Tema 7:

“El TRANSISTOR

BIPOLAR - TBJ”

Tema 7:

“El TRANSISTOR

BIPOLAR - TBJ”

EL

EC

TR

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ICA

I-F

AC

ET

-U

NT

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TRANSISTOR - HISTORIA TEMA 7

El desarrollo de la electrónica y de sus múltiples aplicaciones fue posible gracias a la invención del transistor, ya que este superó ampliamente las dificultades que presentaban sus antecesores, las válvulas. Las válvulas fueron inventadas a principios del siglo XX. Fueron aplicadas exitosamente en telefonía como amplificadores y posteriormente popularizadas en radios y televisores. Transistor y Válvula

Con válvulas se construyó ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Computer) en 1945, equipo destinado a resolver cálculos durante la segunda guerra mundial. ENIAC tenía cerca de 18.000 válvulas 1.500 relays y otros componentes electrónicos. Podía sumar 5000 números o hacer 14 productos de cifras de 10 dígitos en un segundo.

� 1947: Laboratorios Bell: Bardeen, Bratain y Shockley inventan eltransistor de silicio. Premio Nobel 1956.

� Los amplificadores operacionales y otros C.I. pueden contener variascentenas de transistores, cada uno de ellos con misiones diferentes:

� Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los enseresdomésticos de uso diario.

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TRANSÍSTOR- CONCEPTO TEMA 7� El transistor es un dispositivo electrónico de estado solido,

semiconductor

� Tienen tres terminales: Emisor, Base y Colector

� El término transistor resultados de la contracción en Inglés de dos palabras: transferencia + resistor (resistencia de Transferencia).

� Se denominan bipolares porque su funcionamiento depende del flujo dedos tipos de portadores de carga: electrones y “huecos”.

Principales Aplicaciones

Un transistor bipolar puede ser utilizado como:

� Llave/ Interruptor electrónico.

� Amplificador de señales.

� Oscilador, para generar señales.

� Etc, etc....

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TBJ - CLASIFICACIÓN TEMA 7

Los transistores bipolares se clasifican de la siguiente manera:

1.- Por la disposición de sus capas

- Transistores PNP

- Transistores NPN

2.- Por el material semiconductor empleado

- Transistores de Silicio

- Transistores de Germanio

3.- Por la disipación de Potencia

- Transistores de baja potencia

-Transistores de mediana potencia

- Transistores de alta potencia

4.- Por la frecuencia de trabajo

- Transistores de baja frecuencia

- Transistores de alta frecuencia

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TRANSÍSTOR BIPOLAR TEMA 7� El TBJ se construye con tres regiones semiconductoras separadas por dos

uniones P-N yuxtapuestas que se interrelacionan entre sí. Las regiones sellaman Emisor, Base y Colector.

� La capa del emisor está fuertemente dopada. La del colector ligeramentedopada. La de la base muy poco dopada, además más delgada.

� Existen dos tipos de transistores bipolares según su estructura:Transistores bipolares NPN y Transistores bipolares PNP

La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la característica de la base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen diferente contaminación entre ellas.

N - material semiconductor con electrones libres en exceso (cargas negativas)P - material semiconductor con huecos excesivos (cargas positivas)

Símbolo EL

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TRANSÍSTOR BIPOLAR TEMA 7

� Un transistor es similar a dos diodos, el transistor tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y la otra entre la base y el colector denominados: "Diodo de emisor" (DE) y "Diodo de colector" (DC).

� La diferencia entre que sea un transistor y no dos diodos son:

�1.- La región de Base es muy estrecha y está ligeramente dopada (fundamental para que sea TBJ).

�2.- El Emisor está fuertemente dopado.

�3.- Normalmente, el Colector está moderadamente dopado y es mucho mayor.

� Un modelo mas completo, ya que contempla mayor numero de variables, es el modelo de Ebbers y Moll

N+P

N-

C

EBASPECTO MAS REAL DE UN

TRANSISTOR BIPOLAR

¡¡¡ IMPORTANTE !!!No es un dispositivo simétrico

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TRANSÍSTOR BIPOLAR TEMA 7

Punta Roja Punta negra PNP: medida del óhmetro NPN: Medida del óhmetro

Colector Emisor Alta resistencia Alta resistencia

Emisor Colector Alta resistencia Alta resistencia

Emisor Base Baja resistencia Alta resistencia

Base Emisor Alta resistencia Baja resistencia

Base Colector Alta resistencia Baja resistencia

Colector Base Baja resistencia Alta resistencia

Identificación de un transistor con un multímetro

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HOJA DE DATOS TEMA 7E

LE

CT

RO

NIC

A I-

FAC

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UN

T

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CODIFICACION TEMA 7

Los transistores tienen un código de identificación que en algunos casos especifica la función que cumple y en otros casos indica su fabricación.Pese a la diversidad de transistores, se distinguen tres grandes grupos: Europeos, Japoneses y Americanos.

CODIFICACION AMERICANA

Anteriormente los transistores americanos empezaban su codificación con el prefijo 2N y a continuación un número que indicaba la serie de fabricación. Ejemplo 2N3055, 2N2924, etc.

Actualmente, cada fábrica le antepone su propio prefijo, así se tiene por ejemplo : TI1411, ECG128, etc. que corresponden respectivamente a TEXAS INSTRUMENTS Y SYLVANIA.

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CODIFICACION TEMA 7

Primera letra

Segunda Letra Número de serie

A: Germanio

B: Silicio

A : Diodo (excepto los diodos túnel)B : Transistor de baja potenciaC: transistor, AF, pequeña señalD : Transistor AF de potenciaE : Diodo túnel de potenciaF : Transistor de alta frecuenciaL : Transistor de alta frecuencia y potenciaP : Foto – semiconductorS : Transistor para conmutaciónU : Transistor para conmutación y de potenciaY : Diodos de potenciaZ : Diodo Zener

100 – 999 : Para equipos domésticos tales como radio, TV, amplificadores, grabadoras, etc.10 – 99 y la letra X, Y o Z : Para aplicaciones especiales.

CODIFICACION EUROPEA

Ejemplo : AD149, es un transistor de potencia , de germanio y sus aplicaciones son de baja frecuencia.

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CODIFICACION TEMA 7

CODIFICACION JAPONESA dígito, dos letras, número de serie, [sufijo]

Primero Segundo Tercero Cuarto Quinto

0 (cero) : Foto transistor o fotodiodo1 : Diodos2 : Transistor

S : Semiconductor

A: Transistor PNP HF B: Transistor PNP AFC: Transistor NPN HF D: Transistor NPN AFE: Diodos F: TiristoresG: Dispositivos de disparo H: UJTJ: FET/MOSFET de canal-p K: FET/MOSFET Canal -N M: TriacQ: LEDR: Rectificadores S: Diodos de señalT: Diodos avalancha V: VaricapsZ: Diodos zener

Número de serie : comienza a partir del número 11

Indica un transistor mejor que el anterior

Ejemplo: Es un transistor PNP de RF con mejores características técnicas que el 2SA186.

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TBJ- CARACTERÍSTICAS COMUNES TEMA 7

ConfiguracionesEC: el emisor es el terminal comúnCC: el colector es el terminal comúnBC: la base es el terminal común

Tres terminales: Entrada, Salida y Común.

•Dos de los tres terminales actúan como terminales de entrada(control).

•Dos de los tres terminales actúan como terminales de salida.

•Un terminal es común a entrada y salida.

•La potencia consumida en la entrada es menor que la entregada en la salida.

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•Dispositivo de tres terminales.

TBJ- CONFIGURACIONES TEMA 7

•La tensión entre los terminales de entrada determina el comportamientoeléctrico de la salida.•Según el modo de trabajo, la salida se comporta como:

•Fuente de corriente controlada (zona lineal o activa).• Llave cerrada o cortocircuito (saturación).• Llave abierta o Circuito abierto (corte).

� Tiene 3 modos de trabajo u operación: Corte, Saturación y Activo.

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� Configuraciones:.

TBJ- CURVAS CARACTERÍSTICAS EC TEMA 7

Una manera de estudiar el funcionamiento del dispositivo es mediante las gráficas i-v de entrada y de salida.

El transistor puede describirse mediante dos curvas características: una de entrada, una de salida

Para ello se deberá considerar las distintas configuraciones, dadas según el terminal que se tome como terminal común:

Entrada: iB vs VBC

Salida: iE vs VEC

Entrada: iE vs VEB

Salida: iC vs VCB

Entrada: iB vs VBE

Salida: iC vs VCE

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TBJ- CURVAS CARACTERÍSTICAS EC TEMA 7Para iniciar un flujo apropiado de corriente entre la entrada y la salida es necesario “polarizar” el TBJ.

Polarizar significa alimentar con tensiones de continua externas al dispositivo en la entrada y en la salida.

Para obtener las curvas de entrada y de salida, se debe polarizar y hacer variar las tensiones y corrientes.

En la figura para polarizar se usan dos fuentes de alimentación de continua VBB y VCC. Esta configuración no se usa en la práctica, ya que los circuitos de polarización real usan una sola fuente

Se deberá considerar las distintas configuraciones: EC, BC y CC

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La forma normal de alimentar un transistor es aplicando unapolarización directa a la unióno juntura Emisor-Base y unapolarización inversa a la juntura Base-Colector:

TBJ- CURVAS CARACTERÍSTICAS EC TEMA 7

Configuración Emisor Común

La característica de entrada es similar a la de un diodo con polarización directa.

Característica de entrada: IB= f(VBE, VCE)

BB B B BEV I R V= +

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Observar que la tensión VBE varía muy poco con VCE, Por lo que se puede adoptar, en este caso VBE= 0.7V

VCE =10V

VCE =20V

VCE =1V

VBE [V] (NPN)

-VBE [V] (PNP)0,4 0,6 0,80,2

0

IB [µA]

20

40

60

80

ZONA DEOPERACIÓN

COMO AMPLIF.LINEAL

REGIÓN DE CORTER

EG

IÓN

DE

SA

TU

RA

CIÓ

N

VCE [V]0

IC [mA]

0

IB =90µA

Características de salida IC = f(VCE, IB)

IB =0µA

TBJ- CURVAS CARACTERÍSTICAS EC TEMA 7

CC C C CEV I R V= +

Si la corriente en la base se mantiene constante, la corriente de colector incrementa con el aumento de la vCE., hasta que la corriente de colector alcanza un nivel en el que cualquier incremento de la vCE no provoca incremento de la corriente de colector.

IB =10µA

IB =30µA

IB =50µA

IB =70µA

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CURVAS CARACTERÍSTICAS EC TEMA 7

Región de corte

Región

Activa

o lineal

Re

gió

n d

e s

atu

rac

ión

constanteCE

CF

B v

I

Iβ

=

=

βF = ganancia de corriente continua. �Punto de operación Q: definido por IB, IC y VCE

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18La corriente de colector IC, se relaciona con la corriente de base IB mediante el factor de amplificación de corriente en polarización directa βF

CURVAS CARACTERÍSTICAS EC TEMA 7

� Zona de corte: No hay circulación de corriente de base. Se

comporta como un interruptor o llave abierta y no deja pasar

corriente entre el colector y el emisor. La tensión entre el

colector y el emisor se hace máximo (como el de la pila) y la

corriente del emisor es mínima.

� Zona de saturación: cuando al transistor le llega una

corriente muy alta por la base. Se comporta como un

interruptor cerrado y deja pasar toda la corriente entre el

colector y el emisor. La tensión entre colector y emisor se hace

casi cero y origina que la corriente en el emisor sea máxima.

� Zona de amplificación: cuando al transistor le llega una

pequeña corriente por la base que la amplifica y origina una

gran corriente de salida. En este caso se comporta como

amplificador. En este caso existe ganancia de corriente (β)

que se define como la relación que existe entre la intensidad del

colector y la intensidad de la base.

C BI Iβ≅

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Q

CURVAS CARACTERÍSTICAS EC-RESUMEN TEMA 7

Características aproximadas de entrada y salida del transistor NPN en Emisor Común

Zona Activa

VBE>0 ; VBE ≅ 0,7V

IB>0 IC>0

IC=β.IBVCE>0,2V

Zona de Saturación

(directa)

VBE ≅0,8V

IB>0 IC>0

IC < βIBVCE>0; VCE ≅ 0,2V

Zona de corteVBE<0,7

IC ≅ 0

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Q

Características aproximadas de entrada y salida del transistor PNPen Emisor Común

Zona Activa

VBE < 0; VBE ≅ -0,7V

IB>0 IC>0

IC ≅ β.IBVCE < -0,2V

|VCE| > 0,2V

Zona de Saturación

(directa)

VBE ≅ -0,8V

VCE < 0

IB>0 IC>0

IC < βIBVCE ≅ -0,2V

Zona de corte

|VBE|< 0,7

IC ≅ 0

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CURVAS CARACTERÍSTICAS EC-RESUMEN TEMA 7

Todos los límites de operación para un transistor vienen definidos en sus hojas de especificaciones técnicas. Entre las más relevantes pueden citarse:

• corriente máxima de colector ICmáx: es la máxima corriente que puede circular por el colector. Puede figura en las especificaciones como “corriente continua de colector.

• Tensión máxima entre colector y emisor, VCEO: Indica la tensión máxima permitida entre el colector y el emisor, cuando la base está desconectada o polarizada inversamente.

• VCE mínimo: Indica la tensión VCEsat o tensión mínima que se puede aplicar para no caer en la zona de saturación. VCEsat =0,2V

• PC máx: Representa la máxima potencia que puede disipar el colector sin quemarse.

LÍMITES DE OPERACIÓN TEMA 7E

LE

CT

RO

NIC

A I-

FAC

ET-

UN

T

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Cmáx CE CP v i=

LÍMITES DE OPERACIÓN TEMA 7

RE

GIÓ

N D

E S

AT

UR

AC

IÓN

REGIÓN DE CORTE5 10 15 200

IC [mA]

0

2

4

6

8

IB =90µA

IB =70µA

IB =50µA

IB =30µA

IB =10µA

IB =0µA

ZONA DETRABAJOCOMO AMPLIFICADOR

VCE [V]

VCEmáx

PCmáx

ICmáx

VCEsat

ICEO

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El circuito de polarización debe diseñarse para fijar el punto Q dentro del área de operación segura.

La Región de operación es el área comprendida dentro los límites de corriente, tensión y potencia del dispositivo.

El TBJ debe operar dentro de la zona de operación segura, caso contrario el dispositivo se romperá.

Características comunes a todos los

transistores

Región de Operación Segura (SOAP) = Áreanaranja +Área verde + Área turquesa

RESUMEN- REGIONES DE POLARIZACIÓN TEMA7

Alimentar con tensión continua los terminales de entrada y los de salida del transistor se llama “polarización” .La polarización genera un flujo de corriente entre la entrada y la salida.Existen cuatro posibles regiones, según como estén polarizadas lasuniones base- emisor y base-colector

APLICACIÓN REGIÓN DE POLARIZACIÓN

POLARIZACIÓN DE LAS UNIONES

UNIÓN B-E UNIÓN B-C

Funcionamiento como amplificador

REGIÓN ACTIVA DIRECTA

DIRECTA INVERSA

No se utiliza REGIÓN ACTIVA INVERSA

INVERSA DIRECTA

Funciona como conmutador (off)

REGIÓN DE CORTE INVERSA INVERSA

Funciona como conmutador (on)

REGIÓN DE SATURACIÓN

DIRECTA DIRECTA

γVVBE >

γVVBE >

γVVBE <

γVVBE <

γVVBC <

γVVBC >

γVVBC <

γVVBC >

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CURVAS CARACTERÍSTICAS BC TEMA 7

Característica de entrada: IE=f(VBE, VCB)

BE

T

V

VSE

II e

α≈

Observar que la tensión VBE varía muy poco con VCB, Por lo que se puede adoptar, en este caso VBE=-0.7V

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CURVAS CARACTERÍSTICAS BC TEMA 7

ConfiguraciónBase Común

La corriente de colector es constante, por tanto el colector se comporta como una fuente de corriente constante en la región activa.

Corte

Satu

raci

ón

Zona Activa

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CURVAS CARACTERÍSTICAS BC TEMA 7

�Para valores relativamente grandes de VCB, la corriente del colector muestra un incremento rápido, que es un fenómeno de ruptura�Todas las curvas características intersecan el eje vertical a un valor de corriente igual a αIE, donde IE es la corriente de emisor constante a la que se mide la curva particular.

En la región activa de operación, obtenida para aproximadamente VCE >

-0.4 V, Se observa en las curvas IC-VCB:

�Las curvas tienen una pequeña pendiente positiva, lo cual indica que iCdepende muy poco de VCB en el modo activo.

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CURVAS CARACTERÍSTICAS BC TEMA 7

Características aproximadas de entrada y salida del transistor NPN en Base Común

Zona Activa

VBE < 0 ; VEB ≅ -0,7V

IE>0 IC>0

IC ≅ αF.IEVCB > 0

Zona de Saturación

VBE ≅ -0,8V

IC < αF.IEVCE ≅ -0,7V

Zona de corteVEB> -0,7V

IC ≅ 0

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CURVAS CARACTERÍSTICAS BC TEMA 7

Características aproximadas de entrada y salida del transistor PNP en Base Común

Zona ActivaVEB > 0 VEB ≅ 0,7V

VCB < 0 IE>0 IC>0IC ≅ αF.IE

Zona de Saturación VEB ≅ 0,8VIC < αF.IE

VCE ≅ 0,7V

Zona de corteVEB< 0,7V

IC ≅ 0

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CURVAS CARACTERÍSTICAS CC TEMA 7

Esta configuración se utiliza para propósitos de acoplamiento de impedancias. Pues tiene alta impedancia de entrada y baja de salida, al contrario de las otras dos configuraciones.

Para la configuración de colector común, las características de salida son una gráfica de IE en función de VEC para un rango de valores de IB. Por lo tanto, la corriente de entrada es la misma tanto para las características del emisor común como para las de colector común.

Para todos los propósitos prácticos las curvas características

de salida de esta configuración SON LAS MISMAS que se

usan para EMISOR COMUN.

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TBJ- MODELO DE EBBERS Y MOLL TEMA 7

Modelo usado para predecir los modos de operación del TBJ en todossus modos de operación posibles.

Muestra al transistor NPN como dos diodos conectados por los ánodos,con dos fuentes de corriente dependientes en paralelo con cada uno delos diodos, que modelizan el efecto de las interacciones que tienen lugardebido a la configuración monocristal.

Existen dos uniones:La unión base-emisor, cuya corriente se denomina: iDELa unión base-colector, cuya corriente se denomina: iDC E

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UN

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TBJ- MODELO DE EBBERS Y MOLL TEMA 7

La fuente de corriente dependiente αF iDE representa el efecto de lacorriente a través de la unión base-emisor sobre la corriente de colector(efecto “Transistor”).

La fuente de corriente dependiente αR iDC representa el efecto de lacorriente a través de la unión base-colector sobre la corriente de emisor(efecto dual al anterior).

El circuito no es simétrico, ya que αF tiene unos valores comprendidosentre 0,99 y 0,997 para transistores utilizados en aplicaciones analógicasy digitales, mientras que αR es considerablemente menor que 1. Su valorestá comprendido entre 0,05 y 0,5.

Se puede demostrar la siguiente relación

denominada “LEY DE RECIPROCIDAD”

αF IES= αR ICS=IS

Donde: IES= Corriente inversa de saturación de la unión base-emisor

Y ICS= Corriente inversa de saturación de la unión base-colector.

De donde se deduce que:

ESCSSES IIqueyII >>≈

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TBJ- MODELO DE EBBERS Y MOLL TEMA7

Del modelo de Ebers-Moll y de la Ley de Reciprocidad, se pueden deducirfácilmente las dos ecuaciones no lineales siguientes :

1 1

1 1

BE BC

BCBE

v v

V VSC S

R

vv

V VSE S

F

Ii I e e

Ii e I e

γ

γ γ

γ

α

α

= − − −

= − − −

Es decir:( )

( )

1

2

,

,

C BE BC

E BE BC

i f v v

i f v v

=

=

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TBJ- MODELO DE EBBERS Y MOLL TEMA7

01 1

1 1

BCBE

BCBE

vv

V VSC S Cp CB

R

vv

V VSE S Ep En

F

Ii I e e I I

Ii e I e I I

γ γ

γ γ

α

α

= − − − = +

= − − − = +

Estas dos ecuaciones definen a un primer nivel, sinefectos secundarios, el modelo del transistor bipolarNPN, y corresponde a un sistema de dos ecuacionescon cuatro incógnitas.

La otras dos ecuaciones vendrán impuesta por elcircuito exterior, y corresponderán a las ecuacionesde polarización.

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TBJ- MODELO DE EBBERS Y MOLL TEMA7

El conjunto de las ecuaciones de Ebers-Moll, junto con lasecuaciones de polarización de continua (impuestas por elcircuito de polarización exterior), darán lugar al régimen decorrientes y tensiones que se establezcan en los terminalesdel dispositivo, denominado punto de operación Q del

transistor.

El modelo de Ebers Moll es un modelo poco manejable,pero válido en cualquier circunstancia, siempre que noentren en ruptura ninguna de las uniones.

Según como estén polarizadas las uniones, puedenencontrarse modelos basados en el anterior, pero massencillos y manejables.

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TBJ- MODELO DE EBBERS Y MOLL TEMA7Características del Modelo de Ebbers & Moll

ParámetrosIS ,VT

αβ

Determinados por la fabricación

Validez del modelo Todos los modos de operación

Funcionamiento del modelo Generador de corriente entre Colector – Emisor controlado por VBC y VBE

MODELO UTILIZADO POR LOS SIMULADORES

•No contempla Máximas Tensiones, Corrientes y Potencia•No representa la dependencia del valor de β con la corriente IC. •No contempla la dependencia de β con la temperatura•No representa la variación de la corriente IC con la tensión VCE

(Modulacion del ancho de la base)•No contempla los Efectos Capacitivos de las junturas que afecta al funcionalmente en altas frecuencias• No contempla las resistencias parásitas en serie con los terminales

Limitaciones del Modelo

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