eman ta zabal zazu Universidad del País Vasco Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores upv ehu TRANSISTORES • • • • Símbolo. Características Clasificación de los transistores Transistores bipolares Transistores unipolares F.T.C. 4.1 Union PN P Union PN P N Union PN N P •Un transisstor esta formado por dos uniones PN pero su Ic comportamiento no es el de dos diodos enfrentados •Proceso de Fabricación Zona intermedia estrecha y debilmente impurificada Efecto TRANSISTOR: •Posibilidad de controlar la corriente entre colector y emisor mediante el control de la corriente de base F.T.C. Ib 4.2 Union PN Características. Símbolo • • • • Union PN Elemento triterminal: Terminal de control Magnitud control: tensión o corriente Funcionamiento específico: dos uniones PN Funcionamiento en régimen permanente: componentes de los circuitos digitales i terminal de control i IQ 3 T.C. IQ 2 + vT.C. IQ 1 – VQ i A + + - vAB – B v F.T.C. 4.3 Clasificación de los transistores Transistores bipolares: BJT • Corriente: movimiento de electrones y huecos. • Magnitud de control: corriente • Dos tipos: NPN y PNP Transistores unipolares o de efecto de campo: FET • Campo eléctrico influye en el comportamiento • Corriente: movimiento sólo de electrones o huecos, según el tipo de transistor • Magnitud de control: diferencia de potencial • JFET • FETMOS: de canal N (electrones); de canal P (huecos) Transistores uniunión: UJT • Muy especiales. No los veremos F.T.C. 4.4 TRANSISTORES BIPOLARES • • • • Magnitud de control: corriente Terminal central: corriente de control. Terminal base: B Terminal izquierda: emisor, E Terminal derecha: colector, C A + i T.C. vAB B P i – N E B i = f (v AB , iT .C . ) P C N E F.T.C. P B N C 4.5 Tipos de transistores bipolares transistor bipolar PNP transistor bipolar NPN C C colector colector B B base base emisor emisor E E • Sentido flecha: de P hacia N F.T.C. 4.6 Magnitudes en los transistores bipolares • Seis magnitudes a relacionar • Corriente en cada terminal: IC, IB , IE • Diferencias potencial entre terminales: VBE, VBC , VCE • Dos ecuaciones de comportamiento • Convenio para el sentido de las corrientes y signo de las tensiones NPN VBC IB B –C + – IB + + VBE PNP IC VCE – B IE F.T.C. C IC – VEC – VEB – E VCB + + E + IE 4.7 Ecuaciones de comportamiento de los t. bipolares P.S IC RC VBC – P.E + RB VBB + – IC + + – VCE + IB IC VBE – IB F.T.C. VCC – IE IC 4.8 Ecuaciones de comportamiento de los t. bipolares 1 3 5 I E = I B + IC V BC = VBE − VCE 2 V BB = RB I B + V BE IC = f (VCE , I B ) V CC = RC IC + VCE 4 6 I B = g(VBE , VCE ) • Ecuaciones comportamiento: análisis experimental (5,6) • Simplificando: punto operación del transistor Q(IB, IC, F.T.C. VBE, VCE) 4.9 Curvas características: dos VBC – P.E VBB I B = g(VBE , VCE ) • VCE poca influencia. Se simplifica. IB VCE1,...VCEn IC RC + + RB + – IB IB IC IC + + VCC – VCE VBE – IE– IC IB = g(VBE) IB VBE F.T.C. VBE= 0,7V VBE 4.10 P.S IC RC VBC – IC = f (VCE , I B ) IC + + RB + – VBB IB IB mA IC IC + + VCC – VCE VBE – IE– IC IB =100µA 12 10 IB =80 µA 8 IB =60 µA 6 IB =40 µA 4 IB =20 µA 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 F.T.C. 10 VVCE 4.11 UBC UBE Zonas de funcionamiento del transistor bipolar NPN N N P C E • Un transistor tiene dos uniones PN, 4 posibles polarizaciones: unión BE unión BC IP IP IP DP DP IP DP DP B • Distinguir entre E y C? • Polarización relativa determina quién funciona como E y quién como C • E y C no son exactamente iguales a nivel físico • • • • • Funcionamiento directo o normal (NPN): VBE> VBC Funcionamiento inverso (NPN): VBE< VBC Habitualmente: funcionamiento directo o Normal Posible con tres de las cuatro opciones Tres zonas de funcionamiento – Corte (R.C.N) – Región Activa Normal (R.A.N.) – Saturación (R.S.N) F.T.C. 4.12 UBC N Transistor NPN 1. Corte UBE N P C E • BE y BC en I.P. BB • Por tanto VBE ≤ 0,7 V y VBC ≤ 0,7 V (se suele comprobar sólo VBE ≤ 0,7 V) • En I.P. no circula corriente, por tanto: IC = 0 A IB = 0 A (por tanto IE = 0 A) • Ya tenemos las dos ecuaciones que nos faltaban • Resumiendo: condición ecuación ⇒ VBE ≤ 0,7 V IC = 0 , IB = 0 C B C B E E F.T.C. 4.13 2. Región Activa Normal (R.A.N.) • BE en D.P., BC en I.P • Sólo una unión en D.P. pero corriente en ambas. Aún así IB << IC • BE en D.P., por tanto, VBE = 0,7 V (una ecuación más) • Otra ecuación: analizando las curvas características del transistor • Conclusión análisis: IC/IB = ß ( nueva ecuación, ß “ganancia de corriente”) • Varía según el tipo de transistor. Consideraremos 100 • Verificación de esta zona implica comprobar unión BC en I.P: comprobar VBC ≤ 0,5 V (no 0,7 como en una unión aislada). Equivalente: VCE ≥ 0,2 V condición VBC ≤ 0,5 V ecuación VBE = 0,7 V , ⇒ C C E C IC= ß IB + 0.7 - B B IC =β IB F.T.C. E IC= ß IB B - + 0.7 E 4.14 3. Saturación • BE y BC en D.P. • Corriente en las dos uniones, IB mayor que antes • Ambas uniones en D.P.: VBE = 0,7 V y VCE = 0,2 V VBC = VBE - VCE = 0,7-0,2 = 0,5V • No relación constante anterior • Verificación de esta zona implica comprobar IC/IB ≤ ß condición ecuación ⇒ IC ≤β IB VBE = 0,7 V VCE = 0,2 V o VBC = 0,5 V 0.5V + + 0.7V - B B C C C E E F.T.C. + - B 0.2V - + 0.7 E 4.15 Zonas de funcionamiento en la curva característica mA IC IB = 100 µA 12 8 6 IB = 80 µA Saturación 10 IB = 60 µA R.A.N. IB = 40 µA 4 IB = 20 µA 2 0 Corte 0 1 2 3 4 5 F.T.C. 6 7 8 9 10 VCE V 4.16 Aproximación realizada IC IB4 IB3 IB2 IB1 0,2 V F.T.C. VCE 4.17 RC VCE VBC UBC UBE N P RB N C E VBE VBC VBB + – IB VBE BB R.C.N condición + + – IC + – IC ≤β IB VBC ≤ 0,5 V VBE = 0,7 V IC = IB = IE = 0 Modelo VBE = 0,7 V IC =β IB VBC = 0,5 V C C C IC= ß IB B B E + 0.7 - E F.T.C. – R.S.N R.A.N VBE ≤ 0,7 V VCE + – VCC B 0.5V + + 0.7V - E 4.18 Resolución gráfica de circuitos con transistores RC • Conocemos curvas (IB ,VBE) y (IC ,VCE) del transistor • Circuito de entrada P.E IB V BB B RB + V BE "carga" del circuito de entrada – RB IB VBB + – VBC – IC + + VBE + VCE – – E V BB = RB I B + V BE V BB 1 IB = − ⋅V BE RB RB F.T.C. RECTA DE CARGA de entrada 4.19 IC + – • Dibujando esa recta sobre el mismo plano que la curva (IB ,VBE) IB IB V BB 1 = − ⋅ V BE RB RB IB=0 VBE=VBB VBB/RB Cortes con los ejes VBE=0 IB= VBB/RB IBq VBE VBEq=0.7V VBB • Obtenemos punto de operación de entrada: (IBQ ,VBEQ) F.T.C. 4.20 • Circuito de salida P.S V CC IC RC C "carga" del circuito de salida E IC RC VBC – + V CE + + RB VBB + – IB – IB IC IC + + VCC – VCE VBE – IE– IC V CC = RC IC + VCE VCC 1 IC = − ⋅ VCE RC RC RECTA DE CARGA de salida F.T.C. 4.21 • Dibujando esa recta sobre el mismo plano que la curva (IC ,VCE) VCC 1 IC = − ⋅ VCE RC RC IC=0 VCE=VCC Cortes con los ejes VCE=0 IC= VCC/RC IC IB5 IB4 VCC/RC IB3 IB2=IB ICq Q IB1 VCE VCEq VCC • Obtenemos punto de operación de salida • Con ambos puntos, tenemos el punto de operación del transistor F.T.C. 4.22 TRANSISTORES UNIPOLARES O DE EFECTO DE CAMPO • • • • • Campo eléctrico influye en el comportamiento Corriente: movimiento sólo de electrones o huecos, según tipo Magnitud de control: diferencia de potencial JFET FETMOS: de canal N (electrones); de canal P (huecos) A i + T.C. v AB + – vT.C. – i = f (v AB , v T.C. ) B F.T.C. 4.23 MOS, transistores metal-óxido-semiconductor NMOS de enriquecimiento PMOS de enriquecimiento D D drenador drenador G puerta B sustrato B G puerta S PMOS de empobrecimiento NMOS de empobrecimiento D D drenador drenador puerta S fuente fuente G sustrato B B G sustrato sustrato puerta S S fuente fuente F.T.C. 4.24 • Otros símbolos transistores de empobrecimiento PMOS NMOS transistores de enriquecimiento PMOS NMOS • Enriquecimiento: D y S físicamente separadas • Empobrecimiento: entre D y S siempre hay canal • B, sustrato (bulk). No es un terminal, sino la base física sobre la que se ha construido el MOS. Normalmente se conecta a S F.T.C. 4.25 Magnitudes de los MOS • Tres magnitudes para analizar comportamiento: ID, VDS y VGS (t. control) • Corriente IG =0 siempre, no dependiendo de la polarización • Polarización adecuada para crear canal entre S y D (enriquecimiento) o para estrechar el canal existente (empobrecimiento) PMOS de enriquecimiento (< 0) NMOS de enriquecimiento IG = 0 ID D G +V + IG = 0 VDS GS (> 0) – S + VGS – – D F.T.C. + VSD G – S ID 4.26 Transistores MOS G S D Metal Oxido Semiconductor Semiconductor B G G B F.T.C. B 4.27 Transistor MOS Canal N (NMOS enriquecimiento) VGS G + S D G D S N N N N P P B G G B + VGS B B F.T.C. 4.28 Transistor MOS Canal N (NMOS enriquecimiento) VGS G + S D G D S N N N N P P B G G B +++++ -------- B + VGS B F.T.C. 4.29 VGS + G D S N N + P VDS ID = f(VGS,VDS) B IG =0 VGG + – ID D + VDS + VGS –S – G –+ VDS F.T.C. 4.30 Curvas de transferencia en los MOS • Punto de operación: Q( IDQ, VDSQ, VGSQ) • Corriente ID depende de las dos tensiones: ID = f(VGS,VDS) • Obtenemos esa curva experimentalmente, al igual que antes, con un circuito similar * Curva 1: manteniendo VDS, ID = f(VGS) (transistor en saturación) NMOS de enriquecimiento ID V GS − V T I D = I Don ⋅ V GSon − VT IDon VT V GSon 2 V GS F.T.C. 4.31 * Curva 2: para distintos valores de VGS, ID = f(VDS) ID NMOS de enriquecimiento Zon a óh mic a V GS = 15 V V GSQ IDsat V GS = 10 V Saturación V DSsat Corte F.T.C. V GS = 5 V V GS ≤ VT V DS 4.32 N MOS enriquecimiento, tres zonas de funcionamiento: condición ecuación D CORTE: VGSQ≤ VT ID = 0 G S ZONA OHMICA: D VGSQ ≥ VT VDSQ≤ VDSsat ID = VDSS / RDS G RDS S D SATURACIÓN: VGSQ ≥ VT ID = K IDon VDSQ ≥ VDSsat F.T.C. V − VT K = GS V GSon − V T 2 G S 4.33 N MOS enriquecimiento, funcionamiento como conmutador: condición CORTE: ecuación D G S VGSQ ≤ VT ID = 0 D G Conducción: VGSQ ≥ VT VDS=0 F.T.C. S 4.34 Transistor MOS Canal P (PMOS enriquecimiento) VGS G + S D G D S P P P P N N B B G G + VGS B S F.T.C. 4.35 Transistor MOS Canal P (PMOS enriquecimiento) VGS G + S D G D S P P P P N N VDS B B G + G -------+++++ B + VGS <0 S F.T.C. 4.36 VGS + G D S P P N ID = f(VGS,VDS) VDS B IG =0 VGG + – + ID D + VDS + VGS –S – G –+ VDS F.T.C. 4.37 N MOS enriquecimiento, tres zonas de funcionamiento: condición ecuación D CORTE: VGSQ≥ VT ID = 0 G S ZONA OHMICA: D VGSQ ≤ VT VDSQ≤ VDSsat ID = VDSS / RDS G RDS S D SATURACIÓN: VGSQ ≤ VT ID = K IDon VDSQ ≥ VDSsat F.T.C. V − VT K = GS V GSon − V T 2 G S 4.38 D P MOS enriquecimiento, funcionamiento como conmutador: G CORTE: condición ecuación VGSQ≥ VT ID = 0 S D G S Conducción: VGSQ ≤ VT VDS=0 F.T.C. 4.39 Transistor MOS Canal N (NMOS empobrecimiento) •Existe un canal en ausencia de tensión aplicada (proceso de fabricación) •Por defecto y al aplicar una tensión VDS>0 el transistor conduciría •Para destruir ese canal y hacer que el transistor no conduzca se necesita aplicar una tensión VGS<0 VGS G S D + G G N N G + -------+++++ VGS <0 P D S N N B B P B B F.T.C. 4.40 Transistor MOS Canal P (PMOS empobrecimiento) •Existe un canal en ausencia de tensión aplicada (proceso de fabricación) •Por defecto y al aplicar una tensión VDS>0 el transistor conduciría •Para destruir ese canal y hacer que el transistor no conduzca se necesita aplicar una tensión VGS>0 VGS + G D S G B P G D S P P G P + +++++ -------- N VGS>0 N B B F.T.C. 4.41