtiene el modelo de Ebers-Moll El modelo es válido para toda región de operación IC C IFO, IRO: Corrientes de saturación de reversa de las juntas base-emisor y base-colector IR B FIF IB RIR F R IF de región activa de región activa inversa IE R IR IF IC F IF IR IE E BJT NPN e 1 I e 1 IE RIBCs eVBC / VT 1 IBEs eVBE / VT 1 IC F IBEs Jorge Castro-Godı́nez VBE / VT Transistor BJT VBC / VT BCs 47 / 48 Estructura Fı́sica Circulación de corriente Análisis de circuitos transtorizados en CC Efecto Early Modelo Ebers-Moll Referencias Bibliográficas I J. M. Albella et al. Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica. Pearson, 1era edición, 2005. A. Sedra, K. Smith. Circuitos Microelectrónicos Oxford, 4ta edición, 1998. Jorge Castro-Godı́nez Transistor BJT 48 / 48
