Características y Modos de Operacion del BJT

Características del transistor bipolar o BJT

1.1.- Introducción

El transistor es un dispositivo que ha originado una evolución en el campo electrónico. En este tema se introducen las principales características básicas del transistor bipolar y FET y se estudian los modelos básicos de estos dispositivos y su utilización en el análisis los circuitos de polarización.

Polarizar un transistor es una condición previa a muchas aplicaciones lineales y no-lineales ya que establece las corrientes y tensiones en continua que van a circular por el dispositivo.

Figura 1.1. Símbolos y sentidos de referencia para un transistor bipolar a) NPN y b) PNP.

1.2.- Corrientes en un transistor de unión o BJT

Un transistor bipolar de unión esta formado por dos uniones pn en contraposición. Físicamente, el transistor esta constituido por tres regiones semiconductoras -emisor, base y colector- siendo la región de base muy delgada (< 1µm).

El modo normal de hacer operar a un transistor es en la zona directa. En esta zona, los sentidos de las corrientes y tensiones en los terminales del transistor se muestran en la figura 1.1.a para un transistor NPN y en la figura 1.1.b a un PNP. En ambos casos se verifica que:

y

Ebers y Moll desarrollaron un modelo que relacionaba las corrientes con las tensiones en los terminales del transistor. Este modelo, conocido como modelo de Ebers-Moll, establece las siguientes ecuaciones generales que, para un transistor NPN, son: α_F = 0.99, α_R= 0.66, IES = 10^-15A, ICS = 10^-15A

donde IES y ICS representan las corrientes de saturación para las uniones emisor y colector, respectivamente, aF el factor de defecto y aR la fracción de inyección de portadores minoritarios. En un transistor bipolar PNP, las ecuaciones de Ebers-Moll son:

Para un transistor ideal, los anteriores cuatro parámetros están relacionados mediante el teorema de Reciprocidad

Valores típicos de estos parámetros son:


Figura 1.2. Zonas de operación de un transistor en la región directa.

Unión de emisor	Unión de colector	Modo de operación
Directa	Inversa	Activa directa
Inversa	Directa	Activa inversa
Inversa	Inversa	Corte
Directa	Directa	Saturación

Tabla 1.1. Principales modos de operacion de un transistor bipolar

1.3.- Modos de operación de un transistor bipolar

En general, los transistores bipolares de circuitos analógicos lineales están operando en la región activa directa.

En esta región existe cuatro zonas de operación definidas por el estado de las uniones del transistor (Tabla 1.1): saturación, lineal, corte y ruptura; estas zonas se indican claramente en la figura 1.2 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.

Región activa lineal

En la región activa lineal, la unión emisor-base está directamente polarizada y la unión base-colector inversamente polarizada; la VBE está comprendida entre 0.4 V y 0.8 V (valor típico de 0.7 V) y la VBC > 100mV.

En estas condiciones, las ecuaciones de Ebers-Moll se pueden aproximar a:

Operando con estas ecuaciones, se obtiene una relación entre ambas intensidades de forma que: donde: Sustituyendo la ecuación 1.1 en 1.7, resulta: siendo: ßF, es la ganancia en corriente en continua del transistor que en las hojas de características del fabricante se representa por hFE. Este parámetro es muy importante en un transistor de unión y define la relación entre las corrientes de colector y base. Al ser ICO una corriente muy baja, el segundo término de la ecuación (1.9) puede ser despreciado frente al primero. Como resultado, se obtiene una relación muy utilizada para analizar transistores que operen en esta región La ecuación (1.11) indica que en la región activa lineal la relación entre las corrientes de colector y base es constante. Sin embargo, en la práctica la hFE de los transistores varía 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 (typ) a ese transistor con un rango de valores comprendido entre un máximo (max) y un mínimo (min). Por ejemplo, el BC547B tiene, para una IC=2mA, una hFE(min)=200, hFE(typ)=290 y hFE(max)=450. 2) Corriente de colector. La hFE varía también con la corriente de colector. El fabricante proporciona curvas de características que permiten obtener la hFE para diferentes IC. En la figura 1.3 se muestra una de estas curvas que incluye el valor típico de la hFE con un rango de valores máximo y mínimo. 3) Temperatura. La dependencia de la hFE con la temperatura se puede observar en las gráficas que proporciona el fabricante para tal fin. En la figura 1.4 se describe diferentes curvas normalizadas a 25º de hFE para temperaturas de -55ºC y 175ºC. Región de corte En la región de corte las uniones de emisor y colector están polarizadas en inversa; la VBE y la VBC tienen tensiones inferiores a 100mV. En estas condiciones, las ecuaciones de Ebers-Moll pueden ser simplificadas a: Estas corrientes son extremadamente bajas y pueden ser despreciadas; a efectos prácticos se puede considerar al transistor como si no existiese. Sin embargo, en muchos circuitos resulta interesante establecer cuando se dan las condiciones de conducción de un transistor, es decir, fijar la frontera entre la región de corte y lineal. Esta frontera no es clara y el transistor pasa de una región a otra de una manera gradual. Es decir, el transistor está en la región lineal cuando tiene corrientes significativas en sus terminales y está en corte cuando esas corrientes son muy bajas. Normalmente, se asigna una VBE umbral (VBEy) a partir de la cual las corrientes tienen un valor suficientemente alto; esta VBEy suele estar comprendida entre 0.4 y 0.5 V. En la figura 1.5 se muestra gráficamente la relación entre la VBE y la IC en donde se puede observar como por debajo de 0.58 V (typ) la corriente de colector es de bajo valor (<100µ). Región de saturación En la región de saturación las uniones de emisor y colector están polarizadas en directa; la VBE y la VBC tienen tensiones superiores 100mV. En estas condiciones, las ecuaciones de Ebers-Moll quedan reducidas a La caída de tensión entre el colector y emisor es muy baja debido a que ambas uniones pn se encuentran directamente polarizadas. De esta manera, se verifica que siendo, de 1.13, Los valores típicos de la VCE(sat) están próximos a 0.1 o 0.2 V y la VBE(sat) es ligeramente superior a la de la región lineal (˜0.8 V). El transistor está operando con una relación ßF(sat)=IC/IB variable e inferior a la ßF de la región lineal. En la figura 1.6 aparece una curva típica que proporciona el fabricante relacionando la VCE(sat) con la IC realizada con una ßF(sat)=20. La VCE(sat) está comprendida entre 70mV y 200mV, y por ello, en muchos circuitos se considera prácticamente 0V. En esta región el transistor se comporta de una manera no lineal. Región de ruptura Las tensiones máximas que pueden soportar las uniones pn inversamente polarizadas se denominan tensiones de ruptura. Cuando se alcanza estas tensiones existe peligro de ruptura del transistor debido a dos fenómenos: ruptura por avalancha y ruptura por perforación. El fabricante proporciona dos tensiones máximas (VCEO, VCES) que limitan de alguna manera las tensiones máximas de polarización en continua los transistores. La VCEO define la tensión máxima entre el colector y emisor, estando la base en circuito abierto, antes de que se produzca fenómenos de multiplicación de avalancha que incrementa exponencialmente la ICO a través de la unión de colector. La VCES define la tensión máxima del colector, estando la base en cortocircuitada al emisor, antes de que la anchura de la región de transición alcance el emisor perforando la región de base. Gráficamente, en la figura 1.7 se muestra la definición de ambas tensiones. Por ejemplo, el transistor BC547 tiene VCES=50 V y VCEO=45 V, y son éstas tensiones las que limitan las propias tensiones máximas de alimentación. Zona inversa En la región inversa los terminales colector y emisor se intercambian, es decir, el emisor hace la función de colector y viceversa. Las curvas eléctricas son muy similares a las indicadas en la figura 1.2 aunque las prestaciones del transistor sufren una gran disminución al carecer de simetría; el colector está menos dopado y tiene mayor tamaño que el emisor. El efecto más importante es la disminución de la ganancia en corriente en continua que pasa a tener valores altos (p.e., ßF=200) en la región directa lineal a valores bajos (p.e., ßI=2) en la región inversa lineal.

Fuente: http://www.unicrom.com/Tut_caracteristicas_transistor_bipolar.asp


Nombre: Sthefany Raga
Asignatura: EES

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