TRANSISTORES BIPOLARES DE UNIÓN (TBJs o BJTs)

I.- INTRODUCCIÓN: El transistor bipolar fue el primer amplificador de estado sólido que se construyó. Su descubrimiento provocó una revolución tecnológica que se mantiene vigente hasta estos días.

II.- ESTRUCTURA Y CONSTRUCCIÓN: Los transistores bipolares se construyen de acuerdo a las estructuras mostradas en la siguiente figura y son de dos tipos, PNP y NPN.

Como puede verse las regiones semiconduc-

toras son denominadas emisor E, base B y

colector y las uniones p-n son las de base-

emisor y la de base-colector.

La siguiente figura muestra la estructura

interna de un transistor bipolar NPN

fabricado con la técnica de difusión de portadores. Observe que la unión colector- base posee mayor superficie que la de base-emisor, lo cual es útil pues como se analizará posteriormente, en esta unión se disipa la mayor cantidad potencia en forma de calor, el cual debe ser transferido hacia el exterior para que el dispositivo no se dañe.

La siguiente es una figura que muestra las dimensiones físicas y la concentración de portadores de cada una de las regiones de un transistor bipolar. Generalmente la región de la base es la más delgada de las tres, y tiene una concentración de portadores mucho menor que el emisor (10 16 vs 1019), pero mayor que el colector N- (1016 vs 1014). La región de colector N+ se utiliza para que no se forme una unión rectificadora entre la región N- y la terminal metálica del colector.

III.- POLARIZACIÓN: Para que el transistor bipolar funcione como amplificador, la unión base-emisor (unión de entrada al transistor) debe polarizarse directamente, y la unión base-colector (unión de salida del transistor) debe polarizarse inversamente. Las siguientes figuras muestran las configuraciones base común y emisor común de polarización (la terminal común es la referencia para la fuente de polarización de las otras dos regiones). La configuración colector común se polariza de manera semejante a la emisor común.

IV.- TEORÍA DE AMPLIFICACIÓN DE CORRIENTE DEL TRANSISTOR BIPOLAR: Para entender el funcionamiento del transistor bipolar es necesario recordar el comportamiento de la unión pn en condiciones de cero polarización, polarización directa, y polarización inversa:

a) En estado estable o cero polarización, en la unión pn existe una zona de agotamiento o de deserción en la que no hay portadores de carga pero sí cargas eléctricas (que se formaron al recombinarse los portadores que cruzaron o se difundieron al momento de realizarse la unión), que forman una barrera de potencial que evita que los portadores continúen difundiéndose a través de la unión.

b) Cuando la unión se polariza directamente, el campo eléctrico generado por la fuente externa tiene dirección contraria al interno de la zona de deserción, siendo de mayor intensidad éste último, lo que se traduce en una reducción de la zona de deserción y del campo interno, lo que a su vez permite la difusión de portadores mayoritarios a través de la unión . Las corrientes pueden ser de valores muy altos, dependiendo de los niveles de dopamiento de las regiones n y p y del valor del voltaje aplicado.

c) Cuando la unión se polariza inversamente, los campos externo e interno poseen la misma dirección, por lo que la zona de deserción y la barrera de potencial se amplían y no permite las corrientes de difusión de portadores mayoritarios a través de la unión. Sin embargo, los portadores minoritarios que hay y que se generan en las regiones n y p adyacentes a la unión y en la propia zona de deserción si pueden atravesarla dada la presencia del campo eléctrico externo a lo largo de todo el dispositivo. Por lo tanto, en polarización inversa existen corrientes de portadores minoritarios a través de la unión, generalmente de muy bajo valor.

El principio de amplificación de corriente del transistor bipolar consiste en que, como la unión emisor-base está polarizada directamente, el emisor fuertemente dopado “emite” electrones como portadores mayoritarios a la región de la base, en la cual dichos electrones se convierten en portadores minoritarios, y como esta región es muy delgada y de muy bajo dopamiento, la mayoría de estos electrones no se recombinan y alcanzan el campo de polarización inversa de la unión base-colector, que al “verlos” como portadores minoritarios, los “colecta” o conduce hacia la terminal del colector. La siguiente figura intenta mostrar este principio de amplificación de corriente para un transistor pnp en la configuración base común:

Este mismo principio de amplificación de corriente para la configuración emisor común es mostrado en la siguiente figura:

Como únicamente una pequeña parte de los portadores “emitidos” por el emisor se recombina en la base y la mayoría son “colectados” por el colector (del 95 al 99… %):

iC=(iE) (1 )donde [0.95 ,0.99…]

Aplicando las leyes de Kirchhoff al transistor

iC+iB=iE (2)

Observe que la corriente de base es solamente una pequeña porción de la corriente de emisor:

iB=iE−iC=¿

Sustituyendo iE de la ecuación (2) en la ecuación (1)

iC= (iC+ iB)

Despejando

iC=¿ (4)

donde ¿ ❑

1−¿=iCiB

≫1¿ es la ganancia de corriente del transistor en la

configuración emisor común.

Si ¿0.95=19≫1, Si ¿0.99=99≫1

Sustituyendo (4) en (2) iE=(+1 ) iB (5)

Observe que el transistor bipolar transfiere corrientes de un circuito de entrada con una unión polarizada directamente, y por lo tanto de baja impedancia, y las lleva hacia un circuito de salida con una unión polarizada inversamente y de alta impedancia. La palabra transistor proviene de la simplificación de las palabras transfer y resistor, lo que significa que está transformando impedancias.

V.- CURVAS CARÁCTERÍTICAS: Como el transistor bipolar tiene dos uniones, las curvas características se separan:

a) Las curvas características de entrada de la unión base-emisor son semejante a la de un diodo polarizado directamente, como lo muestran las siguientes figuras para las configuraciones emisor común y base común.

Observe que no es una sola sino una familia de curvas, pues iB e iE dependen a su vez de vCE y vCB respectivamente. En emisor común iB decrece conforme aumente vCE, mientras que en base común iE aumenta conforme vCB aumenta (para base común el incremento de iE respecto de vCB se exagera para que pueda ser notado en la gráfica). En ambos casos el colector mejora su capacidad para “colectar” los portadores que llegan a la base conforme aumentan los voltajes vCE y vCB de polarización inversa de la unión base-colector, pues la zona de deserción se amplía cada vez más.

b) Las curvas características de salida del transistor son semejantes a las de un diodo polarizado inversamente, en el sentido de que la corriente se mantiene aproximadamente constante conforme aumenta el voltaje inverso (hasta alcanzar la ruptura inversa), como muestran las siguientes figuras para las configuraciones emisor común y base común. Observe que hay una curva de corriente inversa iC para cada valor de corrientes de entrada iB o iE.

Observe que en el emisor común las curvas tienen un poco de inclinación. Esto significa que iC aumenta conforme aumenta vCE, y no depende únicamente del valor de la corriente de base iB, lo que se debe, como explicamos, a que el colector mejora su eficiencia conforme aumenta vCE. En el caso base común las curvas se mantienen prácticamente horizontales, lo que significa que la configuración BC es más lineal que la EC.

VI.- REGIONES DE POLARIZACIÓN Y CIRCUITOS EQUIVALENTES:

a) REGIÓN ACTIVA: En ella la unión base emisor está polarizada directamente, mientras que

la unión base-colector se polariza inversamente. La ganancia de corriente ¿iCiB

se

mantiene aproximadamente constante independientemente de las variaciones de vCE. Se considera que en ella el transistor es un amplificador lineal de corriente a pequeña señal.

El circuito equivalente a c. d. para un transistor NPN es:

Donde V BE≈0.3V para transistores de≥, yVBE≈0.7V paratransistores deSi

El circuito equivalente simplificado a pequeña señal para un transistor NPN es:

En el transistor PNP los voltajes de polarización y la dirección de las corrientes se invierten.

b) REGIÓN DE CORTE: No circula ninguna corriente a través del transistor, lo que significa que la unión base-emisor está polarizada inversamente o no está polarizada, y que la unión base-colector está polarizada inversamente. Las únicas corrientes que pueden

circular son de saturación inversa. La dos mallas del transistor se consideran como un circuito abierto.

c) REGIÓN DE SATURACIÓN:

Como puede verse de las curvas características de salida, la región activa y la de saturación están delimitadas por vCEsat, el cual varía dependiendo del valor de la corriente de colector iC que vaya a circular. Esta curva es especificada por el fabricante, como se verá en el siguiente subtema.

Para que el transistor esté en la región activa VCEQ>VCEsat e ICQ> ICBO

VI.- ESPECIFICACIONES DEL FABRICANTE DEL TRANSISTOR BIPOLAR: Así como con el diodo, el fabricante proporciona en la hoja de datos los valores máximos o ratings de corrientes y voltajes que soporta el transistor antes de dañarse, algunas de las curvas características, y algunos otros parámetros de su comportamiento como amplificador, como dispositivo que disipa calor, etc. Esta información siempre es proporcionada para la configuración emisor común, pues como veremos posteriormente, es la única que amplifica corriente y voltaje simultáneamente.

TAREA (para entregar a la siguiente clase): Traer las hojas de datos de los transistores P2N2222A y su complementario PNP.

VII.- AMPLIFICADOR EMISOR COMÚN:

La ganancia de corriente del transistor en esta configuración es iCiB

=¿ ¿1 por lo tanto esta

configuración es amplificadora de corriente.

Si observamos el diagrama de un amplificador emisor común podremos ver que la unión base emisor del transistor recibe tanto voltaje de c. d. como voltaje de c. a. Esto significa que a través de ella circulará una corriente de polarización IBQ (de c. d.), como también una corriente de c. a., como muestra la figura para un diodo cualquiera:

Si el nivel de señal de c.a. es suficientemente pequeño, la curva característica de la unión se puede aproximar por una línea recta, donde el inverso de la pendiente de la curva en el punto de polarización corresponde a la resistencia dinámica de la unión base emisor del transistor rbe ohie. Esto significa que la unión base emisor del transistor en la región activa se comporta para pequeñas señales de corriente alterna como si fuera una resistencia. Matemáticamente:

rbe=∆ vBE∆ iB

= 1ΔiBΔ vBE

= 1∂iB∂vBE

paraiBQ=k y ∆ vBE→0

Si iB≈ Io evBEηVT

∂ iB∂vBE

=( 1ηVT ) iB

Sustituyendo rbe=ηVTIBQ

Ésta es la impedancia de entrada al transistor en la configuración emisor común.

Las variaciones de c. a. de entrada para el emisor común producen variaciones de corriente lineales si la señal es suficientemente pequeña, dadas por

∆ iB=ib= ∆vBErbe

= vberbe

Estas variaciones de la corriente de base son amplificadas por el transistor

∆ iC=ic=(∆ iB)=ib

Al circular estas variaciones de corriente por la resistencia equivalente de c. a. que haya en el colector producirán variaciones de voltaje, como muestra la siguiente figura:

Si las variaciones de voltaje en el colector no sacan al transistor de su región activa, su valor será

∆ v (Rcca)=vRc ca=−∆ iC (Rc ca )=− (∆ iB )Rcca=−(Rcca )[ ∆vBErbe ] La ganancia del amplificador completo es

Avec=∆v (Rcca)∆ vBE

=−(Rcca )

rbe

Este mismo resultado se obtiene cuando se sustituye el circuito equivalente del transistor a pequeña señal o c. a. mostrado con las regiones de polarización, donde hfe ≈ , y hie =rbe.

Como puede verse, para evaluar la ganancia de voltaje Avec es necesario primeramente evaluar rbe, y para evaluar ésta es necesario evaluar IBQ. Además, es necesario demostrar que el transistor realmente se encuentra polarizado en la región activa ( ICQ> ICBO y VCEQ>VCEsat ) y que trabaja como amplificador lineal.

Ejemplo: Encuentre el punto de polarización (IBQ, ICQ y VCEQ), verifique que circuito sea un amplificador, y calcule la ganancia de voltaje, el voltaje Vsal si Vi = 10 mVpp, las impedancias de entrada Ri’ y Ri y la impedancia de salida Ro del emisor común mostrado en la siguiente figura:

Analizando la malla de entrada del transistor (que contiene la región base-emisor del transistor):

IBQ=(4.6−0.6 )V400KΩ

=10 A

Evaluando la corriente de colector, considerando que el transistor se polariza en la región activa:

ICQ=IBQ=(100 ) (10 A )=1mA

De la malla de salida del transistor (contiene la región colector-emisor del transistor)

Vcc=10V=ICQRc+VCEQ=(1mA ) (5KΩ )+VCEQ=5V +VCEQ

Despejando VCEQ=5V >VCEsat≈0.2V

El transistor está polarizado en la región activa, y es un amplificador.

Analizando a c. a.:

rbe=hie= VTIBQ

=(1 ) (25.9mV )

10 A=2.59KΩ=Ri ' impedancia de entrada al transistor

Ri=R i' RBB=(2.59KΩ ) (40KΩ )=2.43KΩ impedancia de entrada del amplificador

Evaluando la ganancia de voltaje del circuito:

Av=−Rcrbe

=− (100 ) (5KΩ )2.59KΩ

=−193.05

Si Vi=10mVpp entonces Vsal=AvVi=−(193.05 ) (10mV )=1.93Vpp

La impedancia de salida del amplificador es Rc=5KΩ, considerando que las curvas características de salida del transistor son totalmente horizontales para esta corriente.

Ejemplo: Encuentre el punto de polarización y verifique que el circuito es un amplificador, y calcule la impedancia de entrada, la ganancia de voltaje y Vsal si Vi = 5 mVpp. Considere que VBE = 0.7 V y que ≈ 200.

Observe que la base del transistor se polariza con la fuente Vcc = 10 V y dos resistencias que forman un divisor de tensión (R1 = 2.2 KΩ y R2 = 10 KΩ), que se pueden simplificar utilizando el equivalente de Thevenin:

VBB = VccR1/(R1 + R2) y RBB = R1R2 = R1R2/(R1+R2)

La malla de entrada a c. d. incluye a RE = 1 KΩ, y su ecuación es:

VBB = IBQRBB + VBEQ + IEQRE donde IEQ = ( + 1)IBQ

VIII.- AMPLIFICADOR BASE COMÚN

Para el transistor en esta configuración la ganancia de corriente es Ait=iCiE

=¿1 , por lo que se

puede deducir que esta configuración no proporciona ganancia de corriente.

Al aplicar los mismos principios a c. a. del emisor común, solo que para este amplificador la entrada al transistor es por el emisor, la impedancia de la unión emisor-base se evalúa considerando IEQ:

reb= VTIEQ

= VT(+1 ) IBQ

= rbe+1 es la impedancia de entrada al transistor en la

configuración base común. Observe que es mucho menor que la de emisor común.

y ∆ iE=ie=∆vEBreb

= vebreb

Como iC=iE ≈ iE, donde 1 es la ganancia de corriente del transistor en base común

∆ v (Rc ca )= (∆ iC ) (Rc ca )= (∆ iE ) (Rcca )

La ganancia de voltaje del base común es:

Avbc=∆ v (Rcca)∆vBE

=(Rcca )reb

=( ❑+1 )Rc ca

( rbe+1 )=Rc carbe

=−Av ec

Observe que es del mismo valor que la de emisor común pero no invierte la fase entre entrada y salida.

Ejemplo: Calcule el punto de polarización del amplificador base común mostrado, así como su ganancia de voltaje. Considere que VBE = 0.6 V y que = 100.

Solución: De la malla de entrada a c. d. (contiene la región emisor-base)

4.6V=VBEQ+ IEQRE=0.6V + IEQ (4KΩ)

Despejando IEQ=(4.6−0.6 )V4KΩ

=1mA≈ ICQ

Considerando la malla de salida desde colector a emisor:

14V=1mA (5KΩ )+VCEQ+1mA (4KΩ )≈9V +VCEQ

Despejando VCEQ=5V >0.3V por lo que se deduce que el transistor se encuentra polariado en la región activa y es un amplificador.

La impedancia de entrada al transistor es

Rit = reb = 25.9mV1mA

=25 .9Ω= rbe❑ =2.59KΩ

100

La impedancia de entrada es Ri=ℜrbe=4KΩ25.9Ω=25.7Ω≈reb

La ganancia de voltaje es Av=Rcreb

≈5KΩ2.59Ω

=193.05

La impedancia de salida es Ro=Rc=5KΩ considerando curvas características de salida horizontales.

Ejemplo: Encuentre las condiciones de polarización, la ganancia de voltaje, y las impedancias de entrada Rit y Ri del amplificador mostrado al inicio de este subtema. Considere que VBE = 0.6 V y = 200.

IX.- AMPLIFICADOR COLECTOR COMÚN

En esta configuración, la ganancia del corriente el transistor es Ait=iEiB

=+1≈≫1. Por lo tanto

se deduce que éste es un amplificador de corriente.

Para evaluar la ganancia de voltaje y la impedancia de entrada, de la malla de entrada

∆ vi=∆vBE+∆ iEReca=∆ iBrbe+[ (+1 )∆ iB ]ℜ ca≈∆ iB [rbe+ℜca ]

Despejando Rit=∆ vi∆ iB

=rbe+ℜ ca y Ri=RBBRBB

Como ∆Vsal=(∆ iE )ℜ ca≈ [ (∆ iB ) ]ℜca=(ℜ ca )∆ iB

La ganancia de voltaje es Av=∆Vsal∆Vi

=(ℜ ca )

[rbe+ℜca ] <1

Se deduce que esta configuración no amplifica voltaje, solo corriente. No hay aumento en las variaciones del voltaje en el emisor del transistor debido a que, como vBE varía muy poco con las variaciones de la señal de entrada (véase la figura del diodo polarizado directamente y con señal, VBEQ≈0.3V≥ ,0.7V Si), el voltaje de entrada vi prácticamente se desplaza a c. d. y aparece en el emisor.

Para evaluar la impedancia de salida es necesario utilizar el circuito equivalente de Thevenin de salida, como muestra la siguiente figura:

Ro=ℜRot

de la malla de entrada al transistor

∆ vo=(∆ iE ) reb+∆ iB (Rf RBB )

¿ (∆ iE ) reb+[∆ iE❑ ] (Rf RBB )

¿∆ iE [reb+Rf RBB❑ ] Despejando

Rot=∆vo∆ iE

=reb+ Rf RBB❑

Ejemplo: Calcule las ganancias de voltaje y de corriente y las impedancias de entrada y de salida del siguiente circuito. Considere que VBE ≈ 0.6 V y = 100.

Solución: De la malla de entrada a c. d.

6.1V=IBQ (50KΩ)+VBEQ+ IEQ (5KΩ )≈( ICQ❑ ) (50KΩ )+ ICQ (5KΩ)

Despejando ICQ≈

(6.1−0.6 )

(50KΩ100 )+5KΩ=1mA

rbe = 2.59 KΩ

Rit=2.59KΩ+100 (5KΩ)=502.59KΩ

Ri=(502.5950 )KΩ=4.95KΩ

La ganancia de voltaje es Av=(100 ) (5KΩ )502.59KΩ

= 0.995

La impedancia de salida es: Ro=25.9Ω+100050,000

100=35.7Ω

Ejemplo: Calcule de nuevo las ganancias y las impedancias del siguiente amplificador, considerando que = 200 y VBEQ = 0.6 V.

COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS A SEÑAL DE LOS AMPLIFICADORES EMISOR COMÚN, BASE COMÚN Y COLECTOR COMÚN.

Para los ejemplos resueltos anteriores, con ICQ ≈ 1 mA y VCEQ ≈ 5 V, las características a pequeña señal fueron:

Ai(transistor)

Av = Rit Ro

Emisor común = 100 - Rc ca/rbe = -193.05 rbe =VT/IBQ =2.59 KΩ Rc = 5 KΩ

Base Común 1 Rc ca/rbe =193.05 reb = VT/IEQ = 25.9 Ω Rc = 5 KΩ

Colector común + 1 = 101 Re ca/(rbe+Re ca) 1 reb + Re ca = 502.6 KΩ Reb + Re ca/ =35.7 Ω

Observe que el emisor común posee alta ganancia de corriente y de voltaje, impedancia de entrada de valor medio e impedancia de salida del valor de Rc. El base común tiene alta ganancia de voltaje pero su ganancia de corriente es menor que 1, la impedancia de entrada es de valor muy bajo y la impedancia de salida del valor de Rc. El colector común proporciona alta ganancia de corriente pero su ganancia de voltaje es menor que 1, su impedancia de entrada es muy alta y su impedancia de salida muy baja.

El amplificador emisor común es el más utilizado para amplificar de voltaje, corriente y potencia.

El base común se utiliza para amplificar voltaje con baja impedancia de entrada.

El colector común se utiliza como amplificador de corriente y transformador de impedancias (de baja impedancia de la carga en el emisor a alta impedancia en la entrada o base).

X.- CIRCUITOS DE POLARIZACIÓN, ANÁLISIS Y DISEÑO.

El circuito de polarización más simple para un transistor bipolar es mostrado en la figura:

El valor de Eb o VBB se pude escoger

para tener cualquier punto de polariza-

ción (ICQ, VCEQ) del transistor.

Ejemplo: Calcule Eb para que VCEQ ≈ 5 V.

Considere que VBE = 0.6 V y = 100.

Solución: De la malla de salida ICQ=10V−5V1KΩ

=5mA

Considerando que = 100 IBQ=5mA100

=50 A

De la malla de entrada Eb= (IBQ ) (RB )+VBE=50 A (100KΩ )+0.6V

¿5.6V

El circuito se puede cambiar para que la fuente de polarización de base sea la misma que polariza al colector del transistor, y solamente se cambia el valor de Rb, como se muestra en la siguiente figura:

Ejemplo: Calcule para el mismo circuito anterior el valor de Rb Rb para que VCEQ = 5 V (Vcc = 10 V, Rc = 1 KΩ).

Solución: Como IBQ=50 A

Rb=(10−0.6 )V50 A

=188KΩ

Ejemplo:

El circuito de polarización universal es mostrado en la siguiente figura:

Proporciona retroalimentación negati-

va a través de RE para que la corriente

de polarización ICQ sea estable respec-

to de las variaciones de la del transis-

tor y de la temperatura.

Realizando el equivalente de Thevenin

en la base del transistor:

VBB=¿¿

De la malla de entrada al transistor:

VBB=IBQRBB+VBE+ IEQRE ≈[ ICQ❑ ]RBB+VBE+ ICQRE

Factorizando y despejando ICQ≈

VBB−VBE

(ℜ+RBB❑ )Como VBE varía -2.5 mV por cada oC de aumento de la temperatura, VBB se escoge de un valor que compense dichas variaciones, lo que se traduce en que

VRE≈ ICQRE ≥10( 2.5mVoC ) (Tmax−25oC )

Ejemplo: evalúe VRE si Tmax ≈ 70 oC.

Solución: VRE≥10( 2.5mVoC ) (70oC−25oC )=1.125V

Para condiciones normales se escoge VRE=1V .

Para que ICQ no dependa de la ganancia de corriente del transistor

RBB❑ ≪ℜ

Un valor práctico de RBB se obtiene de

RBB≤ℜ10

De la ecuación de la malla de entrada se evalúa VBB y posteriormente se despejan R1 y R2 de las ecuaciones

R2= RBB

1−VBBVcc

y R1=RBB ( VccVBB )

Ejemplo: Evalúe RE, R1 y R2 para que el amplificador mostrado tenga una ICQ ≈ 1 mA. Considere que VBE = 0.6 V y que ≈ 100. V+ = 10 V y Rc = 4.7 KΩ.

Solución: Si VRE≈ ICQRE=(1mA ) ℜ≈1V entoncesℜ≈1KΩ

Para estabilidad de polarización respecto de , RBB≤100 (1KΩ )

10=10KΩ

De la ecuación de la malla de entrada VBB=1mA (1KΩ+ 10KΩ100 )+0.6=1.7V

Evaluando R2=( 10KΩ1−

1.710 )=12.05KΩ≈12KΩ

y R1=(10KΩ)[ 101.7 ]=58.8KΩ

Tarea: Resuelva el mismo ejercicio para Vcc = 15 V, ICQ = 2 mA, Rc = 3.9 KΩ, y = 160.

Otros circuitos utilizan retroalimentación de colector, como muestra el primer transistor de la siguiente figura, u otras formas de retroalimentación negativa a c. d. , como muestran el segundo transistor de esta misma figura y los dos de la figura posterior, para darle estabilidad al punto de operación.