El Transistor de Juntura Bipolar (BJT)

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 combinación de portadores e y h+ . 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.
1
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.
2
2.1
El transistor de juntura bipolar (BJT)
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 junturas p-n y posee tres terminales los que son llamados Emisor (E), Base
(B) y Colector (C). El BJT puede ser tipo npn 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.
1
p
n
E
n
p
E
C
B
p
n
C
B
Emisor
Colector
Emisor
Colector
Base
Base
(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 intermedio de alto dopamiento (gran cantidad de e ), una región p muy delgada de
pequeño volumen de bajo dopamiento (poca cantidad h+ ), 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.
IE
n
e-
E
p
n
n
p
n
IC
h+
C
h+
E
B
B
IB
C
eIB
+
+
VBE
VCB
(a)
(b)
Figure 2: (a) Colector abierto. (b) Emisor abierto.
La corriente IE se produce por la suma de los e mayoritarios y h + mayoritarios inyectados por el emisor y la base respectivamente. La corriente entre la
base y el emisor será IE . Dado que la base es muy delgada, no soporta grandes
corrientes.
Polarizando solamente la juntura CB, dejando el emisor abierto, la juntura
2
pn está polarizada inversa, luego sólo existe movimiento de portadores h + ninoritarios del colector y los e minoritarios de la base, produciendo una corriente
inversa de saturación llamada ICBO , entre C y B.
n
p
e-
n
n
e-
E
C
h+
+
h
p
I nE e-
IE
I CB0
h+
B
e-
α I nE
InE (1- α)
I pB
E
n
B
IC
C
IB
+
+
+
+
VCB
VBE
VCB
VBE
(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 recombina en la base con los h + mayoritarios aportados por ésta. Así, la corriente por
el emisor debido a los e mayoritarios será InE , pero la corriente en el colector
debido a estos portadores será InE ; donde es un número menor que 1, dado
que parte de los e se recombinan en la base.
Así, la corriente del emisor IE , será función de la corriente producida por los
portadores mayoritarios e 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 mayoritarios h+ de la base mas la
corriente InR menos la corriente ICBO como se muestra en la Fig. 3b.
IB = IpB + InR
ICBO
(2)
Finalmente, la corriente por el colector IC será la proveniente del emisor más
la corriente de saturación inversa ICBO .
IC = InE + ICBO
(3)
Considerando despreciable el efecto de ICBO , se tiene
IB
IC
= IpB + (1
=
InE
3
)InE
(4)
(5)
Luego (1) se reemplaza IpB en (4) obteniéndose la clásica ecuación
IB = IE
IC
(6)
Por otro lado dado que IC = InE ; reemplazando (1)
IC = InE =
(IE
IpB )
Considerando que la corriente IpB debido a h+ generada por la base es mucho
menor que InE ; entonces se llega a
IC = IE
Donde
2.3
(7)
es la ganancia de corriente en base común.
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 modo activo, el
BJT opera como ampli…cador. Los modos corte y saturación permiten usar el
transistor como interruptor.
Table 1: Zonas de trabajo del BJT.
Modo
Corte
Activo
Saturación
pnp
JEB
Inv
Dir
Dir
JCB
Inv
Inv
Dir
npn
JBE
Inv
Dir
Dir
JBC
Inv
Inv
Dir
Para el trabajo en zona activa, la alimentación debe ser de acuerdo a la
Fig. 4. La juntura base-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; luego VEB > 0 para un transistor
pnp.
En zona activa, la corriente del colector está dada por
ic = Is e
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),
4
V
CB
V
+
V
+
V
+
EB
BC
BE
+
(b)
(a)
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
+1
iC ; lo que se puede expresar como iC = iE . Donde es
Luego iE =
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 curva iC 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 de iB en particular.
i
B
iC
[uA]
[mA]
I
B3
IB
2
I
B1
ICQ
I
BQ
V
BE
vBE
[V]
v
=IBQ
CE
[V]
(b)
(a)
Figure 5: (a) Característica de entrada iB
iC vCE :
vBE . (b) Característica de salida
De acuerdo a la Fig.5, cuando el transistor está operando, se establece un
voltaje en la juntura BE llamado VBE(ON ) , éste permite establecer una corriente
en la base llamada IBQ : Debido a la caracteristica de ampli…cación, la corriente
de colector será ICQ = IBQ . El voltaje vCE en la zona activa será mayor que
cero pero menor que la fuente de alimentación que se use para tal efecto.
5
iC
[mA]
Zona
D de P máxima
IB5
Región de Saturación
IB4
IB3
IB2
IB1
Región de Corte
VCE (Sat)
vCE
[V]
Figure 6: Zonas de funcionamiento del BJT.
En la Fig. 6 se pueden identi…car las tres zonas de funcionamiento, luego
se tiene la zona de corte, para la cual se cumple que iB = 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 ideales vCE 0; sin
embargo, en terminos prácticos es establece que el transistor estará en saturación
para un valor del voltaje colector emisor menor a VCE(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 destruye. 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 circuito, base común, emisor común y colector comun.
i
i
B
v
i
+
v
+
BE_
_
(a)
iE
C
CE
v
B
+
BC _
_
v
CE
+
(b)
i
i
E
_
v
BE
+
_
v
C
+
CB
(c)
Figure 7: Con…guraciones del BJT. (a) Emisor común. (b) Colector común. (c)
Base común.
Cada una de las con…guraciones básicas tendrá distintas curvas de salida.
6
2.6
Características principales del BJT
La iE , será siempre mayor a la iC :
Por medio de una pequeña tensión directa en JBE, se logran controlar
grandes por el colector.
iB es bastante pequeña ( A) en cambio, iE y iC son del orden de los mA.
iE desfasa a iC 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.
10[V]
RC
470 Ω
RB
10[K Ω ]
i
B
RB
10[K Ω ]
iC
470 Ω
+
+
v
v
+
BE_
10[V]
+
i
B
CE
v
+
v
BE _
iC
CE
+
10[V]
_
_
(a)
(b)
Figure 8: Polarización del BJT.
10 [V ] = iB 10 [K ] + vBE
10 [V ] = iC 470 [ ] + vCE
Considerando que VBE(ON ) = 0:7 [V ] y
iB =
(10)
(11)
= 100; se tiene que
10 [V ] 0:7 [V ]
= 930 [ A]
10 [K ]
Luego, como iC = 100iB = 93 [mA] ;
vCE = 10 [V ]
93 [mA] 470 [ ] =
33 [V ]
De lo que se concluye que el transistor está en zona de saturación.
Cambiando el RB por 680 [K ], se tiene
7
iB
=
iC
vCE
=
=
10 [V ] 0:7 [V ]
= 13:67 [ A]
680 [K ]
100iB = 1:367 [mA]
10 [V ] 1:367 [mA] 470 [ ] = 9:36[V ]
Casi se encuentra en corte, pues iB
0:
Finalmente, para un valor de RB = 100 [K ], es factible tener el transistor
en zona activa.
iB
=
iC
=
=
vCE
4
10 [V ] 0:7 [V ]
= 93 [ A]
100 [K ]
100iB = 9:3 [mA]
10 [V ] 9:3 [mA] 470 [ ] = 5:63[V ]
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
[3] Sedra, A. Smith, K, 1998. Microelectronics Circuits. Oxford Press.
8