El Transistor de Juntura Bipolar (BJT)
J,I. Huircán, R.A. Carrillo
Universidad de La Frontera
December 9, 2011
Abstract
El Transistor de Juntura Bipolar (BJT) es un dispositivo activo de tres terminales, Base, Colector y Emisor, cuya corriente se debe a la com-binación de portadorese yh+. El dispositivo es básicamente una fuente de corriente controlada por corriente. Para su funcionamiento requiere un circuito de polarización externo. Tiene tres zonas de trabajo, activa, corte y saturación.
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Introduction
Desde su invención a …nes de los 40, el transistor como elemento activo de los sistemas electrónicos siempre ha estado presente, primero como elemento discreto y luego como parte de un circuito integrado (IC). Es un dispositivo ampliamente utilizado en control electrónico, ampli…cación y en prácticamente toda las aplicaciones de la electrónica. El objetivo de este documento es revisar los aspectos básicos, sin adentrarse más que lo su…ciente en la física de los semiconductores, con el …n de establecer las relaciones de corriente y voltaje en el dispositivo.
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El transistor de juntura bipolar (BJT)
2.1
Características generales
El BJT es de naturaleza bipolar, pues la corriente producida es debido al aporte de los portadores negativos (e , electrones) y positivos (h+, hoyos). Consiste en
dos junturasp-n y posee tres terminales los que son llamadosEmisor (E),Base
(B) yColector (C). El BJT puede ser tiponpn o pnp, su estructura y símbolo se muestra en la Fig. 1, la ‡echa indica la dirección normal de la corriente y de…ne la polaridad de la tensión base-emisor. No es un dispositivo simétrico, pues intercambiando el emisor por el colector se obtienen resultados distintos.
E C B p p p E C B n n n Base Emisor Colector Base Emisor Colector (a) (b)
Figure 1: Símbolos del transistor. (a) npn. (b) pnp.
2.2
Funcionamiento
Sea el BJT npn de la Fig. 1a, éste considera una región n de volumen inter-medio de alto dopamiento (gran cantidad dee ), una región pmuy delgada de pequeño volumen de bajo dopamiento (poca cantidadh+), y una región n de
gran volumen de dopamiento intermedio.
Para establecer su funcionamiento primero se polariza sólo la juntura BE, dejando el colector abierto. La juntura está polarizada directa, luego se produce un ‡ujo de e desde el emisor a la base, pero también ‡uirán h+ en menor
cantidad desde la base al emisor.
BE IC n p n + VCB IB e -h+ E C B IC n p n (a) (b) n p n + V IB e -h+ E C B n p n IE
Figure 2: (a) Colector abierto. (b) Emisor abierto.
La corrienteIEse produce por la suma de lose mayoritarios yh+
mayori-tarios inyectados por el emisor y la base respectivamente. La corriente entre la base y el emisor seráIE. Dado que la base es muy delgada, no soporta grandes
corrientes.
pn está polarizada inversa, luego sólo existe movimiento de portadoresh+ ninori-tarios del colector y lose minoritarios de la base, produciendo unacorriente
inversa de saturación llamada ICBO, entre C y B.
InE IpB InE α I (1- )nE α I CB0 n p n + VBE e -E C B h+ n p n + VCB e -n p n + VBE e -h+ E C B n p n + VCB h+ e -IE IB IC (a) (b)
Figure 3: (a) Polarización completa. (b) Corrientes
Al polarizar de acuerdo a la Fig. 3a, los e mayoritarios inyectados por el emisor atraviesan la base llegando al colector, un pequeño porcentaje se recom-bina en la base con losh+mayoritarios aportados por ésta. Así, la corriente por
el emisor debido a lose mayoritarios seráInE, pero la corriente en el colector
debido a estos portadores será InE;donde es un número menor que 1, dado
que parte de lose se recombinan en la base.
Así, la corriente del emisorIE, será función de la corriente producida por los
portadores mayoritariose y la corriente debida a los portadores mayoritarios
h+ inyectados por la base.
IE=IpB+InE (1)
La corriente que se desvía a la base será (1 )InE =InR;luego la corriente
en la base será la corriente de los portadores mayoritariosh+ de la base mas la
corrienteInR menos la corriente ICBO como se muestra en la Fig. 3b.
IB =IpB+InR ICBO (2)
Finalmente, la corriente por el colectorICserá la proveniente del emisor más
la corriente de saturación inversaICBO.
IC= InE+ICBO (3)
Considerando despreciable el efecto deICBO, se tiene
IB = IpB+ (1 )InE (4)
Luego (1) se reemplazaIpB en (4) obteniéndose la clásica ecuación
IB=IE IC (6)
Por otro lado dado queIC= InE;reemplazando (1)
IC= InE = (IE IpB)
Considerando que la corrienteIpBdebido ah+generada por la base es mucho
menor queInE;entonces se llega a
IC= IE (7)
Donde es la ganancia de corriente en base común.
2.3
Modos de Trabajo
Dependiendo de la condición de polarización (directa o inversa) de cada una de las junturas, se tienen distintos modos de operación. En el modoactivo, el BJT opera como ampli…cador. Los modoscorte ysaturación permiten usar el transistor como interruptor.
Table 1: Zonas de trabajo del BJT.
pnp npn
Modo JEB JCB JBE JBC
Corte Inv Inv Inv Inv Activo Dir Inv Dir Inv Saturación Dir Dir Dir Dir
Para el trabajo en zona activa, la alimentación debe ser de acuerdo a la Fig. 4. La junturabase-emisor debe encontrarse polarizada en sentido directo; en cambio la juntura base-colector debe polarizarse en forma inversa. Cuando se cumplen simultáneamente ambas condiciones, el BJT se encuentra en zona
activa. Así para un transistor npn,VBE >0;luegoVEB >0para un transistor
pnp.
En zona activa, la corriente del colector está dada por
ic=Ise vBE
VT (8)
Donde Is es la corriente de saturación inversa. Luego, la corriente de base
se expresa como
iB=
iC
(9) Donde es una constante propia del transistor, la cual varía entre 100 y 200 para algunos casos, pero puede llegar a valores muy elevados (o bajos 40 y 50),
(a) (b) VBE VCB + + V BC VEB + +
Figure 4: Polarización del Transistor. (a) npn. (b) pnp.
y recibe el nombre de ganancia de corriente de emisor común. De acuerdo a (6), se tiene
iE=iC+iB
Luego iE = +1iC; lo que se puede expresar como iC = iE. Donde es
llamada la ganancia corriente en base común y su valor es muy cercano a 1 (0.99 para = 100).
2.4
Representación grá…ca de las características del BJT
Como iC varía de acuerdo a (8), se construye la curva de entrada iB vBE,
o la curva iC vBE, pues sólo di…ere en una constante de acuerdo a (9). La
característica de salida se expresa a través de una curvaiC vCE. Dicha curva
muestra como varía la corriente de colector para distintos valores de la corriente de base. Cada curva indicada es debido a un valor deiB en particular.
v iC IB3 I =B 2 IB1 CE [mA] [V] vBE iB VBE (a) (b) IBQ IBQ [uA] ICQ [V]
Figure 5: (a) Característica de entradaiB vBE. (b) Característica de salida
iC vCE:
De acuerdo a la Fig.5, cuando el transistor está operando, se establece un voltaje en la juntura BE llamadoVBE(ON), éste permite establecer una corriente
en la base llamadaIBQ:Debido a la caracteristica de ampli…cación, la corriente
de colector seráICQ= IBQ. El voltaje vCE en la zona activa será mayor que
v iC IB3 CE [mA] [V] VCE (Sat) Región de Saturación Región de Corte IB2 IB1 IB4 IB5 Zona de P máximaD
Figure 6: Zonas de funcionamiento del BJT.
En la Fig. 6 se pueden identi…car las tres zonas de funcionamiento, luego se tiene lazona de corte, para la cual se cumple queiB = 0, esto implica una
corriente de colector iC = 0, dicha zona se encuentra en la parte inferior del
cuadrante. En la zona de saturación, donde en el BJT npn, la juntura BE está polarizada directa y la juntura BC también, esto produce un incremento de la corriente, lo que lleva a una disminución del voltaje colector emisor, ésta será la zona a la izquierda en el primer cuadrante. En términos idealesvCE 0;sin
embargo, en terminos prácticos es establece que el transistor estará en saturación para un valor del voltaje colector emisor menor aVCE(Sat), donde este valor se
establece en 0.2[V].
En la zona derecha se tiene la curva de máxima disipación de potencia del dispositivo, si el transistor traspasa la zona de máxima disipación, éste se de-struye. El punto de operación deberá ubicarse entre las zonas indicadas.
2.5
Con…guraciones básicas con el BJT
Dado que el BJT es un dispositivo de 3 terminales, existen tres posibilidades diferentes para referirse al común (referencia común de los potenciales) del cir-cuito, base común, emisor común y colector comun.
vCE vBE+ _ + _ (b) i (c) E iC vCB vBE_ + _ + (a) iB iE vCE vBC_ + + _ B iC i
Figure 7: Con…guraciones del BJT. (a) Emisor común. (b) Colector común. (c) Base común.
2.6
Características principales del BJT
LaiE, será siempre mayor a laiC:
Por medio de una pequeña tensión directa en JBE, se logran controlar grandes por el colector.
iB es bastante pequeña ( A) en cambio,iE yiC son del orden de los mA.
iE desfasa aiC en 180o.
3
Polarización Básica
Sea el circuito de la Fig. 8a. Se analiza para tres valores distintos de RB, lo
que permite establecer sus zonas de trabajo. Para el ejemplo se plantean la en la base del transistor y luego una malla que pasa por el colector, de esta forma se tiene las siguientes ecuaciones.
(b) (a) iC 10[V] vCE vBE+ _ + _ B i RB 470 10[K ] RB + + 10[V] iB 10[V] iC vBE+ _ 470 vCE + _ RC 10[K ] Ω Ω Ω Ω
Figure 8: Polarización del BJT.
10 [V] = iB10 [K ] +vBE (10)
10 [V] = iC470 [ ] +vCE (11)
Considerando queVBE(ON)= 0:7 [V]y = 100;se tiene que iB =
10 [V] 0:7 [V]
10 [K ] = 930 [ A]
Luego, comoiC= 100iB = 93 [mA];
vCE = 10 [V] 93 [mA] 470 [ ] = 33 [V]
De lo que se concluye que el transistor está en zona desaturación. Cambiando elRB por680 [K ], se tiene
iB =
10 [V] 0:7 [V]
680 [K ] = 13:67 [ A]
iC = 100iB= 1:367 [mA]
vCE = 10 [V] 1:367 [mA] 470 [ ] = 9:36[V]
Casi se encuentra en corte, puesiB 0:
Finalmente, para un valor deRB = 100 [K ], es factible tener el transistor
en zona activa. iB = 10 [V] 0:7 [V] 100 [K ] = 93 [ A] iC = 100iB = 9:3 [mA] vCE = 10 [V] 9:3 [mA] 470 [ ] = 5:63[V]
4
Conclusiones
El BJT puede ser tipo npn y pnp, se comporta como una fuente de corriente controlada por corriente. Tiene tres zonas de trabajo, zona activa donde se cumple que iC = iB y el transistor ampli…ca; corte, en la cual iC = 0 e
iB = 0, el transistor está "desconectado" y …nalmente la zona de saturación,
donde el transistor tiene un vCE VCE(sat) o vCE 0, considerado como un
"cortocircuito" entre los terminales de salida. El análisis inicial consistirá en establecer el punto de operación del transistor, para lo cual se requiere contar con un circuito externo de polarización.
References
[1] Savant, C, Roden, M., Carpenter, G. 1992,Diseño Electrónico.Circuitos y
Sistemas. Addison-Wesley Iberoamericana.
[2] Schilling, D., Belove, . 1993.Circuitos Electrónicos Discretos e Integrados. Mc Graw- Hill
