10_transistor [Modo de compatibilidad]

eman ta zabal zazu
Universidad del País Vasco
Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores
upv
ehu
TRANSISTORES
•
•
•
•
Símbolo. Características
Clasificación de los transistores
Transistores bipolares
Transistores unipolares
F.T.C.
4.1
Union PN
P
Union PN
P
N
Union PN
N
P
•Un transisstor esta formado por dos uniones PN pero su
Ic
comportamiento no es el de dos diodos enfrentados
•Proceso de Fabricación Zona intermedia estrecha y
debilmente impurificada Efecto TRANSISTOR:
•Posibilidad de controlar la corriente entre colector y
emisor mediante el control de la corriente de base
F.T.C.
Ib
4.2
Union PN
Características. Símbolo
•
•
•
•
Union PN
Elemento triterminal: Terminal de control
Magnitud control: tensión o corriente
Funcionamiento específico: dos uniones PN
Funcionamiento en régimen permanente:
componentes de los circuitos digitales
i
terminal de
control i
IQ 3
T.C.
IQ 2
+
vT.C.
IQ 1
–
VQ
i
A
+
+
-
vAB
–
B
v
F.T.C.
4.3
Clasificación de los transistores
Transistores bipolares: BJT
• Corriente: movimiento de electrones y huecos.
• Magnitud de control: corriente
• Dos tipos: NPN y PNP
Transistores unipolares o de efecto de campo: FET
• Campo eléctrico influye en el comportamiento
• Corriente: movimiento sólo de electrones o huecos, según el tipo
de transistor
• Magnitud de control: diferencia de potencial
• JFET
• FETMOS: de canal N (electrones); de canal P (huecos)
Transistores uniunión: UJT
• Muy especiales. No los veremos
F.T.C.
4.4
TRANSISTORES BIPOLARES
•
•
•
•
Magnitud de control: corriente
Terminal central: corriente de control. Terminal base: B
Terminal izquierda: emisor, E
Terminal derecha: colector, C
A
+
i T.C.
vAB
B
P
i
–
N
E
B
i = f (v AB , iT .C . )
P
C
N
E
F.T.C.
P
B
N
C
4.5
Tipos de transistores bipolares
transistor bipolar PNP
transistor bipolar NPN
C
C
colector
colector
B
B
base
base
emisor
emisor
E
E
• Sentido flecha: de P hacia N
F.T.C.
4.6
Magnitudes en los transistores bipolares
• Seis magnitudes a relacionar
• Corriente en cada terminal: IC, IB , IE
• Diferencias potencial entre terminales: VBE, VBC , VCE
• Dos ecuaciones de comportamiento
• Convenio para el sentido de las corrientes y signo de las tensiones
NPN
VBC
IB
B
–C
+
–
IB
+
+
VBE
PNP
IC
VCE
–
B
IE
F.T.C.
C
IC
–
VEC
–
VEB
–
E
VCB
+
+
E
+
IE
4.7
Ecuaciones de comportamiento de los t. bipolares
P.S
IC
RC
VBC –
P.E
+
RB
VBB
+
–
IC
+
+
–
VCE
+
IB
IC
VBE –
IB
F.T.C.
VCC
–
IE
IC
4.8
Ecuaciones de comportamiento de los t. bipolares
1
3
5
I E = I B + IC
V BC = VBE − VCE
2
V BB = RB I B + V BE
IC = f (VCE , I B )
V CC = RC IC + VCE
4
6
I B = g(VBE , VCE )
• Ecuaciones comportamiento: análisis experimental (5,6)
• Simplificando: punto operación del transistor Q(IB, IC,
F.T.C.
VBE, VCE)
4.9
Curvas características: dos
VBC –
P.E
VBB
I B = g(VBE , VCE )
• VCE poca influencia. Se simplifica.
IB
VCE1,...VCEn
IC
RC
+
+
RB
+
–
IB
IB
IC
IC
+
+ VCC
–
VCE
VBE – IE–
IC
IB = g(VBE)
IB
VBE
F.T.C.
VBE=
0,7V
VBE
4.10
P.S
IC
RC
VBC –
IC = f (VCE , I B )
IC
+
+
RB
+
–
VBB
IB
IB
mA
IC
IC
+
+ VCC
–
VCE
VBE – IE–
IC
IB =100µA
12
10
IB =80 µA
8
IB =60 µA
6
IB =40 µA
4
IB =20 µA
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
F.T.C.
10 VVCE
4.11
UBC
UBE
Zonas de funcionamiento del transistor bipolar NPN
N
N
P
C
E
• Un transistor tiene dos uniones PN, 4 posibles polarizaciones:
unión BE
unión BC
IP
IP
IP
DP
DP
IP
DP
DP
B
• Distinguir entre E y C?
• Polarización relativa determina quién funciona como E y quién como C
• E y C no son exactamente iguales a nivel físico
•
•
•
•
•
Funcionamiento directo o normal (NPN): VBE> VBC
Funcionamiento inverso (NPN): VBE< VBC
Habitualmente: funcionamiento directo o Normal
Posible con tres de las cuatro opciones
Tres zonas de funcionamiento
– Corte (R.C.N)
– Región Activa Normal (R.A.N.)
– Saturación (R.S.N)
F.T.C.
4.12
UBC
N
Transistor NPN
1. Corte
UBE
N
P
C
E
• BE y BC en I.P.
BB
• Por tanto VBE ≤ 0,7 V y VBC ≤ 0,7 V (se suele comprobar sólo VBE ≤ 0,7 V)
• En I.P. no circula corriente, por tanto: IC = 0 A IB = 0 A (por tanto IE = 0 A)
• Ya tenemos las dos ecuaciones que nos faltaban
• Resumiendo:
condición
ecuación
⇒
VBE ≤ 0,7 V
IC = 0 , IB = 0
C
B
C
B
E
E
F.T.C.
4.13
2. Región Activa Normal (R.A.N.)
• BE en D.P., BC en I.P
• Sólo una unión en D.P. pero corriente en ambas. Aún así IB << IC
• BE en D.P., por tanto, VBE = 0,7 V (una ecuación más)
• Otra ecuación: analizando las curvas características del transistor
• Conclusión análisis: IC/IB = ß ( nueva ecuación, ß “ganancia de corriente”)
• Varía según el tipo de transistor. Consideraremos 100
• Verificación de esta zona implica comprobar unión BC en I.P: comprobar VBC ≤ 0,5 V
(no 0,7 como en una unión aislada). Equivalente: VCE ≥ 0,2 V
condición
VBC ≤ 0,5 V
ecuación
VBE = 0,7 V ,
⇒
C
C
E
C
IC= ß IB
+
0.7
-
B
B
IC
=β
IB
F.T.C.
E
IC= ß IB
B
-
+
0.7
E
4.14
3. Saturación
• BE y BC en D.P.
• Corriente en las dos uniones, IB mayor que antes
• Ambas uniones en D.P.: VBE = 0,7 V y VCE = 0,2 V VBC = VBE - VCE = 0,7-0,2 = 0,5V
• No relación constante anterior
• Verificación de esta zona implica comprobar IC/IB ≤ ß
condición
ecuación
⇒
IC
≤β
IB
VBE = 0,7 V
VCE = 0,2 V o VBC = 0,5 V
0.5V
+
+
0.7V
-
B
B
C
C
C
E
E
F.T.C.
+
-
B
0.2V
-
+
0.7
E
4.15
Zonas de funcionamiento en la curva característica
mA IC
IB = 100 µA
12
8
6
IB = 80 µA
Saturación
10
IB = 60 µA
R.A.N.
IB = 40 µA
4
IB = 20 µA
2
0
Corte
0
1
2
3
4
5
F.T.C.
6
7
8
9
10
VCE V
4.16
Aproximación realizada
IC
IB4
IB3
IB2
IB1
0,2 V
F.T.C.
VCE
4.17
RC
VCE
VBC
UBC UBE
N
P
RB
N
C
E
VBE
VBC
VBB
+
–
IB
VBE
BB
R.C.N
condición
+
+
– IC
+
–
IC
≤β
IB
VBC ≤ 0,5 V
VBE = 0,7 V
IC = IB = IE = 0
Modelo
VBE = 0,7 V
IC
=β
IB
VBC = 0,5 V
C
C
C
IC= ß IB
B
B
E
+
0.7
-
E
F.T.C.
–
R.S.N
R.A.N
VBE ≤ 0,7 V
VCE +
– VCC
B
0.5V
+
+
0.7V
-
E
4.18
Resolución gráfica de circuitos con transistores
RC
• Conocemos curvas (IB ,VBE) y (IC ,VCE) del transistor
• Circuito de entrada
P.E
IB
V BB
B
RB
+
V BE
"carga" del
circuito de
entrada
–
RB
IB
VBB +
–
VBC – IC
+
+
VBE
+
VCE
– –
E
V BB = RB I B + V BE
V BB
1
IB =
−
⋅V BE
RB
RB
F.T.C.
RECTA DE CARGA de entrada
4.19
IC
+
–
• Dibujando esa recta sobre el mismo plano que la curva (IB ,VBE)
IB
IB
V BB
1
=
−
⋅ V BE
RB
RB
IB=0 VBE=VBB
VBB/RB
Cortes con los ejes
VBE=0 IB= VBB/RB
IBq
VBE
VBEq=0.7V
VBB
• Obtenemos punto de operación de entrada: (IBQ ,VBEQ)
F.T.C.
4.20
• Circuito de salida
P.S
V CC
IC
RC
C
"carga" del
circuito de
salida
E
IC
RC
VBC –
+
V CE
+
+
RB
VBB
+
–
IB
–
IB
IC
IC
+
+ VCC
–
VCE
VBE – IE–
IC
V CC = RC IC + VCE
VCC
1
IC =
−
⋅ VCE
RC
RC
RECTA DE CARGA de salida
F.T.C.
4.21
• Dibujando esa recta sobre el mismo plano que la curva (IC ,VCE)
VCC
1
IC =
−
⋅ VCE
RC
RC
IC=0 VCE=VCC
Cortes con los ejes
VCE=0 IC= VCC/RC
IC
IB5
IB4
VCC/RC
IB3
IB2=IB
ICq
Q
IB1
VCE
VCEq
VCC
• Obtenemos punto de operación de salida
• Con ambos puntos, tenemos el punto de operación del
transistor
F.T.C.
4.22
TRANSISTORES UNIPOLARES O DE EFECTO DE CAMPO
•
•
•
•
•
Campo eléctrico influye en el comportamiento
Corriente: movimiento sólo de electrones o huecos, según tipo
Magnitud de control: diferencia de potencial
JFET
FETMOS: de canal N (electrones); de canal P (huecos)
A
i
+
T.C.
v AB
+
–
vT.C.
–
i = f (v AB , v T.C. )
B
F.T.C.
4.23
MOS, transistores metal-óxido-semiconductor
NMOS de enriquecimiento
PMOS de enriquecimiento
D
D
drenador
drenador
G
puerta
B
sustrato
B
G
puerta
S
PMOS de empobrecimiento
NMOS de empobrecimiento
D
D
drenador
drenador
puerta
S
fuente
fuente
G
sustrato
B
B
G
sustrato
sustrato
puerta
S
S
fuente
fuente
F.T.C.
4.24
• Otros símbolos
transistores de empobrecimiento
PMOS
NMOS
transistores de enriquecimiento
PMOS
NMOS
• Enriquecimiento: D y S físicamente separadas
• Empobrecimiento: entre D y S siempre hay canal
• B, sustrato (bulk). No es un terminal, sino la base física sobre la que se
ha construido el MOS. Normalmente se conecta a S
F.T.C.
4.25
Magnitudes de los MOS
• Tres magnitudes para analizar comportamiento: ID, VDS y VGS (t. control)
• Corriente IG =0 siempre, no dependiendo de la polarización
• Polarización adecuada para crear canal entre S y D (enriquecimiento) o
para estrechar el canal existente (empobrecimiento)
PMOS de enriquecimiento
(< 0)
NMOS de enriquecimiento
IG = 0
ID
D
G
+V
+
IG = 0
VDS
GS
(> 0)
–
S
+
VGS –
–
D
F.T.C.
+
VSD
G
–
S
ID
4.26
Transistores MOS
G
S
D
Metal
Oxido
Semiconductor
Semiconductor
B
G
G
B
F.T.C.
B
4.27
Transistor MOS Canal N (NMOS enriquecimiento)
VGS
G
+
S
D
G
D
S
N
N
N
N
P
P
B
G
G
B
+
VGS
B
B
F.T.C.
4.28
Transistor MOS Canal N (NMOS enriquecimiento)
VGS
G
+
S
D
G
D
S
N
N
N
N
P
P
B
G
G
B
+++++
--------
B
+
VGS
B
F.T.C.
4.29
VGS
+
G
D
S
N
N
+
P
VDS
ID = f(VGS,VDS)
B
IG =0
VGG +
–
ID
D
+
VDS
+
VGS –S –
G
–+ VDS
F.T.C.
4.30
Curvas de transferencia en los MOS
• Punto de operación: Q( IDQ, VDSQ, VGSQ)
• Corriente ID depende de las dos tensiones: ID = f(VGS,VDS)
• Obtenemos esa curva experimentalmente, al igual que antes, con un
circuito similar
* Curva 1: manteniendo VDS, ID = f(VGS) (transistor en saturación)
NMOS de enriquecimiento
ID
 V GS − V T 
I D = I Don ⋅ 

 V GSon − VT 
IDon
VT
V GSon
2
V GS
F.T.C.
4.31
* Curva 2: para distintos valores de VGS, ID = f(VDS)
ID
NMOS de enriquecimiento
Zon
a óh
mic
a
V GS = 15 V
V GSQ
IDsat
V GS = 10 V
Saturación
V DSsat
Corte
F.T.C.
V GS = 5 V
V GS ≤ VT
V DS
4.32
N MOS enriquecimiento, tres zonas de funcionamiento:
condición
ecuación
D
CORTE:
VGSQ≤ VT
ID = 0
G
S
ZONA OHMICA:
D
VGSQ ≥ VT
VDSQ≤ VDSsat
ID = VDSS / RDS
G
RDS
S
D
SATURACIÓN:
VGSQ ≥ VT ID = K IDon
VDSQ ≥ VDSsat
F.T.C.
 V − VT 
K =  GS

 V GSon − V T 
2
G
S
4.33
N MOS enriquecimiento, funcionamiento como conmutador:
condición
CORTE:
ecuación
D
G
S
VGSQ ≤ VT
ID = 0
D
G
Conducción:
VGSQ ≥ VT
VDS=0
F.T.C.
S
4.34
Transistor MOS Canal P (PMOS enriquecimiento)
VGS
G
+
S
D
G
D
S
P
P
P
P
N
N
B
B
G
G
+
VGS
B
S
F.T.C.
4.35
Transistor MOS Canal P (PMOS enriquecimiento)
VGS
G
+
S
D
G
D
S
P
P
P
P
N
N
VDS
B
B
G
+
G
-------+++++
B
+
VGS <0
S
F.T.C.
4.36
VGS
+
G
D
S
P
P
N
ID = f(VGS,VDS)
VDS
B
IG =0
VGG +
–
+
ID
D
+
VDS
+
VGS –S –
G
–+ VDS
F.T.C.
4.37
N MOS enriquecimiento, tres zonas de funcionamiento:
condición
ecuación
D
CORTE:
VGSQ≥ VT
ID = 0
G
S
ZONA OHMICA:
D
VGSQ ≤ VT
VDSQ≤ VDSsat
ID = VDSS / RDS
G
RDS
S
D
SATURACIÓN:
VGSQ ≤ VT ID = K IDon
VDSQ ≥ VDSsat
F.T.C.
 V − VT 
K =  GS

 V GSon − V T 
2
G
S
4.38
D
P MOS enriquecimiento, funcionamiento como conmutador:
G
CORTE:
condición
ecuación
VGSQ≥ VT
ID = 0
S
D
G
S
Conducción:
VGSQ ≤ VT
VDS=0
F.T.C.
4.39
Transistor MOS Canal N (NMOS empobrecimiento)
•Existe un canal en ausencia de tensión aplicada (proceso de fabricación)
•Por defecto y al aplicar una tensión VDS>0 el transistor conduciría
•Para destruir ese canal y hacer que el transistor no conduzca se necesita aplicar
una tensión VGS<0
VGS
G
S
D
+
G
G
N
N
G
+
-------+++++
VGS <0
P
D
S
N
N
B
B
P
B
B
F.T.C.
4.40
Transistor MOS Canal P (PMOS empobrecimiento)
•Existe un canal en ausencia de tensión aplicada (proceso de fabricación)
•Por defecto y al aplicar una tensión VDS>0 el transistor conduciría
•Para destruir ese canal y hacer que el transistor no conduzca se necesita aplicar
una tensión VGS>0
VGS
+
G
D
S
G
B
P
G
D
S
P
P
G
P
+
+++++
--------
N
VGS>0
N
B
B
F.T.C.
4.41