Transistores Bipolares

Electrónica I

Contenido

• Principios físicos

• Modelos de Ebers-Moll

• Estado activo directo

• Estados de corte y saturación

• La recta de carga

• Transistor pnp

• Análisis del punto Q

Contenido (continuación)

• Modelo estático SPICE del transistor bipolar

• Efectos de segundo orden• Modelo dinámico del transistor• La conmutación del transistor• Modelo dinámico SPICE del transistor

bipolar• Fabricación de CI

Introducción

Los transistores de unión bipolares o bipolares tienen aplicaciones en electrónica analógica y digital.

En electrónica analógica sus funciones son: amplificar señales, generar tensiones de referencia, proporcionar energía, proteger de sobrecalentamiento, etc.

En electrónica digital sus funciones son: interruptores controlados por corriente, memorias digitales, etc.

ConstrucciónEl transistor bipolar se construye como un emparedado de tres regiones, tipo n, p, y n (o p, n, p). La base tipo p(n) se empareda por el emisor y el colector tipo n(p).

n np

Emisor ColectorBase

E

B

C

E C

B

p pn

Emisor ColectorBase

E

B

C

E C

B

Transistor npn Transistor pnp

Polarización en zona activaLa unión de emisor y base se polariza directamente y la unión base colector se polariza inversamente.

n np

Emisor ColectorBase

E

B

C

E C

B

Potencial de los electrones

Corrientes en el transistor

continuación

iE – corriente total de emisor

iB – corriente total de base

iC – corriente total de colector

iE– corriente de electrones inyectados a la base

t( iE) = F iE – fraccíón de corriente de electrones inyectados que llegan al colector.

t – factor de transporte

Modelo de Ebers-Moll

DCDEFC iii

La corriente en el colector es:

11 TBCTBE VvCS

VvESFC eIeIi

Sustituyendo

11 TBCTBE VvCSR

VvESE eIeIi

Similarmente para el emisor

RiDC FiDE

iDE iDC

iE

iB

iC

Continuación

La ley de reciprocidad establece que:

Donde F es la alfa directa y R es la alfa inversa.

Sustituyendo en las ecs. anteriores

SCSRESF III

11 TBCTBE Vv

R

SVvSC e

IeIi

11 TBCTBE VvS

Vv

F

SE eIe

Ii

Estados del transistor

Polarización de las uniones

Estado Base emisor Base colector

Activo directo Directa (vBE > V) Inversa (vBC < V)

Transistor inverso Inversa (vBE < V) Directa (vBC > V)

Cortado Inversa (vBE < V) Inversa (vBC < V)

Saturado Directa (vBE > V) Directa (vBC > V)

Los estados del transistor se pueden resumir en la siguiente tabla:

continuación

SaturaciónActivo inverso

Corte Activo directo

0.5

0.5

0

0vBE

vBC

Estado activo directoEn el amplificador de emisor común la fuente en el circuito de base polariza directamente a la unión base-emisor y una fuente de mayor tensión polariza inversamente la unión base-colector. El voltaje vBE deberá ser mayor que la tensión de codo y los términos que llevan vBE son mucho mayores que 1. La tensión vBC es mucho menor que la tensión de codo, las exponenciales que incluyen vBC son mucho menores que 1. Las ecuaciones de Ebers-Moll quedan como:

R

SVvSC

IeIi TBE

S

Vv

F

SE Ie

Ii TBE

El segundo término es mucho más pequeño que el primero, simplificando llegamos a:

EFC ii

Características de transferencia

De la ley de Kirchhoff de corrientes se llega a: BF

FC ii

1

Definimos la beta directa del transistor como:F

FF

1

Entonces: BFC ii β y BFE ii 1β

Es fácil mostrar que la ecuación de entrada en emisor común es:

TBE Vv

FF

SB e

Ii

1

Configuración de base común

n p nICIE

IB

E

B

C

VEE VCC

+ +

En la configuración de base común la terminal de la base del transistor es común al circuito de entrada (izquierda) y al de salida (derecha).

Las fuentes se etiquetan repitiendo el nombre de la terminal a la cual están conectadas.

Características de entrada en Base común

Las características de entrada en base común relacionan la corriente de emisor IE, con el voltaje en la unión de emisor-base VBE para diferentes valores del voltaje de salida VCB.

Para considerar que un transistor está encendido supondremos VBE = 0.7V

Características de salidaLas características de salida en base común relacionan la corriente de colector IC, con el voltaje en la unión de colector-base VCB para diferentes valores de la corriente de entrada IE.

Aquí se distinguen las diferentes regiones de operación.

Corriente de saturación inversa ICBO

Esta es la corriente que circula en la unión base-colector cuando la corriente de emisor es igual a cero.

del transistorLa alfa en corriente directa se define como

E

Cdc I

I

Los valores típicos son de 0.9 a 0.998.

Si el punto de operación se desplaza sobre la curva característica, se define la alfa de corriente alterna

constante

CBVE

Cac I

I

Los valores típicos de ac son prácticamente iguales dc.

El transistor como amplificadorConsidere la siguiente red donde se ha omitido la polarización.

p n pILIi

E

B

C

Vi = 200 mV Ri

20 Ohm

R5k Ohm

VL

+

Ii = 200mV/20 = 10 mA

IL = Ii = 10 mA

VL = IL RL = (10mA)(5k Ohm) = 50 V

Ganancia de voltaje = VL/Vi = 50V/200mV = 250

Configuración de emisor comúnConfiguración de emisor común para transistores npn y pnp.

Características de entrada en Emisor común

Las características de entrada en emisor común relacionan la corriente de emisor IE, con el voltaje en la unión de emisor-base VBE para diferentes valores del voltaje de salida VCE.

Características de salidaLas características de salida en emisor común relacionan la corriente de colector IC, con el voltaje en la unión de colector-base VCB para diferentes valores de la corriente de entrada Ib.

Aquí se distinguen las diferentes regiones de operación.

Corrientes en emisor común

11CBOB

C

III

De las corrientes del transistor tenemos:

IC = IE + ICBO

Pero IE = IC + IB, sustituyendo,

IC = IC + IB + ICBO

Reordenando

Definimos ICEO = ICBO/(1 – )

con IB = 0

Ejemplo

del transistor

B

Cdc I

I

Definimos la b de corriente continua como

Suele tener un valor de entre 50 a 400. En las hojas de datos se especifica como hFE.

La de ac se define como

constante

CEVB

Cac I

I

En las hojas de datos se especifica como hfe.

Ejemplo

10825

7.2

100101

20302.22.3

12

12

constante

AmA

II

AmA

AAmAmA

II

II

I

I

B

Cdc

BB

CC

VB

Cac

CE

Relación entre y

Dado que = IC /IE y = IC /IB y además IE = IC + IB, es fácil mostrar que

1

1

IE = (IC

Además se puede mostrar que

ICEO = ICBO

IC = IB

Configuración de colector común

p

n

p

IC

IE

IB

E

B

C

VEE

VBB

n

p

n

IC

IE

IB

E

B

CVBB

VEE

La impedancia de entrada de esta configuración es alta y la de salida es baja.

Las características de salida son las mismas que las de emisor común reemplazando IC por IE. Las características de entrada son las mismas que para emisor común.

Límites de operaciónEn las hojas de datos de los transistores se especifica la corriente máxima del colector y el voltaje máximo entre emisor y colector VCEO o V(CEO).

La potencia de disipación máxima se defino por:

PCmax = VCEIC

Se debe cumplir:

ICEO < IC < ICmax

VCEsat < VCE < VCEmax

ICEIO < PCmax

Hojas de datos

2N4123

Encapsulados

TO-92 TO-18 TO-39 TO-126 TO-220 TO-3

Construcción

Modelo de emisor común

iB

vBE

FiB

E

B C

Modelo de gran señal para el transistor en emisor común

Almacenamiento de cargas minoritarias

La concentración de electrones en la unión base-emisor es:

TBE Vv

a

i eN

nn

2

0

La pendiente de esta curva es proporcional a la corriente de colector

TBE Vv

a

i eWN

n

W

npendiente

20

Sustituyendo el factor exponencial

C

sa

i iIWN

n

W

npendiente

20

Emisor Base Colector

n(0)

n(x)

x

Estados de corte, saturación y activo inverso

Zonas de funcionamiento para los cuatro estados del transistor sobre las curvas características de salida.

VCE,sat= 0.2

iC

vCE

IB1

IB3

IB2

IB4

IB=0

IB1

IB3

IB2

IB4

Corte

Corte

Activo directo

Activo inverso

Saturación

Saturación

Corte y saturación

En la región de corte las corrientes del transistor son cero. Si se considera los efectos de la temperatura, habrá que incluir la corriente inversa de saturación entre colector y base.

B

C

E

B

C

E

ICB0

En saturación el transistor no funciona como fuente de corriente controlada por corriente. Cuando está saturado iB iC.

C

E

B

0.7 V 0.2 V

iB iC

Funcionamiento activo inverso

En este caso la corriente de emisor es -RiB, donde

R

RR

1

Por la ley de Kirchhoff BRBEC iiii 1

Dado que R + 1 << F, las curvas en el tercer cuadrante están menos separadas que en las del primer cuadrante.

C

EB

VBC= 0.7 V

iB

iC

RiB

La recta de cargaLa recta de carga es una ayuda para obtener las corrientes y tensiones de un dispositivo cuando está descrito pos sus curvas características. Las variables de entrada deben cumplir dos restricciones simultáneamente.

La característica de entrada iB y vBE debe estar en algún punto de la curva no lineal. La otra condición es la impuesta por el circuito externo.

La recta de carga pasa por los puntos (vBE, iB)=(VBB, 0) y (vBE, iB)=(0, VBB/RB).

VBB vBE

iB

vCE

iC

VCC

RC

RB

+

++

+

010203040

0.7vBE

μABi

50

RB VBB

Punto Q

Recta de carga de entrada

-1

Recta de carga (continuación)

010203040

0.5 0.7

μABi

50

VBB

vBE

VCC/RC

0

1

2

3

4

iC(m)

iB=10A

VCE

(voltios)

5

6

iB=20A

iB=30A

iB=40A

iB=50A

iB=60A

1 2 3 4 5 6 7 8

Q

VCC

Caida de tensión en el

transistor

Caida de tensión en la resistencia

Recta de carga de saturación

VBB

8V

vBE

iB

vCE

iC

120k

+

++

+

+

vBC

2kPara el circuito de la figura:

k

Vi BBB 120

7.0

V 0.7vBE

iB

VBB

1 2 3

Cuando la base alcanza 39A, el transistor alcanza la saturación.

k

VAi EOSBB

EOSB 120

7.039 ,

,

0

1

2

3

4

iC(m)

iB=10A

vCE

5

6

iB=20A

iB=30A

iB=40A

iB=50A

iB=60A

1 2 3 4 5 6 7 8

Incremento de VBB

VCE,sat= 0.2

iC

iB=IB

vCE

IC

IB

Una medida cuantitativa de saturación es la beta forzada, definida para el transistor saturado por

saturadotransistorB

Cforzada i

i

Almacenamiento de cargas en un transistor saturado

Emisor Base Colector

n

n

Emisor Base Colector

n

Emisor Base Colector

QFA

QS

QT = QFA + QS

La concentración de carga de minoritarios es la superposición de concentraciones individuales creadas por los incrementos idénticos de vBE y vBC.

Inyección del colector

Inyección del emisor

Límite del valor de

saturación

Transistor pnp

B

Cp pn

iE

iB

iC

E iC

C

B

iB

iE

E

RiDC FiDE

iDE iDC

iE

iB

iC

Configuración de emisor común

iB

vBE iE

iC

vCE

+

-

+

-

Entrada Salida

Características de entrada y salida:

-0.7vBE

Bi

-0.2

iC(m)

iB

vCE

Análisis del punto Q

FiB

B

C

E

iB

vBE

E

B C

Zona activa

Zona de corte

C

E

B

0.7 V 0.2 V

iB iC

Zona de saturación

Análisis del estado activo

Si el transistor trabaja en el modo activo directo, se puede sustituir

el transistor por su modelo activo de gran señal.

El análisis de beta infinita hace las siguientes suposiciones:

1. VBE = 0.7 para npn y –0.7 para pnp.

2. IB = 0

3. IC = IE

Para niveles de corriente bajos es conveniente utilizar el SPICE.

Análisis cuando el estado es desconocido

Análisis de circuitos con transistores de tres estados:

1. Hacer una suposición razonada acerca del estado del transistor

2. Hacer un diagrama del circuito, sustituir cada transistor por el modelo para su supuesto estado.

3. Analizar el circuito resultante para obtener valores de prueba asociadas con cada modelo.

4. Examinar las variables de prueba, buscando contradicciones al estado supuesto.

5. Si hay una contradicción, hacer una nueva suposición basada en la información calculada y volver al paso 2.

6. Cuando no haya contradicciones, las tensiones y corrientes calculadas a partir del circuito equivalente se aproximan a las del circuito real.

Prueba de validez para los estados del transistor supuestos. Como el estado activo inverso ocurre raramente, las pautas suponen primero funcionamiento en el primer cuadrante donde el funcionamiento activo inverso no puede ocurrir.

Suponiendo funcionamiento activo directo:

1. Sustituir por el modelo activo directo

2. Si iB 0, suponemos corte.

3. Si VCE 0.2, suponemos saturación.

Suponiendo corte

1. Sustituir el modelo de corte

2. Si VBE 0.5, suponer transistor activo

Suponiendo saturación

1. Sustituimos por el modelo de saturación

2. Si iB < 0, suponemos corte

3. Si iC > FiB, suponemos funcionamiento activo directo

Modelo estático SPICE del transistor bipolar

7

17

149

4

5

3

2

12

Q1 3 2 5 SAM

Q2 9 4 7 SAM

QOUT 12 17 14 JANE

.MODEL SAM NPN

.MODEL JANE PNP

Notación

Texto SPICE valores por defecto

F BF 100

R BR 1

IS IS 1.0E-16

Ejemplo 4.9

Q1 4 2 3 SUE

Q0 5 4 0 SUE

VCC 1 0 DC 5

RC 1 5 2K

RB 4 0 5K

RS 1 2 2K

.MODEL SUE NPN BF=20

+ BR=5 IS=2.0E-14

VS 3 0 DC 0

*.DC VS 0.2 3.6 0.17

.DC VS 0.5 0.7 0.01

*.OP

.PLOT DC V(5)

.END

2 k

5V

2 k

5 k

Q1

Q0

5

3

2

1

4

VS

Efectos de segundo orden

0.7vBE

iB

T1

T2 > T1

vCE

T=T1

iC

iB1

iB2

iB3

ICE0

T= T2 > T1iC

iB1

vCE

iB2

iB3

ICE0

La vida de los portadores minoritarios aumenta con la temperatura, por lo tanto el valor de aumenta alrededor de 7,000 ppm. La siguiente expresión cuantifica esta variación

XTB

RR T

TTT

XTB es el exponente de temperatura.

Tensiones de ruptura

iC

iE

BVCB0

vCB

iC

iB

BVCE0

vCE

Modulación del ancho de base

w1

VCE1

C

B

E

w2

VCE2> VCE1

C

B

E

Efecto Early

iC

vCE

iB

-VA

r0

1

Una consecuencia de la variación en el ancho de la base es el cambio en las características de salida de emisor común. VA es llamada tensión Early. La corriente de colector pasa a ser

BA

CEBCEC i

Vv

ivfi

1,

El efecto Early aumenta la resistencia de salida del transistor r0 definida por:

Qpunto0

1

CE

C

vi

r

Evaluando:B

A

IVr

β11

0

Cuando VCE << VA : BB βIβI1

A

CEC V

VI

De aquí:

C

A

IV

r

Realimentación internaUna consecuencia de la modulación del ancho de base es la realimentación interna. Parte de la tensión de salida se realimenta a través del transistor al circuito de entrada. Si mantenemos la polarización base-emisor mientras aumentamos vCE de VCE1 a VCE2. La corriente de base se hace más pequeña porque la recombinación en la base se reduce y es necesario sustituir menos huecos en la base, como se muestra en la figura.

Incremento de vCE

vBE

iB

0.7

vCE

vBE

iB

0.7

Circuito equivalente, F es el parámetro de ganancia de tensión inversa. El efecto de realimentación inversa de minimiza al dopar la región de colector más pobremente que la de base.

BF vCE

0.7

iB

vCE

F iB

C

E

Resistencia de base y colectorExisten tres resistencias parásitas en el transistor:

rb – resistencia de difusión de base. De unos 100 Ohms.

rc – resistencia óhmica del colector. De 10 a 100 Ohms.

re - resistencia óhmica del emisor. De 1 Ohms.

n p n pre

rb

rcSustrato

C B E

S

Modelo estático SPICE con efectos secundarios

iDE

iDC

iB

iC

iE

rb

re

rc

F iDC

R iDC

roe

roc

Notación Valores

Texto SPICE por defecto

IS IS 1E-16 A

F BF 100

R BR 1

rc RC 0

rb RB 0

re RE 0

VA VAF - VAR XTB XTB 0

Ejemplo de SPICE con efectos secundarios

EJEMPLO 4.11

VCC 2 0 DC 3

RB 2 3 690K

RC 2 1 1.5K

Q1 1 3 0 NTRAN

.MODEL NTRAN NPN BF=300 VA=90 XTB=1.7

.TEMP -40 -20 0 27 50 70 100 125

.OP

.END

690k1.5k

3V

1

2

3

VALORES OBTENIDOS CON SPICE

TEMPERATURA IC VBE VCE BETADC

-40.000 6.15E-04 8.54E-01 2.08E+00 1.98E+02

-20.000 7.15E-04 8.30E-01 1.93E+00 2.27E+02

0.000 8.21E-04 8.06E-01 1.77E+00 2.58E+02

27.000 9.76E-04 7.73E-01 1.54E+00 3.03E+02

50.000 1.12E-03 7.45E-01 1.32E+00 3.42E+02

70.000 1.25E-03 7.21E-01 1.13E+00 3.78E+02

100.000 1.46E-03 6.84E-01 8.10E-01 4.35E+02

125.000 1.65E-03 6.53E-01 5.29E-01 4.84E+02

Capacitancias parásitasLas capacidades de deplexión y difusión están asociadas a la unión y limitan el funcionamiento a alta frecuencia. En transistores en estado activo directo, la capacidad de deplexión es dominante en la unión colector-base inversamente polarizada. En la unión base-emisor directamente polarizada, son importantes tanto la capacidad de difusión como la de deplexión.

La capacidad de difusución de un transistor difiere de la de un diodo aislado debido a la estrecha base. La distribución de minoritarios en la base es triangular. La carga almacenada es

TBE Vv

a

iFA e

N

nnAWWnqAQ

2

20

2

1

Los electrones tardan un tiempo tT en atravezar la base (tiempo de tránsito 1ns para npn y 30ns para pnp). Como este flujo constituye la corriente de colector

sculombiosQ

IT

FAC /

τ

Modelo dinámico del transistor

iDE

iDC

iB

iC

iE

rb

re

rc

F iDC

R iDC

Cdif,C Cdep,C

Cdif,E Cdep,E

Cdif,S

S

Interruptor estático

RL

RB

vCEVCC

iB

iC

vC

+

RL

iswVCC

vsw

+

VCC

vsw

isw

L

CC

R

V

Interruptor cerrado = cortocircuito

Interruptor abierto = circuito abierto

VCC

vCE

iC

VCE,sat

L

CC

R

V Cerrado

AbiertoiB=0

iB = IB

Simulación del interruptor con SPICE

EJEMPLO 4.12

VCC 4 0 DC 9

RL 4 1 800

RB 2 3 1K

QSW 1 3 0 SWITCH

.MODEL SWITCH NPN

+ BF=25

VC 2 0 PULSE(0 5 0.5E-6

+0 0 0.5E-6 2E-6)

.TRAN 0.02E-6 2E-6

.PLOT TRAN V(1)

.PROBE

.END

Conmutación dinámica

8.3 k

VCC=9 V

iB

iC

vC

2 k

vo

vC(t)

t

vo(t)

t

iB(t)

t

tf tr

+9

+0.2

tD tS

1mA

-iR

T

+9

-5

8.3 k

VCC=9 V

5V

2 k

vo

14V+

+

5V

8.3 k

VCC=9 V

2 k

vo

+

+

9V

iB

VCC=9 V

2 k

vo

+

9V

+

8.3 k

0.7

iB

1mA

Estado inicial Estado de corte transitorio

Estado transitorio activo

VCC=9 V

vo

+

9V

+

0.7

0.2

0.5 V

VCC=9 V

vo

+

5V

+

0.7

0.2

VCC=9 V

0.5V

vo

+

+

5V

Estado de saturación en equilibrio

Estado de saturación antes de que el

transistorse corte

Transistor cortado con condensadores preparados para

alcanzar el equilibrio de corte.

Parámetros SPICE para el modelo dinámico del transistor

Parámetros SPICEEstáticos Dinámicos

Valor Valor por defecto por defecto

IS 1E-16 A CJE 0BF 100 VJE 0.785 VBR 1 MJE 0.33RC 0 CJC 0RB 0 VJC 0.75 VRE 0 MJC 0.33VAF CJS 0VAR VJS 0.75XTB 0 MJS 0

TF 0TR 0

Valores típicos en integrados

IS 1E-16 A CJE 1.0 pFBF 200 VJE 0.7 VBR 2 MJE 0.33RC 200 CJC 0.3 pFRB 200 VJC 0.55 VRE 2 MJC 0.5VAF 130 V CJS 3 pFVAR 50 V VJS 0.52XTB 1.7 MJS 0.5 V

TF 0.35 nsTR 10 ns

Ejemplo de compuerta lógica

12

3

4

5 6

7

8

vI

2 k

4 k

4 k

VCC=+4V

VBB

VM= 0V

vo