11 UNIDAD Nº 3: EL TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA (TBJ

Introducción a la Electrónica - Apuntes Teóricos
Dr. Ing. David M. Petruzzi
UNIDAD Nº 3: EL TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA (TBJ) :
Se trata básicamente de un cristal semiconductor de silicio ó germanio, en el cual una “capa” de tipo N
se ubica entre dos del tipo P ó viceversa ( PNP ó NPN ). Con lo cual, podemos observar dos diodos en
serie y enoposición, teniendo permitido el acceso a tres terminales.
Cada región es denominada :
Emisor
E
JE
JC
JE
P
N
Colector Emisor
C
E
P
N
JC
P
Colector
C
N
Emisor ≡ E
Base (central) ≡ B
Colector ≡ C
La
Base
B
Base
B
flecha
indica
el
sentido
de
la
circulación de la corriente por el diodo
EB en directa .
En principio, las corrientes se suponen
entrantes :
IE
IE
IC
E
E
C
VEB
B
IB
VEB
VCB
Σ I = 0 ⇒ IE + IB + IC = 0
IC
C
VCB
B
PNP
( 3.1 )
En funcionamiento normal la unión EB es
IB
polarizada en directa, en cambio la
NPN
juntura BC lo estará en inversa. Como
consecuencia de ello, los sentidos de las
corrientes IB e IC serán opuestos a los
indicados en las figura correspondiente a
PNP. Para NPN, la que cambia de
sentido es IE .
3.1 – Relación entre lascomponentes de corriente :
Supongamos tener un tener un transistor PNP al polarizar en directa EB se inyectan huecos en B y
electrones en E ( IpE >> InE ).
Algunos huecos se recombinan en la base, mientras
P
IE
JE N JC P
IPE
que otros logran llegar a JC y son acelerados por el
IPC
(IPE –IPC)
E
C
importante campo eléctrico Ε que existe en la
misma.
InE
ICD
IB
B
3.2 - Eficiencia de emisor ≡ γ :
γ =
IpE
IpE
=
IE
IE = IB + IC = IpE + InE ≅ IpE
(3.2)
IB = InE + ( IpE − IpC ) − ICO
(3.3)
IC = IpC + ICO
(3.4)
≅ 1
(3.5)
IpE + InE
3.3 – Factor de transporte ≡ β :
β * = IpC / IpE
(3.6)
3.4 – Ganancia de corriente ≡ α :
α = IpE / IE = γ . β *
(3.7)
Nota: Las tres relaciones de corrientes dependen de : IE ; VCB y T.
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3.5 – Configuración Emisor Común (EC):
El terminal de emisor es común a las mallas de entrada y de salida .
C
RB
IpC + ICO
IC
IC
=
RC
IE
B
=α +
IE
ICO
⇒
IC = α IE + IC0
VCE
IB
VBB
VBE
IE
E
se demuestra que: [ α / (1 − α ) ] = β ⇒ α =
VCC
(3.8)
IE
β
β+1
Reemplazando en (3.8):
β
. (IB+IC) + IC0 ⇒
IC =
(β+1)
⇒ (β+1). IC = β.IB + β.IC + (β+1). IC0 ⇒
IC = β.IB + (β+1). IC0
(3.9)
Curvas Características típicas :
Veamos las curvas características típicas de un TBJ de silicio NPN :
Parámetros máximos :
Potencia disipada máx.
IC máx
VCEmáx = BVCEO :
avalancha
perforación
de base
3
1
2
a) de entrada : Se trata básicamente de una familia de curvas diódicas .
b) de salida : Su estudio se divide en tres zonas de interés :
b1) – Región activa 1 :
La juntura CB se polariza en inversa y la de BE en directa .
En ésta zona β adquiere un valor importante
b2) – Región de corte
C
2
:
Está definida para : IE = 0
Para lograr esto VBE ≅ 0 (silicio)
IC
Ici
ICD
IC = ICi + ICO = β IBi + ICO
⇒ IC = β . IB + ( β + 1) . ICO
B
IB
IBi
IB = IBi – ICO ⇒ IBi = IB + ICO
IE
Ic = + Ico
E
IE = IBi + ICi = ( β + 1) IBi = 0
IB = – Ico
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(3.10)
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Nota:
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ICO ≡ ICBO ; además ICO aumenta con la temperatura (aproximadamente un 7% por cada
ºC, en el caso del silicio). También se comprueba que existe una gran dispersión con los valores de
ICO (Los valores típicos son centenas de picoAmperes , pA ).
Existe para cada TBJ una tensión máxima de ruptura inversa sin que se dañe el mismo :
BVBEO ≡ VBE inversa máxima (con IC = 0).
b3) – Región de saturación 3 : Se define como estado de saturación siempre que se cumpla que
VCB ≤ 0 (VCE < Vγ) ; es decir , a partir de que la juntura CB queda polarizada en directa. Veremos
que en éstas condiciones VCE ≅ 0 y por ende la corriente de colector que prácticamente definida
por el circuito exterior al TBJ :
VCC – VCE
IC =
VCC
≅
= ICSAT
RC
VBB − Vσ
VBB – VBE
IB =
(3.11)
RC
=
RB
RB
≅
VCC
β RC
= IBSAT
(3.12)
+ VCC
IC
RC
RB
C
IC
VBC +
RC
rCESAT
+
IB
VBB
+
VBE
-
VCE
VCC
VCE min
E
-
Nota :
VCE = VBE – VBC = Vσ - VBC ≅ 0 V
Modelo en saturación :
VCE ≤ Vσ
rCESAT = 0,1 Ω
;
Vσ
= 0,7 V
Valores típicos para el silicio :
VBE(ON) = 0,5 V ; VCEmín = 10 mV ; Vγ = 0,6 V
3.6 – Otras configuraciones:
+VCC
Colector Común (CC)
Base Común (BC)
RE
RB
VC
IB
VB
IE
IC
IE
+
RE
-
VEE
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IB
RC
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IE = IB + IC = IB . (β + 1)
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IE = IB + IC = IC .[ 1 + (1/β) ]
⇒
IC = [ β / (β+1)] . IE = α . IE
(3.13)
3.7 – Análisis gráfico de la configuración EC :
Se pretende analizar el comportamiento del
RB
iB
circuito mostrado en la figura, en forma gráfica :
IC
+
Q
-
RC
VCE
Supongamos que en ausencia de vg (t) (C.A.) :
VBB y RB son tales que iB = IB = 150 µA.
Vg
VCC
VBB
Si luego vamos agregando vg(t) = Vg . sen ωt ; tal que îb = 50 µA ⇒ 100 µ A ≤ iB ≤ 200 µA .
Para cada valor de iB corresponde otro de iC ; tal que :
IC
ic
= β = hFE
e
= hfe
(3.14)
IB
ib
Si luego vamos agregando vg(t) = Vg . sen wt ; tal que îb = 50 mA
100 m A £ iB £ 200 mA .
Para cada valor de iB corresponde otro de iC ; tal que :
ic
IC
= β = hFE
= hfe
IB
(3.14)
ib
Estos parámetros corresponden al modelo EC .
Las curvas características de salida , en la zona
activa, no son en rigor
espaciadas,
en
hfe (log)
líneas paralelas equi-
consecuencia
una
señal
Max
senoidal en ib(t) no originará una variación
Tip.
estrictamente senoidal en ic(t) (distorsión que
Min.
despreciaremos).
Ganancia de corriente ic/ib ≡ hfe :
IC (log)
Este parámetro depende de condiciones de reposo:
IC ; VCE ; Tj y f (frecuencia)
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3.8 – El transistor en corriente continua :
Polarización :
Polarizar el TBJ es adoptar un punto de trabajo de modo que opere en una determinada zona (corte,
activa ó saturación). En éste curso analizaremos casos correspondientes a la zona activa, es decir, que
el punto de trabajo seleccionado debe asegurar que el transistor permanezca en la misma aún cuando
se presente una excursión de CA . Por otra parte, recordemos que debe elegirse la zona activa en todas
aquellas aplicaciones que requieran linealidad .
Punto de trabajo “Q” :
Para establecer el punto Q es preciso aplicar tensiones y corrientes continuas adecuadas, utilizando
fuentes externas. Si para una dada tensión de entrada sin distorsión se produjese una tensión de salida
con distorsión (porque por ejemplo se produce el recorte en una de sus crestas), el punto Q no es
adecuado.
VCC
Tipos de Polarización:
IC
a) Fija :
Se selecciona una corriente IB
Vcc − Vγ
Vcc – VBE
IB =
=
RB
RB
= IBQ = cte.
IB
RC
RB
Vcc
≅
= cte.
RL
RB
V0
Vi
Ic = β. IB ≅ β Vcc / RB
Vcc
Vcc = VCE + IC.RC ⇒
−
Ic =
RC
VCE
RC
tg θD = 1 / ( RC // RL )
tg θE = 1 / RC ;
Las rectas de carga estática y dinámica tienen un
solo punto en común : Q .
Para hallar las funciones ic(t) y vce(t) a partir de
una ib(t) superpuesta a IBQ nos valemos de la recta
de carga dinámica y de los puntos 1
Para un dado
y
2
θD puede mejorarse la linealidad
variando el punto de reposo Q , por ejemplo a partir
de una modificación de la resistencia RB ( IBQ ) .
b) Autopolarización :
Es un circuito que permite trabajar con Rc bajas e incluso nulas.
Presenta la ventaja de poseer una mayor estabilidad frente a variaciones eventuales de los parámetros
del TBJ (que se suponen constantes). Es imprescindible acudir a éste tipo de polarización en la
configuración EC.
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Si Ico se incrementa debido a que la temperatura ha hecho lo propio, aumentará Ic ; pero también lo hará
VE ; con lo que se contrarrestará dicho incremento, aumentando menos que si RE hubiese sido un
cortocircuito ( RE = 0 ).
+VCC
IC
RC
R1
B
VCE
-
IB
+
Vγ
Realizando Thévenin en B :
+
VE
IC
RT
RT
+
-
RE
R2
VTT
-
+
RE
-
VT = Vcc . R2 / (R1 + R2)
VCE = Vcc − Ic . ( Rc + RE ) (recta de carga
ESTÁTICA)
si RT / β << RE
⇒
VT = IB . RT + Vγ + Ic RE
Ic = (VT – Vγ) / (RT / β + RE)
Ic ≅ ( VT − Vγ ) / RE
Aspecto práctico a tener en cuenta a partir de la expresión anterior:
Supongamos que por alguna razón, se requiera una determinada IC = ICQ .
En ese caso y si además se verificase que:
ICQ
VCC
IBQ =
VCC . R2
<<
β
R1 + R2
VE
IEQ =
; luego:
R1 + R2
VP – Vγ
≈ f (VCC ; Vγ ; R1 ; R2 ; RE)
=
RE
VP ≈
podremos aproximar:
RE
Esta aproximación es deseable desde el punto de vista práctico y muy útil, ya que no interviene ni el β ni
el ICO del TBJ. Esto significa que no habrá prácticamente modificaciones en el punto de trabajo debido a
variaciones de temperatura, incluso en el caso límite de tener que reemplazar al transistor por otro (y
que no sean, como es de esperar idénticos), no será notoria la eventual modificación del punto Q.
3.9 - Embalamiento ó Escape Térmico :
La potencia disipada máxima ( PDmáx ) es una de
las especificaciones más importantes y depende de
la temperatura a desarrollarse en la juntura ( Tj ) .
Si : Tj ↑ ⇒ Ic ↑ ⇒ Pd ( = VCB . Ic ) ↑ ⇒ Tj
↑↑
; con éste mecanismo se produce un círculo
vicioso pudiendo culminar con la destrucción del
TBJ. El fenómeno es conocido como :
Embalamiento , Escape ó Fuga Térmica .
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3.9.1 - Estabilidad Térmica :
Para evitar el embalaje térmico se debe cumplir que :
∂Pc
<
∂Tj
∂Pd
∂Pc
1
<
⇒
∂Tj
∂Tj
(3.15)
θja
Esto es : la velocidad con la que se genera calor debe ser menor
Pdmax
a la que éste puede ser evacuado.
PTOT(25)
Pd = VCB . Ic ≅ VCE . Ic = Vcc . Ic − Ic (Rc + RE)
2
∂Pc
∂Pc
=
∂Tj
∂Ic
= [ Vcc − 2Ic (Rc + RE) ] .
.
∂Ic
∂Tj
∂Ic
1
<
∂Tj
PX
(3.16)
θja
0
un TBJ de silicio y autopolarizado se verifica que :
∂Ic
≅ ( 1 + RB / RE ). (0,07). Ico
∂Tj
Nota :
Siempre que sea posible se ajusta: Ic (Rc + RE) = Vcc / 2
De éste modo :
VcEQ = Vcc / 2
; con lo cual la
expresión (3.16) queda anulada y con ello : ∂Pc / ∂Tj .
Por último, con el uso de disipadores se mejora la salida
del calor que se genera en la juntura , con lo que
mejoran el margen de estabilidad térmica.
+ θd
θJC
TJ
+
-
θCA
Pd
TA
17
25 ºC
TX
Tjmax
Tj