Electrónica Analógica Practica 2

CENTRO DE ENSEÑANZA
TÉCNICA INDUSTRIAL
.
INGENIERÍA MECATRÓNICA, PLANTEL TONALÁ.
Academia; Electrónica Analógica, Materia; Electrónica Analógica
ELECTRÓNICA ANALÓGICA
PRACTICA 2
EL TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN Y SUS TÉCNICAS DE POLARIZACIÓN
Alumno:
Registro;
OBJETIVO:
Comprobar las características eléctricas máximas de un BJT utilizando el trazador de curvas. Diseñar una
polarización fija y otra con retroalimentación por emisor que tenga el mismo punto de operación y comparar la
estabilidad de dicho punto cuando la temperatura cambia en ambas.
El transistor que inventaron en 1947 Bardden, Brattain y Schockley
El Transistor Bipolar de Unión
La patente del primer transistor, la obtuvo el canadiense Julius Edgar Lilienfeld en el año de 1925, en esta
describe un dispositivo similar a un transistor de efecto de campo, sin embargo, desafortunadamente no publicó
ningún artículo de investigación acerca del mismo, ni los inventores de los transistores posteriores hacen cita
alguna de su patente. Hacia 1934 el inventor alemán Oskar Heil patentó un dispositivo similar sin resultados
exitosos, posteriormente en 1942 el físico alemán Herbert Mataré trabajó con los entonces conocidos como
duodiodos mientras trabajaba en un detector para un radar por efecto Doppler. Dichos duodiodos construidos
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Ing. Juan Gilberto Mateos Suárez
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por el mismo tenían dos contactos metálicos separados por un sustrato de semiconductor, descubriendo efectos
que no podían ser explicados por el funcionamiento de dos diodos operando independientemente, de manera
que de esto surgió la idea del posterior transistor de puntos de contacto. En 1947 John Bardeen y Walter
Brattain trabajando para AT&T Bell Labs observaron que cuando un juego de contactos eléctricos eran
aplicados a un cristal de germanio, la potencia de salida era mayor que la de entrada al excitar el componente,
William Shockley, quien era el líder del grupo de física de estado sólido comprendió el potencial visualizo la
trascendencia del descubrimiento y en los siguientes meses trabajo intensamente para ampliar el conocimiento
de los semiconductores. Según el físico historiador Robert Arns, existen documentos legales de la patente de los
Laboratorios Bell que muestran que W. Shockley y Gerald Pearson habían construido versiones operacionales
de las patentes de Lilienfeld y que ellos nunca referenciaron el trabajo de éste en sus artículos de investigación
posteriores ni en artículos históricos. El término de transistor fue acuñado en 1949 por John R. Pierce en los
Laboratorios Bell utilizando el acrónimo de las palabras “transfer- resistor, puesto que este dispositivo
funciona en la práctica como una transresistencia, cabe mencionar que gracias a la capacidad creativa de Pierce
se debe la puesta en funcionamiento del primer satélite estadounidense Telstar.
En el año 1956 J. Bardeen, W. Brattain y W.Shockley fueron reconocidos con el premio Nobel en Física por el
descubrimiento del transistor que se considera como quizás el más importante descubrimiento del siglo XX. El
primer transistor de silicio fue desarrollado por Gordon Teal en Texas Instruments en 1954 y en 1960 Kahng y
Atalla construyeron en los Laboratorios Bell el primer transistor de efecto de campo o MOSFET.
El transistor más utilizado en las décadas de 1960 y 1970 fue el transistor bipolar de unión, puesto que con él se
podían resolver prácticamente todas las necesidades electrónicas de esos tiempos, el otro tipo de transistor
conocido como MOSFET tenía los inconvenientes de tener una velocidad conmutación lenta, baja capacidad de
manejo de corriente y de ser sensible a la estática, por lo cual el Transistor Bipolar de Unión dominó el campo
de la electrónica tanto analógica como digital en esas épocas. Como se acaba de mencionar los transistores se
puede clasificar en dos grandes grupos:


Los Transistores Bipolares de Unión (Bipolar Junction Transistor)BJT
Transistores de Efecto de Campo (Field Effect Transistor) FET
Los transistores bipolares de unión y los de efecto de campo se pueden clasificar a su vez de muchas formas,
por ejemplo:

En función de su capacidad de manejo de potencia
o Transistores de baja potencia para señales pequeñas (Small Signal Transistors)
o Transistores de Potencia (Power Transistors)

En función de capacidad para manejar señales de diferente frecuencia
o Transistores de propósito general
o Transistores para radiofrecuencia y para microondas
Sin embargo, la clasificación que se basa en el tipo de semiconductor con que están fabricados los divide en:


Transistores NPN
Transistores PNP
Estructura y Principio de funcionamiento del transistor
Los Transistores Bipolares de Unión están compuestos de 3 regiones de semiconductor extrínseco
alternadas en forma de emparedado de donde deriva su tipo NPN o PNP. El nombre de estas regiones
son emisor, base y colector, se les considera bipolares porque conducen corriente simultáneamente
con ambos tipos de portador, tanto electrón como hueco, aunque son los portadores mayoritarios del
emisor los que proporcionan prácticamente la totalidad de la carga que se desplaza como corriente en
el interior del dispositivo. Se les consideran de unión porque por el hecho de que las regiones internas
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de semiconductor forman un par de uniones, una entre la base y el emisor y otra entre la base y el
colector. Para entender de una manera gráfica lo anteriormente mencionado, la Figura 3.1 nos muestra
su estructura con una sección de corte, la representación equivalente con diodos y el símbolo de
ambos tipos de transistor bipolar.
Fig.3.1 Estructura, símbolo y circuito equivalente con diodos de los BJT tipo NPN y PNP
La Figura 3.2 corresponde a la vista superior de un transistor bipolar de unión típico en el que se observan, el
semiconductor conocido como isla de sustrato cuyo propósito es aislar al transistor, los contactos metálicos (en
negro), sobre los cuales se sueldan las terminales del dispositivo y los semiconductores de cada región en
diferentes niveles de gris, distinguiéndose la región n + del emisor cuyo signo significa que tiene un alto índice
de contaminación representado por un gris más intenso.
Fig.3.2 Vista superior de un transistor bipolar de unión tipo NPN
La mayoría de los transistores bipolares de unión son fabricados mediante la técnica de crecimiento epitaxial
(por capas) y se les considera planares porque sus terminales de aluminio que están en contacto con las diversas
regiones de semiconductor se encuentran en un mismo plano, Las características de las regiones de
semiconductor se describen en la Tabla 3.1, estas nos permiten entender posteriormente el funcionamiento del
dispositivo.
Región
Índice de contaminación
Dimensiones Físicas
Función
Emisor
Muy alto
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Proporcionar una elevada emisión de
portadores mayoritarios hacia la base
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Base
Intermedio entre índice de
dopado del emisor y el del
colector
Pequeña y
extremadamente delgada
del orden de algunas
milésimas de pulgada
Colector
Bajo
Es el de mayor tamaño,
volumen y superficie con
el objeto de poder disipar
el calor que se produce en
él.
Permitir la recombinación de algunos
de los portadores mayoritarios
emitidos por el emisor y permitir por
ser tan delgada, ser atravesada por
dichos portadores hacia el colector
Al estar polarizado con un voltaje
elevado se forma un gran campo
eléctrico que atrae a la mayoría de los
portadores mayoritarios que
proporcionó el emisor
Tabla 3.1 Características de las regiones internas del BJT
Para determinar el tipo y las terminales de un BJT se utiliza un multímetro digital que tenga la función para
probar diodos, recurriendo al modelo equivalente de diodos del BJT, se deben ensayar mediciones entre sus
terminales hasta encontrar una de ellas que entregue lecturas con las dos restantes similares al voltaje de
conducción de un diodo de silicio, esta terminal será la base porque el semiconductor de ésta es diferente al de
las otras dos regiones. Si el cable conectado a la terminal común o base es rojo, el BJT es NPN, si es negro es
PNP. Aquella terminal con la que la base entregue una lectura de menor voltaje de conducción, es el colector ya
que su bajo índice de contaminación y amplia superficie de unión con la base dan lugar a ello. A continuación
en la Figura 3.3 se ilustra como determinar el tipo y las terminales de un BJT.
Fig. 3.3 Determinación del tipo y de las terminales del transistor
Principio de funcionamiento del BJT
El BJT conocido como transistor bipolar o de unión es un dispositivo que funciona como fuente de corriente
dependiente de corriente cuando se le polarizan apropiadamente sus uniones, sus principales aplicaciones son
las de trabajar como interruptor o como amplificador lineal. Para que el BJT pueda amplificar corriente, voltaje
o ambos, es necesario que la unión base-emisor se polarice en directo para forzar a los portadores mayoritarios
del emisor a difundirse en la base, simultáneamente la unión colector-emisor se debe polarizar en inverso para
crear un campo eléctrico que obligue a la mayor parte de los portadores mayoritarios proporcionados por el
emisor a que atraviesen la base, puesto que ésta es muy delgada (del orden de milésimas de pulgada) y dispone
de una cantidad reducida de portadores con los cuales se puedan difundir los mayoritarios procedentes del
emisor, por tal motivo la corriente electrónica del emisor se convierte casi en su totalidad en corriente de
colector dejando sólo una pequeña fracción como corriente de base, la cantidad que determina a la corriente de
colector en función de la corriente de emisor se le conoce como ganancia de corriente directa de base común en
modo directo (Forward) 𝛼𝐹 = 𝐼𝐶 ⁄𝐼𝐸 ≈ 1. El transistor bipolar de unión NPN en base común con sus
características esenciales de elemento activo, se presenta en la Figura 3.4 donde la fuente V EE en combinación
con RE polarizan en directo la unión base-emisor y la unión colector-base se polariza en inverso mediante la
fuente VCC y el resistor RC .
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Fig.3.4
Representación de Corrientes electrónicas en el interior de un BJT en base común representación y su
modelo equivalente
Simultáneamente a su funcionamiento de modo directo, el BJT conduce corrientes en modo inverso (Reverse),
con el cual los portadores minoritarios de sus regiones producen pequeñas corrientes de fuga, por ejemplo, en
un transistor NPN, el colector está obligado por el VCC a realizar la función de emisor de los huecos
minoritarios de esta región que se difunden en la base con los electrones minoritarios de ésta dando lugar a una
corriente de fuga inversa ICBO cuya magnitud se duplica cada 10oC de aumento en la temperatura de la unión,
asimismo la fuente -VEE atrae algunos de estos huecos que cruzan la base hacia el emisor que actúa como
colector. Al aplicar la superposición de las corrientes de ambos modos de funcionamiento éstas se suman,
porque en el modo directo se desplazan electrones del emisor hacia el colector, mientras que en el modo inverso
se desplazan huecos del colector hacia el emisor y al ser ambas cargas de signo contrario circulando en sentido
opuesto, las corrientes se suman. Estas propiedades se pueden observar a continuación en la Figura 3.5.
Fig.3.5
Representación de Corrientes electrónicas en el interior de un BJT dependiente de la temperatura en
base común y su modelo equivalente
El modelo de Ebers Moll representa el comportamiento no lineal del BJT, trabajando simultáneamente en
ambos modos, mediante éste modelo se obtienen ecuaciones que relacionan a la corriente de colector con el
voltaje colector-emisor, en función de las ganancias inversa y directa del transistor. Es evidente que el modo
directo predomina sobre el inverso puesto que en el directo los flujos de carga se producen con portadores
mayoritarios cuya densidad es excesivamente mayor que la de los minoritarios con que opera el modo inverso,
esto da lugar a los modelos eléctricos simplificados del BJT en base común que se muestran en la Figura 3.6a y
3.6b. En el primero de ellos se toma en cuenta la contribución de la corriente de fuga I CBO para determinar a la
corriente de colector, siendo éste modelo particularmente importante cuando el transistor trabaja a temperaturas
elevadas. El segundo es un modelo aún más simplificado en el que se considera que los transistores de silicio
tienen una corriente de fuga extremadamente pequeña a temperatura ambiente por lo que se cumple 𝐼𝐶𝐵𝑂 ≪ 𝐼𝐶 ′
, donde 𝐼𝐶 ′ = 𝛼𝐼𝐸 .
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𝐼𝐶 ′ = 𝛼𝐼𝐸
𝐼𝐶 = 𝐼𝐶′ + 𝐼𝐶𝐵𝑂
Fig.3.6 Modelos eléctricos equivalentes del BJT en base común:
a) Aproximado dependiente de la temperatura b) Simplificado e independiente de la temperatura
En la Figura 3.7 se muestran las curvas características de salida del BJT en base común, como se mencionó
anteriormente, la unión colector-base debe estar polarizada en inverso por lo que VCB > 0.7 V para que el
transistor trabaje en la región activa de amplificación lineal. La razón por la cual las curvas de respuesta inician
en un voltaje negativo con respecto a las del BJT en emisor común, tiene su explicación al aplicar la ley de
voltajes de Kirchoff a las terminales del BJT como sigue:
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐵 + 0.7 𝑉
Despejando 𝑉𝐶𝐵
𝑉𝐶𝐵 = 𝑉𝐶𝐸 − 0.7 𝑉
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Hasta ahora se ha estudiado al BJT en la configuración base común con la finalidad de explicar su
funcionamiento pero independientemente de la forma en que se le conecte, éste puede trabajar en diferentes
modos de operación de acuerdo a la polaridad del voltaje que reciban sus uniones como muestra en la siguiente
tabla:
MODO
Activo - Directo
Umbral (Corte)
Saturación
Activo - Inverso
POLARIZACION DE LA UNION
Emisor - Base
Colector – Base
Directo
Inversa
Directo
Inversa
Inversa
Inversa
Directo
Directo
En el modo Activo- Directo el BJT se comporta como una fuente controlada (el control de la corriente de salida
IC). Esta es la acción de una fuente de corriente controlada ya que los cambios del nivel de polarización emisorbase ajustan el valor de IE y por lo tanto de IC. Con las características de fuente controlada obtenibles, el BJT
puede emplearse como amplificador prevaleciendo el modo activo – directo en circuitos analógicos. En el modo
Umbral (Corte) ambas uniones están polarizadas inversamente: tanto IE como IC son del orden de las corrientes
de saturación inversas de un diodo, observadas anteriormente en el capítulo 2. La situación es la de corriente
casi nula con tensión inversa (grande) en la unión (VCB>>VT) y funciona aproximadamente como un interruptor
abierto. En el modo de Saturación, las dos uniones están polarizadas directamente, la corriente de colector
puede ser apreciable pero la tensión a través de la unión del colector será pequeña. Esta situación es
aproximadamente la de un interruptor cerrado. El funcionamiento del BJT entre corte y saturación equivale al
de un interruptor (En niveles lógicos, esto equivaldría a un “1” o “0” lógico). En el modo Activo- Inversa es
semejante al directo pero con una diferencia significativa. Aun cuando el funcionamiento en la región activo –
inversa es el de una fuente
controlada
pequeña
ganancia
corriente
𝐸 = − 𝛼𝑅 𝐼𝐶 ) lade
Fig.3.7
Curvas(𝐼Características
salida del
BJT ende
base
común.𝛼𝑅 frente a 𝛼𝐹 hace que
esta modalidad no sea adecuada en general para la amplificación. Sin embargo, tiene aplicación en circuitos
digitales y en algunos circuitos de conmutación analógicos.
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Lo anterior se ilustra en la Figura 3.8, donde con imágenes obtenidas de un trazador de curvas real, utilizando
un transistor NPN, se muestran los modos de operación de esté:
ACTIVIDADES A REALIZAR
1.- Conseguir 4 BJT NPN y 4 PNP y reportar en una tabla la siguiente información:
Tipo de BJT
NPN
NPN
NPN
NPN
PNP
PNP
PNP
Matrícula
2N2222
2N3904
H528
BC548C
TIP120
BC557C
2N3906
𝛃 (𝐌𝐞𝐝𝐢𝐝𝐚 𝐜𝐨𝐧 𝐃𝐕𝐌)
𝐕𝐁𝐄
𝐕𝐁𝐂
Encapsulado
2.- Imprimir las curvas de respuesta que determinan las características eléctricas máximas del BJT NPN
2N2222 (𝑉𝐶𝐵 𝑚𝑎𝑥 , 𝐼𝐶 𝑚𝑎𝑥, 𝑉𝐸𝐵 𝑚𝑎𝑥 𝑦 𝑉𝐶𝐸 𝑚𝑎𝑥 ) .
Nota: Los voltajes 𝑉𝐶𝐵 𝑚𝑎𝑥 𝑦 𝑉𝐸𝐵 𝑚𝑎𝑥 obténgalos utilizando únicamente las dos terminales requeridas del
transistor, configurando al trazador con una resistencia de carga de 10 KΩ y una potencia de disipación de 0.1
W para evitar dañarlo.
3.- Calcular y construir en circuito impreso una polarización fija y una con retroalimentación por emisor común
que tengan el mismo punto de operación en (𝑉𝐶𝐸𝑄 = 5 𝑉 , 𝐼𝐶𝑄 = 4 𝑚𝐴) utilizando 𝑉𝐶𝐶 = 9 𝑉. En el caso del
ejercicio teórico realizar los cálculos con valores nominales y con la  medida con un multímetro.
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Fórmulas para calcular una polarización fija:
𝑅𝑐 =
𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐶𝐸𝑄
𝐼𝐶𝐸𝑄
𝐼𝐵 =
𝐼𝐶𝐸𝑄

𝑅𝐵 =
𝑉𝐶𝐶 − 0.7
𝐼𝐵
Fórmulas para calcular una auto polarización con retroalimentación por emisor:
1
𝑅𝐸 = 10
𝑉𝑐𝑐
𝑅𝑐 =
𝐼𝐶𝐸𝑄
𝑉𝐶𝐶 −𝑉𝐶𝐸𝑄
𝐼𝐶𝐸𝑄
− 𝑅𝐸
𝑅2 =
𝑉𝐶𝐶
𝑉𝐵𝐵
𝑅𝐵𝐵 𝑅1 =
𝑅𝐵𝐵
𝑉
1− 𝐵𝐵
𝑉𝐶𝐶
Aplicando criterio de estabilidad:
𝑅𝐸 =
10∗𝑅𝐵𝐵

𝑅𝐵𝐵 =
 ∗ 𝑅𝐸
𝑉𝐵𝐵 = 𝐼𝐶𝐸𝑄 (
10
𝑅𝐵𝐵

+ 𝑅𝐸 ) + 0.7
4.- Construir las curvas de respuesta del BJT en las que aparezca el punto de operación aproximado en la parte
central del cuadrante y sobre éstas dibujar la recta de carga de corriente directa.
5.- Reportar en el formato de las siguientes tablas los resultados que se le solicitan. En el caso práctico utilizar
las condiciones del punto de operación que ofrece el trazador de curvas. Realizar las mediciones en dos
temperaturas, la ambiente y a 75° C. El reporte de los resultados realícelos conforme a lo solicitado en la tabla
1.
Tipo de polarización a Temp. Ambiente
IB
IC
VCE
VBE
VCB

IB
IC
VCE
VBE
VCB

Fija (Teórica)
Fija (Simulada)
Fija (Práctica)
Retroalimentación por emisor (Teórica)
Retroalimentación por emisor (Simulada)
Retroalimentación por emisor (Práctica)
Tipo de polarización a T= 75 °C
Fija (Teórica)
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Fija (Simulada)
Fija (Práctica)
Retroalimentación por emisor (Teórica)
Retroalimentación por emisor (Simulada)
Retroalimentación por emisor (Práctica)
Preguntas acerca de los resultados de la práctica
1. Mencione las tres regiones de funcionamiento en las que trabaja el BJT
2. ¿Qué terminal entrega lecturas de caída de voltaje de diodo respecto a las dos
restantes en un BJT?
3. ¿En qué región se trabaja al BJT como interruptor abierto?
4. ¿Qué especificación eléctrica máxima no se debe exceder para evitar dañar al BJT
cuando trabaja como interruptor abierto?
5. ¿Qué valor máximo tiene el voltaje colector – emisor cuando el BJT trabaja con su
corriente de colector máxima?
1. Nombre las tres técnicas de polarización que usualmente se utilizan con el BJT
2. ¿Qué condición nos permite compensar las variaciones de la beta en un transistor?
3. Para trabajar al BJT como interruptor, ¿Qué técnica de polarización se utiliza?
4.- Típicamente, ¿Cuál es la relación 𝐼𝐶 ⁄𝐼𝐵 en función de  para que el BJT funcione
en la región de saturación como interruptor cerrado?
5. Para ambas técnicas de polarización explique, ¿Porque la corriente de colector se
incrementa cuando aumenta la temperatura?
6. ¿Porque el incremento en la corriente de colector es menor en la autopolarizacion
con retroalimentación por emisor que en la polarización fija cuando la temperatura
aumenta?
7. En la región de amplificación lineal, ¿Cómo se comporta la ganancia de corriente
en emisor común del BJT?
Mencione dos razones por las cuales los resultados teóricos son diferentes a los
obtenidos de manera práctica
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