Transistor BJT Introducción

Transistor bipolar de unión (BJT = Bipolar Junction Transistor)

Dispositivo semiconductor formado por 3 regiones dopadas alternativamente: npn (o pnp)

Acción transistor: Captación de portadores mayoritarios procedentes de una unión p-n polarizada en directa que los emite por otra unión p-n inversamente polarizada y muy cercana a la anterior

Dos tipos:

BJT npn BJT pnp

Transistor BJT Introducción

Tres terminales: E = Emisor, B = Base, C = Colector No es simétrico: la concentración de portadores en E es generalmente

bastante mayor que en C La región central (B) es estrecha Sólo 2 tensiones y 2 corrientes independientes (leyes de Kirchhoff)

1710~DN1510~DN

1610~AN

μm5~1 μm10~5

μm1.0~

ZAD

SATURACIÓNDIRECTA

ZAISATURACIÓN

INVERSA

CORTE

CORTE

Transistor BJT Introducción

4 modos de operación en función de la polarización de las 2 uniones p-n

BJT npn

Transistor BJT Ecuaciones I-V

1β

/ TBC UV

R

S eI

TBCTBE UVUVS eeI //

EI

CI

BI

BEV

BCV

1β

/ TBE UV

F

S eI

1β

1β

// TBCTBE UV

R

SUV

F

SB e

Ie

II

TBCTBETBC UVUVS

UV

R

SC eeIe

II /// 1

β

Modelo circuitalgenérico

ZAD,BEV

Transistor BJT Modos de operación

TBE UV

F

SB e

II /

β

BFC II β

BFE II )1β( 1

β/ TBC UV

R

S eI

TBCTBE UVUVS eeI //

EI

CI

BI

BEV

BCV

1β

/ TBE UV

F

S eI

BF Iβ

EI

CI

BI

BEV

BCV

F

SI

β

BF Iβ

EI

CI

BI

ZAD,BEV

BCV

Modelos circuitales simplificados

ZAD: VBE > 0, VBC < 0

XX

X

ZAI,BCV

Transistor BJT

TBC UV

R

SB e

II /

β

BRE II β

BRC II )1β( 1

β/ TBC UV

R

S eI

TBCTBE UVUVS eeI //

EI

CI

BI

BEV

BCV

1β

/ TBE UV

F

S eI

BR Iβ

EI

CI

BI

BEV

BCV

R

SI

β

BR Iβ

EI

CI

BI

BEV

ZAI,BCV

ZAD,ZAI, BEBC VV

FR ββ

Modos de operación

Modelos circuitales simplificados

ZAI: VBE < 0, VBC > 0

XX

X

TBC UV

R

S eI /

β

TBCTBE UVUVS eeI //

EI

CI

BI

BEV

BCV

TBE UV

F

S eI /

β

Transistor BJT

1β

/ TBC UV

R

S eI

TBCTBE UVUVS eeI //

EI

CI

BI

BEV

BCV

1β

/ TBE UV

F

S eI

satCE,V

EI

CI

BI

sat,BEV

BCV

ZAD,sat, BEBE VV

sat,CEV

Modos de operación

Modelos circuitales simplificados

Saturación: VBE > 0, VBC > 0

X

X

Transistor BJT

1β

/ TBC UV

R

S eI

TBCTBE UVUVS eeI //

EI

CI

BI

BEV

BCV

1β

/ TBE UV

F

S eI

EI

CI

BI

BEV

BCV

Modos de operación

Modelos circuitales simplificados

Corte: VBE < 0, VBC < 0

X

X

X X

Transistor BJT Modos de operación

4 modos de operación en función de la polarización de las 2 uniones p-n

Activa directa: El BJT actúa como amplificador de intensidad: IC = FIB con F ~ 100.

Fluyen corrientes por la unión BE y casi todos los e- emitidos por E son colectados en C.

Activa inversa: El BJT actúa como amplificador de intensidad: IE = -RIB con R ~ 1.

Fluyen corrientes por la unión BC y casi todos los e- emitidos por C son colectados en E, pero son menos que en ZAD.

Saturación: La ganancia en intensidad decae notablemente y la tensión entre C y E es baja (~corto).

Corte: Corrientes muy bajas en los tres terminales (~abiertos).

ZAD

SATURACIÓNDIRECTA

ZAISATURACIÓN

INVERSA

CORTE

CORTE

Transistor BJT Características I-V

Característica de entrada

ZAD

SATURACIÓNDIRECTA

ZAISATURACIÓN

INVERSA

CORTE

CORTE

BEV

BI 0CEV

CEV

Característica de salida

Transistor BJT Comportamiento en gran señal

Equivalentes circuitales en ZADMovimiento alrededor del punto de operación Punto de

operación

Gran señal

Pequeña señal

+

)()( tvVtV BCQBCBC )()( tvVtV BEQBEBE

)()( tiItI CQCC

)(,)(,)(,)(con tvtvtiti BCBECB

)()( tiItI BQBB

)(tIE

)(tIC

)(tVBE

)(tVBC)(tIBTBE UtV

SeI/)(

TBE UtV

F

S eI /)(

β

TBEQ UVSeI

/

EQI

CQI

BQI

BEQV

BCQV

TBEQ UV

F

S eI /

β

)(tiE

πr

)(tiC

)(tvBE

)(tvBC)(tiB

)(tvg BEm

TBEQ UVSeI

/

EQI

CQI

BQI

BEQV

BCQV

TBEQ UV

F

S eI /

β

)(tiE

πr

)(tiC

)(tvBE

)(tvBC)(tiB

)(tvg BEm

Comportamiento en gran señalTransistor BJT

Conductancia de entrada

Transconductancia del BJT

T

BQ

T

UV

F

S

QBE

B

BE

B

U

I

U

eI

V

I

tv

tig

TBEQ

/

π βd

d

)(

)(

T

CQ

T

UVS

QBE

C

BE

Cm U

I

U

eI

V

I

tv

tig

TBEQ

/

d

d

)(

)(

Punto de operación

Pequeña señal

)()( π tirtv BBE

)(β)()( m titvgti BFBEC

TBEQ UV

F

SBQ e

II /

β

BQFUV

SCQ IeII TBEQ β/

ZAD,BEBEQ VV

Transistor BJT Ejemplo de amplificador

(1) Punto de operación:

TBEQ UVSeI

/

CQI

BQI

BEQV

TBEQ UV

F

S eI /

β

BBV

BRCCV

CR

TBEQ UV

F

SBQ e

II /

β

BQFUV

SCQ IeII TBEQ β/

B

BEQBBBQ R

VVI

C

CEQCCCQ R

VVI

Asumiendo ZAD:

Recta de carga:

Recta de carga:

BR

CR

CCV

BBV

)(tvi)(tVBE

)(tVCE

)(tIC

)(tIB

Transistor BJT Ejemplo de amplificador

(1) Punto de operación:

Q

BR

CR

CCV

BBV

)(tvi)(tVBE

)(tVCE

)(tIC

)(tIB

TBEQ UVSeI

/

CQI

BQI

BEQV

TBEQ UV

F

S eI /

β

BBV

BRCCV

CR

Transistor BJT Ejemplo de amplificador (cont.)

(2) Pequeña señal:

)(tvi

BR

CR

πr

)(tiC

)(tvBE

)(tiB)(tvg BEm

B

BEiB R

tvtvti

)()()(

C

CEC R

tvti

)()(

)()( π tirtv BBE

)()( m tvgti BEC

)()()()(π

πmm tv

rR

rRgtvgRtiRtv i

BCBECCCCE

Factor de amplificación(Ganancia en pequeña señal)

TBQ UIg π

TCQm UIg

BR

CR

CCV

BBV

)(tvi)(tVBE

)(tVCE

)(tIC

)(tIB

Transistor BJT Ejemplo de amplificador (cont.)

Transistor MOS Introducción

MOSFET = Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor

Transistor de efecto campo metal-óxido-semiconductor:

Terminales: D = Drenador, G = Puerta, S = Fuente

Dos tipos: MOS de canal n (nMOS) y MOS de canal p (pMOS)

Bilateral: D y S son eléctricamente indistinguibles

Resistencia de entrada infinita: IG = 0 (G aislada por construcción)

nMOS

Transistor MOS Introducción

DID

S

GGI

SI

GSV

GDV

DSV

DID

S

G

GSV

GDV

DSV

Terminales: D = Drenador, G = Puerta, S = Fuente

Bilateral: D y S son eléctricamente indistinguibles (VD > VS en nMOS)

Resistencia de entrada infinita: IG = 0 (G aislada por construcción)

Sólo 1 corriente y 2 tensiones independientes (leyes de Kirchhoff)

nMOS

DSSD III

GDGSDS VVV

Transistor MOS Introducción

3 modos básicos de operación

Cuando la tensión de puerta (G) supera un cierto umbral VT se induce un canal

conductivo entre drenador (D) y fuente (S).

Si se aplica una tensión VDS hay flujo de portadores (e-) desde S a D intensidad ID

circulando desde D a S Si VDS ID.

Si VDS es suficientemente alta, el canal se estrangula e ID se satura.

La conductividad del canal está modulada por la tensión de puerta:

Si VG > VT y VG ID

Si VG < VT, no hay canal Transistor en corte (ID = 0, corte)

nMOS

DID

S

G

GSV

DSV

DITGSDS VVV

GSV

TGS VV

CORTE

ÓHMICA

LINEAL o

DSV

SATURACIÓN

Transistor MOS Ecuaciones I-V

DI

TGS VV , 0

TGSDSTGSDSDSTGS VVVVVVVVVK

, ,

2

1)( 2

ohm

TGSDSTGSTGS VVVVVVVK , , )( 2sat

DID

S

G

GSV

DSV

Modelo circuitalgenérico

DSGSD VVfI ,

DI

GSV

DSV

D

G

S

Corte

Óhmica

Saturación

DITGSDS VVV

GSV

TGS VV

CORTE

ÓHMICA

LINEAL o

DSV

SATURACIÓN

Transistor MOS Comportamiento en gran señal

Equivalentes circuitales en SATURACIÓNMovimiento alrededor del punto de operación

Punto de operación

Gran señal

Pequeña señal

+

)()( tvVtV GSQGSGS

)(,)(con tvti GSD

)()( tiItI DQDD

)(tID

)(tVGS

2sat )( TGS VtVK

DQI

GSQV

2sat TGSQ VVK

)(tiD

)(tvGS

)(tvg GSm

TGSQ

QGS

Dm VVK

V

Ig sat2

d

d

D

DSD R

tvti

)()(

)()( tvtv GSi

GSQGG VV D

DSQDDDQ R

VVI

Transistor MOS Ejemplo de amplificador

(1) Punto de operación:

2sat TGSQ VVK

DQI

GSQV

GGV

DDV

DR

2sat TGSQDQ VVKI

Asumiendo SAT: Recta de carga:Recta de carga:GGV

)(tvi

DR

DDV

)(tVGS)(tVDS

)(tID

(2) Pequeña señal:

)()( m tvgti GSD )()( m tvRgtv iDDS

Factor de amplificación(Ganancia en peq. señal)

)(tvg GSm

)(tiD

)(tvGS

DR

)(tvi

TGSQm VVKg sat2