transistores bipolares
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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 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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