Semiconductores.

Semiconductores

Diodo

BJT

Tema 2: Semiconductores, diodos y transistores. Gustavo Camps-Valls† †

Dept. Enginyeria Electr` onica. Universitat de Val` encia. Spain. [email protected], http://www.uv.es/gcamps

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Situaci´ on y escenario: 1 2 3

Ya hemos visto los elementos pasivos lineales fundamentales (R, C , L). Ahora veremos la teor´ıa de semiconductores. Esto nos permite ver: 1 2

4 5 6

Elementos pasivos no lineales (los diodos). Elementos activos (transistores).

Veremos la caracterizaci´ on de estos elementos. Aplicaciones reales. Problemas y ejercicios.

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Contenidos Estructura cristalina y conducci´ on en semiconductores Preliminares y recordatorio El Sicilio. Propiedades Conducci´ on en el Sicilio. Dopado de semiconductores 2 El diodo de uni´ on Semiconductores tipo N y tipo P Diodo de uni´ on P-N Caracter´ısticas del diodo El diodo como rectificador de se˜ nal El diodo como recortador de se˜ nal El diodo zener 3 El transistor de uni´ on bipolar (BJT) Conducci´ on en un BJT El BJT en zona activa y en saturaci´ on Configuraciones de un transistor El transistor en emisor com´ un Caracter´ısticas est´ aticas de un BJT en emisor com´ un Hip´ erbola de m´ axima disipaci´ on de potencia 4 Bibliograf´ ıa adicional 1

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Preliminares y recordatorio Modelo at´ omico de Bohr

Figura: Modelo at´ omico de Bohr (Flash: emision.swf).

La descripci´ on m´ as b´ asica de la materia supone la existencia de cargas positivas y negativas constituyendo el ´ atomo. Las cargas positivas, protones, est´ an ubicadas en la regi´ on central del ´ atomo, adosadas al n´ ucleo junto con los neutrones, por cuyo motivo es m´ as dif´ıcil liberarlas. Las cargas negativas o electrones, en cambio, son m´ as f´ aciles de liberar. Un electr´ on que salte entre ´ orbitas se acompa˜ na por una cantidad de energ´ıa electromagn´etica emitida o absorbida, ∆E = hν.

Enlaces qu´ımicos

La valencia es una medida del n´ umero de enlaces qu´ımicos formados por ´ atomos de un determinado elemento. Es m´ as com´ un hablar de enlaces covalentes que de valencia. Los elementos Si (]14) y Ge (]32) est´ an en el grupo del carbono de la tabla peri´ odica y tienen valencia 4.

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El Sicilio. Propiedades Nociones b´ asicas de semiconductores (I): ´ atomos y electrones

La Electr´ onica est´ a basada fundamentalmente en el silicio (sustancia muy abundante). El Si es una sustancia con estructura tetravalente: cada ´ atomo se encuentra rodeado por cuatro vecinos unidos mediante enlaces covalentes de dos electrones.

Estos electrones forman la capa de valencia del silicio. Si T baja, no hay conducci´ on (los e − est´ an ligados a los enlaces). Si T aumenta, la agitaci´ on t´ermica hace que algunos electrones se escapen de los enlaces covalentes y se conviertan en portadores. Muchos e − pasan de la parte superior de la banda de valencia a la parte inferior de la banda de conducci´ on → electrones quasi libres. Se crea as´ı un par electr´ on-hueco. Estos e − cuasi-libres se comportan como e − libres (igual masa efectiva).

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Conducci´ on en el Sicilio.

Nociones b´ asicas de semiconductores (II): huecos

A mayor temperatura, m´ as electrones libres y, por tanto, m´ as conductividad (menor resistencia). Un electr´ on liberado = un enlace roto. Si se aplica un campo el´ectrico (dif. pot.) al semiconductor, los electrones se desplazan hacia el polo positivo. Muchos de ellos caen en enlaces rotos, con lo que ´estos desaparecen y con ellos tambi´en los electrones libres. Los enlaces rotos son como huecos donde caen los electrones para desaparecer como portadores de carga. Los huecos se comportan como part´ıculas de carga igual a la del electr´ on, pero con signo positivo. A m´ as temperatura, m´ as electrones (y huecos) −→ M´ as corriente y menos resistencia del semiconductor. A temperaturas muy bajas la conductividad es muy baja tambi´en. En los metales no hay huecos porque los electrones est´ an libres sin necesidad de que se produzca la ruptura de enlaces.

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Dopado de semiconductores

Nociones b´ asicas de semiconductores (III): dopaje

A un semiconductor puro se le llama semiconductor intr´ınseco. En un semiconductor intr´ınseco el n´ umero de electrones es igual al n´ umero de huecos. Un semiconductor extr´ınseco es aqu´el al que se han a˜ nadido sustancias dopantes de forma que tienen un car´ acter P o N tanto mayor cuanto mayor sea la concentraci´ on de impurezas a˜ nadidas. Este proceso de dopado (o dopaje) ser´ a la base para la construcci´ on de los diodos de uni´ on y los transistores. Proceso de dopado: 1 2

Tipo N: a˜ nadimos sustancia dopante con m´ as e − libres. Flash: tipon.swf Tipo P: a˜ nadimos sustancia dopante con m´ as h+ libres. Flash: tipop.swf

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Semiconductores tipo N y tipo P

Semiconductores tipo N:

Lo semiconductores tipo N son semiconductores intr´ınsecos a los que se les ha a˜ nadido una peque˜ na cantidad de sustancia pentavalente (cinco electrones en la capa de valencia), llamada impureza. En un semiconductor de tipo N el n´ umero de electrones es mayor que el de huecos y, por tanto, en los enlaces donde haya un ´ atomo de impureza sobra un electr´ on. As´ı, a temperatura ambiente hay m´ as electrones que huecos y la conducci´ on se produce principalmente por medio de electrones.

Por el conductor sólo circulan electrones.

V

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Semiconductores tipo N y tipo P

Semiconductores tipo P:

Los semiconductores tipo P son semiconductores intr´ınsecos a los que se les ha a˜ nadido una peque˜ na cantidad de sustancia trivalente (tres electrones en la capa de valencia). Ahora aparecer´ an ´ atomos de tipo trivalente (impureza de tipo P) y, por tanto, en los enlaces donde haya un ´ atomo de impureza faltar´ a un electr´ on, es decir, habr´ a un hueco. As´ı, a temperatura ambiente hay m´ as huecos que electrones y la conducci´ on se produce principalmente por medio de huecos.

Por el conductor sólo circulan electrones.

V

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Semiconductores tipo N y tipo P

Recordatorio Importante

Tanto en los semiconductores de tipo P como en los de tipo N, la conductividad aumenta con la temperatura. Los semiconductores extr´ınsecos se forman a˜ nadiendo peque˜ nas cantidades de impurezas (dopantes) a los semiconductores puros. El objetivo es modificar su comportamiento el´ectrico al alterar la densidad de portadores de carga libres. En todos los casos, sin embargo, la carga neta del semiconductor es cero (N + = N − ): Cuando de rompe un enlace y aparece un electr´ on de conducci´ on, el ´ atomo correspondiente queda ionizado con carga positiva y la carga neta siempre es cero. Los ´ atomos ionizados est´ an fijos en la red y no contribuyen a la conducci´ on.

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Diodo de uni´ on P-N

¿Qu´ e pasa cuando unimos un bloque P y uno N?

La uni´ on se llamar´ a uni´ on semiconductora P-N. En el bloque P hay muchos huecos y en el bloque N hay muchos electrones. Los huecos del bloque P, y los electrones del bloque N, intentan ocupar todo el volumen del bloque conjunto P-N. En la uni´ on se recombina (neutraliza) la carga −→ zona de agotamiento. P

N

Se produce una capa de cargas negativas en la zona P y positivas en la zona N (´ atomos ionizados).

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Diodo de uni´ on P-N

¿Qu´ e pasa cuando unimos un bloque P y uno N? (cont.) P

N

Bloque P = muchos huecos, Bloque N = muchos electrones. Tambi´en hay algunos e − en el bloque P y h+ en el bloque N (por la ruptura t´ermica de enlaces) Las dos capas de cargas de signo contrario enfrentadas en la zona de agotamiento producen un campo el´ectrico que va (como siempre) de las cargas positivas a las negativas. Existe una mayor diferencia de potencial en las cargas positivas que en las negativas.

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Diodo de uni´ on P-N ¿Qu´ e pasa cuando polarizamos un bloque P-N?

“Una uni´ on P-N polarizada externamente es capaz de conducir solamente en un sentido, tiene propiedades rectificadoras y se conoce como diodo.”

Existen dos tipos posibles de polarizaci´ on:directa e inversa. V

V P

R

P

N

Vo

I

R

N

Vo

I

En la pol. directa, la tensi´ on externa crea un E con el que resulta m´ as sencilla la conducci´ on de los port. may. En la pol. inversa, conducci´ on por port. min. = corriente de saturaci´ on (∼ µA para Ge, ∼nA para Si). La Is s´ olo depende de T (no de Vo ). El diodo no conduce cuando se polariza en sentido inverso.

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Diodo de uni´ on P-N

¿Qu´ e pasa cuando polarizamos un bloque P-N (cont.)?

Tenemos tres posibles estados ... 1 Equilibrio: hay que suministrar energ´ıa para que un e − (o h+ ) pase a un nivel mayor (menor) de energ´ıa. 2 Polarizaci´ on directa (“forward biased”): el e − puede pasar por la uni´ on y combinarse con un hueco. 3 Polarizaci´ on inversa (“reverse biased”): la parte N se hace m´ as negativa y por tanto m´ as dif´ıcil la conducci´ on.

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Caracter´ısticas del diodo Curva caracter´ıstica del diodo: modelo no lineal

Ante una tensi´ on constante, V , la corriente por el diodo es:   qV I = Is e kT − 1 donde Is es la corriente de saturaci´ on del diodo, e = 2, 7182, q es la carga del e − (q = 1,6022·10−19 C), k es la constante de Boltzmann (k = 1,3806·10−23 Julio/o K), y T es la temperatura absoluta (en o K), donde T (o K ) = T (o C ) + 273, 16o C . Curva caracter´ıstica del diodo: aproximaci´ on lineal

Tensi´ on umbral de conducci´ on: El “codo” de la caracter´ıstica est´ a ∼0,7V (Si), ∼0,3V (Ge). I

+ V -

Flash: diode.swf

R

I

Vc

[Cr´ editos: David Holburn, Univ. Cambridge]

Vc

V

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Caracter´ısticas del diodo ¿D´ onde y c´ omo opera un diodo de uni´ on?

Circuito de R y diodo en serie alimentado por una Vo . Casos extremos: diodo en conducci´ on o en corte. Recta est´ atica de carga de un diodo: Vo = V + RI , donde Vo = fuente, R = resistencia del circuito, V = tensi´ on de codo del diodo. I V0/R

Q

V0

V

La intersecci´ on de la recta est´ atica y la curva caracter´ıstica = punto de trabajo, de operaci´ on, o punto Q del diodo. ¿Cu´ anta potencia consume un diodo?

Pol. dir.: P = VI es baja (VGe = 0,3V, VSi =0,7V). Pol. inv.: P = VI ≈ 0 (Is ∼nA).

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Caracter´ısticas del diodo

Recapitulando: Modelos simplificados del diodo Aproximaci´ on al diodo ideal: Un diodo ideal ser´ıa aqu´ el con dos u ´nicos estados (ON/OFF) en funci´ on de que la tensi´ on aplicada a sus extremos sea positiva o negativa. Aproximaci´ on de forma lineal: La caracter´ıstica est´ atica del diodo I (v ) se puede aproximar de forma lineal a partir de su tensi´ on umbral de conducci´ on. El modelo simplificado lineal del diodo consta de un diodo ideal (on/off) en serie con una resistencia (pendiente) y una fuente de tensi´ on constante (codo). Para un modelo mejor se emplea el modelo no lineal de Schockley. Veamos qu´ e pasa en peque˜ na se˜ nal...

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Caracter´ısticas del diodo

Caracterizaci´ on del diodo en “peque˜ na se˜ nal” (baja amplitud de alterna y baja f )

Variaciones muy peque˜ nas alrededor de Q: V + ∆v . La corriente continua variar´ a: ∆i = I (V + ∆v ) − I (V ). Conductancia din´ amica o incremental del diodo: gd =

I (V + ∆v ) − I (V ) ∆i ∂I = ≡ ∆v ∆v ∂V

Resistencia din´ amica: rd =

1 kT 1 = , VT = kT /q gd q I + Is

VT (T = 18o C ) = 25mV, VT (T = 0o C ) = 23,52mV, VT [mV] = 0,0865 T (o C) + 23,52. 25 [mV ] Polarizaciones directas I >> IS : rd [Ω] = I [mA]

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Caracter´ısticas del diodo

Efectos de la temperatura

A mayor temperatura T , menor tensi´ on de activaci´ on/conducci´ on, Vγ . Suponemos una relaci´ on lineal: Vγ (T1 ) − Vγ (T0 ) = k(T1 − T0 )

(1)

donde T1 es la temperatura actual, T0 es la temperatura ambiente, y k es la constante t´ermica del diodo. k = −2,5mV /o C (Si), k = −2,0mV /o C (Ge) “A mayor temperatura T , mayor corriente de saturaci´ on I0 : I0 (T1 ) = I0 (T0 )exp(k 0 (T1 − T0 )) 0

o

donde k = 0,072/ C Un aumento de 10o C duplica la corriente de saturaci´ on.

(2)

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El diodo como rectificador de se˜ nal

Propiedades:

Esta es la primera funci´ on u ´til del diodo. La rectificaci´ on es la primera fase en el proceso de convertir una se˜ nal alterna (AC) en una continua (DC). Podemos clasificar a los rectificadores con diodos en dos grupos: 1 2

Rectificador de media onda Rectificador de onda completa

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El diodo como rectificador de se˜ nal

Rectificadores de media onda V(t)

Ve

Ve Vs

D1

R

Vo

+

+

Vs

RL

0V

t (ms) -

-Vo

0

Vs = Ve,max

Vo

Vs

RL D2

D4

-

0V

(ms)

+ -Vo

-

Ve Vs

+

D3 D1 R

Ve

RL RL = Vo RLV(t)+ R RL + R

+

+ Semiconductores Ve

RL

Vs

Diodo

BJT

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0V

t (ms) El diodo como rectificador de se˜ nal-Vo

0

Rectificadores de onda completa V(t) Vo

Vs

RL

R D2 Ve

Ve Vs

+

D3 D1

D4

-

0V

(ms)

+ -Vo

-

Semiciclo positivo: D1 y D4 polarizados directamente (cortos), D2 y D3 polarizados inversamente (abiertos). Vs = Ve,max

RL RL = Vo RL + R RL + R

Semiciclo negativo: D2 y D3 polarizados directamente (cortos), D1 y D4 polarizados inversamente (abiertos). Vs = −Ve,max

RL RL = −Vo RL + R RL + R

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El diodo como recortador de se˜ nal

Propiedades:

Esta es una aplicaci´ on muy importante del diodo de uni´ on. Los diodos pueden recortar una se˜ nal de entrada o limitar alguna parte de la se˜ nal. Los recortadores tambi´en se llaman limitadores o selectores de amplitud. Los circuitos rectificadores anteriores tienen un nivel de recorte aproximadamente nulo: “por encima de cero se quedan con se˜ nal y por debajo la eliminan” Los recortadores son circuitos con diodos que permiten ajustar ese nivel de recorte de la se˜ nal.

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El diodo como recortador de se˜ nal Circuitos recortadores Vin(t) R

Vs Ve

10V

+ 0V

t (ms)

Vt

-

-10V

0

Vin(t) R

10V

Vs Ve

+ 0V

t (ms)

Vt

-

-10V

0

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El diodo como recortador de se˜ nal “One-minute paper” Vin(t) R

Vs Ve

10V

+ 0V

t (ms)

Vt

-

-10V

0

Vin(t) R

Vs Ve

10V

+ 0V

t (ms)

Vt

-

-10V

0

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El diodo como recortador de se˜ nal 10’ y entregar Señales entrada/salida

Circuito

Ecuaciones y función

Vin(t) R

10V

Vs Ve

+ 0V

t (ms) -10V

0

Vin(t) R

Vs Ve

10V

+ 0V

t (ms)

Vt

-

-10V

0

Vin(t) R

Vs Ve

+

R

10V

0V

t (ms) -

Vt

-10V

0 Vin(t)

Vs Ve

10V

+ 0V

t (ms) -10V

0

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El diodo zener Caracter´ısicas:

“Un diodo zener es un diodo de uni´ on P-N que se ha construido (dopado) para que funcione en la zona de ruptura” Funciona aplic´ andole una tensi´ on inversa superior a la tensi´ on de ruptura o tensi´ on zener, Vz . “El codo es muy abrupto y estable, y proporciona una tensi´ on casi constante entre los extremos del diodo, independientemente de que se den variaciones de la tensi´ on de red, de la resistencia de carga y/o la temperatura.”

I Vo

Vz

V Q -

VZ

Ánodo

+ Cátodo

IZ

Potencia disipada: Pdisip. = Pz = Iz,max Vz

Vo/R

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El diodo zener Zener como regulador

El zener se emplea normalmente para fijar una tensi´ on en un determinado nodo de un circuito. La funci´ on del zener se puede ver como regulador de tensi´ on: regula las variaciones de la tensi´ on de entrada de forma que mantiene la tensi´ on de salida constante: IR +

Ve +

R

+ Vz

-

-

Iz

RL

IL

Vz -

0

iR = iz + iL −→ iz = iR − iL z z Dise˜ nar R = ve −V = viez−V iR +iL Dos casos: 1 2

RL ↑−→↓ iL −→↑ iz RL ↓−→↑ iL −→↓ iz

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El diodo zener

Enunciado

Se tiene un regulador zener con entrada que var´ıa entre 10V y 15V, y una carga con corriente que var´ıa entre 100mA y 500mA. Obtener: 1

La resistencia R

2

La corriente Iz,max

suponiendo que el zener fija 6V. Ayuda: considerar Iz,min = 10 % Iz,max . M´ as ayuda...

Dos casos: Iz,min ↔ IL,max & Ve,min Iz,max ↔ IL,min & Ve,max Soluciones

Sol.: Iz,max = 1,32A, R = 6,36Ω, Pz = 7,92W , PR = 12,8W

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El diodo zener Zener en la pr´ actica real Rin +

+

+

Vz Vin

-

Vout

-

Rz -

0

Zener ideal: Vz = 10 pero el diodo zener real tiene una Rz ≈ 2Ω Iz,max = 0,53A = 530mA −→ Iz,min = 53mA Vout ? Ahora Vout 6= Vz sino que: Vo,min = 10 + 0,053 · 2 = 10,1V Vo,max = 10 + 0,53 · 2 = 11,1V

Porcentaje de regulaci´ on: “excursi´ on de tensi´ on de salida dividido por el valor nominal de la tensi´ on”: η[ %] =

Vo,max − Vo,min 11,1 − 10,1 = = 0,1 = 10 % Vo,nominal 10

Buena calidad del regulador: η < 5 %

(3)

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El diodo zener

Efectos de la temperatura en un zener

Los diodos zener tambi´en se ver´ an afectados por la T al igual que los diodos de uni´ on. El coeficiente de temperatura es: k = +2mV /o C Es positivo! Por tanto, a m´ as T , m´ as dif´ıcil es la conducci´ on y que fijen Vz en sus terminales.

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Conducci´ on en un BJT Estructura de un transistor de uni´ on bipolar (BJT)

El transistor es un dispositivo electr´ onico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. Inventado en los Lab. Bell (EEUU, 1947) por Bardeen-Brattain-Shockley (Nobel, 1956).

El transistor es un dispositivo electr´ onico de estado s´ olido capaz de amplificar se˜ nales y constituye la pieza clave de toda la Electr´ onica Anal´ ogica. El transistor de uni´ on o bipolar (BJT, “bijunction transistor”) es un dispositivo formado por tres bloques de semiconductor (normalmente de silicio). Existen dos tipos: transistor PNP o NPN, cuyo nombre hace referencia a la posici´ on del tipo N o P de cada bloque. (a) E

(b) C

B

C

E B

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Conducci´ on en un BJT

Estructura interna del BJT

El bloque central es muy estrecho y recibe el nombre de base (‘B’). Los dos bloques, a izquierda y derecha de la base, reciben el nombre de emisor (‘E’) y colector (‘C’), respectivamente. El emisor tiene m´ as impurezas (de tipo P) que la base (tipo N), y ´esta m´ as que el colector (tipo P). No se trata, por consiguiente, de un dispositivo sim´etrico y las zonas de agotamiento no tienen la misma anchura en cada uni´ on debido a esta diferencia de concentraci´ on de impurezas entre los bloques.

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Conducci´ on en un BJT

Estructura y polarizaci´ on:

El BJT como diodos: El transistor bipolar, tanto PNP como NPN, est´ a formado por dos uniones P-N, es decir, por dos diodos enfrentados. Funcionamiento como amplificador: Es preciso polarizar directamente la uni´ on emisor-base e inversamente la uni´ on base-colector. Efecto transistor: La anchura de la base es muy peque˜ na y los huecos inyectados en la base alcanzan, en su mayor´ıa, el precipicio de potencial de la uni´ on colectora → el “diodo colector” conduce a pesar de estar polarizado inversamente. Analog´ıa hidr´ aulica, http://www.satcure-focus.com/tutor/page4.htm

Si no se inyecta agua por B, no se abre la tapa y no hay caudal de C a E. Poco caudal por el conducto de la base puede producir un gran flujo de colector a emisor. Parte del caudal por B se suma al de C para ir por E.

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Conducci´ on en un BJT Esquema de tensiones y corrientes de polarizaci´ on emisor

base

VBE + RE

P

colector

VCE

IE IB VEE

VCB

P

N

RL IC VCC

El BJT es PNP: conducci´ on por huecos. La proporci´ on de huecos inyectados en la base que alcanzan el colector se conoce como factor alfa (α, entre 0,99 y 1 t´ıpicamente). La corriente de colector est´ a formada por la corriente de huecos del emisor (αIE ) y la corriente de saturaci´ on inversa del colector-base (ICo ): IC = αIE + ICo ICo ∼ 0.1µA y depende de la temperatura: se duplica cada ∼10o C y es mayor Ge que en Si. Aproximaci´ on aceptable: α = 1 e ICo =0. IC ≈ IE .

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El BJT en zona activa y en saturaci´ on

Estados del BJT (I)

Si polarizamos correctamente el BJT, podemos establecer las siguientes ecuaciones: VEE = RE IE + VBE VCC = RL IC + VCB IE = IC + IB VCE = VBE + VCB de donde se obtiene la expresi´ on de la tensi´ on de colector: VC ≡ VCB = VCC − RL IC

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El BJT en zona activa y en saturaci´ on

Estados del BJT (II)

Para que el BJT funcione correctamente, VCB debe ser positivo y entonces se dice que el transistor funciona en la zona activa. VC ,max = VCC si se da con IC =0 (para RL 6= 0) VC ,min = 0 si IC =VCC /RL = Isat . Si VCB =VCC /2, el BJT trabaja en clase A. Cuando VCB < 0 (aumenta mucho RL IC ), el BJT est´ a en zona de saturaci´ on: 1 2

El diodo colector-base queda polarizado directamente La tensi´ on colector-base permanece constante y aproximadamente igual a 0,7V (para el silicio), y VCE es aproximadamente nula.

Un transistor en r´egimen de saturaci´ on no es u ´til para amplificar se˜ nales y s´ olo se emplea para actuar en conmutaci´ on.

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Configuraciones de un transistor

Posiciones de un BJT:

Existen tres configuraciones en que podemos encontrar el BJT: emisor, base y colector com´ un. Se define en funci´ on de qu´e terminal del transistor es com´ un a la entrada y la salida del circuito amplificador. (a)

(b) Salida.

Entrada.

Terminal común.

(c)

(d)

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El transistor en emisor com´ un La configuraci´ on de emisor com´ un

La configuraci´ on de emisor com´ un es la m´ as empleada. Aqu´ı, la corriente de salida es IC y la de entrada es IB . En lugar de definir el factor α (como en base com´ un), ahora se utiliza el factor β definido por: IC = βIB + ICEo donde ICEo es la corriente de saturaci´ on en emisor com´ un. Tanto ICo (o ICEo ) son las corrientes de colector cuando el terminal de emisor (o base) est´ an en circuito abierto. Como IE =IC +IB , se puede escribir IC = α(IC + IB ) + ICo , de donde despejando IC , se obtiene: α=

β β+1

Como α tiene valores cercanos a la unidad, β tendr´ a valores muy elevados. Adem´ as, se obtiene la relaci´ on de corrientes de colector: ICEo = (β + 1)ICo

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Caracter´ısticas est´ aticas de un BJT en emisor com´ un

Caracterizaci´ on del BJT:

Para un BJT en emisor com´ un se cumple VCC = RL IC + VCE que es una recta en el plano VCE -IC y recibe el nombre de recta est´ atica de carga del BJT en emisor com´ un. El punto de operaci´ on del BJT est´ a siempre forzosamente sobre la recta de carga. Si IC =0, el transistor est´ a en corte y la tensi´ on VCE =VCC (la m´ axima posible), mientras que si VCE =0, el transistor est´ a en la zona de saturaci´ on y la corriente es m´ axima e igual a VCC /RL . Hay que tener en cuenta que al representar VCE -IC tendremos una curva diferente en funci´ on de la corriente de base, IB . Lo vemos en las siguientes curvas caracter´ısticas ...

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mayor es la corriente de base (comportamiento resistivo); (iii) la pendiente de todas

Semiconductores Diodo BJT es cero; y (iv) las características en puntos muy próximos al origen de coordenadas

las distancias entre características en sus tramos rectos, para incrementos iguales de la corriente base, tanto Caracter´ısticas est´ aticasdede un son BJT en mayores emisor cuanto com´ unmayor es la corriente de base. Una vez fijada ésta, la característica también queda fijada y así el punto de corte entre dicha curva y la recta de carga estática del BJT determina el punto de operación Q del Importante: transistor (Figura 2.8(b)).

IC

Zona de saturación

IC

Zona de disipación prohibida I C =Pmáx/V CE

+

Q Zona activa

IB

IB creciente Zona de corte

VCE

VCC =R L ·I C +V CE

VCE

1

El Figura punto2.8: deFamilia operaci´ on del BJT no puede la zona de saturaci´ on de puesto de curvas características del BJT estar (emisoren común). (b) Punto de operación BJT e hipérbola máxima caracter´ disipación de potencia. queunen ella no haydecurvas ısticas;

2

La pendiente de las caracter´ısticas es mayor a mayor corriente de base (comportamiento resistivo); Hipérbola de máxima disipación de potencia

3

Las distancias caracter´ ısticas en sus tramos rectos, incrementos iguales La potenciaentre disipada es la suma de potencias disipadas por laspara dos uniones: de la corriente de base, son tanto mayores cuanto mayor es la corriente de base.

4

Una vez fijada IB , la caracter´ıstica queda fijada y el punto de corte entre dicha curva y la recta de carga est´ atica del BJT determina el punto de operaci´ on Q del transistor.

P = PC + PE = VCB IC + VBE IE

(2.9)

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Semiconductores

Diodo

BJT

Hip´ erbola de m´ axima disipaci´ on de potencia

Disipaci´ on de potencia de un BJT

La potencia disipada es la suma de potencias disipadas por las dos uniones: P = PC + PE = VCB IC + VBE IE y no debe exceder el valor estipulado por el fabricante del transistor. Sustituyendo en esta expresi´ on, las ecuaciones IE = IC + IB y VCB = VCE − VBE , se obtiene: P = VCE IC + VBE IB ≈ VCE IC Si el BJT no est´ a saturado, IB << IC . En el plano VCE -IC , es una hip´erbola equil´ atera y el punto de operaci´ on debe estar siempre por debajo de ella para evitar que el transistor se queme

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BJT

Referencias

“Fundamentos de Electr´ onica Anal´ ogica” Jos´e Esp´ı L´ opez, Gustavo Camps-Valls, y Jordi Mu˜ noz-Mar´ı Servicio de Publicaciones Universidad de Valencia 1a edici´ on, 2006. TEMA 1-2 “The Art of Electronics” + “Student Manual” Paul Horowitz y Winfield Hill Cambridge University Press 2a edici´ on, 1989. TEMA 1-2 http://www.artofelectronics.com/ “Electr´ onica Anal´ ogica. Problemas y Cuestiones” Jos´e Esp´ı L´ opez, Gustavo Camps-Valls, y Jordi Mu˜ noz-Mar´ı Prentice Hall, Serie Prentice/Practica 1a edici´ on, 2006. TEMA 2 ¿Y ahora qu´ e?

Los pr´ oximos d´ıas haremos ejercicios en clase de los boletines. Teneis una serie de proyectos propuestos/tutelados (0.05 - 0.1 puntos).

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