6205 Transistor Bipolar

Dr. A. Ozols 1

FIUBA

2007

Transistor BipolarTransistor Bipolar

Dr. Dr. AndresAndres OzolsOzols

Dr. A. Ozols 2

Transistor Bipolar = 2 junturas (Transistor Bipolar = 2 junturas (npnp + + pnpn))

Dispositivo activo

1. Ganancia de tensin

2. Control de la ganancia de corriente

3. Ganancia de potencia de la seal

Diodo = 1 juntura (Diodo = 1 juntura (pnpn)) Dispositivo pasivo

Tipos de TransistoresTipos de Transistores

1. Transistor Bipolar

2. MOSFET Transistor de Efecto de Campo Semiconductor xido Metal

3. JFET Transistor de Efecto de Campo de Juntura

Dr. A. Ozols 3

Transistor BipolarTransistor Bipolar La fuente de corriente controlada por tensin

Objetivo: determinacin de los factores de ganancia de corriente

Dr. A. Ozols 4

ACCIACCIN del TRANSISTOR BIPOLARN del TRANSISTOR BIPOLAR

Dr. A. Ozols 5

Principio BPrincipio Bsico de Operacisico de Operacinn

Diagrama de bloques y smbolos Transistor npn Transistor pnp

Transistor BipolarTransistor Bipolar La fuente de corriente controlada por tensin

Objetivo: determinacin de los factores de ganancia de corriente

Dr. A. Ozols 6

Principio BPrincipio Bsico de Operacisico de Operacinn

La juntura pn base-emisor (B-E) es polarizada en directa

La juntura pn base-emisor (B-C) es polarizada en inversa

Modo de operacin activa-directa

Dr. A. Ozols 7


(B-C) en inversa

Electrones inyectados desde emisor a travs de la juntura B-E en la base

(B-E) en directa

Creacin de exceso de minoritarios en la base

La concentracin de electrones en el borde B-C es nula

Dr. A. Ozols 8

Modo de operacin activa-directaEl gradiente elevado de electrones Los electrones

inyectados desde el emisor difunden a travs de la base hacia la juntura B-C El campo elctrico

acelera a los electrones hacia del colector

La regin de la base tiene que ser lo ms fina posible para permitir el mayor nmero de electrones en el colector, evitando la recombinacin

La concentracin de electrones minoritarios es funcin de las tensiones B-E y B-C

Las junturas B-E y B-C son inter-actuantes

Dr. A. Ozols 9


Nmero de electrones por unidad de tiempo es proporcional al nmero de electrones inyectado en la base

Nmero de electrones inyectados es funcin de la tensin B-E y casi independiente del potencial inverso B-C

Inyeccin y coleccin de electrones en modo directo activo

Control de la corriente de colector por medio de la tensin BE

AcciAccin del transistorn del transistor

Los huecos son inyectados desde la base hacia el emisor

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Principio BPrincipio Bsico de Operacisico de Operacin en modo directo activon en modo directo activo

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Modos de OperaciModos de Operacinn

Modos de emisor comn

El transistor puede polarizarse en tres modos de operacin

11-- Modo de corte:Modo de corte: VBE 0 los electrones mayoritarios del emisor no son inyectados a la base y la juntura B-C est en inversa.

Las corrientes de emisor colector son nulas.

Dr. A. Ozols 12


22-- Modo activo directo:Modo activo directo: VBE >0 los electrones mayoritarios del emisor son inyectados en la base y la juntura B-C est en inversa.

CC C C BC BE R BC BEV I R V V V V V= + = +Si VBE crece

La corriente IC y VRcrecen

La magnitud de VBCdisminuye

La combinacin de VR y VCC hace VBC=0

Dr. A. Ozols 13

33-- Modo de saturaciModo de saturacin:n: Un pequeo incremento de IC produce la polarizacin directa VBC >0 como tambin BE

IC deja de estar controlada VBE

44-- Modo activo inverso:Modo activo inverso: La juntura B-E estpolarizada en inversa mientras que la B-C en directa


Los papeles del colector y emisor estn invertidos pero con magnitudes distintas

Dr. A. Ozols 14

DISTRIBUCIDISTRIBUCIN de PORTADORES MINORITARIOSN de PORTADORES MINORITARIOS

Dr. A. Ozols 15

Concentraciones de exceso de portadores minoritarios en las regiones de emisor, base y colector

nE(x) , PB(x), nC(x)Concentraciones total de portadores minoritarios en las regiones de emisor, base y colectornE(x) , PB(x), nC(x)

Concentraciones de portadores minoritarios en las regiones de emisor, base y colectornE0 , PB0, nC0

Para PNP

Concentraciones de exceso de portadores minoritarios en las regiones de emisor, base y colector

PE(x) , nB(x), PC(x)Concentraciones total de portadores minoritarios en las regiones de emisor, base y colectorPE(x) , nB(x), PC(x)

Concentraciones de portadores minoritarios en las regiones de emisor, base y colectorPE0 , nB0, PC0

Para NPN

Tiempos de vida de portadores minoritarios en las regiones de emisor, base y colectorE0 , B0, C0

Coeficientes de difusin de portadores minoritarios en las regiones de emisor, base y colector

DE , DB, DC

Ancho de las zonas de vaciamiento de carga de las regiones de emisor, base y colectorXE , XB, XC

Concentraciones de dopaje en las regiones de emisor, base y colectorNE , NB, NC

Para transistores NPN y PNP

DefinicinNotacin

Dr. A. Ozols 16

Modo ActivoModo Activo--DirectoDirecto

Dr. A. Ozols 17


Dr. A. Ozols 18

( )( ) ( )22

0

0B BBB

n x n xD

x

=


RegiRegin de la basen de la base

( ) ( ) 0B B Bn x n x n = La concentracin en exceso

La ecuacin ambipolar en ausencia de campo elctrico y en la situacin estacionaria

La solucin general

( ) / /B Bx L x LBn x Ae Be = +Donde LB es longitud de difusin del portador minoritario 0B B B

L D =

Dr. A. Ozols 19


Las condiciones de contorno

( ) ( )0 0B Bn x n A B = = = +


( ) ( ) / /B B B Bx L x LB B B Bn x x n x Ae Be = = = +La juntura BE est polarizada en directo de modo que

( ) /00 1BEeV kTB Bn n e = La juntura BC est polarizada en inversa de modo que

( ) ( ) 0 0 00B B B B B B Bn x n x n n n = = =

Dr. A. Ozols 20



( ) /00 1BEeV kTB Bn n e A B = = +

( )( )

/ / /0 0

/ / / /0 0

1

1

B B BE B B

B B B B BE B B

x L eV kT x LB B

x L x L eV kT x LB B

n Ae n e A e

n A e e n e e

= + = +

/0 1BE

eV kTBB n e A = ( ) / /0 B B B Bx L x LB B Bn x n Ae Be = = +

Dr. A. Ozols 21

/ /0 0 1

2

BE B BeV kT x LB B

B

B

n n e eA

xsenhL

=


( )/ /

0 0

/ /

0

1 2

1 1

2

BE B B

BE B B

eV kT x L BB B

B

eV kT x L

BB

B

xn n e e AsenhL

e en A

xsenhL

= + =


Dr. A. Ozols 22

/ /0 01

2

BE B BeV kT x LB B

B

B

n e e nB

xsenhL

+ =

/ /0 0/

0

11

2

BE B B

BE

eV kT x LB BeV kT

BB

B

n n e eB n e

xsenhL

+ = +



Dr. A. Ozols 23



( )/ / / /

0 0 0 0/ /1 1

2 2

BE B B BE B B

B B

eV kT x L eV kT x LB B B Bx L x L

BB B

B B

n n e e n e e nn x e e

x xsenh senhL L

+ = +

La solucin ser

La solucin ser

( )( )/

0

1BEeV kT BB B

B BB

B

x x xe senh senhL L

n x nxsenhL

=

Dr. A. Ozols 24



La solucin aproximada para xB < LB

( )( ) ( )( )

/

/00

11

BE

BE

eV kT B

eV kTBB BB B B

B B

B

x x xenL Ln x n e x x xx x

L

= =

B B

x xsenhL L

Dr. A. Ozols 25

RegiRegin del Emisorn del Emisor


( )( ) ( )22

0

0E EEE

p x p xD

x

=

( ) ( ) 0E E Ep x n x n = La concentracin en exceso

La solucin general

( ) / / E Ex L x LEp x Ce De = +Donde LE es longitud de difusin del portador minoritario en la regin del emisor


0E E EL D =

Dr. A. Ozols 26



El exceso de los huecos minoritarios tienen las condiciones de contorno

( ) ( ) 0 0E Ep x p C D = +( ) ( ) / /' E E E Ex L x LE E E Ep x x p x Ce De = = = +

La juntura BE est polarizada en directo de modo que

( ) ( ) /0 00 0 1BEeV kTE E E Ep p x p p e = = = En cambio, la alta velocidad de recombinacin superficial en X= XE.

( ) 0E Ep x =

Dr. A. Ozols 27

( ) /00 1BEeV kTE Ep C D p e = + = ( ) / /0 E E E Ex L x LE Ep x Ce De = = +



/0 1BE

eV kTED p e C =

( )( ) ( )

( )

/ / /0

/ / / /0

/ /0

0 1

0 1

0 2 1

E E BE E E

E E E E BE E E

BE E E

x L eV kT x LE

x L x L eV kT x LE

eV kT x LEE

E

Ce p e C e

C e e p e e

xCsenh p e eL

= + = +

= + ( )/ /0 12

BE E EeV kT x LE

E

E

p e eC

xsenhL

=

Dr. A. Ozols 28



( ) ( )/ /0/0 112

BE E E

BE

eV kT x LEeV kT

EE

E

p e eD p e

xsenhL

=

( ) //0 1 12

E EBE

x LeV kT

EE

E

eD p exsenhL

=

Dr. A. Ozols 29



( ) ( ) ( )/ / /0 / / /01 1 12 2

BE E E E EE BE E

eV kT x L x LE x L eV kT x L

E EE E

E E

p e e ep x e p e ex xsenh senhL L

= +

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

/ / /0 / / /

0

/0 ( )/ / / / /

1 1 1

2 2

1

2

BE E E E EE BE E

BE

E E E E E E E E E

eV kT x L x LE x L eV kT x L

E EE E

E E

eV kTE x x L x L x L x L x L

EE

E

p e e ep x e p e ex xsenh senhL L

p ep x e e e e e

xsenhL

= + = + +

Dr. A. Ozols 30



( ) ( )/0 ( )/ ( )/12

BE

E E E E

eV kTE x x L x x L

EE

E

p ep x e e

xsenhL

= +

( ) ( )/0

1BEE

eV kT EE E

E

E

x xsenhL

p x p exsenhL

=

La solucin aproximada para X-XE < LE E E

E E

x x x xsenhL L

( ) ( )/0 1BEeV kT EE E

E

x xp x p eL

Dr. A. Ozols 31

RegiRegin del Colectorn del Colector


( )( ) ( )22

0

0C CCC

p x p xD

x

=

( ) ( ) 0C C Cp x n x n = La concentracin en exceso

La solucin general

( ) / / C Cx L x LCp x Ce He = +Donde LE es longitud de difusin del portador minoritario en la regin del emisor

0C C CL D =


Dr. A. Ozols 32

( ) "/0" Ex LC Cp x p e = Resultado para la polarizacin en inversa

RegiRegin del Colectorn del Colector


Si la regin del colector es larga la condicin para mantener soluciones finitas H = 0

Modo de corteModo de corte

Dr. A. Ozols 33

Modo de saturaciModo de saturacinn

Dr. A. Ozols 34

GANANCIA de CORRIENTE de BASE GANANCIA de CORRIENTE de BASE COMCOMN a BAJA FRECUENCIAN a BAJA FRECUENCIA

Dr. A. Ozols 35

GANANCIA de CORRIENTE de BASE COMGANANCIA de CORRIENTE de BASE COMN N

Cociente de corrientes de colector y emisor

ContribuciContribucin de Factoresn de Factores

Flujos de partculas

Dr. A. Ozols 36

Flujos de partculas


JnE difusin de electrones minoritarios en la base en x = 0

JnC difusin de electrones minoritarios en la base en x = xEJRB diferencia entre JnE y JnC debido a la recombinacin de electrones (portadores minoritarios) con los mayoritarios (huecos) en la base. Es el flujo de huecos en la base perdidos por la recombinacin

JpE difusin de huecos minoritarios en el emisor en x = 0JR es la recombinacin de huecos minoritarios en el colector en x=0JpC0 difusin de huecos minoritarios en el colector en x=0JG generacin de portadores en la juntura B-C polarizada en inversa

Dr. A. Ozols 37

Flujos de partculas


JRB, JpE JR son corrientes en la juntura B-E que no contribuyen a la corriente de colector

JpC0 JG son corrientes de la juntura B-C. No contribuyen a la ganancia de corriente.

La ganancia de corriente a base comn 0C

E

II

=

00

nC G pCC

E nE R pE

J J JJJ J J J

+ += = + +

Dr. A. Ozols 38


La dependencia de la corriente del colector de la de emisor puede explicitarse

C nC

E nE R pE

J JJ J J J

= = + +nE pEnE nC

nE pE nE nE R pE

J JJ JJ J J J J J

+ = + + + Reescribiendo

=nE

nE pE

JJ J

= + nC

TnE

JJ

= nE pE

nE R pE

J JJ J J

+= + + Factor de eficiencia de

inyeccin en emisorFactor de transporte

en baseFactor de

recombinacin

Dr. A. Ozols 39

Modo activo inversoModo activo inverso

Dr. A. Ozols 40

Factor de eficiencia de inyecciFactor de eficiencia de inyeccin de emisorn de emisor

Factores de Ganancia de CorrienteFactores de Ganancia de Corriente

nE

nE pE

JJ J

= +

Se define el factor de eficiencia de inyeccin de emisor

Las corrientes pueden calcularse a partir de las concentraciones de los excesos

0

EpE E

x

d pJ eDdx

==

0

BnE B

x

d nJ eDdx

==

Dr. A. Ozols 41

Densidades de CorrientesDensidades de Corrientes

Dr. A. Ozols 42


( ) 0

/0

0

1BE

x

EeV kT

E EEpE E E

x E

E

x xd senhp e Ld pJ eD eD

dx dxxsenhL

=

=

= = ( )/0 1 ( 1)cosBEeV kTEE EpE

E EE

E

p eeD xJ hL Lxsenh

L

= ( )/0 1

tan

BEeV kTEE

pEE E

E

p eeDJL xh

L

=

Dr. A. Ozols 43

( )

0

/

0

0

1BE

x

eV kT B

B BB BBnE B

x B

B

x x xd e senh senhL LeD nd nJ eD

dx dxxsenhL

=

=

= =


( ) ( )/0

1 cos 0BEeV kT BBB B

nEBB

B

xe h coshLeD nJ

LxsenhL

= ( )/

0


nEB B

B

xe hLeD nJ

L xsenhL

+ =

Dr. A. Ozols 44


( )/0


nEB B

B

xe hLeD nJ

L xsenhL

+ =

( )/0 1 1BEeV kTB BnE

B B B

B B

eeD nJL x xtanh senh

L L

= +

Dr. A. Ozols 45

/0 1BE

eV kTB B

nEB B B

B B

eD n eJL x xtanh senh

L L

+

Si la polarizacin de la juntura BE es prxima al potencial de juntura

1BEeVkT


/ 1BEeV kT

B B

B B

ex xtanh senhL L

Adems

/0

BEeV kTB B

nEB B

B

eD n eJL xtanh

L

Dr. A. Ozols 46

Si la polarizacin de la juntura BE es prxima al potencial de juntura


( )/0/

0

1 111

tan1

BE

BE

nEeV kT

pEnE pE EE

nE E E

EeV kT

B B

B B

B

JJJ J p eeDJ L xh

LeD n e

L xtanhL

= = =+ + +

0

0

1

1tan

B

BEE B

B E B E

E

xtanhLpD L

D L n xhL

= +

Dr. A. Ozols 47


2

2

1

1

i B

E B B B

EiB E

EE

n xD L N L

xnD LLN

=

+

Considerando los dopajes de la base y el emisor

2

0i

EE

npN

=2

0i

BB

nnN

=

E Ex L B Bx L1

1 E B EB E B

D x ND x N

+

Y las dimensiones de la base y emisor cortas en relacin a las longitudes de difusin

Dr. A. Ozols 48

Factor de transporte de la baseFactor de transporte de la base

( )/0

1BE

B

x xB

eV kT B

B BB BBnC B

x x B

B

x x xd e senh senhL LeD nd nJ eD

dx dxxsenhL

=

=

= =

0

BnE B

x

d nJ eDdx

==

B

BnC B

x x

d nJ eDdx

==

( )/0

1 cosBE

B

eV kT B

B B x xB BnC

BB

B

x x xe h coshL LeD nJ

LxsenhL

=

=

nCT

nE

JJ

=

Dr. A. Ozols 49

( )/0 1BEeV kTB B BnCBB

BB

eD n xJ e coshLxL senh

L

= +


( )/0 0

1 cosBEeV kT BB BB B x

nEBB

B

x x xe h coshL LeD nJ

LxsenhL

=

+ =

( )/0 1 cos 1BEeV kTB B BnEBB

BB

eD n xJ e hLxL senh

L

= +

Adems

Dr. A. Ozols 50

( )

( )

/0

/0

1

1 cos 1

BE

BE

eV kTB B B

BBB

BnCT

nE eV kTB B B

BBB

B

eD n xe coshLxL senh

LJJ eD n xe h

LxL senhL

+ = = +


( )( )

/

/

1

1 cos 1

BE

BE

eV kT B

BT

eV kT B

B

xe coshL

xe hL

+ = +

Dr. A. Ozols 51


/

/

1

cos cos

BE

BE

eV kT

TeV kT B B

B B

ex xe h hL L

=

1BEeVkT 1

BEeVkTe Para tensiones de polarizacin altas

Adems B Bx L2

21 11

2112

BT

BB

B

xLx

L

= +

Dr. A. Ozols 52

Factor de recombinaciFactor de recombinacinn

Donde se supuso

1

1

nE pE nE

RnE R pE nE R

nE

J J JJJ J J J JJ

+= =+ + + +pE nEJ J

2 20

02

BE BEeV eVBE i KT KT

R rex nJ e J e= =

La corriente de recombinacin en polarizacin directa en la juntura pn

BEx El ancho de la zona de vaciamiento

Dr. A. Ozols 53

0

BEeVKT

nE sJ J e=

( ) //0 01 cos 1 BEBE eV kTeV kTB B B BBnEBB B

B BB B

eD n eD n exJ e hLx xL senh L tanh

L L

= +

Factor de recombinaciFactor de recombinacinn

00

B Bs

BB

B

eD nJxL tanhL

= donde

20

0

1 1

11

BE

BE

eVR KT

rnE eV

KTs

JJ eJJ e

+ + 0 2

0

1

1BEeV

r KT

s

J eJ

+

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6205 Transistor Bipolar