LIC. EN FSICAELECTRNICA Curso 03-04Tema 3 F. MUGARRA, DEP. DENGINYERIA ELECTRNICA FACULTAT DE FSICA Universitat de Valncia 1 TEMA 3. EL TRANSISTOR BJT. 3.1. El transistor de unin bipolar: BJT. Untransistordeuninbipolaresundispositivodetresterminales,formadopordos trozos de semiconductor extrnseco del mismo tipo, separados por una estrecha capa de semiconductorextrnsecodetipocontrario.Losterminalessoncontactosohmicos ubicadosunoencadaunodeestostrestrozosdematerialsemiconductor.Lassiglasde la denominacin en ingls de este dispositivo bipolar junction transistor dan pie a que habitualmentesedenomineBJTyaqueladenominacintransistorBJTesuna redundancia. Dado que hay dos tipos de semiconductor extrnseco: semiconductor extrnseco tipo P y semiconductorextrnsecotipoN,habrdostiposdeBJT:elqueenlosextremosel semiconductorextrnsecoesdetipoPyenelcentrohayunafinacapade semiconductorextrnsecotipoN,yeltipoopuesto,enlosextremossemiconductor extrnsecotipoNyenmediounafinacapadesemiconductorextrnsecotipoP.El primer tipo se denomina transistor PNP y al segundo transistor NPN. En lafigura 3.1 se puede observar lo que sera cada uno de estos dos tipos deBJT, as comoelsmboloconelcualserepresentaacadaunodeellos.Cadaunodelos terminales del transistor se denomina por la sigla del nombre asignado a cada terminal: el terminal emisor por E, el terminal de base por B y el terminal de colector por C. La razn de estos nombres se comprender posteriormente. Fig. 3.1 Es conveniente aclarar que la estructura geomtrica que se ha dado a ambos transistores noeslamshabitualenlafabricacindetransistoresBJT,peroeslaqueseutilizar paraexplicarlosfundamentosdesufuncionamiento.Estaestructurageomtrica presentamuchasfacilidadesparahacermscomprensiblelaexplicacindesu funcionamiento. ParaexplicarelfuncionamientodelBJTseusarelPNPdelafigura3.1.Sesupone para ello que se ha fabricado de forma que el dopado de ambas zonasP es igual y que es mayor que el dopado de la zona N. Si los terminales del dispositivo no estn conectados a ningn circuito externo, en ambas uniones se habr formado una barrera de potencial: UE en la unin emisor-base yUC en la unin colector-base, que segn se vi al principio del tema anterior seran: EBCP NEBCPP N NTRANSISTORNPN TRANSISTORPNPELECTRNICALIC. EN FSICA Tema 3Curso 03-04 F. MUGARRA, DEP. DENGINYERIA ELECTRNICA FACULTAT DE FSICA Universitat de Valncia 2 2iB CT C 2iB ET EnN Nln V UnN Nln V U (3-1) NE,NC yNBsonlaconcentracindeimpurezasenlazonas:emisor,colectorybase respectivamente.PuestoquesesuponeNE= NC,labarreradepotencialenambas uniones, en ausencia de polarizacin externa, ser la misma. Fig. 3.2 En lafigura 3.2sepuedeobservarlasbarrerasdepotencialquesehanformadoenlas uniones. Si se conectan al transistor PNP dos fuentes de alimentacin de corriente continua: Vee yVcc,conresistenciasenserieReyRc,talquelauninemisor-basesepolariza directamenteylaunincolector-basesepolarizainversamente,talcomomuestrael circuito de lafigura 3.3, se puede observar que circulan las corrientes Ie, Ib e Ic, donde Ie e Ic son prcticamente iguales. Fig. 3.3 Que lascorrientesdeemisorycolector, Ie eIc, sean muy parecidas es aparentemente extraoyeliminalaposibilidaddetratardeanalizarelcomportamientodeltransistor PNP como dos diodos en oposicin con sus ctodos unidos en el terminal de base, tal quemedianteuncircuitodepolarizacinexterno,sepolarizadirectamenteunodelos diodos, Deb, y el otro inversamente, Dcb, tal como muestra la figura 3.4. UE UC P P NEBCPPNTRANSISTORPNPBARRERAS DE POTENCIALLIC. EN FSICAELECTRNICA Curso 03-04Tema 3 F. MUGARRA, DEP. DENGINYERIA ELECTRNICA FACULTAT DE FSICA Universitat de Valncia 3 Fig. 3.4 Paracomprobarlosepuedemontarenellaboratorioamboscircuitos,elcircuitodela figura3.3yelcircuitodelafigura3.4,usandocomponentesqueseutilizarnenlas prcticas de laboratorio: transistor PNP BC548, diodos 1N4148, fuentes de CC de 10 V yresistenciasde1k.SemidenlascorrientesIe,IceIbenamboscircuitosyse compruebaquelacorrienteIeesprcticamenteigualenamboscircuitos,perolas corrientes Ib e Ic son muy diferentes en un circuito y en otro. LacorrienteIcenelprimercircuito,con transistorPNP,escasiigualaIe.Enel segundocircuitoesdespreciable.Porel contrariolacorrienteIbesmuypequea en el primer circuito, del orden de Ie/150, y prcticamenteigualaIeenelsegundo circuito. Paraentenderelcomportamientodel transistorPNPenelcircuitodelafigura 3,3, habr que analizar que est pasando en lasdosunionesdeltransistorPNP:la unin emisor-base y la unin base-colector. Loprimeroquehayconsideraresquela barreradepotencialenlasuniones,debido alapolarizacinexterna,hacambiado respecto a la que se vi en lafigura 3.2 del transistor PNP sin polarizacin externa. En launinemisor-baselabarreraha disminuido enVeb, diferencia de potencial entrelosterminalesdeemisorydebase, mientrasqueenlauninbasecolectorla barrerahaaumentadoenVcb,diferencia depotencialentrelosterminalesde colector y de base. Fig. 3.5 Portantolasconcentracionesdeportadoresminoritariostambinhanvariadotalcomo se ve en la figura 3.5. Enlaunindeemisor-base,polarizadadirectamente,seestninyectandoportadores mayoritarios (huecos) desde la zonaP (emisor) a la zonaN(base)yelectronesdesdela zona N (base) a la zonaP (emisor), dando lugar a la corriente de emisor Ie. En la unin de colector-basedebidoasupolarizacininversasernlosportadoresminoritarioslos UEUCnpo npopnoBARRERAS DE POTENCIALCONCENTRACINPORTADORES MINORITARIOSVebVcbEMISORCOLECTORBASEnpnppnELECTRNICALIC. EN FSICA Tema 3Curso 03-04 F. MUGARRA, DEP. DENGINYERIA ELECTRNICA FACULTAT DE FSICA Universitat de Valncia 4queseinyectanalaunin:huecosdesdelazonaN(base)alazonaP(colector)y electrones del colector a la base. Sienlaunindecolector-basenohubiesemastrasiegodeportadoresquelosquese producen en una uninPN polarizada inversamente, la corriente de colectorIc debera ser Ics,corrientedesaturacininversadeunauninPN,perodebidoalaestrechezde labasegranpartedeloshuecosinyectadosporelemisorenlabaselleganalaunin base-colector y la atraviesan. Por tanto: Ic = Ics + Ie (3-2) es un parmetro, 1, que da la fraccin de Ie que pasa hasta el colector. IeIcs Ic (3-3) Este parmetro no es una constante ya que dada una geometra de las uniones, dela cual depende fuertemente, tambin depende de Ie de Vcb y de latemperatura Laexpresin(3-2)sepuedegeneralizarparacualquiervalordelatensinde polarizacin de la unin colector-base, dando lugar a la expresin:

,_

+ TCBVVcs e ce 1 I I I (3-4) Es fcil suponer que se puede obtener una expresin similar para la corriente de emisor, quedaelvalordeestaenfuncindelacorrientedecolectormultiplicadaporun parmetro R , R de reverse, de la corriente de saturacin inversa en la unin de emisor Ies y de la tensin en la unin de emisorVeb, El parmetroRtendrunvalorinferiora . Por coherencia de nomenclatura se debera utilizar la denominacin deF para , F deforward,perosemantendrladenominacindesimplementeparaelparmetro F. 3.2. Configuraciones del BJT. HaytresconfiguracionesbsicasparaeltransistorBJT,encadaunadeellasseusa como terminal de referencia un terminal distinto del transistor BJT: base comn, emisor comn y colector comn. 3.2.1 Configuracin en base comn. Es la configuracin que se ha usado para introducir el transistor de unin bipolar BJT. LIC. EN FSICAELECTRNICA Curso 03-04Tema 3 F. MUGARRA, DEP. DENGINYERIA ELECTRNICA FACULTAT DE FSICA Universitat de Valncia 5 Se toma como circuito de entrada de seal el circuito de emisor-base y como circuito de salida de seal el circuito colector-base. Las variables de la seal de entrada sernVEB e IE, y para la seal de salida VCB e IC. Para estudiar su funcionamiento se usan las curvas caractersticas de entrada y de salida aldispositivo.Enlascurvascaractersticasdeentrada,figura3.6,seestudiala dependenciadelatensindeentrada(VEB) con la corriente de entrada (IE)ylatensin desalida(VCB) ,yenlascurvascaractersticasdesalida,figura3.7,seestudiala variacindelacorrientedesalida(IC)conlacorrientedeentrada(IE)ylatensinde salida (VCB). Antes de analizar las curvas caractersticas de entrada y salida, y para comprender mejor elcomportamientodeldispositivoquereflejanestascurvas,sehademencionarel efecto de la modulacin del ancho de base, llamado efecto Early. Fig. 3.6 En un transistorPNPconpolarizacindirectaenlaunindeemisoreinversaenlade colector,existirnzonasdecargasdescubiertasenambasuniones.Dadaslas polarizacionesexistentesestaserpequeaenlaunindeemisor-base e importante en launindecolector-base.EnconcretodadoqueelladoP(colector)delauninde colector-baseestmuchomsdopadoqueelladoN(base)dedichaunin(1),la anchuradelazonadecargasdescubiertasenlabaseesconsiderable.Portantola anchura real de la base, anchura fsica menos regin de cargas descubiertas, cambia con VCB. (1)-Habitualmente en los transistores BJT el nivel de dopado de la base es muy inferior al del emisor y al del colector 0A 0.1mA 0.2mA 0.3mA 0.4mA 0.5mA 0.6mA 0.7mA 0.8mA 0.9mA 1.0mAV(I1:-)500mV550mV600mV650mV700mV750mVIeVebVcb = -30VVcb = -5VVcb = -0,5VELECTRNICALIC. EN FSICA Tema 3Curso 03-04 F. MUGARRA, DEP. DENGINYERIA ELECTRNICA FACULTAT DE FSICA Universitat de Valncia 6Fig. 3.7 Por tanto el aumento de VCB, en polarizacin inversa, hace que el ancho de la regin de cargasdescubiertasenlaunincolector-baseaumenteenlazonadebase,conlos posibles efectos: Aumentodelparmetro,yaquealestrecharselabasedisminuyela recombinacindehuecosinyectadosporelemisorenlabase,ylleganenms proporcin a la unin de colector-base. Aumento deIEyaqueaumentaelgradientedelaconcentracindeportadores minoritarios(pn)enlaunindeemisor-baseenladodelabase(pn(0)).La concentracin pn enelbordedelaunindecolectordebesercero,portantola concentracindehuecosenlabasedecaedesdepn(0)hastaceroenmenos espacio, su gradiente aumenta y con l la corriente en la unin emisor-base (IE). Se ha de tener en cuenta que si se aumenta demasiadoVCBse puede reducir a cero el ancho real de base, provocando la ruptura del transistor, es lo que se denomina perforar el transistor. UnavezplanteadoelefectoEarlysehadeaanalizarlascurvascaractersticasde entrada ysalida, figuras 3.6 y 3.7. En las curvas caractersticas de entrada se ve que hay una tensin umbral de VEB, que se denominaV, a partir de la cual el transistor empieza aconducirapreciablemente.ElvalordeVesdeaproximadamente0,55Vparaun transistor de Si. Igualmente en dichas curvas se observa la influencia deVCB sobreIE, de acuerdo a lo que predice el efecto Early. En las curvas caractersticas de salida se puede observar la ligera pendiente deIC para un valor constante de IE al variar VCB, otra vez el efecto Early. Para IE = 0, IC ser ICS, corriente de saturacin inversa. Tambin se observa que paraIE > 0se necesitallegar a 0V -2V -4V -6V -8V -10V 1VI(V1)0A5mA10mA15mA20mA25mAIe = 25 mAIe = 20 mAIe = 15 mAIe = 10 mAIe = 5 mAIe = 0 mAVcbIcLIC. EN FSICAELECTRNICA Curso 03-04Tema 3 F. MUGARRA, DEP. DENGINYERIA ELECTRNICA FACULTAT DE FSICA Universitat de Valncia 7 polarizarpositivamentelaunincolector-base para anular la corriente de colector, pero la curva de Ic correspondiente a IE = 0, pasa por (0,0). Lascurvascaractersticasdesalidasonlasquemsseusaneneldiseocon transistores. En ellas se distinguen tres regiones: Reginactiva,esaquellaenqueIE>0yVCB0.Eslareginenla que la corriente varia fuertemente para ligeras variaciones deVCB. Regin de corte, es en la queIE 0. Es la regin en la que las corrientes en el transistor son despreciables, est cortado. 3.2.2 Configuracin en emisor comn. En esta configuracin el terminal de referencia es el terminal de emisor. El circuito de entrada de seal ser el de base-emisor yeldesalidadesealeldecolector-emisor.Enla figura3.8semuestraunaposibleconfiguracinen emisorcomndondesehausadounBJTtipoNPN. Larazndelcambiodetipodetransistoresqueeste tipo de transistor es el que habitualmente se usa en los diferentes diseos con transistores BJT. Fig. 3.8 En las grficas de la figuras 3.9 y 3.10, se pueden observar las curvas caractersticas de entrada y salida de esta configuracin. Como en la configuracin anterior se usar como variable a estudiar en el circuito de entrada la tensinentre los terminales de entrada al transistor, por tanto la tensinVBE, y en el circuito de salida la corriente en el terminal desalidadeltransistor,portantoIC.Comovariablesindependientessetoman nuevamentelacorrienteenelterminaldeentradaaltransistor,IB,ylatensinenlos terminales de salida del transistor, VCE. Enlascurvascaractersticasdeentrada,figura3.9VBE=f(IB, VCE),sevuelvea observarlaexistenciadeunatensinumbral,V,apartirdelacuallacorrienteenel terminal de entrada es apreciable,V 0,55 V para unBJT deSi.Tambinsepone de manifiesto el efectoEarly:unincrementoenlatensinenlosterminalesdesalidaVCE (2), disminuye la corriente de entrada IB, el estrechamiento de la base reduce la corriente de recombinacin de base. (2)-Como aclaracin se ha de tener en cuenta que al aumentar la tensin en los terminales de salida,VCE, se aumenta la polarizacin inversa en el diodo colector-base. ELECTRNICALIC. EN FSICA Tema 3Curso 03-04 F. MUGARRA, DEP. DENGINYERIA ELECTRNICA FACULTAT DE FSICA Universitat de Valncia 8 Fig. 3.9 Fig. 3.10 0A 0.1mA 0.2mA 0.3mA 0.4mA 0.5mA 0.6mA 0.7mA 0.8mA 0.9mA 1.0mAV(Q1:b)500mV550mV600mV650mV700mV750mV800mVVce >= 0,3 VVce = 0,2 VVce = 0,1 VVbeIb0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V 9V 10V0A10mA20mA30mA40mAIb = 220 uAIb = 170 uAIb = 130 uAIb = 90 uAIb = 50 uAIb = 30 uAIb = 15 uAIb = 0,5 uA VceIcLIC. EN FSICAELECTRNICA Curso 03-04Tema 3 F. MUGARRA, DEP. DENGINYERIA ELECTRNICA FACULTAT DE FSICA Universitat de Valncia 9 Enlascurvascaractersticas de salida,figura 3.10 IC = f (IB, VCE), seobservalaligera variacin deIC, paraIB constante, al variarVCE, otra vez el efectoEarly. Como detalle interesante se ha de resaltar que si se prolongan estas rectas, confluirn en un punto del eje X, un valorVCE negativo, dicha tensin se denomina tensin Early. Igualqueenlaconfiguracindebasecomn,enlagrficadelascurvascaractersticas desalidasedistinguendetresregiones:activa,saturacinycorte.Lareginactivaes aquella en queIB > 0y VCE > 0,3 V, ya que paraVCE < 0,3V se entra en los codos de lascurvasysepasaalaregindesaturacin,lacualsetomaparaVCE