• Author / Uploaded
• Oscar Bautista Santa Maria

• Categories
• Transistor
• Transistor de unión bipolar
• Tubo de vacío
• Electrónica
• Dispositivos semiconductores

Citation preview

TRANSISTORES BIPOLARES DE JUNTURA (BJT)

Ing. Raúl Rojas Reátegui

Historia del Transistor El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia").

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador, etc.

Es considerado uno de los mejores inventos del siglo XX, permitió el desarrollo de la electrónica y de sus múltiples aplicaciones, ya que este superó ampliamente las dificultades que presentaban sus antecesores, las válvulas.

Uno de los mayores inconvenientes de las válvulas,

era

su

alto

consumo

de

energía. Esto era causado porque calientan eléctricamente un filamento

(cátodo) para

que emita electrones que luego son atraídos por el electrodo (ánodo) estableciéndose así una corriente eléctrica. Luego, por medio de un pequeño voltaje (frenador), aplicado entre una grilla y el cátodo, se logra el efecto amplificador, controlando el valor de la

corriente, de mayor intensidad, entre cátodo y ánodo.

Los transistores, desarrollados en 1947 por los físicos Shockley, Bardeen y Brattain, resolvieron todos estos inconvenientes y abrieron el camino, mismo que, junto con otras invenciones –como la de los circuitos integrados–

potenciarían el desarrollo de las computadoras. Y todo a bajos voltajes, sin necesidad de disipar energía (como era el caso del filamento), en dimensiones reducidas y sin partes móviles o incandescentes que pudieran romperse.

PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS  Los materiales empleados para su fabricación son: Germanio, Silicio. Estos tienen la propiedad de acelerarse grandemente el movimiento de los electrones por medio de una corriente eléctrica.  El tamaño y peso de los transistores es bastante menor que los tubos de vacío.  En cuanto a su estructura, se encuentran formados por tres elementos:  Emisor: Emite los portadores de corriente,(huecos o electrones). Su labor es la equivalente al cátodo en los tubos de vacío o "lámparas" electrónicas.  Base: Controla el flujo de los portadores de corriente. Su labor es la equivalente a la rejilla cátodo en los tubos de vacío o "lámparas" electrónicas.

 Colector: Capta los portadores de corriente emitidos por el emisor. Su labor es la equivalente a la placa en los tubos de vacío o "lámparas" electrónicas.  Posee amplificación de todo tipo (radio, televisión, instrumentación).  Sirve como generador de señal (osciladores, generadores de ondas, emisión de radiofrecuencia)  Permite la conmutación, actuando como interruptores (control de relés, fuentes de alimentación conmutadas, control de lámparas).  Es detector de radiación luminosa (fototransistores).  El consumo de energía es sensiblemente bajo.

TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA (BJT)  BJT de transistor bipolar de unión (del ingles, Bipolar Junción Transistor).  Son aquellos que utilizan la corriente como elemento de control para obtener la señal y su comportamiento como dispositivo conmutador.  Estos solo funcionan cuando están en polarización directa (se dice que están en saturación) y en polarización inversa no funcionan (se dice que están en corte). A

base de estos se construyen los circuitos integrados y otros tipos de transistores.  El término bipolar refleja el hecho de que los huecos y los electrones participan en el proceso de inyección hacia el material polarizado de forma opuesta.  No es simétrico: la concentración de portadores en E es generalmente bastante mayor que en C

 Pueden ser de dos tipos:

 La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P de aceptadores o "huecos" (cargas positivas).  La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la característica de la base, y las otras dos al emisor y al colector.

 Dos de los tres terminales actúan como terminales de entrada (control).  Dos de los tres terminales actúan como común a entrada y salida.

terminales de salida. Un terminal es

 Su diferencia entre un transistor NPN y PNP, radica en la dirección del flujo de la corriente, en la base, colector y emisor que se muestra en ambos gráficos

 La potencia consumida en la entrada es menor que la controlada en la salida.  La tensión entre los terminales de entrada determina el comportamiento eléctrico de la salida.  La salida se comporta como:  Fuente de corriente controlada (zona lineal o activa).  Corto circuito (saturación).  Circuito abierto (corte).

Magnitudes y curvas Corriente en cada terminal: IC, IB , IE Diferencias potencial entre terminales: VBE, VBC , VCE Dos ecuaciones de comportamiento

Ecuaciones comportamiento: análisis experimental Simplificando: punto operación del transistor Q(IB, IC, VBE, VCE)

Curvas características: dos

I B  g(VBE , VCE ) • VCE poca influencia. Se simplifica.

IB  g(VBE ) IB

IB

VBE

VBE

IC  f (VCE , I B ) IC

mA IB  100 mA

12

IB  80 mA

10

IB  60 mA

8 6

IB  40 mA

4

IB  20 mA

2 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

V CE

10 V

• Dibujando esa recta sobre el mismo plano que la curva (IB ,VBE)

IB

VBE • Obtenemos punto de operación de entrada: (IBQ ,VBEQ)

• Circuito de salida

V CC IC

RC

C + "ca rga" de l circu ito de V CE salida E

–

V CC  RC IC  VCE RECTA DE CARGA de salida

VCC 1 IC    VCE RC RC

• Dibujando esa recta sobre el mismo plano que la curva (IC ,VCE)

IC

IB5 IB4 IB3 IB2 =IBQ IB1

VCE • Obtenemos punto de operación de salida • Con ambos puntos, tenemos el punto de operación del transistor

Modelo de Ebers-Moll IB 



IC  











IC



I S VBC /UT e 1 βR VBC IB 



I S eVBE /UT  eVBC /UT



VBE





I S VBC /UT e  1  I S eVBE /UT  eVBC /UT βR 

Modelo circuital genérico





I S VBE /UT I e  1  S eVBC /UT  1 βF βR



I S VBE / UT e 1 βF



IE



Transistor BJT Modelos circuitales simplificados ZAD: VBE > 0, VBC < 0 





I S VBC /UT e 1 βR VBC IB 

IC



IS e

VBE



X

VBE / UT

e

X

VBC / UT

 IS   βF

  

IC

IB 

VBC IB   VBE

X



I S VBE / UT e 1 βF



βF IB

IC  β F I B

I E  (β F  1) I B 

IE 



I S VBE /UT e βF

IC

IE VBC IB  

VBE ,ZAD

βF IB

VBE ,ZAD



IE

Transistor BJT





VBE



I S VBE / UT e 1 βF



X

I S eVBE /UT  eVBC /UT

X

IB 

VBC IB   VBE

X





 IS     βR 

IC

I S VBC /UT e 1 βR VBC IB 

IC



Modelos circuitales simplificados ZAI: VBE < 0, VBC > 0



βR IB

I E  β R I B I C  (β R  1) I B



IE

 

I S VBC / UT e βR

IC

IE

VBC ,ZAI IB

VBC ,ZAI

 

βR IB

VBE

VBC ,ZAI  VBE ,ZAD β R  β F



IE

Transistor BJT 

Modelos circuitales simplificados Saturación: VBE > 0, VBC > 0 



IB

X



I S eVBE /UT  eVBC /UT



VBE



I S VBC / UT e βR

IC

I S VBC /UT e 1 βR VBC IB 

X

I S VBE / UT e 1 βF

IC



VBC   VBE

I S VBE / U T e βF



I S eVBE /UT  eVBC /UT



IE 



IC

IE VBC IB  

VCE,sat VCE,sat 

VBE ,sat VBE ,sat  VBE ,ZAD



IE



Transistor BJT

Modos de operación

Modelos circuitales simplificados Corte: VBE < 0, VBC < 0 



X



IB



VBE

X

X X

I S eVBE /UT  eVBC /UT





 

IC



IE

IC

I S VBC /UT e 1 βR VBC IB 

I S VBE / UT e 1 βF



IE

VBC   VBE

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

Polarización de las uniones Estado

Base emisor

Base colector

Activo directo

Directa (vBE > Vg) Inversa (vBC < Vg)

Transistor inverso

Inversa (vBE < Vg)

Directa (vBC > Vg)

Cortado

Inversa (vBE < Vg)

Inversa (vBC < Vg)

Saturado

Directa (vBE > Vg) Directa (vBC > Vg)

Dicho de otra manera Modo Corte Activo Saturación

Unión E-B Inverso Directo Directo

Unión C-B Inverso Inverso Directo

SATURACIÓN DIRECTA

ZAD

CORTE

CORTE

ZAI

SATURACIÓN INVERSA

Resumen Zona Activa

Zona de Corte

-IB

R

+

N VEB

-IB

P IE

+

VCB

P

-

-IC

-IC

-IC

VCB

Zona de Saturación

V1

VCB < 0

-IC  a·IE y -IB  (1-a)·IE -IC  -b·IB y IE  -(1+b)·IB

R P

-

N VBE

-IB

P IE

+

VCB -

N VEB

V1

R P P IE

IC  0, IE  0

VCB > 0 (VCE  0)

y IB  0

-IC  V1/R

V1

Circuitos Equivalen del transistores Zona Activa

is +

-

Zona de Saturación

Zona de Corte

Vs

=

-

Vs

=

-

Vs

-

Vs

Vs=0 is=0

is +

is

is

is +

+

=

+

-

Vs ATE-UO Trans 04

Configuraciones del BJT Esta configuración se utiliza para propósitos de acoplamiento de impedancias. Pues tiene alta impedancia de entrada y baja de salida, al contrario de las otras dos configuraciones. Para todos los propósitos prácticos las características de salida de esta configuración son las mismas que se usan para EMISOR común.

Encapsulado de transistores Encapsulado TO-92

Encapsulado TO-126 (SOT-32)

Encapsulado TO-220

BC548 (NPN) BC558 (PNP)

Encapsulado TO-3

2N3055 (NPN) BU326 (NPN)

BD135 (NPN) BD136 (PNP)

MJE13008 (NPN) IRF840 (MOSFET, N) BDX53C (Darlington)

ATE-UO Trans 74

Forma real de los transistores Antiguo transistor PNP de aleación

Transistor NPN plano de doble difusión

N-

B

SiO2

E

C

P+ P

E N+

P-

N

N+

B C

ATE-UO Trans 75

Resistencia de base B

Parte que realmente actúa como transistor

E P+

N-

P

P+

Existe una resistencia relativamente alta al estar la base poco dopada. La llamamos RB. IE E

C Modelo de Ebers-Moll modificado ATE-UO Trans 76

VEB

+

-

-

VCB

+

IR

IF aR·IR IB

B

B’ aF·IF

RB

IC C