Tema 5: Transistor Bipolar de Unión (BJT)

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
5.6 Ejemplos de puntos de operación
1
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:
Transfer Resistor.
2
nE > pB > nC
Estructura simplificada de un transistor NPN
Estructura real de un
transistor PNP
Replica del primer transistor de válvula
pE > nB > pC
Símbolos del
Transistor
Bipolar de Unión
NPN
PNP
3
5.2 Funcionamiento del transistor en
Zona Activa Directa
IE
IC
IB
nb (0)
neo > pbo > nco
nbo
pe
pco
nb
pc
peo
0
W ↑↓
W WB
4
Suponemos:
• W~WB; W↓
• Baja inyección en la base, nb(0) <<pbo
• No hay caída de potencial en las zonas neutras
VBE
nb (0)  nboe
Ley de la Unión
VTE
VBC
nb (W )  nboe
VTE
 nb (W )  0
nb ( x)  nb ( x)  nb 0
 VBE V TE 
W↓
nb (0)  nb 0  e
 1
n’b(0) >> n’b(W)




dn nb (0)  nb (W ) nb (0)


 VBC V TE 
dx
W
W



nb (W )  nb 0 e
 1  nb 0




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Intensidad de Colector en Modo Activo Directo
dnb
I C  qADb
dx
x 0
VBE

qADb nb 0  VTE 
IC 
e
1


W


Si W↓ → Poca recombinación-generación → IC ~ IE
I B = IE - I C ~ 0
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Exceso de Carga en la Base
⌂ QF ≡ Exceso de Carga en la Base
W
QF  qA
0
qAWnb (0)

nb ( x)dx 
2
VBE

qADb nb 0  VTE 
IC 
e
1


W


⌂ τF ≡ Tiempo de transito en sentido
directo
IC 
QF
F
2
QF 
W
IC
2 Db
2
F 
W
2 Db
Modelo de Control de Carga
IC se encarga de mantener el exceso de portadores
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Corriente de Base
En general interesa que IB sea lo más PEQUEÑO posible, sin embargo
en la realidad NO es 0
IB está compuesto por 3 componentes:
IBB
Algunos minoritarios (e-) en su tránsito por la base se recombinan,
para reemplazar estos huecos hay que suministrar una corriente externa, IBB
I BB 
IBE
QB
B
W
 qA
0
nb ( x)
b
dx I BB
W 
 
 b 
Corriente de difusión de los huecos desde la base al emisor
I BE
IBC
I B  I BB  I BE  I BC
2
VBE


V
TE
qADe pe 0 
n

e
 1 I BE   pe 0   i  N DE 


Le
N DE


Corriente de difusión de los huecos desde la base al colector
I BC
VBC


VTE
qADc pc 0 

e
 1 VBC  0  I BC 


Lc


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5.3 Modelo de Corrientes del Transistor
Modelo de Ebers-Moll
E
p
n
C
n
E
n
p
B
B
 R  I DC
 F  I DE
 R  I DC
C
E
IE
I DE
B
C
p
IB
I DC
I E  I DE   R I DC
I C   F I DE  I DC
IC
 F  I DE
C
E
IE
I DE
B
IB
I DC
IC
I E  I DE   R I DC
I C   F I DE  I DC
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Modelo de Corrientes del Transistor
Modelo de Ebers-Moll
Transistor NPN
Transistor PNP
I E  I DE   R I DC
I E  I DE   R I DC
I C   F I DE  I DC
VBE
I E  I ES (e
VTE
VBE
I C   F I ES (e
I C   F I DE  I DC
VBC
 1)   R I CS (e
VTE
VBC
 1)  I CS (e
VTE
VTE
VEB
 1)
I E  I ES (e
VTE
VEB
 1)
I C   F I ES (e
VCB
 1)   R I CS (e
VTE
VCB
 1)  I CS (e
VTE
 1)
VTE
 1)
Teorema de Reciprocidad
 F I ES   R I CS
Valores Típicos: αF=0.99 αR=0.66 IES=10-15 A ICS=10-15 A
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5.4 Modos o Zonas de Operación
, Directa
OBJETIVO: Encontrar un MODELO LINEAL
para el transistor en cada modo de operación
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Zona Activa Directa
Ecuaciones de Ebers-Moll
VBE
I E  I ES (e
VTE
VBE
I C   F I ES (e
VBC
 1)   R I CS (e
VTE
VBC
 1)  I CS (e
VBE
VTE
VTE
 1)
 1)
VBE > Vdon
VBC < 0
I E  I ES e
VTE
VBE
I C   F I ES e
  R I CS
VTE
 I CS
Despejando el término exponencial de la primera y sustituyéndolo en la segunda:
I C   F ( I E   R I CS )  I CS 

IC   F I E  IC 0
F
1
IB 
IC0
 IC   F IC   F I B  IC 0  IC 
I C 0  I CS (1   F  R )
1F
1F


I E  I B  IC
I C   F I B  (1   F ) I CO
F 
F
1F
⌂ βF ≡Ganancia de Corriente
en directo, β
 F 
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Zona Activa Directa
I C   F I B  (1   F ) I CO
E
C
C
B
B
Vdon
E
Valores Típicos:
 F  [50, 300]
Vdon  [0.5, 0.7]V
 F I B  I C 0 (1   F )
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Zona Activa Inversa
VBE
I E  I ES (e
VTE
VBE
I C   F I ES (e
VBC
 1)   R I CS (e
VTE
VBC
 1)  I CS (e
VBC
VTE
 1)
VTE
VBC
VTE
⌂ βR ≡Ganancia de Corriente
en inverso
R
1R
R 
I EO  I ES (1   F  R )
B
I E   I ES   R I CS e
I C   F I ES  I CS e
 1)
I E   R I B  (1   R ) I EO
R 
VBC > Vdon
VBE < 0
VTE
Vdon I E   R I B  (1   R ) I E 0
EC
C
E
B
Valores Típicos:
C
E
B
 R  [1,10]
Vdon  [0.5, 0.7]V
 R I B  I E 0 (1   R )
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Zona Corte
VBE
I E  I ES (e
VTE
VBE
I C   F I ES (e
VBC
 1)   R I CS (e
VTE
VBC
 1)  I CS (e
VTE
VTE
 1)
I E   I ES   R I CS
VBC < 0
VBE < 0
I C   F I ES  I CS
 1)
IE  0
IC  0
I B  I E  IC  0
B
C
E
B
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Zona Saturación
VBE
I E  I ES (e
VTE
VBE
I C   F I ES (e
VBC
 1)   R I CS (e
VTE
VBC
 1)  I CS (e
VTE
VTE
 1)
VBE
I E  I ES e
VBC > Vdon
VBE > Vdon
VBE
 1)
VBC
VTE
I C   F I ES e
  R I CS e
VTE
VBC
 I CS e
VTE
VTE
¡¡ No se pueden simplificar más !!
VCE  VCB  VBE
VCE ( sat)
 1 IC 1



IB R
 VTe ln  R
IC 1

1


IB R

VCE (sat)
B
Valores Típicos:
VBE ( sat)  [0.7, 0.8]V
C
B
E
VBE (sat)


  V ln  1 
 Te   R 


VCE ( sat)  [0.05, 0.2]V
IC    I B
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Gráficas de Intensidad
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Tensión Early
 V 
I C   F I B  (1   F ) I CO  1  CE 
 VA 
 VCE 
I C   F I B  1 

V
A 

⌂ VA ≡ Tensión Early o Factor de
Modulación de la Base
VA ↑↑ (>30V), es la pendiente de la curva en Z. Activa
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Condiciones a Verificar
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5.5 Modelos SPICE
C
C
rc
rc
 F I DE
I DC
QBC
rcb
rb
B
B
 R I DC
I DE
reb
IC
rb
QBE
IE
re
re
E
E
Modelo Ebers-Moll, incluyendo
efectos de 2º orden
Modelo dinámico del BJT en Spice
VBE
QBE   F I S (e
VBC
QBC   R I S (e
VTE
VBE
 1)  C je 0 
0
VTE
VBC
 1)  C jc 0 
0
1  V 

e 

VBE
C BE
 me
1  V 

c 

dV
dQBE  F I S e


dVBE
VTE
 mc
VBC
dV
C BC
dQBC  R I S e


dVBC
VTE
Hidalgo López, José A.; Fernández Ramos Raquel; Romero Sánchez,
Jorge (2014). Electrónica. OCW-Universidad de Málaga.
http://ocw.uma.es. Bajo licencia Creative Commons AttributionNonCommercial-Share-Alike 3.0 Spain
VTE

VTE

C je 0
1  VBE 

e 

me
C jc 0
1  VBC 

c 

20
mc