Tema 5: Transistor Bipolar de

Tema 5: Transistor Bipolar de

Unión (BJT)

Contenidos

5.1 Introducción

5.2 Funcionamiento del transistor en

Zona Activa Directa

5.3 Modelo de Corrientes del Transistor.

Modelo de Ebers-Moll

5.4 Modos o Zonas de Operación

5.5 Modelos Spice

2

5.1 Introducción

• BJT (Bipolar Junction Transistor)

• Los transistores de unión bipolares, son dispositivos de estado sólido de tres terminales usados en circuitos de conmutación y procesado de señal. Existen 2 tipos transistores bipolares: transistores NPN y transistores PNP

• El transistor se ha convertido en el dispositivo más empleado en electrónica, a la vez que se han ido incrementando sus capacidades de manejar potencias y frecuencias elevadas, con gran fiabilidad. (No existe desgaste por partes móviles).

• Su reducido tamaño ha permitido integrar millones de ellos en un solo C.I.

• Los transistores son dispositivos activos con características altamente no lineales.

• Efecto Transistor: el transistor es un dispositivo cuya resistencia interna puede variar en función de la señal de entrada. Esta variación de resistencia provoca que sea capaz de regular la corriente que circula por el circuito al que está conectado:

Replica del primer transistor de válvula

Estructura simplificada de un transistor NPN

Estructura real de un transistor PNP Símbolos del Transistor Bipolar de Unión n_E > p_B > n_C p_E > n_B > p_C

4

5.2 Funcionamiento del transistor en

Zona Activa Directa

I_{E I} B I_C p_eo n_bo p_co 0 W W_B n_eo > p_bo > n_co n_b (0) p_e n_b p_c

W

↑

↓

Suponemos:

• W~WB; W↓

• Baja inyección en la base, n_b(0) <<p_bo

• No hay caída de potencial en las zonas neutras

0

)

(

)

(

)

0

(









W

n

e

n

W

n

e

n

n

b V V bo b V V bo b TE BC TE BE Ley de la Unión 0 0 0 0

1

)

(

1

)

0

(

)

(

)

(

b V V b b V V b b b b b

n

e

n

W

n

e

n

n

n

x

n

x

n

TE BC TE BE























































W↓ n’_b(0) >> n’_b(W)

W

n

W

W

n

n

dx

n

d



_

_b



(

0

)



_b



(

)

_

_b



(

0

)

6 0 





x b b C

dx

n

d

qAD

I

_



















0 TE

1

BE V V b b C

e

W

n

qAD

I

Si W↓ → Poca recombinación-generación → I

_C

~ I

_E

I

_B

= I

_E

- I

_C

~ 0

Exceso de Carga en la Base

⌂ Q

_F

≡ Exceso de Carga en la Base











W b b F

n

qAW

dx

x

n

qA

Q

0

₂

)

0

(

)

(





















0 TE

1

BE V V b b C

e

W

n

qAD

I

C b F

I

D

W

Q

2

2



⌂ τ

_F

≡ Tiempo de transito en sentido

directo

b F

D

W

2

2





F C

Q

I





Modelo de Control de Carga

8

Corriente de Base

En general interesa que IB sea lo más PEQUEÑO posible, sin embargo en la realidad NO es 0 BC BE BB B

I

I

I

I







I_B está compuesto por 3 componentes:

I

_BB Algunos minoritarios (e-) en su tránsito por la base se recombinan, _{para reemplazar estos huecos hay que suministrar una corriente externa, I} BB

























b BB W b b B B BB

W

I

dx

x

n

qA

Q

I







0

)

(

I

_BE Corriente de difusión de los huecos desde la base al emisor

































_DE DE i e BE V V e e e BE

N

N

n

p

I

e

L

p

qAD

I

TE BE 2 0 0

₁

I

_BC Corriente de difusión de los huecos desde la base al colector



























V _{BC BC} V c c c BC

e

V

I

L

p

qAD

I

TE BC

0

1

0

5.3 Modelo de Corrientes del Transistor

Modelo de Ebers-Moll

C

DE

I

E

I

C

I

B

I

B

E

DC

I

DE F



I



DC R



I



n p _n

E

B

C

C

DE

I

E

I

C

I

B

I

B

E

DC

I

DC R



I





_F



I

_DE p n _p

E

B

C

DC DE F C DC R DE E

I

I

I

I

I

I













DC DE F C DC R DE E

I

I

I

I

I

I













10

Modelo de Corrientes del Transistor

Modelo de Ebers-Moll

DC DE F C DC R DE E

I

I

I

I

I

I













DC DE F C DC R DE E

I

I

I

I

I

I













Transistor NPN _{Transistor PNP}

)

1

(

)

1

(

)

1

(

)

1

(

















TE BC TE BE TE BC TE BE V V CS V V ES F C V V CS R V V ES E

e

I

e

I

I

e

I

e

I

I





)

1

(

)

1

(

)

1

(

)

1

(

















TE CB TE EB TE CB TE EB V V CS V V ES F C V V CS R V V ES E

e

I

e

I

I

e

I

e

I

I





Teorema de Reciprocidad

CS R ES F

I



I





Valores Típicos: α_F=0.99 α_R=0.66 I_ES=10-15 A I_CS=10-15 A

5.4 Modos o Zonas de Operación

, Directa

OBJETIVO: Encontrar un MODELO LINEAL

para el transistor en cada modo de operación

12

Zona Activa Directa

)

1

(

)

1

(

)

1

(

)

1

(

















TE BC TE BE TE BC TE BE V V CS V V ES F C V V CS R V V ES E

e

I

e

I

I

e

I

e

I

I





VBE > V_don VBC < 0 CS V V ES F C CS R V V ES E

I

e

I

I

I

e

I

I

TE BE TE BE













Despejando el término exponencial de la primera y sustituyéndolo en la segunda:

0 0 0 0

1

1

1

)

1

(

)

(

C F B F F C C B F C F C C B E R F CS C C E F C CS CS R E F C

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I



































































F F F CO F B F C

I

I

I





















1

)

1

(

⌂ β

_F

≡

Ganancia de Corriente

en directo, β

Ecuaciones de Ebers-Moll



F



Zona Activa Directa

E

C

B

E

C

B

CO F B F C

I

I

I







(

1





)

don

V

Valores Típicos

:

)

1

(

]

7

.

0

,

5

.

0

[

]

300

,

50

[

0 F C B F don F

I

I

V

V















14

Zona Activa Inversa

)

1

(

)

1

(

)

1

(

)

1

(

















TE BC TE BE TE BC TE BE V V CS V V ES F C V V CS R V V ES E

e

I

e

I

I

e

I

e

I

I





VBC > V_don VBE < 0 TE BC TE BC V V CS ES F C V V CS R ES E

e

I

I

I

e

I

I

I

















)

1

(

1

)

1

(

R F ES EO R R R EO R B R E

I

I

I

I

I





























⌂ β

R

≡

Ganancia de Corriente

en inverso



R



C

_E

B

C

_E

B

0

)

1

(

_{R E} B R E

I

I

I











don

V

E _C B

Valores Típicos

:

)

1

(

]

7

.

0

,

5

.

0

[

]

10

,

1

[

0 R E B R don R

I

I

V

V















Zona Corte

)

1

(

)

1

(

)

1

(

)

1

(

















TE BC TE BE TE BC TE BE V V CS V V ES F C V V CS R V V ES E

e

I

e

I

I

e

I

e

I

I





VBC < 0 VBE < 0 CS ES F C CS R ES E

I

I

I

I

I

I

















0

0

0











C E B C E

I

I

I

I

I

B

C

_E

B

16

Zona Saturación

)

1

(

)

1

(

)

1

(

)

1

(

















TE BC TE BE TE BC TE BE V V CS V V ES F C V V CS R V V ES E

e

I

e

I

I

e

I

e

I

I





VBC > V_don VBE > V_don B

Valores Típicos

:

V

V

V

V

sat CE sat BE

]

2

.

0

,

05

.

0

[

]

8

.

0

,

7

.

0

[

) ( ) (





TE BC TE BE TE BC TE BE V V CS V V ES F C V V CS R V V ES E

e

I

e

I

I

e

I

e

I

I













¡¡ No se pueden simplificar más !! BE CB CE

V

V

V





_











































R Te R B C R B C R Te sat CE

V

I

I

I

I

V

V









1

ln

1

1

1

1

ln

) (

C

E

B

) (sat CE

V

) (sat BE

V

I

_C







I

_B

18

Tensión Early













































A CE B F C A CE CO F B F C

V

V

I

I

V

V

I

I

I

1

1

)

1

(







⌂ V

_A

≡

Tensión Early o Factor de

Modulación de la Base

20 DC I DE I DE FI  DC RI  b r c r e r cb r eb r B C E BC Q BE Q C I E I b r c r e r B C E

Modelo Ebers-Moll, incluyendo efectos de 2º orden

Modelo dinámico del BJT en Spice

dV

V

C

e

I

Q

dV

V

C

e

I

Q

mc V c jc V V S R BC me V e je V V S F BE BC TE BC BE TE BE  















 

















 







0 0 0 0

1

)

1

(

1

)

1

(









5.5 Modelos SPICE

mc c BC jc TE V V S R BC BC BC me e BE je TE V V S F BE BE BE

V

C

V

e

I

dV

dQ

C

V

C

V

e

I

dV

dQ

C

TE BC TE BE











 

















 















1

1

0 0

Hidalgo López, José A.; Fernández Ramos Raquel; Romero Sánchez, Jorge (2014). Electrónica. OCW-Universidad de Málaga.

http://ocw.uma.es. Bajo licencia Creative Commons Attribution-NonCommercial-Share-Alike 3.0 Spain