TECNOLOGÍA DE EQUIPOS INFORMÁTICOS Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores.

TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 2] Contenido El transistor bipolar El transistor bipolar. Estructura, Simbología y zonas de funcionamiento. Modelo eléctrico equivalente. Características voltiampéricas. El transistor en conmutación. Implementación de funciones lógicas elementales. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 2]

El transistor bipolar. Estructura, Simbología y zonas de funcionamiento.

TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 4] El primer transistor La palabra transistor es la contracción de transfer resistor, que se puede traducir por resistencia de transferencia, y hace referencia a la propiedad que tiene de cambiar la resistencia al paso de la corriente eléctrica entre el emisor y el colector. Mas formalmente, el transistor se le puede describir como un dispositivo electrónico semiconductor que se utiliza como amplificador o conmutador electrónico. Los transistores pueden detectar, amplificar, rectificar, conectar y desconectar corrientes. Son pequeños, baratos y consumen poca energía. Sus propiedades han hecho posible el desarrollo de la conmutación electrónica de las comunicaciones. Sin ellos no serían posibles las comunicaciones por satélite. Son indispensables para los modernos computadores, las calculadoras de bolsillo, los audífonos, las radiocasetes portátiles, los sistemas de alta fidelidad y otros múltiples dispositivos. El transistor fue inventado en 1947 por los físicos por John Bardeen y Walter H. Brattain y William Shockley que a la sazón trabajaban en los laboratorios de la Bell Telephone. Recibieron por ello el Premio Nobel de Física en 1956. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 4]

El transistor en la evolución tecnológica El transistor, que en un principio se diseño como sustituto de la válvula electrónica (véase la figura) para la construcción de amplificadores, evolucionó, gracias a su naturaleza de estado sólido, hacia su miniaturización, integración y fabricación masiva. La aparición del transistor trajo consigo la microelectrónica y el concepto de microprocesador que son los dos hitos tecnológicos que han facilitado en mayor grado el desarrollo de la informática y las telecomunicaciones. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 5]

El transistor bipolar: Simbología El transistor es un dispositivo de 3 patillas o terminales con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el gráfico de transistor. Existen dos tipos transistores bipolares: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el emisor del gráfico de cada tipo de transistor. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 6]

TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 7] Configuraciones La configuración en emisor común es la mas frecuente tanto para los transistores pnp como npn. Se le denomina configuración de emisor común debido a que el emisor es común o hace referencia a las terminales tanto de entrada como de salida (en este caso, es común tanto a la terminal de base como a la de colector). Para poder trabajar con esta configuración se necesitan dos conjuntos de características para describir por completo el comportamiento de la configuración de emisor común: uno para el circuito de entrada o base-emisor y otro para el circuito de salida o colector-emisor. La configuración base común se deriva del hecho de que la base es común tanto a la entrada como a la salida de la configuración. A su vez, por lo regular la base es el terminal más cercano a, o que se encuentra en, el potencial de tierra. La configuración de colector común consiste en usar el colector como terminal común tanto para la entrada como para la salida. Esta configuración es la que menos se utiliza. Se aplica fundamentalmente sobre todo para propósitos de acoplamiento de impedancia. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 7]

El Transistor Bipolar: estructura Un transistor sin polarizar se comporta como dos diodos en contraposición. 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. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 8]

El Transistor Bipolar: tensiones y corrientes externas Si al transistor lo consideramos parte de un circuito tendrá que cumplir las leyes de Kirchoff. Para aplicar la ley de nudos tomaremos el sentido de las corrientes que se dan en un transistor bipolar npn funcionando en activa directa. Para aplicar la ley de mallas se toman tensiones que estén de acuerdo con las corrientes y el transistor en emisor común. En un transistor pnp el sentido de las corrientes y de las tensiones es opuesto al de un npn. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 9]

Modos de Funcionamiento Se distinguen cuatro zonas de funcionamiento o de operación, según estén inversa o directamente polarizadas las dos uniones pn existentes en el transistor, es decir la unión pn B-E (base-emisor) y la unión pn B-C (base-colector). Estas zonas son: 1.- Activa directa: Unión B-E está en directa y unión B-C polarizada en inversa (ZAD). 2.- Corte: ambas uniones están inversamente polarizadas (ZC). 3.- Saturación: ambas uniones están directamente polarizadas (ZS). 4.-Activa inversa: Unión B-E inversamente polarizada y unión B-C directamente Polarizada (ZAI). TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 10]

Modos de Funcionamiento versus tensiones de un transistor npn El transistor tiene 4 modos o regiones de funcionamiento, como ya hemos visto, atendiendo al estado de las uniones BE y BC originado por las tensiones (positivas o negativas) a las que están sometidas. Si tratamos de representarlas en un plano VBC vs VBE las regiones coincidirán con los 4 cuadrantes en los que queda dividido el plano por los dos ejes. Para representar las regiones de funcionamiento de un transistor PNP bastaría cambiar en gráfico anterior VBC por VCB y VBE por VEB TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 11]

Las corrientes de transistor bipolar en ZAD Nudo E: IE = Iheb + Iebe Nudo C: IC = Ihbc + Iis Nudo B: IB = Iebe - Iis + Irb TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 12]

Eficiencia de emisor en ZAD: el parámetro  La eficiencia de emisor se define como la relación entre la corriente que alcanza el Colector proveniente del Emisor y la corriente total del Emisor La eficiencia de emisor es un parámetro muy útil en la caracterización de los transistores bipolares y se expresa también como la fracción de huecos inyectada por el emisor en relación a la corriente total de emisor. ICB0 es la corriente que circularía por el terminal del colector (IC), estando la unión de colector polarizada en inversa y el terminal del emisor abierto (IE=0). Es decir, ICB0 es la corriente inversa de saturación de la unión de colector. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 13]

La ganancia de corriente en ZAD: el parámetro ß El parámetro β recibe el nombre de ganancia de corriente continua en emisor común, e ICE0 se puede definir como la corriente que circula por el colector cuando la base está abierta y cuya magnitud es despreciable frente a βIB. Ecuación [1.15.2] ponene de manifiesto que la corriente de colector es directamente proporcional a la corriente de la base e independiente de la tensión que polariza en inversa a la unión de colector. Cabe decir que beta tiene valores típicos en transistores de señal entre 100 y 300. En conclusión, pequeñas variaciones de IB provocarán grandes variaciones de IC. Dicho en otros términos, el TB es un dispositivo donde la corriente pequeña de base controla a una gran corriente que circula por el colector. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 14]

Características voltiampéricas.

Curvas características del BJT Las características voltiampéricas del BJT se pueden presentar de 3 maneras: BC, CC y EC Las mas habituales son en EM Las curvas se muestran en dos grupos: curvas de entrada (V-I base) y curvas de salida (V-I colector) TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 16]

El Transistor Bipolar : Características de Entrada Las características de entrada caracterizan el comportamiento de un Transistor Bipolar relacionando el voltaje VBE, respecto a la corriente de base (IB). Como cabía esperar, dado que la naturaleza de una unión es parecida parecida a un diodo, esta curva de característica de voltaje/corriente tiene un trazado exponencial similar a la de un diodo. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 17]

El Transistor Bipolar : Características de Salida Las curvas características de salida dan cuadro mas completo acerca de como trabaja un TB. Cada curva muestra como la corriente de colector, IC, varía con el voltaje VCE, para un valor específico fijo de la corriente de base. Cuando el nivel de VCE aplicado es ' bastante grande ' (típicamente encima de dos o tres voltios) la corriente no se altera mucho si cambiamos el potencial de Colector-emisor aplicado. Sin embargo, cuando reducimos el potencial de Colector para que VCE sea menos de un par de voltios, se tiende a reducir el flujo total de corriente por el dispositivo. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 18]

Modos de funcionamiento y curvas características TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 19]

Polarización

TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 21] Polarización en ZAD Mediante los llamados circuitos de polarización se puede definir el funcionamiento en continua del transistor. El circuito conectado entre la base y el emisor para establecer la IB requerida se llama circuito de base o de entrada. El circuito conectado entre el colector y el emisor será el encargado de fijar la VCE y se llama circuito de colector o de salida. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 21]

Polarización: circuito de base Analicemos el circuito la o de base. Evidentemente si VBB > VBEγ , la unión de emisor estará directamente polarizada, y por tanto VBE será aproximadamente igual a la caída en directa de un diodo, es decir, 0.7 V. La intensidad de base estará determinada por la ecuación [1.22.1]. Por tanto, si la tensión de la fuente de entrada aumenta también lo hará la intensidad de base. De la misma forma, si la resistencia de base aumenta disminuirá dicha intensidad. Luego, fijando una determinada resistencia de base y tensión de entrada se restringe la zona de operación del transistor. A la relación IB=f(VBE) anterior se le denomina Recta de Carga de entrada, y depende exclusivamente del circuito conectado entre los terminales de base y emisor. Y como se hemos dicho con la recta de carga se restringe el funcionamiento del transistor. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 22]

Polarización: circuito de colector A la relación IC=f(VCE) anterior se le denomina también Recta de Carga (de salida), y depende exclusivamente del circuito conectado entre los terminales de emisor y colector. Existen, por tanto, dos formas de relacionar la intensidad de colector, IC, con la tensión colector-emisor, VCE. Una es mediante las curvas características del transistor y otra mediante la recta de carga. Como el punto de funcionamiento tiene que satisfacer ambas relaciones, vendrá dado por la intersección de la curva del transistor para una IB dada y de la recta de carga. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 23]

Rectas de carga y puntos de trabajo IB [mA] IC [mA] IB= 400A VCC/RC IB= 300A VBB/RB IB= 200A Punto de trabajo IB= (VBB-VBE)/RC IB=0A VCC VBB 2 4 VCE [V] VBE [V] TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 24]

Modelo eléctrico equivalente

Modelo equivalente estático en ZAD El objetivo este apartado es presentar un modelo eléctrico del TB de continua y gran señal, utilizable para su aplicación a la resolución de problemas. Se trata de un modelo mas sencillo que el muy conocido modelo de Ebers-Moll cuya dependencia exponencial de las corrientes con las tensiones no permite la obtención de resultados analíticos y es inviable la solución rápida de problemas. Los circuitos de la figura representan un modelo simplificado del transistor en activa cuya principal virtud es su linealidad. Nótese que estando el transistor en activa, la unión de emisor estará polarizada en directa y por tanto VBE será aproximadamente constante, pudiéndose sustituir la unión por una fuente independiente de tensión VBE(act). Por otro lado, según hemos visto anteriormente IC=βIB, o sea la corriente de colector es directamente proporcional a la corriente de la base, pudiéndose representar esta dependencia mediante una fuente de corriente dependiente de corriente. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 26]

Modelo equivalente estático en saturación Estando el transistor polarizado en saturación, ambas uniones están en directa (las tensiones VBE y VBC se pueden considerar constantes), inyectando portadores minoritarios que por difusión cruzan la base hasta la unión opuesta. No obstante, como el emisor está más dopado que el colector, el potencial de contacto de la unión de colector es menor que el de la unión de emisor. Por ello, la tensión que cae entre colector y emisor es aproximadamente constante (0.2V en un dispositivo de silicio). El circuito equivalente del transistor en saturación se representa en las Figuras de arriba, donde VBE(sat) es ligeramente mayor que VBE(act), aunque es habitual utilizar el mismo valor. La condición que debe verificar el transistor para que esté en saturación es IC < βIB y todas las corrientes positivas. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 27]

Modelo equivalente estático en corte Cuando el TB está cortado, ambas uniones están en inversa, circulando corrientes tan bajas como la corriente inversa de saturación. En tal caso, se puede suponer que las corrientes por los terminales B, C y E son nulas. Las condiciones del corte son VBE<VBEγ y VBC<VBCγ, donde VBEγ y VBCγ son las tensiones umbrales (en las práctica se suele considerar este valor igual a la tensión VBE(act) en activa, es decir, 0.7V. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 28]

Ejemplos de polarización en EC para ZAD TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 29]

El transistor en conmutación El transistor en conmutación. Implementación de funciones lógicas elementales

TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 31] Inversor simple con TB Puesto que la corriente de colector de un transistor bipolar es proporcional a la corriente de base, se le puede usar como un conmutador controlado por corriente. En este tipo de aplicaciones el transistor pasa, generalmente, del estado de saturación al corte o viceversa. Como ya hemos visto, aproximadamente, podemos asimilar un transistor en saturación a un interruptor cerrado entre colector y emisor. En cambio, un transistor en corte sería a un interruptor abierto entre colector y emisor. Un transistor tiene más facilidad (lo hace de forma más rápida) en pasar del estado de corte al de saturación que a la inversa. El circuito de la figura es un inversor de perteneciente de tecnología RTL (Resistor, Transistor, Logic). Es decir es una familia cuyas puertas (AND, OR, etc) se construyen con resistencias y transistores (bipolares). TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 31]

Algoritmo para determinar el estado del TB El diagrama de flujo de arriba es un método –similar al propuesto para el diodo- para averiguar el estado de un TB en la resolución de circuitos transistorizados, suponiendo que se descarta el funcionamiento en inversa. Consta de dos etapas: en la primera se determina si el TB conduce (ON, OFF) y en la segunda, en caso de conducción, si lo hace en activa o saturación. El primer paso se resuelve fácilmente: si lo suponemos cortado, ambas uniones están en inversa, circulando corrientes del orden de la corriente inversa de saturación. Y en tal caso, se puede suponer que las corrientes por los terminales son nulas y el TB se puede sustituir por un CA. Entoces al calcular la tensión BE debe de cumplirse VBE<VBEγ, si la hipótesis es correcta. Tras el paso anteriror, si el TB conduce, debemos averiguar si lo hace en saturación. En caso, ambas uniones estarían polarizadas en directa y las tensiones VBE y VBC se pueden considerar constantes. No obstante, como el emisor está más dopado que el colector, el potencial de contacto de la unión de colector sería menor que el de la unión de emisor. Por ello, la tensión que cae entre colector y emisor sería aproximadamente constante, positiva e igual a VCE(sat) =VBE-VBC (0.2V en un dispositivo de silicio). La condición que debe verificar el transistor para que esté en saturación es ICsat < β ·IB. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 32]

Análisis de inversor simple: nivel alto TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 33]

Análisis de inversor simple: nivel bajo TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (III). Transistores [Página 34]