Transistores bipolares
Construcción y operación de transistores.
El transistor está compuesto por tres zonas de dopado, como se ve en la
figura:
Figura No. 3.1 El Transistor.
La zona superior es el "Colector", la zona central es la "Base" y la zona inferior es el "Emisor". El Emisor está muy impurificado, la Base tiene una impurificación muy baja, mientras que el Colector posee una impurificación intermedia. En este ejemplo concreto el transistor es un dispositivo NPN, aunque también podría ser un PNP. En principio es similar a dos diodos. Un
transistor es similar a dos diodos, el transistor tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y la otra entre la base y el colector. El emisor y la base forman uno de los diodos, mientras que el colector y la base forman el otro.
Estos diodos son denominados: "Diodo de emisor" (el de la izquierda en este caso) y "Diodo de colector" (el de la derecha en este caso).
Figura No. 3.2 Transistor (a) NPN, (b) PNP
Antes y después de la difusión. Vamos a hacer un estudio del transistor NPN, primeramente cuando está sin polarizar (sin pilas y en circuito abierto) se produce una "Difusión" (como un gas en una botella), donde los electrones cruzan de la zona n a la zona p, se difunden, encuentran un hueco y se recombinan. Esto hace que en las uniones entre las zonas n y p se creen iones positivos y negativos.
Figura No. 3.3 Movimiento electrónico en un transistor.
Esta difusión y recombinación se da hasta llegar al equilibrio, hasta conseguir una barrera de potencial de 0,7 V (para el Si). Se crean 2 z.c.e., una en la unión E-B (W
Si se conectan fuentes de tensión externas para polarizar al transistor, se obtienen resultados nuevos e interesantes. Hay 3 configuraciones:
E) y otra en la unión C-B.
Base común (BC).
Emisor común (EC).
Cada una de estas configuraciones a su vez puede trabajar en 4 zonas diferentes:
Zona de trabajo Condiciones Utilización
Activa U
Saturación U
Corte U
Activa invertida U
Con esto vemos que el transistor puede trabajar de 12 formas diferentes.
Figura No. 3.4 Diferentes regiones de trabajo de un transistor.
Configuración en base común.
La zona que más nos interesa es la zona activa, por lo tanto a continuación analizaremos esta zona. La zona p de base suele ser muy estrecha en la realidad, más tarde veremos porque. En el siguiente dibujo no dibujamos W
EE repele los electrones de la zona del emisor que cruzan la UE. Algunos electrones cruzan la UE y pasan por la zona p de la base sin recombinarse. Debido a la pila puede que un electrón cruce la barrera de potencial de la UE. Después ese electrón baja la barrera de potencial de la UC para salir por el colector.
Figura No. 3.5 Funcionamiento de la zona activa, configuración BC.
El negativo de la pila V
Figura No. 3.8 El Transistor.
EJEMPLO
sea positivo.
Figura No. 3.9 Convención para las corrientes en el transistor.
Aquí debemos definir una cantidad llamada
: IE = 100 mA, se recombinan el 1 % y no se recombinan el 99 %. Por lo tanto: IB = 1 mA y IC = 99 mA. Los signos como siempre, si va a favor del electrón es negativo y si va en contra positivo. En los problemas por comodidad se suele cambiar de dirección a IE para quealfa y se describe con la letra griega, . En condiciones de DC, los niveles de IC e IE, están relacionados de acuerdo a lo ya explicado. Y esta relación está dada por la cantidad, .dc
= IC / IE 3.1Los valores de alfa están entre 0,90 y 0,998. Alfa solamente define los portadores mayoritarios, entonces, la ecuación 3.1 quedará así:
I
Si I
CQ, IBQ y VCEQ. La componente en alterna o AC, generalmente de pequeña señal, introduce pequeñas variaciones en las corrientes y tensiones en los terminales del transistor alrededor del punto deC, IB y VCE del transistor tiene dos componentes: una continua y otra alterna, de forma queCQ, IBQ y VCEQ son componentes DC, e ic, ib y vce son componentes enc << ICQ, ib << IBQ y vce << VCEQ.E= VI/RI = 200 mV / 20Ω = 10 mA.
Y, tenemos que = 1; (I
I
C = IE), entonces:C = 10 mA; VL = IL * R = (10 mA) (5 K Ω) = 50 VEntonces, el voltaje de amplificación es:
A
V = VL / VI = 50 V / 200 mV = 250El voltaje de amplificación tiene unos valores típicos para la configuración de
base común entre 50 y 300. La amplificación de corriente es siempre menor
que 1, puesto que, es siempre menor que 1.
La amplificación se da por la transferencia de una corriente IE desde un
circuito de baja resistencia a uno de alta resistencia.
En general, los transistores bipolares de circuitos analógicos lineales están
operando en la región activa directa. En esta región existen cuatro zonas de
operación definidas por el estado de las uniones del transistor (Tabla 3.1):
saturación, lineal, corte y ruptura; estas zonas se indican claramente en la
figura 3.4 que representa las zonas de operación de un transistor. A
continuación se describe las características del transistor en estos modos de
operación considerando el transistor NPN únicamente; similar resultado puede
ser aplicado a transistores PNP.
En la región activa lineal, la unión emisor-base esta directamente polarizada y
la unión base-colector inversamente polarizada; la V
0.4 V y 0.8 V (valor típico de 0.7 V) y la V
las ecuaciones de Ebers-Moll se pueden aproximar a
3.6
3.7
Operando con estas ecuaciones, se obtiene una relación entre ambas
intensidades de forma que
3.8
Donde
3.9
Sustituyendo
3.10
Siendo
BE esta comprendida entreBC > 100 mV. En estas condiciones,3.11
ß
características del fabricante se representa por h
importante en un transistor de unión y define la relación entre las corrientes de
colector y base. Al ser I
ecuación (3.10) puede ser despreciado frente al primero. Como resultado, se
obtiene una relación muy utilizada para analizar transistores que operen en
esta región
3.12
La ecuación (3.12) indica que en la región activa lineal la relación entre las
corrientes de colector y base es constante. Sin embargo, en la práctica la h
F, es la ganancia en corriente en continua del transistor que en las hojas deFE. Este parámetro es muyCO una corriente muy baja, el segundo término de laFEde los transistores varia hasta en un 500% debido principalmente a tres
factores:
1) Proceso de fabricación. Los transistores sufren variaciones en el proceso de
fabricación que modifican sus características. El fabricante asigna un valor
típico (
máximo (
I
2) Corriente de colector. La h
fabricante proporciona curvas de características que permiten obtener la h
typ) a ese transistor con un rango de valores comprendido entre unmax) y un mínimo (min). Por ejemplo, el BC547B tiene, para unaC=2mA, una hFE (min)=200, hFE (typ)=290 y hFE (max)=450.FE varía también con la corriente de colector. ElFEpara diferentes I
el valor típico de la h
C. En la figura 1.3 se muestra una de estas curvas que incluyeFE con un rango de valores máximo y mínimo.Electrónica Básica 79
3) Temperatura. La dependencia de la h
observar en las graficas que proporciona el fabricante para tal fin. En la figura
1.4 se describen diferentes curvas normalizadas a 25º de h
temperaturas de -55ºC y 175ºC.
3.4. Configuración en emisor común.
Esta configuración es la más utilizada. Como en la configuración en Base
Común solo analizaremos la zona activa.
Figura No. 3.11 Transistor en configuración de Emisor Común.
Como en el caso anterior solo el 1 % se recombina y el 99 % no se recombina.
La dirección de I
FE con la temperatura se puedeFE paraE la cambiamos como en la configuración anterior.Electrónica Básica 80
Ganancia de corriente b
3.13
A veces (casi siempre) se desprecia la I
comparación con la I
3.5. Configuración en colector común.
Figura No. 3.12. Polarización de Emisor común para un transistor PNP.
En la figura No. 3.12 vemos la última de las tres posibles configuraciones de
un transistor con las direcciones de corriente y su notación de voltaje correcto.
El uso más común que a esta configuración se le da, es de un circuito de
acople de impedancias. En su entrada posee una impedancia muy alta y en su
salida una impedancia muy baja.
Si conectamos una resistencia R entre el emisor y tierra, con el colector
también conectado a tierra, fácilmente podríamos comprender que es un
cc:B, por ser muy pequeña, enC.Electrónica Básica 81
circuito similar a la configuración de emisor común. Por lo tanto, no se requiere
de un conjunto de características de colector común para seleccionar los
parámetros del circuito al momento de realizar un diseño. La curvas se
grafican como I
3.6. Límite de operación, hoja de especificaciones, pruebas de transistores.
El transistor bipolar que opera en la región lineal tiene unas características
eléctricas lineales que son utilizadas para amplificación. En estos circuitos, las
señales de entrada son amplificadas a la salida y, por consiguiente, hay un
aporte de energía realizado a través de fuentes de tensión externas
denominadas fuentes de alimentación o fuentes de polarizacion. Las fuentes
de alimentación cubren dos objetivos: proporcionar las corrientes y tensiones
en continua necesarias para que el transistor opere en la región lineal y
suministrar energía al transistor, una parte de la cual va a ser convertida en
potencia (amplificación). Los valores de corrientes y tensiones en continua en
los terminales de un transistor se denomina
expresar por la letra Q (
Figura No. 3.13
El transistor del circuito de la figura 3.13 esta polarizado con dos resistencias y
una fuente de tensión en continua VCC. En este circuito se verifica que:
Si suponemos que el transistor se encuentra en la región directa lineal,
entonces se puede relacionar las intensidades de base y colector a través de
la hFE y asignar una tensión base-emisor típica de 0.7 V. El cálculo de las
tensiones e intensidades del transistor proporciona su punto de trabajo Q.
Para este circuito, Q viene definido por las siguientes ecuaciones:
E en función de VCE para un rango de valores de IB.punto de trabajo y se sueleQuiescent operating point).Electrónica Básica 82
En la figura No. 3.14 se muestra la representación grafica del punto de trabajo
Q del transistor, especificado a través de tres parámetros: I
Este punto se encuentra localizado dentro de una recta denominada recta de
carga estática: si Q se encuentra en el límite superior de la recta el transistor
estará saturado, en el límite inferior en corte y en los puntos intermedios en la
región lineal. Esta recta se obtiene a través de la ecuación del circuito que
relaciona la IC con la VCE que, representada en las curvas características del
transistor de la figura No.3.13, corresponde a una recta. La tercera ecuación
define la recta de carga obtenida al aplicar KVL al circuito de polarizacion, de
forma que:
Para dibujar esta recta de una manera sencilla en el plano (V
transistor se seleccionan dos puntos: a) V
entonces V
representan los cortes de la recta de carga estática con los ejes de
coordenadas.
Figura No. 3.14 Límite de operación de un transistor.
CQ, IBQ y la VCEQ.CE, IC) delCE=0, entonces IC=VCC/RC; b) IC=0,CE=VCC. Estos puntos se pueden identificar en la figura No. 3.14 yElectrónica Básica 83
Una de las primeras decisiones relacionadas con la polarizacion de un
transistor es seleccionar la ubicación del punto Q. La selección mas practica
es situarle en la mitad de la recta de carga estática para que la corriente de
colector sea la mitad de su valor máximo, condición conocida como excursión
máxima simétrica. Evidentemente esta es una condición de diseño que
asegurara el máximo margen del punto Q a incrementos de cualquier signo de
la intensidad de colector. Sin embargo, hay muchas otras condiciones de
operación del transistor que exige un desplazamiento de Q en uno u otro
sentido. En estos casos la situación del punto Q estará definida por las
diferentes restricciones.
Un transistor de unión polarizado tiene unas tensiones y corrientes en sus
terminales que le hacen disipar energía. Esta potencia de disipación se puede
obtener aplicando la definición de potencia absorbida por un elemento triterminal,
que en caso del transistor, se expresa como
Debido a que generalmente la I
ecuación es despreciable frente al segundo, resultando que
Esta ecuación representa a una hipérbola en el plano (V
características del transistor. El fabricante proporciona como dato la potencia
de disipación máxima de un transistor; como ejemplo, el BC547 tiene una
P
máxima de un transistor. Es preciso que el punto del trabajo Q esté por debajo
de esa curva ya que sino el transistor se dañaría por efecto Joule.
Hoja de especificaciones:
Tensiones inversas de ruptura para el transistor 2N3904.
V
V
V
En realidad en la hoja de características tenemos que diferenciar los
transistores en:
Transistores de pequeña señal (I
Transistores de potencia (I
B<<<IC y la VBE<<VCE, el primer término de estaCE, IC) de las curvasCMAX=500 mW. En la figura 1.8.b se representa la hipérbola de potenciaCB....................................60 V (máximo valor en inversa).CEo...................................40 V (máximo valor en inversa con la base abierta).EB.......................................6 V (máximo valor en inversa).C pequeña), por ejemplo: 2N3904.C grande), por ejemplo: 2N3055.Electrónica
Acción de amplificación del transistor.
En un amplificador de transistores bipolares aparecen dos tipos de corrientes y tensiones: continúa y alterna. La componente en continua o DC polariza al transistor en un punto de trabajo localizado en la región lineal. Este punto esta definido por tres parámetros: I
trabajo. Por consiguiente, si se aplica el principio de superposición, la I
3.3
3.4
3.5
donde I
alterna, verificando que i
Figura No. 3.10 Ejemplo de amplificación de voltaje.
Si tenemos:
I
E=0 mA. IC será por lo tanto igual ICBO. Pero ICBO es una magnitud muy pequeña. Por lo tanto, IC será igual a IE.
Figura No. 3.6 Barrera de potencial.
Esto es el efecto transistor de n a p, tiene que subir la barrera de potencial pero luego es más fácil porque tiene que bajar la barrera. De los electrones emitidos por el emisor, proximadamente un 1 % se recombina en la base y un 99 % no se recombina y llega al colector, esto es el efecto transistor. La palabra colector viene de ahí, el colector "Colecta" los electrones, los recoge, eso es el "Efecto transistor". La base es muy estrecha y además está muy poco impurificada, esa es la razón de que la probabilidad de que un electrón se recombine sea muy pequeña (por ejemplo el 1%). El emisor emite electrones, el colector los recoge, y la base es un dispositivo de control.
El convenio que teníamos con el diodo era:
Figura No. 3.7 El diodo
En el transistor también tomamos criterios, todas la corrientes entrantes, es
como un nudo.
Tabla No. 3.1 Posibilidades de uso de un transistor.
E en Directa y UC en Inversa. AmplificadoresE en Directa y UC en Directa. ConmutaciónE en Inversa y UC en Inversa. ConmutaciónE en Inversa y UC en Directa. Sin utilidad
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