Analog Electronics UNIT IV Transistors

Qué es el transistor (transistor)? El transistor es un dispositivo semiconductor que permite el control y la regulación de una corriente grande mediante una señal muy pequeña. Es decir, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada Origen del término. El término "transistor" proviene de la contracción en ingles de transfer resistor (“resistencia de transferencia"). Historia El transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EEUU en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el premio Nobel de física en 1956. Fue el sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos, o tríodo (también llamado bulbo) Aplicaciones. El transistor se utiliza para realizar funciones de Amplificador (Amplifier), Oscilador (Oscillator) o Conmutador (Conmutator). Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios, televisores, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, computadoras, calculadoras, reproductores mp3, celulares, etc. UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

Tipos de Transistores Transistor de unión bipolar (BJT or Bipolar Junction Transistor) Se fabrica básicamente sobre un cristal de Germanio (Germanium) o Silicio (Silicon), sobre el cual se contaminan (doping) en forma muy controlada tres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo, quedando formadas dos uniones NP. La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P de aceptadores o "huecos" (cargas positivas). La configuración de uniones NP, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la característica de la base (Base), y las otras dos al emisor (Emitter) y al colector (Collector). 2) Transistor de unión unipolar (UJT or Unipolar Junction Transistor) El transistor de unión unipolar o también llamado transistor de unión de efecto de campo (JFET or Junction Field Effect Transistor), está formado por una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P., en cuyas terminales se conectan electrodos llamados surtidor (Source) y drenador (Drain). Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta, llamada compuerta (Gate). Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando a puerta al surtidor, se establece una corriente, a la que se le llama corriente de drenador. UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

El transistor bipolar (BJT) El transistor de unión bipolar (del ingles Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado solido consistente en dos uniones NP muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; Aplicaciones: Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL. Desventajas del BJT: su impedancia de entrada bastante baja. UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

El transistor bipolar (BJT) Construcción interna. El transistor BJT consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades variables para cada capa), de modo que se forman capas alternadas de materiales N y P, las cuales forman dos uniones bipolares. Corte transversal simplificado de un transistor de unión bipolar NPN. Donde se puede apreciar como la unión base-colector es mucho más amplia que la base-emisor. Descripción de terminales. Si a cada una de las capas del transistor se le adapta una terminal y se encapsula el componente así obtenido, tendremos un dispositivo transistor. Las terminales son nombradas de acuerdo con la función que realizan, tales como: Emisor (Emitter). Emite portadores (flujo de electrones), Colector (Collector). Recibe o recolecta los portadores, Base (Base). Está intercalada entre Emisor y Colector, y tiene la función de modular el paso de portadores. SIMBOLO BJT tipo NPN SIMBOLO BJT tipo PNP UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

Polarización (bias) del BJT Qué significa polarización (bias) ? - Pequeño desplazamiento, en sentidos opuestos, de las cargas negativas y positivas de un material dieléctrico, producido por un campo eléctrico externo. - Acción y efecto de polarizar. Qué significa polarizar (bias)? - Acumular en dos partes determinadas de un cuerpo cargas eléctricas opuestas. - Suministrar una tensión fija a una parte de un aparato eléctrico. Por Qué se polariza un transistor? Porque de esta manera queda listo para operar y realizar una función especifica. La polarización del transistor es una condición estática, es decir, todavía no realiza una función, pero está listo para reaccionar ante una excitación o impulso externo para desarrollar una acción (amplificar, oscilar, conmutar, etc.). UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

Polarización (bias) del transistor BJT Como se polariza (bias) un transistor BJT? Un transistor sin polarizar es similar a dos diodos contrapuestos, Por lo general la base se polariza directamente mientras que el colector se polariza inversamente, ya que de esta manera se obtienen los mejores resultados. Flujo convencional Flujo real de electrones La mayoría de los electrones en el emisor seguirán su camino hacia el colector dado lo estrecho de la base, y ya estando en el colector los electrones serán atraídos por la fuente Vcc dada su polarización inversa. IE = IC + IB donde IB es mucho menor que IC Para efectos prácticos se puede decir que la corriente de Colector es igual a la corriente de Emisor (IE = IC). Considere esta relación de igualdad al efectuar cálculos en circuitos con BJT. UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

Parámetros eléctricos del BJT Corriente de Base (IB). Base current Es la mas pequeña de las corrientes en el transistor y esta dada por el flujo de electrones en la base que controla el flujo de electrones en el colector. Corriente de Emisor (IE). Emitter current Es la que emite la totalidad de los electrones en el transistor. Corriente de Colector (IC)- Collector current Está compuesta por los electrones que cruzan las uniones NP y PN de la base y que son recibidos o colectados por el colector. Voltaje de Base-Emisor (VBE) Es el voltaje de polarización de Base-Emisor y permite disparar la operación del transistor. Voltaje Colector-Emisor (VCE) Es el voltaje en polarización inversa aplicado entre Colector y Emisor. El cual determina el punto de operación del transistor. UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

Parámetros eléctricos del BJT Potencia Máxima de Disipación (PD max), Maximum Power of Disipation Es la Potencia máxima que puede disipar el transistor antes de alcanzar la temperatura máxima de operación PD = (VCE)(IC) Alfa (adc). Alpha Es un parámetro que se utiliza para representar la relación entre las corrientes de Emisor y de Colector (en DC). Por lo general el valor es ligeramente menor a 1. Beta (bdc) o hFE. Es un parámetro que se utiliza para representar la relación entre las corrientes de Colector y de Base (en DC). A la beta también se le conoce como ganancia de corriente porque una pequeña corriente de base produce una corriente de colector mucho mayor. UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

Curva característica del BJT Curva característica (Characteristic Curve) La curva del transistor esta representada por una serie de curvas asociadas a diferentes valores de corriente de base. La curva característica del transistor se da en función de los valores instantáneos de IC y de VCE para una corriente de base determinada. 1) Zona activa (Active zone) Es la parte horizontal de la curva. Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador de señal. 2) Zona de saturación (Saturation zone). (IC = IE = I max) En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos. 3) Zona de corte (Cut-off Zone) (Ic = Ie = 0) Cuando el voltaje de VCE del transistor es igual al de la fuente de alimentación del circuito (como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje). Se da cuando IB = 0 (IC equivale a una pequeña corriente de fuga). 4) Zona de ruptura (Breakdown zone) Es la zona en la que se sobrepasa el valor máximo de VCE, aquí el transistor puede dañarse. UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

Curva característica del BJT (BJT characteristic curve) Para una corriente de Base dada se puede aproximar a la curva mas cercana, p.ej. En el caso de abajo, para una IB=28uA, tomaremos como referencia la curva de 30uA y la IC será de aprox. 3mA, siempre que VCE se encuentre entre 1V y 40V. 4 2 1 3 UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

La recta de carga (load line) La recta de carga (load line) es la representación gráfica de la ecuación que relaciona a la IC con el VCE y se traza uniendo los puntos que resultan al considerar que IC=0 y VCE=0 respectivamente. Esto es especialmente importante porque nos permite identificar todos los puntos posibles de trabajo del transistor en un circuito. Punto de saturación. (Saturation point) Se produce cuando IB es muy grande y forza a la IC a alcanzar su valor máximo posible, como consecuencia VCE decrece casi hasta cero. En este punto se dice que la IC se satura. Punto de corte. (Cut-off) Indica el máximo voltaje colector-emisor que es posible alcanzar en el circuito. Este se obtiene cuando IC se reduce casi hasta cero y todo el potencial es aplicado a la unión colector-emisor. Punto de operación o de trabajo (Q = quiescent point) Resulta de graficar el cruce de las coordenadas de IC y VCE de acuerdo a los valores del circuito. Punto de trabajo. El punto varia según los valores de RB y RC Punto de saturación. Punto de corte UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

Configuración emisor común (EC) Polarizacion por emisor común (Common Emitter) Es uno de los métodos de polarización mas utilizados. Se le conoce así porque se utilizan dos fuentes de voltaje para polarizar el transistor, las cuales tienen sus puntos negativos (o comunes) conectados al emisor. Notaciones de voltajes en circuitos con transistores: VCC, VBB: Si los subíndices se repiten se refiere a las fuentes de voltaje VCE, VBE: Si los subíndices son diferentes se refiere a voltajes entre puntos diferentes VC, VB, VE: Si hay un solo subíndice se refiere a voltajes en un punto respecto a tierra UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

Configuración emisor común (EC) Cálculo de parámetros La corriente de base (IB) se calcula considerando que es la misma que pasa a través de la resistencia de base, por lo tanto será igual a la caída de voltaje en la resistencia de base (VBB – VBE) dividido entre su valor de resistencia (RB). En este caso la corriente de base es estable y no depende del transistor sino de RB. Donde VBE = 0.7V Dado el circuito de la figura de abajo y considerando una Beta de 200 (b = 200), se pueden calcular las corrientes del transistor IB = (VBB – VBE)/RB = (2V - 0.7V)/100K IB = 13mA IB = Corriente en la Base IC = (IB)(Beta) = (13mA)(200) IC = 2.6mA IC = Corriente de colector VCE = VCC – (RC )(IC) = 10V – (1KW)(2.6mA) VCE = 10V - 2.6V VCE = Voltaje Colector-Emisor VCE = 7.4V PD = (VCE)(IC) = (7.4V)(2.6mA) PD = 19mW PD = Potencia disipada UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

Polarización de Emisor Se utiliza cuando se busca tener un circuito con un punto de trabajo estable que sea inmune a los cambios en la ganancia de corriente. Una de las principales aplicaciones es en circuitos amplificadores. VE = VBB – VBE = 5V – 0.7V VE= 4.3V IE = 4.3V / 2.2K IE = 1.95mA IC = IE = 1.95mA VCE = 15V – 4.3V – (1K)(1.95mA) VCE = 8.8V Nótese que no se empleo el valor de hFE para calcular los valores de corriente y voltaje, e ahí por que el circuito es inmune a variaciones en la ganancia de corriente. UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

Ejercicio Calcule la corriente de colector y el voltaje colector-emisor para el siguiente circuito. VE = VBB – VBE = 15V – 0.7V VE= 14.3V IE = 14.3V / 1.5K IE = 9.5mA IC = IE = 9.5mA VCE = 20V – 1.7V – (1500)(9.5mA) VCE = 4.0V PD = 40mW UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

Polarización por divisor de voltaje (Voltage divider bias) Este método es una variante del método de polarización de emisor. En esta polarización se fija el voltaje de Base a partir de un arreglo de resistencias que actúa como un divisor de voltaje. Considerando que la corriente IB es despreciable entonces se puede analizar a R1 y R2 como una misma malla. Por lo tanto la caída en R2 equivale al valor de la fuente VBB. Una vez que se determina el valor de VBB, el resto del análisis es igual al que se realiza para el método de polarización de emisor UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

Polarización por divisor de voltaje Ejemplo. Cálculo de IC y VCE. VBB = (2.2K) /(2.2K + 10K) X 10V VBB = 1.8 V VE = VBB – VB = 1.8V – 0.7V VE= 1.1 V IE = VE / RE = 1.1V / 1K IE = 1.1mA IC = IE = 1.1mA VCE = VCC – VE – VRC = 10V – 1.1V – (3.6K)(1.1mA) VCE = 4.94V PD = (1.1mA) (4.94V) PD = 5mW UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS

Transistores PNP En los transistores PNP se utiliza polarización inversa respecto a como se hace con los transistores NPN. Una vez definida la polarización de las terminales, el calculo de los parámetros es igual que con el transistor NPN. Si quisiéramos polarizar un transistor PNP mediante la configuración de Divisor de voltaje tenemos dos alternativas: Caracterizar el circuito igual que con el transistor NPN pero utilizando una fuente negativa. Utilizar una fuente positiva pero invirtiendo las mallas de base y de colector-emisor (conectando el emisor a VCC y el colector a tierra). Transistor PNP con polarización negativa Transistor PNP con polarización positiva UNIT 4. Transistors ELECTRICAL CIRCUITS