RESEA HISTORICA:

Replica del primer transistor

El transistor bipolar fue inventado en Diciembre de 1947 en el Bell Telephone Laboratories por John Bardeen y Walter Brattain bajo la direccin de William Shockley. La versin de juntura, inventada por Shockley en 1948, fue durante tres dcadas el dispositivo favorito en diseo de circuitos discretos e integrados. Hoy en da, el uso de TBJ ha declinado en favor de la tecnologa CMOS para el diseo de circuitos digitales integrados.

MARCO TERICO:

El Transistor es un dispositivo electrnico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El trmino "transistor" es la contraccin en ingls de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se los encuentra prcticamente en todos los enseres domsticos de uso diario: radios, televisores, grabadores, reproductores de audio y vdeo, hornos de microondas, lavadoras, automviles, equipos de refrigeracin, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lmparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomgrafos, ecgrafos, reproductores mp3, celulares, etc.

El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales especficos en cantidades especficos) que forman dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la

tercera, que est intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las vlvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseo de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a diferencia de los resistores, capacitores e inductores que son elementos pasivos. Su funcionamiento slo puede explicarse mediante mecnica cuntica.

De manera simplificada, la corriente que circula por el "colector" es funcin amplificada de la que se inyecta en el "emisor", pero el transistor slo grada la corriente que circula a travs de s mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la "base" para que circule la carga por el "colector", segn el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificacin logrado entre corriente de base y corriente de colector, se denomina Beta del transistor. Otros parmetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Mxima, disipacin de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parmetros tales como corriente de base, tensin Colector Emisor, tensin Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas bsicos para utilizacin analgica de los transistores son emisor comn, colector comn y base comn.

Modelos posteriores al transistor descrito, el transistor bipolar (transistores FET, MOSFET, JFET, CMOS, VMOS, etc.) no utilizan la corriente que se inyecta en el terminal de "base" para modular la corriente de emisor o colector, sino la tensin presente en el terminal de puerta o reja de control y grada la conductancia del canal entre los terminales de Fuente y Drenador. De este modo, la corriente de salida en la carga conectada al Drenador (D) ser funcin amplificada de la Tensin presente entre la Puerta (Gate) y Fuente (Source). Su funcionamiento es anlogo al del triodo, con la salvedad que en el triodo los equivalentes a Puerta, Drenador y Fuente son Reja, Placa y Ctodo.

Los transistores de efecto de campo, son los que han permitido la integracin a gran escala que disfrutamos hoy en da, para tener una idea aproximada pueden fabricarse varios miles de transistores interconectados por centmetro cuadrado y en varias capas superpuestas.

Transistor de unin bipolar

Del ingls "Bipolar Junction Transistor" [BJT]; dispositivo electrnico de estado slido consistente en dos uniones PN muy cerca entre s, que permite controlar el paso una corriente en funcin de otra.

Se puede tener por tanto transistores PNP o NPN. Tecnolgicamente se desarrollaron antes que los de efecto de campo o FET. Los transistores bipolares se usan generalmente en electrnica analgica. Tambin en algunas aplicaciones de electrnica digital como la tecnologa TTL o BICMOS.

Los MOSFET tienen en comn con los FET su ausencia de cargas en las placas metlicas as como un solo flujo de campo. Suelen venir integrados en capas de arrays con polivalencia de 3 a 4Tg. Trabajan, normalmente, a menor rango que los BICMOS y los PIMOS.

Un transistor de unin bipolar est formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una regin muy estrecha. De esta forma quedan formadas tres regiones:

Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada,

comportndose como un metal. Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.

Colector, de extensin mucho mayor.

La tcnica de fabricacin ms comn es la deposicin epitaxial.

En su funcionamiento normal, la unin base-emisor est polarizada en directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, que por ser muy angosta, hay poca recombinacin de portadores, y la mayora pasa al colector. El transistor posee tres estados de operacin: estado de corte, estado de saturacin y estado de actividad.

Estructura

Un transistor bipolar de juntura consiste en tres regiones semiconductoras dopadas: La regin del emisor, la regin de la base y la regin del colector. Estas regiones son, respectivamente, tipo P, tipo N y tipo P en un PNP, y tipo N, tipo P, y tipo N en un transistor NPN. Cada regin del semiconductor est conectada a un terminal, denominado emisor (E), base (B) o colector (C), segn corresponda.

Corte transversal simplificado de un transistor bipolar de juntura NPN. Dnde se puede apreciar cmo la juntura base-colector es mucho ms amplia que la base-emisor.

La base est fsicamente localizada entre el emisor y el colector y est compuesta de material semiconductor ligeramente dopado y de alta resistividad. El colector rodea la regin del emisor, haciendo casi imposible para los electrones inyectados en la regin de la base escapar de ser colectados, lo que hace que el valor resultante de se acerque mucho hacia la unidad, y por eso, otorgarle al transistor un gran .

El transistor bipolar de juntura, a diferencia de otros transistores, no es usualmente un dispositivo simtrico. Esto significa que intercambiando el colector y el emisor hacen que el transistor deje de funcionar en modo activo y comience a funcionar en modo inverso. Debido a que la estructura interna del transistor est usualmente optimizada para funcionar en modo activo, intercambiar el colector con el emisor hacen que los valores de y en modo inverso sean mucho ms pequeos que los que se podran obtener en modo activo; muchas veces el valor de en modo inverso es menor a 0.5. La falta de simetra es principalmente debido a las tasas de dopaje entre el emisor y el colector. El emisor est altamente dopado, mientras que el colector est ligeramente dopado, permitiendo que pueda ser aplicada una gran tensin de reversa en la juntura colector-base antes de que esta colapse. La juntura colector-base est polarizada en reversa durante la operacin normal. La razn por la cual el emisor est altamente dopado es para aumentar la eficiencia de inyeccin de portadores del emisor: la tasa de portadores inyectados por el emisor en relacin con aquellos inyectados por la base. Para una gran ganancia de corriente, la mayora de los portadores inyectados en la juntura base-emisor deben provenir del emisor.

El bajo desempeo de los transistores bipolares laterales muchas veces utilizados en procesos CMOS es debido a que son diseados simtricamente, lo que significa que no hay diferencia alguna entre la operacin en modo activo y modo inverso. Pequeos cambios en la tensin aplicada entre los terminales base-emisor genera que la corriente que circula entre el emisor y el colector cambie significativamente. Este efecto puede ser utilizado para amplificar la tensin o corriente de entrada. Los TBJ pueden ser pensados como fuentes de corriente controladas por tensin, pero son caracterizados ms simplemente como fuentes de corriente controladas por corriente, o por amplificadores de corriente, debido a la baja impedancia de la base. Los primeros transistores fueron fabricados de germanio, pero la mayora de los TBJ modernos estn compuestos de silicio. Actualmente, una pequea parte de stos (los transistores bipolares de heterojuntura) estn hechos de arseniuro de galio, especialmente utilizados en aplicaciones de alta velocidad.

Funcionamiento

En una configuracin normal, la unin emisor-base se polariza en directa y la unin basecolector en inversa. Debido a la agitacin trmica los portadores de carga del emisor pueden atravesar la barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez, prcticamente todos los portadores que llegaron son impulsados por el campo elctrico que existe entre la base y el colector.

Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la regin del nodo compartida. En una operacin tpica, la juntura base-emisor est polarizada en directa y la juntura base-colector est polarizada en inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando una tensin positiva es aplicada en la juntura base-emisor, el equilibrio entre los portadores generados trmicamente y el campo elctrico repelente de la regin agotada se desbalancea, permitiendo a los electrones excitados trmicamente inyectarse en la regin de la base. Estos electrones "vagan" a travs de la base, desde la regin de alta concentracin cercana al emisor hasta la regin de baja concentracin cercana al colector. Estos electrones en la

base son llamados portadores minoritarios debido a que la base est dopada con material P, los cuales generan "hoyos" como portadores mayoritarios en la base.

La regin de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para que los portadores puedan difundirse a travs de sta en mucho menos tiempo que la vida til del portador minoritario del semiconductor, para minimizar el porcentaje de portadores que se recombinan antes de alcanzar la juntura base-colector. El espesor de la base debe ser menor al ancho de difusin de los electrones.

Control de tensin, carga y corriente

La corriente colector-emisor puede ser vista como controlada por la corriente base-emisor (control de corriente), o por la tensin base-emisor (control de voltaje). Esto es debido a la relacin tensin-corriente de la juntura base-emisor, la cual es la curva tensin-corriente exponencial usual de una juntura PN (es decir, un diodo). En el diseo de circuitos analgicos, el control de corriente es utilizado debido a que es aproximadamente lineal. Esto significa que la corriente de colector es aproximadamente veces la corriente de la base. Algunos circuitos pueden ser diseados asumiendo que la tensin base-emisor es aproximadamente constante, y que la corriente de colector es veces la corriente de la base. No obstante, para disear circuitos utilizando TBJ con precisin y confiabilidad, se requiere el uso de modelos matemticos del transistor como el modelo Ebers-Moll.

El Alfa y Beta del transistor

La proporcin de electrones capaces de cruzar la base y alcanzar el colector es una forma de medir la eficiencia del TBJ. El alto dopaje de la regin del emisor y el bajo dopaje de la regin de la base pueden causar que muchos ms electrones sean inyectados desde el emisor hacia la base que huecos desde la base hacia el emisor. La ganancia de corriente

emisor comn est representada por F o por hfe. Esto es aproximadamente la tasa de corriente contnua de colector a la corriente contnua de la base en la regin activa directa, y es tpicamente mayor a 100. Otro parmetro importante es la ganancia de corriente base comn, F. La ganancia de corriente base comn es aproximadamente la ganancia de corriente desde emisor a colector en la regin activa directa. Esta tasa usualmente tiene un valor cercano a la unidad; que oscila entre 0.98 y 0.998. El Alfa y Beta estn ms precisamente determinados por las siguientes relaciones (para un transistor NPN):

Tipos de Transistor Bipolar de Juntura

NPN:

El smbolo de un transistor NPN

NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayora de los transistores bipolares usados hoy en da son NPN, debido a

que la movilidad del electrn es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operacin. Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequea corriente ingresando a la base en configuracin emisor-comn es amplificada en la salida del colector. La flecha en el smbolo del transistor NPN est en la terminal del emisor y apunta en la direccin en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo est en funcionamiento activo.

PNP :

El otro tipo de transistor bipolar de juntura es el PNP con las letras "P" y "N" refirindose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en da son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeo en la mayora de las circunstancias.

El smbolo de un transistor PNP

Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentacin a travs de una carga elctrica externa. Una pequea corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector. La flecha en el transistor PNP est en el terminal del emisor y apunta en la direccin en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo est en funcionamiento activo.

Transistor Bipolar de Heterojuntura

El transistor bipolar de heterojuntura (TBH) es una mejora del TBJ que puede manejar seales de muy altas frecuencias, de hasta varios cientos de GHz. Es un dispositivo muy comn hoy en da en circuitos ultrarpidos, generalmente en sistemas de radiofrecuencia.

Los transistores de heterojuntura tienen diferentes semiconductores para los elementos del transistor. Usualmente el emisor est compuesto por una banda de material ms larga que la base. Esto ayuda a reducir la inyeccin de portadores minoritarios desde la base cuando la juntura emisor-base est polarizada en directa y esto aumenta la eficiencia de la inyeccin del emisor. La inyeccin de portadores mejorada en la base permite que sta pueda tener un mayor nivel de dopaje, lo que resulta en una menor resistencia. Con un transistor de juntura bipolar convencional, tambin conocido como transistor bipolar de homojuntura, la eficiencia de la inyeccin de portadores desde el emisor hacia la base est principalmente determinada por el nivel de dopaje entre el emisor y la base. Debido a que la base debe estar ligeramente dopada para permitir una alta eficiencia de inyeccin de portadores, su resistencia es relativamente alta.

Regiones operativas del transistor

Los transistores bipolares de juntura tienen diferentes regiones operativas, definidas principalmente por la forma en que son polarizados:

REGIN ACTIVA:

Cuando un transistor no est ni en su regin de saturacin ni en la regin de corte entonces est en una regin intermedia, la regin activa. En esta regin la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de (ganancia de corriente, es un dato del fabricante) y de las resistencias que se encuentren conectadas en el colector y emisor.

Esta regin es la ms importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador de seal.

REGIN INVERSA:

Al invertir las condiciones de polaridad del funcionamiento en modo activo, el transistor bipolar entra en funcionamiento en modo inverso. En este modo, las regiones del colector y emisor intercambian roles. Debido a que la mayora de los TBJ son diseados para maximizar la ganancia de corriente en modo activo, el parmetro beta en modo inverso es drsticamente menor al presente en modo activo. REGIN DE CORTE:

Un transistor esta en corte cuando:

Corriente de colector = corriente de emisor = 0,(Ic = Ie = 0)

En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentacin del circuito. (Como no hay corriente circulando, no hay cada de voltaje, ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0) REGIN DE SATURACIN:

Un transistor est saturado cuando:

Corriente de colector = corriente de emisor = corriente mxima,(Ic = Ie = I mxima)

En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentacin del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos, ver ley de Ohm. Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente grande como para inducir una corriente de colector veces ms grande. (Recordar que Ic = * Ib)

Teora y modelos matemticos

MODELOS PARA SEALES FUERTES

EL MODELO EBERS-MOLL

Las corrientes continuas en el emisor y el colector en operacin normal son determinadas por:

Modelo Ebers-Moll para transistores NPN

Modelo Ebers-Moll para transistores PNP

Dnde:

IE es la corriente de emisor. IC es la corriente de colector. T es la ganancia de corriente directa en configuracin base comn. (de 0.98

a 0.998) IES es la corriente de saturacin inversa del diodo base-emisor (en el orden de 1015 a 1012 amperes) VT es el voltaje trmico kT / q (aproximadamente 26 mV a temperatura ambiente 300 K). VBE es la tensin base emisor. W es el ancho de la base.

La corriente de colector es ligeramente menor a la corriente de emisor, debido a que el valor de T es muy cercano a 1,0. En el transistor bipolar de juntura una pequea variacin de la corriente base-emisor genera un gran cambio en la corriente colector-emisor. La relacin entre la corriente colector-emisor con la base-emisor es llamada ganancia, o hFE. Un valor de de 100 es tpico para pequeos transistores bipolares. En una configuracin tpica, una seal de corriente muy dbil circula a travs de la juntura base-emisor para controlar la corriente entre emisor-colector. est relacionada con a travs de las siguientes relaciones:

Eficiencia del emisor:

Otras ecuaciones son usadas para describir las tres corrientes en cualquier regin del transistor estn expresadas ms abajo. Estas ecuaciones estn basadas en el modelo de transporte de un transistor bipolar de juntura.

Dnde:

iC es la corriente de colector. iB es la corriente de base. iE es la corriente de emisor. F es la ganancia activa en emisor comn (de 20 a 500) R es la ganancia inversa en emisor comn (de 0 a 20) IS es la corriente de saturacin inversa (en el orden de 1015 a 1012

amperes) VT ies el voltaje trmico kT / q (aproximadamente 26 mV a temperatura ambiente 300 K). VBE es la tensin base-emisor. VBC es la tensin base-colector.

Modelos para seales dbiles

MODELO DE PARMETRO H

Modelo

de

parmetro

h

generalizado

para

un

TBJ

NPN.

Reemplazar x con e, b o c para las topologas EC, BC y CC respectivamente.

Otro modelo comnmente usado para analizar los circuitos TBJ es el modelo de parmetro h. Este modelo es un circuito equivalente a un transistor bipolar de juntura y permite un fcil anlisis del comportamiento del circuito, y puede ser usado para desarrollar modelos ms exactos. Como se muestra, el trmino "x" en el modelo representa el terminal del TBJ dependiendo de la topologa usada. Para el modo emisor-comn los varios smbolos de la imagen toman los valores especficos de:

x = 'e' debido a que es una configuracin emisor comn. Terminal 1 = Base Terminal 2 = Colector Terminal 3 = Emisor iin = Corriente de Base (ib) io = Corriente de Colector (ic) Vin = Tensin Base-Emisor (VBE) Vo = Tensin Colector-Emisor (VCE)

Y los parmetros h estn dados por:

hix = hie .- La resistencia de entrada del transistor (correspondiente a la

resistencia del emisor re). hrx = hre .- Representa la dependencia de la curva IBVBE del transistor en

el valor de VCE. Es usualmente un valor muy pequeo y es generalmente despreciado (se considera cero). hfx = hfe .- La ganancia de corriente del transistor. Este parmetro es generalmente referido como hFE o como la ganancia de corriente contnua (DC) in en las hojas de datos.

hox = hoe .- La impedancia de salida del transistor. Este trmino es

usualmente especificado como una admitancia, debiendo ser invertido para convertirlo a impedancia.

Como se ve, los parmetros h tienen subndices en minscula y por ende representan que las condiciones de anlisis del circuito son con corrientes alternas. Para condiciones de corriente continua estos subndices son expresados en maysculas. Para la topologa emisor comn, un aproximado del modelo de parmetro h es comnmente utilizado ya que simplifica el anlisis del circuito. Por esto los parmetros hoe y hre son ignorados (son tomados como infinito y cero, respectivamente). Tambin debe notarse que el modelo de parmetro h es slo aplicable al anlisis de seales dbiles de bajas frecuencias. Para anlisis de seales de altas frecuencias este modelo no es utilizado debido a que ignora las capacitancias entre electrodos que entran en juego a altas frecuencias.

DATOS

OBTENIDOS

DE

LOS

MANUALES

DE

LOS

TRANSISTORES

BIPOLARES

BIPOLAR TRANSISTORS Numbe r Case Pol/M Vc Vc at NG e b IC Vce s at IC Min Max Hfe Hfe 30 160 at IC 3 FT 2 at IC 3 Ptot 80 Suggested Use Low Noise

AC107 GT3

15 15 10

Audio AC125 TO-1 PG AC126 TO-1 PG AC127 TO-1 NG AC128 TO-1 PG AC132 TO-1 PG AC187 TO-1 NG AC188 TO-1 PG AD149 TO-3 PG AD161 PT1 AD162 PT1 NG PG 12 32 100 12 32 100 12 32 500 100 100 140 140 105 105 175 2 2 1.3 10 1.7 10 10 10 216 216 340 260 216 800 220 Audio Driver Audio Driver Audio O/P Audio O/P Audio O/P Audio O/P Audio O/P

300 1 300 1 50

16 32 1000 0.6 1000 60 12 32 200 0.35 200

115 115

1.3 10 10 10

15 25 2000 0.8 1000 100 500 15 25 2000 0.6 1000 100 500 30 50 3500 0.7 3000 30 20 32 3000 0.6 1000 80 20 32 3000 0.4 1000 80 15 32 10 15 32 10 15 32 10 15 32 10 20 70 30 10 1000 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 30 1000 0 100 320 320

300 1 300 1 100 0

0.3 200 32000 GP O/P Audio amp Audio amp H.F. amp H.F. amp H.F. amp H.F. amp V.H.F. amp

500 0.02 300 4000 500 0.02 300 6000 1 1 1 1 100 0 100 0 75 75 75 75 1 1 1 1 75 75 75 75 375

AF114 TO-7 PG AF115 TO-7 PG AF116 TO-7 PG AF117 TO-7 PG AF118 TO-7 PG

150 150 150 150 150 150 150 150 35 35

175 10

ASZ15 TO-3 PG

60

0.4

20

55

0.2 1000 30000 H.C. sw

Terms Number Case Pol Mat The type number of the device Case style (sub categories are not included) Polarity - N=NPN P=PNP Material - G=Germanuim S=Silicon

Vce Vcb IC Vces IC) (V) Hfe IC) FT Ptot Use

Breakdown voltage; Collector to Emitter Breakdown voltage; Collector to Base Collector current (in milliamps) Saturation voltage (when transistor is fully on with specified current Current gain (minimum and maximum are shown at specified current Frequency Transition - the frequency where gain falls to unity MHz) Total power dissipation in milliwatts (at 25 degrees C) The intended purpose - this is not a specification but a suggestion H.F..High Frequency H.C.High Current G.P..General Purpose Sw..Switch O/P..Output V.H.F..Very High Frequency