MASTER DEGREE: Industrial Systems Engineering · 2013-11-16 · átomo. Debido o bien por el efecto de la temperatura, o por efecto de la luz, se propicia el hecho de que un electrón

PAC- Performance-centered Adaptive Curriculum for Employment Needs Programa ERASMUS: Acción Multilateral - 517742-LLP-1-2011-1-BG-ERASMUS-ECUE

MASTER DEGREE:

Industrial Systems Engineering

ASIGNATURA ISE3:

Electrónica para Sistemas Industriales (EIS) MÓDULO 1:

Principios básicos de circuitos integrados MOS, bipolares y módulos multichip

TAREA 1-2: CIRCUITOS INTEGRADOS BIPOLARES

Contenido

Electrónica para Sistemas Industriales (EIS)

CIRCUITOS INTEGRADOS BIPOLARES

TAREA 1-2: CIRCUITOS INTEGRADOS BIPOLARES .................................................. 3

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ................................................................................. 3

2. CONTENIDO ..................................................................................................................... 3

2.1 APARTADO 1: Estructura de los circuitos BIPOLARES ............................. 3

2.1.1 La Unión PN ........................................................................................................... 3

2.1.2 El transistor Bipolar ........................................................................................... 7

NPN ....................................................................................................................................... 9

PNP ..................................................................................................................................... 10

2.1.3 La tecnología TTL .............................................................................................. 10

2.2 APARTADO 2: Principio de funcionamiento de los circuitos Bipolares ............................................................................................................................................. 11

2.2.1 Funcionamiento de la unión PN ................................................................... 11

2.2.2 Funcionamiento del transistor bipolar ...................................................... 14

2.2.3 Funcionamiento de la tecnología TTL ........................................................ 17

2.3 APARTADO 3: Parámetros fundamentales de los circuitos bipolares 18

2.3.1 Parámetros fundamentales del transistor bipolar ................................ 19

2.3.2 Modelado del transistor bipolar ................................................................... 19

2.4 APARTADO 4: Características de los CI bipolares .................................... 21

2.5 APARTADO 5: Aplicaciones de los CI bipolares en los Sistemas Industriales ..................................................................................................................... 23

3. CONCLUSIONES ........................................................................................................... 24

4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS ....................................................................... 25

5. ENLACES DE INTERÉS ............................................................................................... 25

Índice de figuras Figura 1 Unión PN .......................................................................................................................... 4 Figura 2 Formación de la zona de la barrera interna de potencial ............................................... 6 Figura 3 Transistor bipolar ............................................................................................................ 7 Figura 4 Estructura del transistor bipolar: Emisor (E), Base (B) y Colector (C) ............................. 8 Figura 5 Símbolo de un BJT NPN ................................................................................................... 9 Figura 6 Símbolo de un PNP ........................................................................................................ 10 Figura 7 Polarización directa de una unión PN. Se aprecia que se produce conducción. ........... 12 Figura 8 Polarización inversa de una región PN. No existe conducción...................................... 13 Figura 9 Estructura y uso de un transistor NPN. ......................................................................... 14 Figura 10 Modos de funcionamiento de un transistor bipolar ................................................... 16 Figura 11 Puerta NAND, con tecnología TTL ............................................................................... 17 Figura 12 Modelo Ebbers-Moll para un transistor NPN. ............................................................. 20



TAREA 1-2: CIRCUITOS INTEGRADOS BIPOLARES 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS En este proyecto profundizaremos sobre las características básicas de la tecnología para la elaboración de circuitos integrados bipolares. Estudiaremos su estructura, su funcionamiento, sus parámetros y características básicas, así como las aplicaciones para las que son utilizados en los Sistemas Industriales. En primer lugar nos detendremos en la estructura formal de dichos circuitos definiendo la estructura básica del transistor bipolar (conocido por BJT), ya que se trata de su pilar fundamental. También definiremos lo que es una estructura PN sobre la cual los transistores bipolares son creados. También entraremos en la tecnología más importante, dentro de la familia bipolar, para la construcción de circuitos integrados, esta es la tecnología TTL. En segundo lugar explicaremos el principio de funcionamiento de las tres familias antes descritas, la estructura PN, el transistor bipolar y la familia TTL. Seguiremos profundizando en los parámetros que definen esta tecnología, y en como al modificarlos, varía el comportamiento de los circuitos. Para finalizar, explicaremos dónde y para qué son utilizados los circuitos integrados bipolares en los Sistemas Industriales. 2. CONTENIDO 2.1 APARTADO 1: Estructura de los circuitos BIPOLARES

Los circuitos integrados bipolares, hoy en día en claro retroceso en

cuanto a su aplicación en el campo de la electrónica digital, pero que gozaron de gran aceptación décadas para la elaboración de circuitos tanto integrados como discretos, tienen como elemento fundamental el transistor bipolar, del cual surge la tecnología TTL que es la más importante para la elaboración de circuitos integrales digitales.

En primer lugar examinaremos lo que es una unión PN, ya que un transistor bipolar está constituido por una doble unión PN constituyendo el ingenio tecnológico básico de toda la tecnología bipolar.

2.1.1 La Unión PN



Una unión PN es la estructura fundamental de componentes electrónicos semiconductores como los diodos o los transistores BJT. Esta estructura está formada por la unión de dos cristales semiconductores (generalmente de silicio aunque también se utilizan otros componentes como el germanio) con dopajes P y N. Estos materiales se obtienen al añadir impurezas al cristal puro de forma intencionada. Ya sea con algún metal o con algún compuesto químico.

Figura 1 Unión PN

El cristal de silicio puro es conocido como silicio intrínseco. Los cristales de Silicio están formados a nivel atómico por una malla cristalina de enlaces covalentes que se producen gracias a los 4 electrones de valencia del átomo. Debido o bien por el efecto de la temperatura, o por efecto de la luz, se propicia el hecho de que un electrón deje la capa de valencia y se convierta en electrón libre. A este fenómeno se le conoce como par electrón-hueco. En un semiconductor puro (intrínseco) se da la circunstancia que a temperatura constante, el número de huecos es igual al de electrones libres. Semiconductor "extrínseco" tipo "P"

Un semiconductor de tipo P se consigue mediante lo que se conoce como proceso de dopaje. El dopaje consiste en la sustitución de átomos de semiconductor intrínseco por átomos de algún elemento o compuesto con un número menor de electrones de valencia que los del producto anfitrión. Normalmente se utilizan átomos con 3 electrones de valencia como en el caso del boro. De este modo se consigue aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso de carácter positivo debido a la mayor cantidad de huecos).

Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como impurezas aceptoras.

El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, una impureza trivalente deja un enlace covalente incompleto, haciendo que, por difusión, uno de los átomos vecinos le ceda un



electrón completando así sus cuatro enlaces. Así los dopantes crean los "huecos". Cada hueco está asociado con un ion cercano cargado negativamente, por lo que el semiconductor se mantiene eléctricamente neutro en general. No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado por un electrón. Por esta razón un hueco se comporta como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules, que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural. Semiconductor "extrínseco" tipo "N"

Un Semiconductor tipo N se consigue añadiendo un agente dopante en este caso pentavalente, esto quiere decir con un electrón más en la capa de valencia que el que tiene el material semiconductor. De este modo se consigue aumentar el número de portadores de carga libres como en el caso anterior, pero en este caso son de carácter negativo debido a la mayor cantidad de electrones libres.

Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como impurezas donantes ya que cede uno de sus electrones al semiconductor.

El propósito del dopaje tipo N es el de producir abundancia de electrones libres en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo N considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo VA de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de electrones libres, el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donantes. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el



material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.

Barrera interna de potencial

Al generar una unión PN se produce una difusión de electrones del

cristal n hacia el cristal p. Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe diferentes denominaciones como barrera interna de potencial, zona de carga espacial, de agotamiento o empobrecimiento, de deplexión, de vaciado, etc.

Figura 2 Formación de la zona de la barrera interna de potencial

A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.

Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V si los cristales son de germanio.

http://es.wikipedia.org/wiki/Voltios



La anchura de la zona de carga espacial una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.

2.1.2 El transistor Bipolar El transistor de unión bipolar (Bipolar Junction Transistor, o BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja. 2.1.2.1 Breve historia del transistor bipolar

El transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE.

UU. en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física por su hallazgo en 1956. Fue el sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos, o tríodo.

Figura 3 Transistor bipolar

A pesar de que el transistor de efecto de campo fue descubierto más de 15 años antes, no se les encontró una aplicación, ni tampoco se disponía de la tecnología necesaria para fabricarlos en masa. Por esta razón, durante tres décadas los transistores bipolares gozaron de mayor popularidad que los



transistores de efecto de campo en el diseño de circuitos digitales, tanto discretos como integrados.

La aparición de los transistores MOSFET que permiten un diseño extremadamente compacto, propiciaron el declive de los transistores bipolares en el diseño de circuitos integrados digitales.

Hoy en día la mayoría de circuitos integrados se construyen con tecnología CMOS compuesta por transistores MOSFET complementarios.

No obstante, los transistores bipolares gozan de gran popularidad en el campo de la electrónica analógica, donde son los elementos más populares.

2.1.2.2 Estructura del Transistor de Unión Bipolar El transistor de unión bipolar está formado por tres regiones dopadas. Estas regiones reciben el nombre de emisor, base y colector. Estas regiones varían su dopaje dependiendo del tipo de transistor que se presente. En un transistor NPN, el emisor será de tipo n, la base lo será de tipo p y el colector de tipo n, y en un transistor tipo PNP lo serán en sentido contrario. Cada región del semiconductor se conecta a un terminal que recibirá el mismo nombre que la región a la que está conectado.

Figura 4 Estructura del transistor bipolar: Emisor (E), Base (B) y Colector (C)

Un transistor de unión bipolar está formado por dos uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:

- El Emisor está formado por una zona fuertemente dopada que se comporta como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga.

- La Base es la región intermedia, que separa las otras dos zonas, se caracteriza por ser muy estrecha así como poseer un dopaje ligero de sentido contrario al de las otras dos regiones, y por poseer una alta resistividad.



- El Colector que es la zona de mayor extensión, posee el mismo tipo de dopaje que el Emisor aunque suele presentar un dopaje más débil. Es la zona que rodea a las otras dos, haciendo casi imposible para las cargas inyectadas en la región de la base escapar de ser colectados. El transistor bipolar, generalmente no es un dispositivo simétrico. Esto

quiere decir que si se intercambia la polaridad del colector y del emisor el transistor deja de funcionar en modo activo para funcionar en modo inverso. Esto es debido a que la estructura interna está normalmente preparada para funcionar en modo activo, presentando una diferencia de dopaje en el colector y el emisor. Generalmente el emisor está altamente dopado mientras que el colector solamente lo está ligeramente. La razón de que el emisor esté mucho más dopado es para aumentar la eficiencia de inyección de portadores del emisor: la tasa de portadores inyectados por el emisor en relación con aquellos inyectados por la base. Para una gran ganancia de corriente, la mayoría de los portadores inyectados en la unión base-emisor deben provenir del emisor.

Los primeros transistores fueron fabricados de germanio, pero la mayoría de los BJT modernos están compuestos de silicio. Actualmente, una pequeña parte de éstos (los transistores bipolares de heterojuntura) están hechos de arseniuro de galio, especialmente utilizados en aplicaciones de alta velocidad. Tipos de Transistor de Unión Bipolar NPN

NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.

Los transistores NPN consisten en una capa de material

semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector.

Figura 5 Símbolo de un BJT NPN

http://es.wikipedia.org/wiki/Dopaje_(semiconductores)




La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.. PNP

El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias. os transistores PNP consisten en una

capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.

La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo. 2.1.3 La tecnología TTL

TTL son las siglas en inglés de transistor-transistor logic, es decir,

“lógica de transistor a transistor”. La tecnología TTL es una familia lógica, lo quiere decir que es una tecnología de construcción de circuitos electrónicos digitales. El elemento básico de construcción de los componentes fabricados con esta tecnología, son transistores bipolares. Esto quiere decir que los elementos de entrada y salida del dispositivo son transistores bipolares. 2.1.3.1 Reseña Histórica

Aunque la tecnología TTL tiene su origen en los estudios de Sylvania, fue Signetics la compañía que la popularizó por su mayor velocidad e inmunidad al ruido que su predecesora DTL, ofrecida por Fairchild Semiconductor y Texas Instruments, principalmente. Texas Instruments inmediatamente pasó a fabricar TTL, con su familia 74xx que se convertiría en un estándar de la industria.

Figura 6 Símbolo de un PNP

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Corriente_convencional&action=edit&redlink=1





2.1.3.2 Estructura de los circuitos TTL

La tecnología TTL se caracteriza por tener tres etapas, siendo la primera la que le nombra:

- Etapa de entrada por emisor. Se utiliza un transistor con emisor múltiple en lugar de una matriz de diodos como se utiliza en la tecnología DTL.

- Separador de fase. Es un transistor conectado en emisor común que produce en su colector y emisor señales en contrafase.

- Driver. Está formada por varios transistores, separados en dos grupos. El primero va conectado al emisor del separador de fase y drenan la corriente para producir el nivel bajo a la salida. El segundo grupo va conectado al colector del divisor de fase y produce el nivel alto. Esta configuración general varía ligeramente entre dispositivos de cada

familia, principalmente la etapa de salida, que depende de si son búferes o no y si son de colector abierto, tres estados (ThreeState), etc. Se presentan mayores variaciones entre las distintas familias: 74N, 74L y 74H que difieren principalmente en el valor de las resistencias de polarización, pero los 74LS (y no 74S) carecen del transistor multiemisor característico de TTL. En su lugar llevan una matriz de diodos Schottky (como en la tecnología DTL). Esto les permite aceptar un margen más amplio de tensiones de entrada, hasta 15V en algunos dispositivos, para facilitar su interfaz con la tecnología CMOS. También es bastante común, en circuitos conectados a buses, colocar un transistor PNP a la entrada de cada línea para disminuir la corriente de entrada y así cargar menos el bus. Existen dispositivos de interfaz que integran impedancias de adaptación al bus para disminuir las reflexiones o aumentar la velocidad. 2.2 APARTADO 2: Principio de funcionamiento de los circuitos Bipolares 2.2.1 Funcionamiento de la unión PN

Una unión PN puede operar de dos modos diferentes: polarización directa de la unión o en polarización inversa. Polarización directa de la unión PN



En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.

Figura 7 Polarización directa de una unión PN. Se aprecia que se produce conducción.

Se produce cuando se conecta el polo positivo de la pila a la parte P de la unión PN y la negativa a la N. En estas condiciones podemos observar que:

- El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión PN.

- El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión PN.

- Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión PN.

- Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.

http://es.wikipedia.org/wiki/Barrera_de_potencial



De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final. Polarización inversa de la unión PN

En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:

Figura 8 Polarización inversa de una región PN. No existe conducción.

- El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.

- El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos solo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el



denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.

- Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería. En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin

embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fuga la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fugas es despreciable. 2.2.2 Funcionamiento del transistor bipolar

En una configuración normal, la unión emisor-base se polariza en

directa y la unión base-colector en inversa. Debido a la agitación térmica los portadores de carga del emisor pueden atravesar la barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez, prácticamente todos los portadores que llegaron son impulsados por el campo eléctrico que existe entre la base y el colector.

Un transistor NPN puede ser

considerado como dos diodos con la región del ánodo compartida. En una operación típica, la unión base-emisor está polarizada en directa y la unión base-colector está polarizada en inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando una tensión positiva es

Figura 9 Estructura y uso de un transistor NPN.



aplicada en la unión base-emisor, el equilibrio entre los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la región agotada se desequilibra, permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse en la región de la base. Estos electrones "vagan" a través de la base, desde la región de alta concentración cercana al emisor hasta la región de baja concentración cercana al colector. Estos electrones en la base son llamados portadores minoritarios debido a que la base está dopada con material P, los cuales generan "huecos" como portadores mayoritarios en la base.

La región de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para que los portadores puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vida útil del portador minoritario del semiconductor, para minimizar el porcentaje de portadores que se recombinan antes de alcanzar la unión base-colector. El espesor de la base debe ser menor al ancho de difusión de los electrones.

Control de tensión, carga y corriente

La corriente colector-emisor puede ser vista como controlada por la corriente base-emisor (control de corriente), o por la tensión base-emisor (control de voltaje). Esto es debido a la relación tensión-corriente de la unión base-emisor, la cual es la curva tensión-corriente exponencial usual de una unión PN (es decir, la de un diodo).

En el diseño de circuitos analógicos, el control de corriente es utilizado debido a que es aproximadamente lineal. Esto significa que la corriente de colector es aproximadamente β veces la corriente de la base. Algunos circuitos pueden ser diseñados asumiendo que la tensión base-emisor es aproximadamente constante, y que la corriente de colector es β veces la corriente de la base. No obstante, para diseñar circuitos utilizando BJT con precisión y confiabilidad, se requiere el uso de modelos matemáticos del transistor como el modelo Ebers-Moll. Regiones operativas del transistor

Los transistores de unión bipolar tienen diferentes regiones operativas, definidas principalmente por la forma en que son polarizados:

- Región activa: corriente del emisor = (β + 1)·Ib ; corriente del colector= β·Ib Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región


http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo

http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_uni%C3%B3n_bipolar#El_modelo_Ebers-Moll



activa. En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de β (ganancia de corriente, es un dato del fabricante) y de las resistencias que se encuentren conectadas en el colector y emisor. Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador de señal.

- Región inversa: Al invertir las condiciones de polaridad del funcionamiento en modo activo, el transistor bipolar entra en funcionamiento en modo inverso. En este modo, las regiones del colector y emisor intercambian roles. Debido a que la mayoría de los BJT son diseñados para maximizar la ganancia de corriente en modo activo, el parámetro beta en modo inverso es drásticamente menor al presente en modo activo.

- Región de corte: Un transistor está en corte cuando: corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0) En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0) De forma simplificada, se puede decir que el la unión CE se comporta como un circuito abierto, ya que la corriente que lo atraviesa es cero.

- Región de saturación: Un transistor está saturado cuando: corriente de colector ≈ corriente de emisor = corriente máxima, (Ic ≈ Ie = Imax) En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos, ver Ley de Ohm. Se presenta cuando la diferencia de potencial entre el colector y el emisor desciende por debajo del valor umbral VCE,sat. Cuando el transistor esta en saturación, la relación lineal de amplificación Ic=β·Ib (y por ende, la relación Ie=(β+1)·Ib) no se cumple. De forma simplificada, se puede decir que la unión CE se comporta como un cable, ya que la diferencia de potencial entre C y E es muy próxima a cero.

Figura 10 Modos de funcionamiento de un transistor bipolar

http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Ohm

http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Ohm



Como se puede ver, la región activa es útil para la electrónica analógica (especialmente útil para amplificación de señal) y las regiones de corte y saturación, para la electrónica digital, representando el estado lógico alto y bajo, respectivamente.

2.2.3 Funcionamiento de la tecnología TTL

La tecnología TTL basa su funcionamiento en transistores bipolares, de este modo su principio de funcionamiento es el mismo que el de los BJT, ahora bien, la tecnología TTL es una familia lógica, y utiliza dichos transistores para elaborar funciones lógicas, para mostrar el funcionamiento de la tecnología TTL, explicaremos el funcionamiento de una puerta NAND diseñada con esta tecnología.

Figura 11 Puerta NAND, con tecnología TTL

Las señales de entrada de la puerta TTL son los emisores comunes de un transistor con emisor múltiple. Esta estructura de circuito integrado es funcionalmente equivalente a múltiples transistores en los que las bases y los colectores están conectados conjuntamente. El output está amortiguada por un amplificador de emisor común.

- Caso en el que ambos inputs equivalen a un uno lógico. Cuando todos los inputs poseen una señal positiva (1 LÓGICO), las uniones base emisor del transistor de emisor múltiple permanecen operando inversamente. A diferencia de en la lógica DTL, una pequeña corriente del colector (aproximadamente de 10µA) es emitida por cada uno de los inputs. Esto se debe a que el transistor está activo en modo inverso. Una corriente aproximadamente constante fluye desde la



alimentación positiva, a través de la resistencia hacia la base del transistor de emisor múltiple. Esta corriente pasa a través de la unión base-emisor del transistor de salida, permitiéndole conducir y llevando el voltaje de salida a la zona inferior (0 lógico).

- Una entrada con un 0 lógico. Hay que tener en cuenta que la unión base-colector del transistor de emisor múltiple y la unión base-emisor del transistor de salida están conectadas en serie entre la parte inferior de la resistencia y tierra. Si una de las señales de entrada se convierte en 0, la correspondiente unión base-emisor del transistor de emisor múltiple resultará conectada en paralelo con estas dos uniones. Un fenómeno conocido como steering current ocurre, esto quiere decir que cuando dos elementos con voltaje estable y con diferentes tensiones de umbral están conectados en paralelo, la corriente fluye a través de la base con menor tensión de umbral. Como resultado, no existe corriente que fluya a través de la base del transistor de salida, hecho que causa la parada de conducción convirtiendo así la señal de salida en un 1 lógico. Durante la transición el transistor de entrada permanece brevemente en su región activa, así transmite una gran corriente desde la base del transistor de salida y así descarga rápidamente su base. Esta es una ventaja crítica de la familia lógica TTL sobre otras familias lógicas ya que incrementa la velocidad de transición. La principal desventaja de un circuito TTL con etapa de salida simple

es la resistencia de salida relativamente alta en la señal de salida de “1”, que está completamente determinada por la resistencia ubicada entre el colector y la salida. Esto limita el número de inputs que pueden ser conectados. El voltaje elevado de la salida lógica “1” supone una ventaja cuando la salida no está cargada.

Lógica de este tipo se encuentra la mayoría de las veces con la resistencia del colector del transistor de salida omitida, generando una salida con colector abierto. Esto permite al diseñador fabricar un circuito lógico conectando el colector abierto del output de diferentes puertas lógicas juntas y así utilizar una única resistencia pull-up de salida. Si alguna de las puertas pasa a ser un “0” lógico, el transistor conduce, la señal de salida combinada pasará a ser un “0”. Ejemplos de este tipo de puerta son las series 7401 y 7403.

2.3 APARTADO 3: Parámetros fundamentales de los circuitos bipolares



Como la tecnología TTL basa su funcionamiento en el transistor bipolar, los parámetros que definen su funcionamiento serán los parámetros básicos del transistor bipolar así será el único elemento tratado en este apartado. 2.3.1 Parámetros fundamentales del transistor bipolar

Un transistor bipolar puede ser utilizado como fuente de intensidad controlada por intensidad, o bien como fuente de intensidad controlada por tensión. Para obtener un modelo de su funcionamiento explicaremos el modelo Ebers-Moll de funcionamiento del transistor bipolar. Antes de entrar a explicar dicho modelo, explicaremos dos de los parámetros más importantes de un transistor bipolar que son el parámetro Alfa y el parámetro Beta. El Alfa y Beta del transistor

Una forma de medir la eficiencia del BJT es a través de la proporción de electrones capaces de cruzar la base y alcanzar el colector. El alto dopaje de la región del emisor y el bajo dopaje de la región de la base pueden causar que muchos más electrones sean inyectados desde el emisor hacia la base que huecos desde la base hacia el emisor. La ganancia de corriente emisor común está representada por o por hfe. Esto es aproximadamente la tasa de corriente continua de colector a la corriente continua de la base en la región activa directa y es típicamente mayor a 100. Otro parámetro importante es la ganancia de corriente base común, . La ganancia de corriente base común es aproximadamente la ganancia de corriente desde emisor a colector en la región activa directa. Esta tasa usualmente tiene un valor cercano a la unidad; que oscila entre 0.98 y 0.998. El Alfa y Beta están más precisamente determinados por las siguientes relaciones (para un transistor NPN):

2.3.2 Modelado del transistor bipolar




Un transistor bipolar puede ser modelado como dos diodos que comparten la región

El modelo Ebers-Moll

Las corrientes continuas en el emisor y el colector en modo activo de operación son bien representadas por la siguiente aproximación:

La corriente interna de la base se produce principalmente por difusión y se representa por:

Dónde:

- es la corriente de emisor. - es la corriente de colector. - es la ganancia de corriente directa en configuración base común.

(de 0.98 a 0.998) - es la corriente de saturación inversa del diodo base-emisor (en el

orden de 10−15 a 10−12 amperios) - es el voltaje térmico (aproximadamente 26 mV a temperatura

ambiente ≈ 300 K). - es la tensión base emisor. - W es el ancho de la base.

Figura 12 Modelo Ebbers-Moll para un transistor NPN.



Las ecuaciones de Ebers-Moll sin aproximar son utilizadas para describir las tres corrientes en cualquier región de operación del transistor. Estas ecuaciones están basadas en el modelo de transporte de un transistor de unión bipolar.

Dónde:

- es la corriente de colector. - es la corriente de base. - es la corriente de emisor. - es la ganancia activa en emisor común (de 20 a 500) - es la ganancia inversa en emisor común (de 0 a 20) - es la corriente de saturación inversa (en el orden de 10−15 a

10−12 amperios) - es el voltaje térmico (aproximadamente 26 mV a temperatura

ambiente ≈ 300 K). - es la tensión base-emisor. - es la tensión base-colector.

2.4 APARTADO 4: Características de los CI bipolares

Los circuitos integrados bipolares son históricamente los primeros circuitos integrados monolíticos. Han ido perdiendo gradualmente su liderazgo a favor de los circuitos integrados MOS básicamente por sus desventajas, relacionadas con su baja densidad de integración. Esto es válido especialmente para los circuitos integrales digitales, donde hoy en día tienen baja presencia (principalmente en circuitos de respuesta rápida). En las técnicas analógicas los circuitos integrados bipolares todavía mantienen una presencia significativa, aunque en los últimos años los CI MOS han experimentado una expansión en este campo también.

Su uso como circuitos analógicos integrales es debido al hecho de que las estructuras bipolares en su naturaleza física se adaptan mejor al procesado de señales digitales ya que tienen buenas propiedades de amplificación, son controlados por corriente, pueden operar a altos voltajes,



tienen baja resistencia, y ofrecen la posibilidad de realizar diversas funciones en las etapas de procesamiento de señales. 2.4.1 Vulnerabilidades más importantes del transistor bipolar

Los transistores bipolares además de ciertas ventajas, poseen una serie de vulnerabilidades que los convierte en dispositivos delicados.

La primera vulnerabilidad que encontramos es la debida a la exposición de un BJT a radiación ionizante. Este hecho causa daños debidos a la radiación. La radiación causa la aparición de defectos en la región de la base dichos defectos actuarán a modo de centro de recombinación. Este hecho tendrá como resultado la reducción del tiempo de vida de los portadores minoritarios, que tenderán a recombinarse, con la consiguiente pérdida gradual de ganancia del transistor.

Los BJT de potencia son objeto de un modo de fallo llamado ruptura secundaria en el cual el exceso de corriente así como las imperfecciones naturales del silicio originan que existan porciones de silicio dentro del dispositivo que poseen un calor desproporcionado en comparación con otras. El silicio dopado posee un coeficiente de temperatura negativo, lo que quiere decir que conduce más corriente a altas temperaturas. Así, la parte más caliente conducirá más corriente, causando un incremento en su conductividad lo que se traduce en un nuevo incremento de la temperatura, dicho ciclo vicioso no se para hasta que el dispositivo falla internamente. Este proceso una vez iniciado, ocurre prácticamente instantáneamente y puede causar daños catastróficos en el envoltorio del transistor.

Por último, si la unión base-emisor opera de forma inversa en modo Avalanche o Zener y la corriente fluye por un corto periodo de tiempo, la ganancia d corriente del BJT se degradará permanentemente. 2.4.2 Características de la familia TTL

Las características más importantes de la familia lógica TTL son las siguientes:

- Su tensión de alimentación característica se halla comprendida entre los 4,75V y los 5,25V (como se ve, un rango muy estrecho). Normalmente TTL trabaja con 5V.

- Los niveles lógicos vienen definidos por el rango de tensión comprendida entre 0,0V y 0,8V para el estado L (bajo) y los 2,4V y Vcc para el estado H (alto).



- La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor base, si bien esta característica le hace aumentar su consumo siendo su mayor enemigo. Motivo por el cual han aparecido diferentes versiones de TTL como FAST, LS, S, etc y últimamente los CMOS: HC, HCT y HCTLS. En algunos casos puede alcanzar poco más de los 250 MHz.

- Las señales de salida TTL se degradan rápidamente si no se transmiten a través de circuitos adicionales de transmisión (de hecho no pueden viajar más de 2 m por cable sin obtener graves pérdidas).

2.5 APARTADO 5: Aplicaciones de los CI bipolares en los Sistemas Industriales 2.1.3 Aplicaciones del transistor bipolar

Los BJT continúa siendo un dispositivo muy utilizado en algunas aplicaciones, como en el diseño de circuitos discretos, debido a la gran variedad de tipos de BJT disponibles, así como por su gran transconductancia y resistencia de salida comparándolos con los MOSFET. Los BJT también son muy demandados para la creación de circuitos analógicos, especialmente para aplicaciones de muy alta frecuencia, como radiofrecuencia circuitos para sistemas inalámbricos. Así mismo los transistores bipolares pueden ser combinados con transistores MOSFET en circuitos integrados usando la tecnología BiCMOS que aúna las ventajas de los dos tipos de transistores.

Las aplicaciones más importantes del transistor bipolar son para la elaboración de amplificadores, ya que en la región activa se pueden conseguir factores elevados de ganancia con una relación prácticamente lineal.

Otra aplicación que se le da a los BJT es la de sensores de temperatura. Esto es debido a que existe una relación de dependencia entre la corriente base-emisor en modo directo y la temperatura. De este modo el BJT puede ser usado para medir temperatura diferenciando dos voltajes en dos corrientes diferentes de operación en un radio conocido.

Los transistores bipolares también son utilizados como convertidores logarítmicos, ya que la tensión base-emisor varia con el logaritmo de la corriente base-emisor y la corriente colector-emisor se pueden emplear los transistores bipolares para computar logaritmos y antilogaritmos. Proporcionando más flexibilidad que la que proporciona un diodo a la hora de modelar funciones no lineales.



2.1.3 Aplicaciones de la tecnología TTL

Antes de la llegada de los dispositivos VLSI, los circuitos integrados TTL constituían el método estándar de construcción de procesadores de minicomputadores y de procesadores mainframe, como los DEC VAX y Data General Eclipse, así como para la elaboración de equipamiento como el control numérico de maquinaria, impresoras, y terminales de video. Tan pronto como los microprocesadores se convirtieron en más funcionales, los dispositivos TTL ganaron importancia para las aplicaciones de transición, como para los bus de los drivers en una placa base, dónde conecta varios bloques realizados con elementos VLSI.

Mientras que originalmente fueron diseñados para manejar señales de lógica digital, el inversor TTL puede ser utilizado como amplificador analógico. Conectando un resistor entre los terminales de salida y de entrada se origina un amplificador de realimentación negativa. Como amplificadores pueden ser útiles para convertir señales analógicas al dominio digital pero no sería su forma de utilización ordinaria allí dónde la amplificación analógica es el objetivo principal. 3. CONCLUSIONES

Durante la realización de esta tarea, hemos ahondado en la tecnología bipolar, y en cómo se utiliza para la elaboración de circuitos integrales. A pesar de ser el tipo de transistor más utilizado en la primera era de la electrónica, y por lo tanto los más utilizados a la hora de realizar circuitos tanto discretos como integrados, en las últimas décadas el uso de esta tecnología ha ido decreciendo hasta convertirse en una tecnología minoritaria dentro de la electrónica digital, donde abunda el uso de los circuitos integrados MOS.

No obstante su uso en el campo de la electrónica analógica sigue siendo importante debido a determinadas propiedades, como son la gran amplificador de señal, el operar con corrientes en vez de con tensiones, caso especialmente útil en la electrónica analógica, o su velocidad de reacción en comparación con otras tecnologías.

A pesar de no tener gran importancia en el mundo digital, la familia lógica TTL basada en transistores bipolares posee utilidad en ciertos campos, como son para la elaboración de dispositivos de transición como en la creación de los buses de los drivers en una placa base, dónde conecta varios bloques realizados con elementos VLSI



Si bien no poseen la importancia de los CI-MOS, todavía su uso está ampliamente extendido y los convierte en elementos de gran importancia y motivo de estudio y desarrollo.

4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS [1] http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_uni%C3%B3n_bipolar [2] http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Transistor%E2%80%93transistor_logic [4] http://es.wikipedia.org/wiki/Tecnolog%C3%ADa_TTL [5] http://www.unicrom.com/Tut_caracteristicas_transistor_bipolar.asp [6] http://es.wikipedia.org/wiki/Uni%C3%B3n_PN [7] http://www.youtube.com/watch?v=PSdHf6yozyc 5. ENLACES DE INTERÉS [1] http://www.youtube.com/watch?v=FvdgxOAjJ_U [2] http://www.youtube.com/watch?v=9CrcRabTQ0s

http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_uni%C3%B3n_bipolar

http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor

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http://www.unicrom.com/Tut_caracteristicas_transistor_bipolar.asp

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http://www.youtube.com/watch?v=FvdgxOAjJ_U

http://www.youtube.com/watch?v=9CrcRabTQ0s

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MASTER DEGREE: Industrial Systems Engineering · 2013-11-16 · átomo. Debido o bien por el efecto de la temperatura, o por efecto de la luz, se propicia el hecho de que un electrón