Transistor BJT - Escuela de Ingeniería Electrónica

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Estructura Fı́sica
Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Transistor BJT: Fundamentos
Lección 05.1
Ing. Jorge Castro-Godı́nez
EL2207 Elementos Activos
Escuela de Ingenierı́a Electrónica
Instituto Tecnológico de Costa Rica
I Semestre 2014
Jorge Castro-Godı́nez
Transistor BJT
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Estructura Fı́sica
Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Contenido
1
Estructura Fı́sica
2
Circulación de corriente
3
Análisis de circuitos transtorizados en CC
4
Efecto Early
Curvas caracterı́sticas
Dependencia de iC respecto vC
5
Modelo Ebers-Moll
Jorge Castro-Godı́nez
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Estructura Fı́sica
Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Transistores de Unión Bipolar
(1)
Primer transistor
inventado en 1947.
Bell Laboratories.
John Bardeen, Walter
Brattain y William
Schockley.
Premio Nobel de Fı́sica en
1956.
Transistor de Germanio de
tres puntos.
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Estructura Fı́sica
Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Transistores de Unión Bipolar
(2)
Aplicaciones:
Alta frecuencia.
Compuertas lógicas (antes
TTL; actualmente
BiCMOS).
Electrónica de potencia.
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Estructura Fı́sica
Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Transistores de Unión Bipolar
(3)
Consta de dos uniones p-n construidas de manera especial.
¿Bipolar?
La corriente es por electrones y huecos.
Empleados en multitud de aplicaciones: analógicas,
amplificación de señales; digitales, circuitos digitales lógicos y
de memoria.
Concepto de operación: la tensión entre dos terminales
controla la corriente que circula en la tercer terminal.
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Estructura Fı́sica
Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Transistor bipolar de unión (BJT)
BJT consiste en tres capas
semiconductoras
-dos del mismo tipo de dopado en
los extremos
-una de dopado complementario en
el centro
BJT es un dispositivo de tres terminales: base (dopado complementario),
colector y emisor
Dos uniones PN en un BJT
Bipolar = tanto electrones como huecos participan en el flujo de corriente
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Estructura Fı́sica
Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Transistor npn
Estructura simplificada de un trasistor npn.
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Transistor pnp
Estructura simplificada de un trasistor pnp.
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Estructura Fı́sica
Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Modos de operación
Modo
Corte
Activo
Saturación
A. Reversa
EBJ
Inversa
Directa
Directa
Inversa
CBJ
Inversa
Inversa
Directa
Directa
Modo activo: se utiliza si el transistor debe operar como
amplificador.
Modo corte y saturación: aplicaciones de conmutación, e.g.,
circuitos lógicos.
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Estructura Fı́sica
Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Regiones de Operación
BE en directa, BC en reversa
BE en directa, BC en directa
IC ≠ 0, amplificación lineal
IC ≠ 0, interruptor cerrado
BE en reversa, BC en reversa
BE en reversa, BC en directa
IC ≈ 0, IE ≈ 0, interruptor abierto
IC ≠ 0, IE ≠ 0
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Operación npn, modo activo
Transistor npn polarizado en modo activo.
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Perfiles de concentración
Carrier concentration
Emitter
(n)
EBJ
depletion
region
Base
(p)
CBJ
depletion
region
Collector
(n)
Electron
concentration
np (ideal)
Hole
concentration
np (0)
pn (0)
pn0
np (with
recombination)
Distance (x)
Effective base
width W
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Circulación de corriente
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Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Circulación de corriente
(1)
Concentración de electrones máxima del lado de la base, np (0)
np (0) = np0 evBE /Vt
np0 : concentración de portadores minoritarios (e− ), equilibrio
térmico.
vBE : polarización directa entre emisor y base.
Vt : voltaje térmico (∼ 25 mV).
Concentración cero en el lado del colector, debido a que vCB
barre los electrones a través de la región de agotamiento CBJ.
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Circulación de corriente
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Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Circulación de corriente
(2)
Corriente electrónica de difusión In es directamente
proporcional a la pendiente del perfil de concentración.
dnp (x)
dx
np (0)
= AE qDn −
W
In = AE qDn
AE : área transversal de la unión B-C, q: carga electrónica,
Dn : difusividad electrónica en la base, W : ancho efectivo de
la base.
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Corriente de colector
(1)
iC = IS evBE /VT
La corriente de saturación IS está dada por:
IS = AE qDn np0 /W
siendo np0 = n2i /NA
IS =
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AE qDn n2i
NA W
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Corriente de colector
(2)
La magnitud de iC es independiente de vBC
IS es inversamente proporcional al ancho W y directamente
proporcional al área de la unión EBJ.
área de unión ⇒ factor de escala de corriente.
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Circulación de corriente
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Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Corriente de base
(1)
iB1 =
AE qDp n2i vBE /VT
e
ND Lp
Dp : difusividad de huecos en el emisor, Lp : longitud de
difusión de huecos en el emisor, ND : concentración de
donadores en el emisor.
iB2 =
=
Qn
τb
1 AE qW n2i vBE /VT
e
2 τb NA
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Circulación de corriente
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Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Corriente de base
(2)
iB = IS
Dp NA W
1 W2
+
Dn ND Lp 2 Dn τb
evBE /VT
iC
β
IS
iB =
evBE /VT
β
Dp NA W
1 W2
β = 1/
+
Dn ND Lp 2 Dn τb
iB =
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Corriente de base
(3)
β, para transistores npn, ronda entre 100 y 200, pero puede
llegar a valores de hasta 1000.
β: ganancia de corriente de emisor común.
Para obtener un β alto, la base de ser delgada (W pequeño),
y el emisor fuertemente dopado en comparación de la base
(NA /ND pequeño)
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Circulación de corriente
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Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Corriente de emisor
(1)
iE = iC + iB
iE =
iE =
β+1
iC
β
β+1
IS evBE /VT
β
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Circulación de corriente
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Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Corriente de emisor
(2)
iC = αiE
α=
β
β+1
iE = (IS /α) evBE /VT
β=
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α
1−α
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Corriente de emisor
(3)
α: ganancia de corriente de base común.
Pequeños cambios en α implica grandes cambios en β
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Modelo de circuito equivalente
C
C
iC
iC
IS ev BE /V T
aF iE
iB
B
iB
B
1
vBE
2
DE
(ISE 5 IS /aF)
1
DE
(ISE 5 IS /aF)
iE
vBE
iE
2
E
E
Modelo equivalente a gran señal del BJT npn.
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Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Sección transversal
E
B
C
Sección trasversal de un transistor BJT npn.
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Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Modelos de circuito equivalente
C
DC
(ISC 5 IS yaR)
iC
B
a R iC
E
Modelo equivalente para un npn en polarización inversa.
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Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Operación pnp, modo activo
Transistor pnp polarizado en modo activo.
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Modelo de circuito equivalente
iB
D
(ISyaF)
Modelo equivalente a gran señal del BJT pnp.
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Sı́mbolos de circuito
npn
pnp
Sı́mbolos de circuito para BJT.
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Sı́mbolos de circuito
Polaridades de tensión y corrientes en transistores BJT polarizados
en modo activo.
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Ejemplo
El transistor del circuito
presenta β = 100 y
vBE = 0, 7 V a una corriente
iC = 1 mA. Diseñe el circuito
para que iC = 2 mA y se
tenga VC = +5 V
115 V
RC
RE
215 V
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Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Ejercicio 1
110 V
RC 5 4.7 kV
Analice el circuito para determinar
las tensiones en los nodos y las
corrientes en las ramas. Asuma que
β = 100 y vBE = 0, 7 V
14 V
RE 5 3.3 kV
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Ejercicio 2
Las mediciones del circuito
indican que VB = +1, 0 V y
VE = +1, 7 V
110 V
5 kV
¿Cuál es el valor de α y β
para el transistor?
¿Cuál es el valor esperado
en VC ?
VE
VB
VC
100 kV
5 kV
210 V
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Ejercicio 3
Se desea analizar el circuito
para determinar las tensiones y
corrientes. Considere que
β = 100.
115 V
RB 1 5
100 kV
RB 2 5
50 kV
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Transistor BJT
RC 5
5 kV
RE 5
3 kV
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Curvas caracterı́sticas
Dependencia de iC respecto vC
Curvas caracterı́sticas
(1)
La curva caracterı́stica iC - vBE presenta una relación
exponencial.
iC = IS evBE /VT
Es una relación similar a la del diodo.
Para iE ⇒ IS /α e iB ⇒ IS /β
Para valores normales de corriente vBE está en un rango de
0,6 a 0,8 V. Normalmente se supondrá vBE = 0,7 V.
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Transistor BJT
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Curvas caracterı́sticas
Dependencia de iC respecto vC
Curvas caracterı́sticas
(2)
Curva caracterı́stica iC - vBE .
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Curvas caracterı́sticas
Dependencia de iC respecto vC
Características de Salida
VBC
Saturación
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Reversa
Activa
Saturación
Corte
Directa
Activa
Transistor BJT
VBE
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Curvas caracterı́sticas
Dependencia de iC respecto vC
Efecto de la temperatura
Efecto de la temperatura en la curva caracterı́stica iC - vBE .
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Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Curvas caracterı́sticas
Dependencia de iC respecto vC
El Efecto Early
Las curvas caracterı́sticas iC - vCB no so rectas
perfectamente horizontales.
El Efecto Early para un BJT constituye en un decremento en
el ancho eficaz o efectivo de la base W
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Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Curvas caracterı́sticas
Dependencia de iC respecto vC
Curva caracterı́stica
iC
Saturation
region
Active region
iE 5 IE1
aIE1
DiC
aIE2
iE 5 IE2
iC
vCB
iE 5 0
0
iE
0.4 2 0.5 V
vCB
VCB
BVCBO
Expanded
scale
(a)
(b)
Curva caracterı́stica iC - vCB .
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Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Curvas caracterı́sticas
Dependencia de iC respecto vC
Efecto Early
Circuito conceptual y curva caracterı́stica.
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Curvas caracterı́sticas
Dependencia de iC respecto vC
El Efecto Early
La pendiente diferente de cero indica que existe una
resistencia de salida finita y determinada por:
∂iC
ro =
∂vCE
−1
esto para una vBE constante.
ro w
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VA
IC
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Curvas caracterı́sticas
Dependencia de iC respecto vC
Modelo gran señal y Efecto Early
iC
iB
iC
C
B
C
B
iB
1
vBE
DB
(IS yb)
IS evBE yVT
ro
DB
(IS yb)
1
biB
ro
2
vBE
iE
iE
2
E
E
BJT operando en modo activo y configuración de emisor común.
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Modelo Simplificado de Gran Señal
c)
Modelo simplificado de gran señal para un transistor bipolar npn en la región activa
directa: (a) modelo de emisor común y (b) modelo de base común, c) modelo de gran
señal para un transistor en saturación
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Transistor BJT
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Estructura Fı́sica
Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Modelo Simplificado de Gran Señal
c)
Modelo simplificado de gran señal para un transistor bipolar pnp en (a) región activa
directa en configuración de emisor común, (b) región activa directa en configuración de
base común, (c) saturación.
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Estructura Fı́sica
Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Modelo de Ebers-Moll (1)
Región activa directa:
Junta BE en polarización directa, junta BC en polarización inversa
Electrones que fluyen de emisor a colector deben hacerlo a través de la base
C
FIF
N
B
C
FIF
IFO: Corriente de saturación de
reversa de junta base-emisor
B
P
IF
N+
E
IF
E




 1   I e
IF  IBEs eVBE / VT  1  IFO eVBE / VT  1
 F IF   F IBEs e
VBE / VT
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Transistor BJT
VBE / VT
F FO

1
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Estructura Fı́sica
Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Modelo de Ebers-Moll (2)
Región activa inversa:
Junta BE en polarización inversa, junta BC en polarización directa
Electrones que fluyen de colector a emisor deben hacerlo a través de la base
C
N
B
C
IR
P
IR
B
N+
RIR
RIR
E
IRO: Corriente de saturación de
reversa de junta base-colector
E



 1  

IR  IBCs eVBC / VT  1  IRO eVBC / VT  1
 RIR   R IBCs e
VBC / VT
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Transistor BJT
I
R RO
e
VBC / VT

1
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Circulación de corriente
Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Modelo de Ebers-Moll (3)
Combinando los modelos de ambas regiones se obtiene el modelo de Ebers-Moll
El modelo es válido para toda región de operación
IC
C
IFO, IRO: Corrientes de saturación de reversa
de las juntas base-emisor y base-colector
IR
B
FIF
IB
RIR
F
R
IF
 de región activa
 de región activa inversa
IE   R  IR  IF
IC   F  IF  IR
IE
E
BJT NPN

e
 
 1  I e

 1
IE   RIBCs eVBC / VT  1  IBEs eVBE / VT  1
IC   F IBEs
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VBE / VT
Transistor BJT
VBC / VT
BCs
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Análisis de circuitos transtorizados en CC
Efecto Early
Modelo Ebers-Moll
Referencias Bibliográficas I
J. M. Albella et al.
Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica.
Pearson, 1era edición, 2005.
A. Sedra, K. Smith.
Circuitos Microelectrónicos
Oxford, 4ta edición, 1998.
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