Transistor bipolar

Transistor bipolar PNP: Regiones de operación

Transistor PNP:

P

N

P Emisor

Base

Colector

VEB

+

VCB

+

VCB

VEB

Símbolo

Regiones de operación

Saturación

ActivaCorte

Activainversa

Transistor bipolar NPN: Regiones de operación

Transistor NPN:

N

P

N Emisor

Base

Colector

VBE

+

VBC

+

VBC

VBE

Símbolo

Regiones de operación

Saturación

ActivaCorte

Activainversa

Transistor bipolar PNP: Configuraciones en la Región Activa

Emisor común Base común Colector Común

P

N

PVEB+ E

B

C

IC

IE

IB

VEC P+ N P

IC

IE

VEB VCB

VEB

VEC VEBVCB

P+N

PVCBC

B

E

IE

IC

IB

VCE

VCB

VCE

IB

Transistor bipolar PNP: Relaciones básicas de corriente y Voltaje

Voltajes: VEB + VCB + VCE = 0

Corrientes: IE = IB + IC

P+ N P

IC

IE

VEB VCB

VEBVCBIB

Transistor bipolar PNP: Región activa

P+ N P

VEB

Unión polarizadaen directa

Unión polarizadaen inversa

Emisor Colector

Ejercicio: Dibujar los diagramas de energía para los transistores PNP y NPN

Transistor bipolar PNP: Región activa

Emisor Colector

ICPIEP

Corriente de electrones.Movimiento de electrones.

Corriente de huecos (movimiento de huecos).

IEn ICn

Convención:

Polarización directa

Polarización inversa

Irec (corriente de recombinación)

Componentes de las corrientes: IE = IEn + IEp IB = IEn + IREC - ICn

IC = ICn + ICp

IE IC

IB

P+

N

P

El transistor como amplificador lineal (región activa)

Análisis simplificadoP+ N PEmisor Colector

WB

Se asume que el ancho de la base WB << Lp (longitud de difusión de los huecos). Lo cual implica: IREC 0, luego ICp ≈ IEp

Debido a la polarización inversa de la unión base-colector entonces: ICn ≈ 0 ( es muy pequeña), luego IC ≈ IEp

Lo anterior significa que la corriente de base sería: IB ≈ IEn

El transistor como amplificador lineal

Comportamiento de los portadores minoritarios (análisis simplificado)unión emisor-base:

P+ N PEmisor Colector

WB

LinealWB << Lp

Exponencial: ''( )( )

0 0' [ 1]EB

nE

xqVLKT

E En n n n e e

x´´

( )

0 0

´' [ 1](1 )

EBqV

KTB B

B

xp p p p e

W

x´

El transistor como amplificador lineal

( )0

´ 0

´( ) [ 1]

´

EBqVE pB B KT

C Cp Ep E pBx B

qA D pdpI I I qA D e

dx W

( )0

´́ 0

´( ) [ 1]

´́

EBqVE nE E KT

B En E nEx nE

dn qA D nI I qA D e

dx L

Comportamiento de los portadores minoritarios (análisis simplificado)unión emisor-base:

Como: IB ≈ IEn, la corriente sería:

Como: IC ≈ ICp ≈ IEp , la corriente sería:

Luego:

0

pB oB nEC

B nE E B

D p LI

I D n W Relación lineal

Amplificador lineal de corriente

El transistor PNP

0C Cp Cn Cp CBI I I I I

E Ep EnI I I

Parámetros del transistor bipolar:

Las corrientes las podemos expresar de la siguiente forma:

0B En REC CBI I I I

Corriente de colector-base con el emisor abierto

El transistor PNP

Ep

E

I

I

Cp

Ep

I

I

Parámetros del transistor bipolar:

• Eficiencia de inyección del emisor ( ):

• Factor de transporte de la base ( ):

• Ganancia de corriente en base común (DC) ():

Cp

E

I

I

El transistor bipolar

0C E CBI I I

0

1 1CB

C B

II I

0C B CEI I I

Parámetros del transistor bipolar:

• De acuerdo con la ecuaciones anteriores:

También:

Luego:

1

Ganancia de corrienteEn emisor común (DC)

Modelo del transistor bipolar

Ecuaciones de corriente del transistor bipolar:

Hipótesis:• La intensidad de campo eléctrico en las regiones de cuerpo (fuera de las regiones de vaciamiento) es muy pequeño.• No se considera recombinación, ni generación en la zonas de vaciamiento.• Los anchos del colector y del emisor son más grandes que la longitudes de difusión de los portadores minoritarios.• El área transversal del colector es más grande que el área del emisor.• Cada región neutral se asume uniformemente dopada. Las uniones emisor-base y colector-base son abruptas.. Se considera la condición de bajo nivel del inyección ( en polarización en directa).

Modelo del transistor bipolar

Ecuaciones de corriente del transistor bipolar:Corriente de emisor:

P+ N PEmisor Colector

WB

noEnoCp0

x=0x´=0 x´´=0

ElectronesLnE, DnE

ElectronesLnC, DnC

huecosLp, Dp

Modelo del transistor bipolar

0 0p

p

Jp p

q x

Ecuaciones de corriente del transistor bipolar:Corriente de emisor:

P+ N PEmisor

WB

huecosLp, Dp

Ecuación de continuidad en la base:

20

2

´0p

p

p p d pD

dx

Con = 0

p´= p-p0

Modelo del transistor bipolar

p p pL D

2

2 2

´ ´

p

d p p

dx L

20

2

´0p

p

p p d pD

dx

Ecuaciones de corriente del transistor bipolar:Corriente de emisor (en la región de la base):

La solución de la ecuación tiene la forma:

Entonces:

1 2´ p p

x x

L Lp B e B e

0(́ ) [ 1]

CBqV

KTBp W p e

0(́0) [ 1]EBqV

KTp p e

Siendo:

Condiciones deFrontera:

Modelo del transistor bipolar

( ) ( )

0 0 0

( ) / ( / )[ 1][ ] [ 1][ ]

( / ) ( / )

CBEB qVqVB p pKT KT

B p B p

senh W x L senh x Lp p p e p e

senh W L senh W L

Ecuaciones de corriente del transistor bipolar:La solución de la ecuación daría:

La corriente de difusión: 0

( 0)Ep px

dpI x qD A

dx

Con 0 x WB

( )( )0 [ 1]

{[ 1][ ( )] }( / )

CB

EB

qVqV KT

p BKTEp

p p B p

qAD P W eI e Coth

L L senh W L

Modelo del transistor bipolar

nE nE nEL D 2

2 2

´ ´

´E E

nE

d n n

dx L

Ecuaciones de corriente del transistor bipolar:La ecuación de continuidad en la región del emisor sería:

La solución de la ecuación tiene la forma:

´ ´ (0) nE

x

LE En n e

´ ( ) 0En

0´ (0) [ 1]EBqV

KTE En n e

Siendo:

Condiciones deFrontera:

Modelo del transistor bipolar

( )0

´ 0

´( ´ 0) [ 1]

´

EBqVE nE E KT

En nEx nE

dn qD AnI x qD A e

dx L

Ecuaciones de corriente del transistor bipolar:La corriente IEn sería:

La corriente de emisor sería:

( )0 0

( )0

[( )( ( )) ( )][ 1]

[ ][ 1]( / )

EB

CB

qVp B nE E KT

E Ep Enp p nE

qVp KT

p B p

qAD P W qAD nI I I Coth e

L L L

qAD Pe

L senh W L

Modelo del transistor bipolar

( )B

Cp B px W

dpI x W qD A

dx

Ecuaciones de corriente del transistor bipolar:Una componente de la corriente de colector sería:

Como ya tenemos un modelo para P en la base:

( ) ( )0 1{[ 1]( ) [ 1] ( )}

( / )

CBEB qVqVp BKT KT

Cpp B p p

qAD P WI e e Coth

L senh W L L

Modelo del transistor bipolar

nC nC nCL D 2

2 2

´ ´

´́C C

nC

d n n

dx L

Ecuaciones de corriente del transistor bipolar:La ecuación de continuidad en la región del colector sería:

La solución de la ecuación tiene la forma: ´́

´ ´ (0́ )́ nC

x

LC Cn n e

´́ ( ´́ ) 0Cn x

0´ ( ´́ 0́ )́ [ 1]CBqV

KTC Cn x n e

Siendo:

Condiciones deFrontera:

Modelo del transistor bipolar

( )0

´́ 0´́

´( ´́ 0́ )́ [ 1]

´́

CBqVC nC C KT

Cn nCx nC

dn qD AnI x qD A e

dx L

Ecuaciones de corriente del transistor bipolar:La corriente ICn sería:

La corriente de colector:

( )0

( )0 0

[ ][ 1]( / )

[( )( ( ) ( )][ 1]

EB

CB

qVp KT

C Cp Cnp B p

qVp B nC C KT

p p nC

qAD PI I I e

L senh W L

qAD P W qAD nCoth e

L L L

La corriente de base: IB = IE - IC