-
Dr. A. Ozols 1
FIUBA
2007
Transistor BipolarTransistor Bipolar
Dr. Dr. AndresAndres OzolsOzols
-
Dr. A. Ozols 2
Transistor Bipolar = 2 junturas (Transistor Bipolar = 2 junturas
(npnp + + pnpn))
Dispositivo activo
1. Ganancia de tensin
2. Control de la ganancia de corriente
3. Ganancia de potencia de la seal
Diodo = 1 juntura (Diodo = 1 juntura (pnpn)) Dispositivo
pasivo
Tipos de TransistoresTipos de Transistores
1. Transistor Bipolar
2. MOSFET Transistor de Efecto de Campo Semiconductor xido
Metal
3. JFET Transistor de Efecto de Campo de Juntura
-
Dr. A. Ozols 3
Transistor BipolarTransistor Bipolar La fuente de corriente
controlada por tensin
Objetivo: determinacin de los factores de ganancia de
corriente
-
Dr. A. Ozols 4
ACCIACCIN del TRANSISTOR BIPOLARN del TRANSISTOR BIPOLAR
-
Dr. A. Ozols 5
Principio BPrincipio Bsico de Operacisico de Operacinn
Diagrama de bloques y smbolos Transistor npn Transistor pnp
Transistor BipolarTransistor Bipolar La fuente de corriente
controlada por tensin
Objetivo: determinacin de los factores de ganancia de
corriente
-
Dr. A. Ozols 6
Principio BPrincipio Bsico de Operacisico de Operacinn
La juntura pn base-emisor (B-E) es polarizada en directa
La juntura pn base-emisor (B-C) es polarizada en inversa
Modo de operacin activa-directa
-
Dr. A. Ozols 7
Modo de operacin activa-directa
(B-C) en inversa
Electrones inyectados desde emisor a travs de la juntura B-E en
la base
(B-E) en directa
Creacin de exceso de minoritarios en la base
La concentracin de electrones en el borde B-C es nula
-
Dr. A. Ozols 8
Modo de operacin activa-directaEl gradiente elevado de
electrones Los electrones
inyectados desde el emisor difunden a travs de la base hacia la
juntura B-C El campo elctrico
acelera a los electrones hacia del colector
La regin de la base tiene que ser lo ms fina posible para
permitir el mayor nmero de electrones en el colector, evitando la
recombinacin
La concentracin de electrones minoritarios es funcin de las
tensiones B-E y B-C
Las junturas B-E y B-C son inter-actuantes
-
Dr. A. Ozols 9
Modo de operacin activa-directa
Nmero de electrones por unidad de tiempo es proporcional al
nmero de electrones inyectado en la base
Nmero de electrones inyectados es funcin de la tensin B-E y casi
independiente del potencial inverso B-C
Inyeccin y coleccin de electrones en modo directo activo
Control de la corriente de colector por medio de la tensin
BE
AcciAccin del transistorn del transistor
Los huecos son inyectados desde la base hacia el emisor
-
Dr. A. Ozols 10
Principio BPrincipio Bsico de Operacisico de Operacin en modo
directo activon en modo directo activo
-
Dr. A. Ozols 11
Modos de OperaciModos de Operacinn
Modos de emisor comn
El transistor puede polarizarse en tres modos de operacin
11-- Modo de corte:Modo de corte: VBE 0 los electrones
mayoritarios del emisor no son inyectados a la base y la juntura
B-C est en inversa.
Las corrientes de emisor colector son nulas.
-
Dr. A. Ozols 12
Modos de OperaciModos de Operacinn
22-- Modo activo directo:Modo activo directo: VBE >0 los
electrones mayoritarios del emisor son inyectados en la base y la
juntura B-C est en inversa.
CC C C BC BE R BC BEV I R V V V V V= + = +Si VBE crece
La corriente IC y VRcrecen
La magnitud de VBCdisminuye
La combinacin de VR y VCC hace VBC=0
-
Dr. A. Ozols 13
33-- Modo de saturaciModo de saturacin:n: Un pequeo incremento
de IC produce la polarizacin directa VBC >0 como tambin BE
IC deja de estar controlada VBE
44-- Modo activo inverso:Modo activo inverso: La juntura B-E
estpolarizada en inversa mientras que la B-C en directa
Modos de OperaciModos de Operacinn
Los papeles del colector y emisor estn invertidos pero con
magnitudes distintas
-
Dr. A. Ozols 14
DISTRIBUCIDISTRIBUCIN de PORTADORES MINORITARIOSN de PORTADORES
MINORITARIOS
-
Dr. A. Ozols 15
Concentraciones de exceso de portadores minoritarios en las
regiones de emisor, base y colector
nE(x) , PB(x), nC(x)Concentraciones total de portadores
minoritarios en las regiones de emisor, base y colectornE(x) ,
PB(x), nC(x)
Concentraciones de portadores minoritarios en las regiones de
emisor, base y colectornE0 , PB0, nC0
Para PNP
Concentraciones de exceso de portadores minoritarios en las
regiones de emisor, base y colector
PE(x) , nB(x), PC(x)Concentraciones total de portadores
minoritarios en las regiones de emisor, base y colectorPE(x) ,
nB(x), PC(x)
Concentraciones de portadores minoritarios en las regiones de
emisor, base y colectorPE0 , nB0, PC0
Para NPN
Tiempos de vida de portadores minoritarios en las regiones de
emisor, base y colectorE0 , B0, C0
Coeficientes de difusin de portadores minoritarios en las
regiones de emisor, base y colector
DE , DB, DC
Ancho de las zonas de vaciamiento de carga de las regiones de
emisor, base y colectorXE , XB, XC
Concentraciones de dopaje en las regiones de emisor, base y
colectorNE , NB, NC
Para transistores NPN y PNP
DefinicinNotacin
-
Dr. A. Ozols 16
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
-
Dr. A. Ozols 17
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
-
Dr. A. Ozols 18
( )( ) ( )22
0
0B BBB
n x n xD
x
=
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
RegiRegin de la basen de la base
( ) ( ) 0B B Bn x n x n = La concentracin en exceso
La ecuacin ambipolar en ausencia de campo elctrico y en la
situacin estacionaria
La solucin general
( ) / /B Bx L x LBn x Ae Be = +Donde LB es longitud de difusin
del portador minoritario 0B B B
L D =
-
Dr. A. Ozols 19
RegiRegin de la basen de la base
Las condiciones de contorno
( ) ( )0 0B Bn x n A B = = = +
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
( ) ( ) / /B B B Bx L x LB B B Bn x x n x Ae Be = = = +La
juntura BE est polarizada en directo de modo que
( ) /00 1BEeV kTB Bn n e = La juntura BC est polarizada en
inversa de modo que
( ) ( ) 0 0 00B B B B B B Bn x n x n n n = = =
-
Dr. A. Ozols 20
RegiRegin de la basen de la base
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
( ) /00 1BEeV kTB Bn n e A B = = +
( )( )
/ / /0 0
/ / / /0 0
1
1
B B BE B B
B B B B BE B B
x L eV kT x LB B
x L x L eV kT x LB B
n Ae n e A e
n A e e n e e
= + = +
/0 1BE
eV kTBB n e A = ( ) / /0 B B B Bx L x LB B Bn x n Ae Be = =
+
-
Dr. A. Ozols 21
/ /0 0 1
2
BE B BeV kT x LB B
B
B
n n e eA
xsenhL
=
RegiRegin de la basen de la base
( )/ /
0 0
/ /
0
1 2
1 1
2
BE B B
BE B B
eV kT x L BB B
B
eV kT x L
BB
B
xn n e e AsenhL
e en A
xsenhL
= + =
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
-
Dr. A. Ozols 22
/ /0 01
2
BE B BeV kT x LB B
B
B
n e e nB
xsenhL
+ =
/ /0 0/
0
11
2
BE B B
BE
eV kT x LB BeV kT
BB
B
n n e eB n e
xsenhL
+ = +
RegiRegin de la basen de la base
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
-
Dr. A. Ozols 23
RegiRegin de la basen de la base
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
( )/ / / /
0 0 0 0/ /1 1
2 2
BE B B BE B B
B B
eV kT x L eV kT x LB B B Bx L x L
BB B
B B
n n e e n e e nn x e e
x xsenh senhL L
+ = +
La solucin ser
La solucin ser
( )( )/
0
1BEeV kT BB B
B BB
B
x x xe senh senhL L
n x nxsenhL
=
-
Dr. A. Ozols 24
RegiRegin de la basen de la base
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
La solucin aproximada para xB < LB
( )( ) ( )( )
/
/00
11
BE
BE
eV kT B
eV kTBB BB B B
B B
B
x x xenL Ln x n e x x xx x
L
= =
B B
x xsenhL L
-
Dr. A. Ozols 25
RegiRegin del Emisorn del Emisor
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
( )( ) ( )22
0
0E EEE
p x p xD
x
=
( ) ( ) 0E E Ep x n x n = La concentracin en exceso
La solucin general
( ) / / E Ex L x LEp x Ce De = +Donde LE es longitud de difusin
del portador minoritario en la regin del emisor
La ecuacin ambipolar en ausencia de campo elctrico y en la
situacin estacionaria
0E E EL D =
-
Dr. A. Ozols 26
RegiRegin del Emisorn del Emisor
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
El exceso de los huecos minoritarios tienen las condiciones de
contorno
( ) ( ) 0 0E Ep x p C D = +( ) ( ) / /' E E E Ex L x LE E E Ep x
x p x Ce De = = = +
La juntura BE est polarizada en directo de modo que
( ) ( ) /0 00 0 1BEeV kTE E E Ep p x p p e = = = En cambio, la
alta velocidad de recombinacin superficial en X= XE.
( ) 0E Ep x =
-
Dr. A. Ozols 27
( ) /00 1BEeV kTE Ep C D p e = + = ( ) / /0 E E E Ex L x LE Ep x
Ce De = = +
RegiRegin del Emisorn del Emisor
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
/0 1BE
eV kTED p e C =
( )( ) ( )
( )
/ / /0
/ / / /0
/ /0
0 1
0 1
0 2 1
E E BE E E
E E E E BE E E
BE E E
x L eV kT x LE
x L x L eV kT x LE
eV kT x LEE
E
Ce p e C e
C e e p e e
xCsenh p e eL
= + = +
= + ( )/ /0 12
BE E EeV kT x LE
E
E
p e eC
xsenhL
=
-
Dr. A. Ozols 28
RegiRegin del Emisorn del Emisor
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
( ) ( )/ /0/0 112
BE E E
BE
eV kT x LEeV kT
EE
E
p e eD p e
xsenhL
=
( ) //0 1 12
E EBE
x LeV kT
EE
E
eD p exsenhL
=
-
Dr. A. Ozols 29
RegiRegin del Emisorn del Emisor
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
( ) ( ) ( )/ / /0 / / /01 1 12 2
BE E E E EE BE E
eV kT x L x LE x L eV kT x L
E EE E
E E
p e e ep x e p e ex xsenh senhL L
= +
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
/ / /0 / / /
0
/0 ( )/ / / / /
1 1 1
2 2
1
2
BE E E E EE BE E
BE
E E E E E E E E E
eV kT x L x LE x L eV kT x L
E EE E
E E
eV kTE x x L x L x L x L x L
EE
E
p e e ep x e p e ex xsenh senhL L
p ep x e e e e e
xsenhL
= + = + +
-
Dr. A. Ozols 30
RegiRegin del Emisorn del Emisor
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
( ) ( )/0 ( )/ ( )/12
BE
E E E E
eV kTE x x L x x L
EE
E
p ep x e e
xsenhL
= +
( ) ( )/0
1BEE
eV kT EE E
E
E
x xsenhL
p x p exsenhL
=
La solucin aproximada para X-XE < LE E E
E E
x x x xsenhL L
( ) ( )/0 1BEeV kT EE E
E
x xp x p eL
-
Dr. A. Ozols 31
RegiRegin del Colectorn del Colector
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
( )( ) ( )22
0
0C CCC
p x p xD
x
=
( ) ( ) 0C C Cp x n x n = La concentracin en exceso
La solucin general
( ) / / C Cx L x LCp x Ce He = +Donde LE es longitud de difusin
del portador minoritario en la regin del emisor
0C C CL D =
La ecuacin ambipolar en ausencia de campo elctrico y en la
situacin estacionaria
-
Dr. A. Ozols 32
( ) "/0" Ex LC Cp x p e = Resultado para la polarizacin en
inversa
RegiRegin del Colectorn del Colector
Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto
Si la regin del colector es larga la condicin para mantener
soluciones finitas H = 0
Modo de corteModo de corte
-
Dr. A. Ozols 33
Modo de saturaciModo de saturacinn
-
Dr. A. Ozols 34
GANANCIA de CORRIENTE de BASE GANANCIA de CORRIENTE de BASE
COMCOMN a BAJA FRECUENCIAN a BAJA FRECUENCIA
-
Dr. A. Ozols 35
GANANCIA de CORRIENTE de BASE COMGANANCIA de CORRIENTE de BASE
COMN N
Cociente de corrientes de colector y emisor
ContribuciContribucin de Factoresn de Factores
Flujos de partculas
-
Dr. A. Ozols 36
Flujos de partculas
ContribuciContribucin de Factoresn de Factores
JnE difusin de electrones minoritarios en la base en x = 0
JnC difusin de electrones minoritarios en la base en x = xEJRB
diferencia entre JnE y JnC debido a la recombinacin de electrones
(portadores minoritarios) con los mayoritarios (huecos) en la base.
Es el flujo de huecos en la base perdidos por la recombinacin
JpE difusin de huecos minoritarios en el emisor en x = 0JR es la
recombinacin de huecos minoritarios en el colector en x=0JpC0
difusin de huecos minoritarios en el colector en x=0JG generacin de
portadores en la juntura B-C polarizada en inversa
-
Dr. A. Ozols 37
Flujos de partculas
ContribuciContribucin de Factoresn de Factores
JRB, JpE JR son corrientes en la juntura B-E que no contribuyen
a la corriente de colector
JpC0 JG son corrientes de la juntura B-C. No contribuyen a la
ganancia de corriente.
La ganancia de corriente a base comn 0C
E
II
=
00
nC G pCC
E nE R pE
J J JJJ J J J
+ += = + +
-
Dr. A. Ozols 38
ContribuciContribucin de Factoresn de Factores
La dependencia de la corriente del colector de la de emisor
puede explicitarse
C nC
E nE R pE
J JJ J J J
= = + +nE pEnE nC
nE pE nE nE R pE
J JJ JJ J J J J J
+ = + + + Reescribiendo
=nE
nE pE
JJ J
= + nC
TnE
JJ
= nE pE
nE R pE
J JJ J J
+= + + Factor de eficiencia de
inyeccin en emisorFactor de transporte
en baseFactor de
recombinacin
-
Dr. A. Ozols 39
Modo activo inversoModo activo inverso
-
Dr. A. Ozols 40
Factor de eficiencia de inyecciFactor de eficiencia de inyeccin
de emisorn de emisor
Factores de Ganancia de CorrienteFactores de Ganancia de
Corriente
nE
nE pE
JJ J
= +
Se define el factor de eficiencia de inyeccin de emisor
Las corrientes pueden calcularse a partir de las concentraciones
de los excesos
0
EpE E
x
d pJ eDdx
==
0
BnE B
x
d nJ eDdx
==
-
Dr. A. Ozols 41
Densidades de CorrientesDensidades de Corrientes
-
Dr. A. Ozols 42
Factor de eficiencia de inyecciFactor de eficiencia de inyeccin
de emisorn de emisor
( ) 0
/0
0
1BE
x
EeV kT
E EEpE E E
x E
E
x xd senhp e Ld pJ eD eD
dx dxxsenhL
=
=
= = ( )/0 1 ( 1)cosBEeV kTEE EpE
E EE
E
p eeD xJ hL Lxsenh
L
= ( )/0 1
tan
BEeV kTEE
pEE E
E
p eeDJL xh
L
=
-
Dr. A. Ozols 43
( )
0
/
0
0
1BE
x
eV kT B
B BB BBnE B
x B
B
x x xd e senh senhL LeD nd nJ eD
dx dxxsenhL
=
=
= =
Factor de eficiencia de inyecciFactor de eficiencia de inyeccin
de emisorn de emisor
( ) ( )/0
1 cos 0BEeV kT BBB B
nEBB
B
xe h coshLeD nJ
LxsenhL
= ( )/
0
1 cos 1BEeV kT BBB B
nEB B
B
xe hLeD nJ
L xsenhL
+ =
-
Dr. A. Ozols 44
Factor de eficiencia de inyecciFactor de eficiencia de inyeccin
de emisorn de emisor
( )/0
1 cos 1BEeV kT BBB B
nEB B
B
xe hLeD nJ
L xsenhL
+ =
( )/0 1 1BEeV kTB BnE
B B B
B B
eeD nJL x xtanh senh
L L
= +
-
Dr. A. Ozols 45
/0 1BE
eV kTB B
nEB B B
B B
eD n eJL x xtanh senh
L L
+
Si la polarizacin de la juntura BE es prxima al potencial de
juntura
1BEeVkT
Factor de eficiencia de inyecciFactor de eficiencia de inyeccin
de emisorn de emisor
/ 1BEeV kT
B B
B B
ex xtanh senhL L
Adems
/0
BEeV kTB B
nEB B
B
eD n eJL xtanh
L
-
Dr. A. Ozols 46
Si la polarizacin de la juntura BE es prxima al potencial de
juntura
Factor de eficiencia de inyecciFactor de eficiencia de inyeccin
de emisorn de emisor
( )/0/
0
1 111
tan1
BE
BE
nEeV kT
pEnE pE EE
nE E E
EeV kT
B B
B B
B
JJJ J p eeDJ L xh
LeD n e
L xtanhL
= = =+ + +
0
0
1
1tan
B
BEE B
B E B E
E
xtanhLpD L
D L n xhL
= +
-
Dr. A. Ozols 47
Factor de eficiencia de inyecciFactor de eficiencia de inyeccin
de emisorn de emisor
2
2
1
1
i B
E B B B
EiB E
EE
n xD L N L
xnD LLN
=
+
Considerando los dopajes de la base y el emisor
2
0i
EE
npN
=2
0i
BB
nnN
=
E Ex L B Bx L1
1 E B EB E B
D x ND x N
+
Y las dimensiones de la base y emisor cortas en relacin a las
longitudes de difusin
-
Dr. A. Ozols 48
Factor de transporte de la baseFactor de transporte de la
base
( )/0
1BE
B
x xB
eV kT B
B BB BBnC B
x x B
B
x x xd e senh senhL LeD nd nJ eD
dx dxxsenhL
=
=
= =
0
BnE B
x
d nJ eDdx
==
B
BnC B
x x
d nJ eDdx
==
( )/0
1 cosBE
B
eV kT B
B B x xB BnC
BB
B
x x xe h coshL LeD nJ
LxsenhL
=
=
nCT
nE
JJ
=
-
Dr. A. Ozols 49
( )/0 1BEeV kTB B BnCBB
BB
eD n xJ e coshLxL senh
L
= +
Factor de transporte de la baseFactor de transporte de la
base
( )/0 0
1 cosBEeV kT BB BB B x
nEBB
B
x x xe h coshL LeD nJ
LxsenhL
=
+ =
( )/0 1 cos 1BEeV kTB B BnEBB
BB
eD n xJ e hLxL senh
L
= +
Adems
-
Dr. A. Ozols 50
( )
( )
/0
/0
1
1 cos 1
BE
BE
eV kTB B B
BBB
BnCT
nE eV kTB B B
BBB
B
eD n xe coshLxL senh
LJJ eD n xe h
LxL senhL
+ = = +
Factor de transporte de la baseFactor de transporte de la
base
( )( )
/
/
1
1 cos 1
BE
BE
eV kT B
BT
eV kT B
B
xe coshL
xe hL
+ = +
-
Dr. A. Ozols 51
Factor de transporte de la baseFactor de transporte de la
base
/
/
1
cos cos
BE
BE
eV kT
TeV kT B B
B B
ex xe h hL L
=
1BEeVkT 1
BEeVkTe Para tensiones de polarizacin altas
Adems B Bx L2
21 11
2112
BT
BB
B
xLx
L
= +
-
Dr. A. Ozols 52
Factor de recombinaciFactor de recombinacinn
Donde se supuso
1
1
nE pE nE
RnE R pE nE R
nE
J J JJJ J J J JJ
+= =+ + + +pE nEJ J
2 20
02
BE BEeV eVBE i KT KT
R rex nJ e J e= =
La corriente de recombinacin en polarizacin directa en la
juntura pn
BEx El ancho de la zona de vaciamiento
-
Dr. A. Ozols 53
0
BEeVKT
nE sJ J e=
( ) //0 01 cos 1 BEBE eV kTeV kTB B B BBnEBB B
B BB B
eD n eD n exJ e hLx xL senh L tanh
L L
= +
Factor de recombinaciFactor de recombinacinn
00
B Bs
BB
B
eD nJxL tanhL
= donde
20
0
1 1
11
BE
BE
eVR KT
rnE eV
KTs
JJ eJJ e
+ + 0 2
0
1
1BEeV
r KT
s
J eJ
+
