Transparecias 2002/2003

El transistor bipolar de
unión (BJT)
Introducción
„
„
„
„
1948-1949: Willian Shockley, John Bardeen y Walter H. Brattain “descubren” este
dispositivo y modelan su principio de funcionamiento.
Es el transistor más utilizado en circuitos discretos.
Presenta mayores velocidad de respuesta y potencia disipada que el MOS.
Estructura:
E
B
n+
p
C
p+
p
n+
p
n (capa epitaxial)
n+ (capa enterrada)
p
1
Diagrama de bandas en equilibrio
n+
p
n
p+
n
p
E
B
C
E
B
C
EC
EC
Ei
EF
EF
Ei
EV
EV
BJT npn
BJT pnp
Zona activa directa (npn)
„
Diagrama de bandas y distribución de minoritarios
EFE
qVBE
qVBC
EF0
EC
EFC
Ei
VBC
Zona
de
corte
Zona
activa
inversa
E
B
C
npB0
pnC0
EV
Zona
de
saturación
VBE
Zona
activa
directa
pnE0
2
Zona activa directa (npn)
„
Corrientes
IE=InE+ IpE
IC=InC+ IpC
IB=IpE+IrB- IpC
InE
IE
InC
IpE
IrB
IpC
IC
IB
Acción de transistor es la captación de portadores minoritarios que
realiza una unión pn inversmente polarizada cuando son emitidos
por otra unión pn directamente polarizada situada muy próxima a
la anterior.
Zona de saturación (npn)
„
Diagrama de bandas y distribución de minoritarios
EC
EFE
EFC
Ei
qVBE
EF0
qVBC
EV
E
B
pnE0
npB0
C
VBC
Zona
de
corte
Zona
activa
inversa
Zona
de
saturació
saturación
VBE
Zona
activa
directa
pnC0
3
Zona de saturación (npn)
„
Corrientes
dn
<0
dx
InE
IE=InE+ IpE
IC=InC- IpC
IB=IpE+IrB+ IpC
IE
IpE
InC
IrB
IpC
IC
IB
Existen dos posibles regiones de saturación:
dn
1.- saturación directa (es la representada): pB < 0
dx
dn
2.- saturación inversa: pB > 0
dx
Zona de corte (npn)
„
Diagrama de bandas y distribución de minoritarios
qVBE
EFE
qVBC
EF0
EC
EFC
Ei
EV
VBC
Zona
de
corte
Zona
activa
inversa
Zona
de
saturación
E
B
npB0
C
pnC0
pnE0
VBE
Zona
activa
directa
4
Zona de corte (npn)
„
Corrientes
IE=-InE- IpE
IC=InC+ IpC
IB=IE- IC
IE
InE
InC
IpE
IpC
IC
IB
Todas las corrientes corresponden a corrientes de saturación de una
unión (son, por ello, muy pequeñas).
Pueden ser apreciables otras debidas a generación en las zonas de
vaciamiento.
El BJT integrado (npn)
„
Aspectos de modelado
(B)
(A)
(B)
(B)
Se distingue
funcionamiento intrínseco (A)
distribuido
funcionamiento extrínseco
aislamientos (B)
5
Cálculo de las corrientes (npn)
„
„
„
„
Es necesario establecer un conjunto de hipótesis simplificadoras de partida (son
idénticas a las del modelo del diodo de unión pn ideal).
La distribución de los portadores minoritarios se obtiene resolviendo la ecuación de
continuidad en las tres regiones neutras con las condiciones de contorno apropiadas.
Se desprecia la recombinación en la región de base (base estrecha).
Las corrientes en los terminales se calculan evaluando la densidad de corriente de
difusión de los minoritarios en las distintas regiones neutras (como para el modelo del
diodo ideal).
Condiciones de contorno:
Emisor
E
B
C
D(V) = e
WE
0 0
WB 0
V
Vt
−1
Base
WC
Colector
∆p nE (0) = p nE0 ⋅ D(VBE )
∆p nE (WE ) = 0
∆n pB (0) = n pB0 ⋅ D(VBE )
∆n pB (WB ) = n pB0 ⋅ D(VBC )
∆p nC (0) = p nC0 ⋅ D(VBC )
∆p nC (WC ) = 0
Cálculo de las corrientes (npn)
„
Distribución de portadores
-
x
L pE
E
→ WE >> L pE → ∆p nE (x) = p nE0 D(VBE )e
B


x
x
→ WB << L nB → ∆n pB (x) = n pB0 (1 )D(VBE ) +
D(VBC )
WB
WB


x
C
→ WC >> L pC → ∆p nC (x) = p nC0 D(VBC )e
-
*
L pC
* Se desprecia la recombinación en la base.
„
Corrientes de minoritarios
I nE =
I pE =
I nC =
I pC =
qA E D nB n pB0
WB
qA E D pE p nE0
L pE
qA E D nB n pB0
WB
qA E D pC p nC0
L pC
[D(VBE ) - D(VBC )]
D(VBE )
[D(VBE ) - D(VBC )]
D(VBC )
El área del transistor prototipo es la de la región de emisor.
6
Cálculo de las corrientes (npn)
„
Corrientes en los terminales
E
IE=InE+ IpE
IC=-InC- IpC
IB=IE- IC
IE
IC = −
WB
qA E D pC p nC0
L pC
[D(VBE ) - D(VBC )] +
D(VBC ) −
IC
IpC
00
qA E D nB n pB0
C
InC
IpE
WE
IE =
B
InE
WB 0
qA E D pE p nE0
L pE
qA E D nB n pB0
WB
WC
D(VBE )
[D(VBC ) - D(VBE )]
Modelo de Ebers y Moll (npn)
IDE
E
IE
E
B
C
IC
αRIDC
IDC
B
C
αFIDE
VBE
VBC
I E = I DE − α R I DC = I SE D(VBE ) - α R I SC D(VBC )
I C = α F I DE − I DC = α F I SE D(VBE ) - I SC D(VBC )
Las fuentes controladas modelan los fenómenos de inyección entre
ambas uniones (emisor y colector).
7
Modelo de Ebers y Moll (npn)
„
Parámetros
qA E D nB n pB0
qA D p
[D(VBE ) - D(VBC )] + E pE nE0 D(VBE )
WB
L pE
qA E D pC p nC0
qA E D nB n pB0
IC = −
D(VBC ) −
[D(VBC ) - D(VBE )]
L pC
WB
IE =
αF =
αR =
D nB n pB0 L pE
→ βF =
D nB n pB0 L pE + D pE p nE0 WB
D nB n pB0 L pC
D nB n pB0 L pC + D pC p nC0 WB
 D nB n pB0 D pE p nE0
ISE = qA E 
+
 WB
L pE

I E = I SE D(VBE ) - α R I SC D(VBC )
I C = α F I SE D(VBE ) - I SC D(VBC )
D nB n pB0 L pE
αF
=
1 − α F D pE p nE0 WB
→ βR =
D nB n pB0 L pC
αR
=
1 − α R D pC p nC0 WB

D n
D p
 I SC = qA E  nB pB0 + pC nC0

 WB
L pC






Se verifica, además, el postulado de reciprocidad α F ISE = α R ISC = IS
Parámetros del BJT (npn en ZAD)
„
Definiciones
InE
I nE
◘ Eficiencia de emisor → γ = I + I
nE
pE
InC
IpE
IrB
IpC
I
nE
◘ Relación de inyección → γ e = I
pE
I
nC
◘ Factor de transporte en la base → α T = I
nE
+I
I
I
nE
pE
E
◘ Ganancia en corriente (base común) → α F = I + I = I
nC
pC
C
I
C
◘ Ganancia en corriente (emisor común) → β F = I
B
8
Características I-V
(npn en emisor común)
„
Característica de entrada
Manipulando las ecuaciones de Ebers y Moll:
VCE

1 − Vt
 1
I B = IS 
e
+
 βF βR

 VBE
 1
1 
 Vt

− I S 
+
e
β F β R 


IB
VCE=0 V
VCE=0.2 V
VBE
Características I-V
(npn en emisor común)
„
Característica de salida

[I B + (1 − α F )ISE + (1 − α R )ISC ]  α F ISE − ISC e


I C = I SC − α F I SE +
(1 − α F )ISE + (1 − α R )ISC e
IC
−
−
VCE
Vt




VCE
Vt
IB2>IB1
IB1>IB0
IB0
VCE
La conductancia de salida
en ZAD es nula
9
Fenómenos de segundo orden
(npn)
„
Recombinación en la base
WB
I rB = I nE (0) − I nE (WB ) = qA E
∫
WB
U nB dx = qA E
0
=
qA E n pB0 WB
2τ nB
∫
∆n pB (x)
τ nB
0
[D(VBE ) + D(VBC )] ≅
qA E n pB0 WB
2τ nB
e
dx =
VBE
Vt
La expresión de la corriente InC queda:
I nC = I ideal
nC − I rB =
donde → δ =
qA E D nB n pB0
2WB
[(2 - δ )D(V
2
BE ) -
(2 + δ )D(V )]
2
BC
WB 2
; L nB = τ nB D nB
L nB
Fenómenos de segundo orden
(npn)
„
Efecto Early (efectos)
La conductancia de salida en ZAD es nula para la configuración en emisor común (modelo ideal: IC no depende de VCE).
I C = α F I SE e
VBE
Vt
+ I SC ≈ α F I SE e
VBE
Vt
Los BJTs reales presentan cierta pendiente no nula en la característica de salida que se modela con el parámetro VA: tensión
de Early
IC
-VA
VCE
10
Fenómenos de segundo orden
(npn)
„
Efecto Early (causas)
Este efecto se debe a la modulación de la longitud de la región
neutra de base: la unión de colector está polarizada en inversa
y su tamaño varía.
E
B
C
VCB0
0 WB0
E
B
0 WB1
C
0
VCB1>VCB0
WB1
WB0
Si VCB crece WB disminuye y la pendiente de npB(x) crece (IC↑)
Si WB disminuye→recombinación↓ (IC ↑)
Fenómenos de segundo orden
(npn)
„
Efecto Early (modelado)
m=
IC
I ideal
∆I
∂I C
C
= C =
VA
VCE ∂VCE
IC
∆I C
I ideal
C
VCE
VCE
-VA
I C = I ideal
+ ∆I C = I ideal
+ mVCE
C
C
 VCE

= I ideal
C 1 +
VA

Corriente de colector en ZAD (ideal): →
∂I C
∂I
=− C
m=
∂VCE
∂VBC
=+
VBE
qA E D nB n pB0
WB2
e
I ideal
C
VBE
Vt




≈
qA E D nB n pB0
WB (VBC )
e
VBE
Vt
∂WB
1 ∂WB
= I ideal
C
∂VBC
WB ∂VBC
11
Fenómenos de segundo orden
(npn)
„
Efecto Early (modelado)
WBneutra
B
xnE
=
N DE
N DE + N AB
2ε S N DE N AB
(Vbi − VBE )
q N DE + N AB
x nC =
N DC
N DC + N AB
2ε S N DC N AB
(Vbi − VBC )
q N DC + N AB
xnC
WB =
WBneutra
N DE
WE =
N DE + N AB
x nE =
- x nE - x nC
VA =
W neutra - x nE - x nC
WB
=− B
∂WB ∂VBC
∂x nC ∂VBC
Fenómenos de segundo orden
(npn)
„
Dependencia de βF con la polarización
En ZAD: → log(I C ) = log(α F ISE ) +
log(IB)
log(IC)
V
VBE
; log(I B ) = log[(1 - α F )I SE ] + BE
Vt
Vt
IC se ajusta aceptablemente. IB no lo hace tan bien bajo
polarizaciones débiles debido a la recombinación. Esto
hace que la ganancia βF disminuya en esa región.
βF
VBE
βF =
IC
IB
IC
12
Fenómenos de segundo orden
(npn)
„
Efectos de la alta inyección
Cuando la inyección es de alto nivel la corriente de colector se
puede modelar por:
VBE
qA E D nB n i 2Vt
IC ≈
e
WB
Esta dependencia con la
tensión de emisor es más
débil que la estimada con el
modelo ideal. Esto da
cuenta de las desviaciones
observadas en βF para las
polarizaciones altas.
βF
IC
Fenómenos de segundo orden
(npn)
„
Resistencia de base
La base es una región estrecha. Por ello la resistencia lateral
asociada puede ser grande. Se modela por
I C = ISe
VBE − I B R B
Vt
siendo R B = ρ S
LB
LB
≈
A L qA L µ pB N AB
B
AL
13