COLABORATIVO 2 FISICA DE SEMICONDUCTORES

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS

TRABAJO COLABORATIVO 2

FISICA Y SEMICONDUCTORES

TRANSISTOR BJT

Ing. Orlando Harker

Grupo 209002_56

BOGOTÁ, mayo 22 del 2012

Introducción.

Estructura básica.

Símbolos y convenios de signos.

Zonas de funcionamiento.

Corrientes en la zona activa

Ecuación de Ebbers-Möll.

Curvas características en base común.

7.1. Curvas Características de entrada

7.2. Curvas Características de salida

Curvas características en emisor común.

8.1. Curvas Características de entrada

8.2. Curvas Características de salida

Curvas características en colector común.

Curva de puntos característicos.

Punto de funcionamiento

Polarización del transistor

OBJETIVOS

Conocer las relaciones entre las corrientes de base, emisor y colector de un transistor bipolar BJT.

Dibujar una curva hipotética de entrada y una familia de curvas de salida, identificando los ejes.

Reconocer las tres zonas de funcionamiento sobre la curva de salida de un transistor bipolar.

Indicar las características del transistor ideal y las de su segunda aproximación.

INTRODUCCION

Hemos empezado la asignatura estudiando los materiales de los que están formados los principales dispositivos electrónicos de estado sólido, los semiconductores. Continuamos con el estudio del dispositivo semiconductor más sencillo, el diodo de unión. Dispositivo, que como hemos visto en los temas anteriores, consta de dos partes diferenciadas con un terminal en cada una de ellas, es decir, se trataba de un dispositivo de dos terminales. Siguiendo con el estudio de los dispositivos electrónicos vamos a avanzar un paso más y vamos a estudiar un dispositivo semiconductor que consta de tres zonas distintas, con dos uniones pn y con un terminal en cada una de las zonas, o lo que es lo mismo, estamos ante un dispositivo de tres terminales: El transistor.

Sin ninguna duda, estamos ante uno de esos grandes inventos que han marcado

Un punto de inflexión en la historia de la Humanidad, como en su día lo fueron el descubrimiento del fuego, la invención de la rueda o la máquina de vapor entre otros. El descubrimiento del transistor a principios del siglo XX (1947) marcó el comienzo de la era de la electrónica. En apenas 60 años el desarrollo experimentado y el grado de penetración en la vida cotidiana ha sido tal que hoy en día es difícil pensar en cómo sería la vida sin los ordenadores, la telefonía, la radio, la televisión…Y ha sido, precisamente, el descubrimiento del transistor el “culpable” de esta revolución tecnológica.

2.- CONSTRUCCIÓN DEL TRANSISTOR.

Aunque existen otros tipos de transistores (en este mismo curso veremos otros en el tema 7) en este capítulo vamos a abordar el estudio del transistor de unión bipolar, también conocido por la iniciales de su denominación en ingles BJT (Bipolar Junction Transistor). El término bipolar hace referencia al hecho de que en la conducción de la corriente intervienen los dos tipos de portadores (electrones y huecos). El termino junction (unión) hace referencia a la estructura del dispositivo, ya que como veremos a continuación tenemos dos uniones pn en el transistor y mediante la polarización de estas uniones conseguiremos controlar el funcionamiento del dispositivo.

El transistor es un dispositivo de tres zonas o capas. Podemos tener una zona de material tipo n en medio de dos zonas de material tipo p, en este caso se denomina transistor pnp, o bien tener una zona tipo p con dos zonas tipo n a cada lado, en cuyo caso estaríamos hablando de un transistor npn.

Estructura del transistor BJT

La zona central se denomina base, y las laterales emisor y colector. Cada una de las zonas consta de un terminal por donde extraer las corrientes. Estos terminales se representan por la inicial del nombre de la zona respectiva: E (emitter), B (base) y C (colector).

La zona de emisor es la más fuertemente dopada de las 3, es la zona encargada de “emitir” o inyectar portadores mayoritarios hacia la base. Huecos en el caso de un transistor pnp o electrones en el caso del transistor pnp.

La base tiene un nivel de dopado netamente inferior al de la zona de emisor. Se trata de una zona con un espesor muy inferior al de las capas exteriores. Su misión es la de dejar pasar la mayor parte posible de portadores inyectados por el emisor hacia el colector.

La zona de colector, como su propio nombre indica es la encargada de recoger o “colectar” los portadores que inyectados por el emisor han sido capaces de atravesar la base. Es la zona con un nivel de dopado inferior de las tres.

3.- SÍMBOLOS Y CONVENIO DE SIGNOS

Sentidos de tensiones y corrientes en el BJT

En la figura aparecen los símbolos que se utilizan para la representación del transistor de unión bipolar. Para las corrientes se han representado los sentidos reales de circulación de las mismas.

4.- ZONAS DE FUNCIONAMIENTO

Cuando en el tema 2 hablábamos de la unión pn veíamos que teníamos dos posibilidades de polarización de la misma, de tal forma que el diodo tenía dos posibles estados o zonas de trabajo: en directa y en inversa. Ahora estamos ante un dispositivo que tiene dos uniones, una unión entre las zonas de emisor y base (que denominaremos a partir de ahora unión de emisor JE) y otra unión entre las zonas de base y colector (de que denominaremos unión de colector JC), cada una de las cuales puede ser polarizada en las dos formas mencionadas anteriormente. Así, desde el punto de vista global del dispositivo tenemos cuatro zonas de funcionamiento posibles en función del estado de polarización de las dos uniones.

De esta forma, si polarizamos las dos uniones en directa, diremos que el transistor está trabajando en la zona de saturación. En el caso de que la unión de emisor la polaricemos en directa y la unión de colector en inversa, estaremos en la zona activa.

Cuando las dos uniones se polarizan en inversa, se dice que el transistor está en la zona de corte. Por último, si la unión de emisor se polariza en inversa y la unión de colector en directa, el transistor se encuentra en activa inversa. De las cuatro zonas, las 3 mencionadas en primer lugar son las más interesantes desde el punto de vista del funcionamiento del transistor, siendo la zona activa inversa una zona puramente teórica y sin interés práctico.

Zonas de funcionamiento del transistor BJT

JE JC Zona de trabajo

Directa Inversa Activa

Directa Directa Saturación

Inversa Inversa Corte

Inversa Directa Activa inversa

Notar que en todo momento hablamos de polarizaciones en directa o en inversa sin referirnos al signo de la tensión aplicada a dicha unión, ya que el mismo dependerá del tipo de transistor npn o pnp en cuestión.

5.- CORRIENTES EN LA ZONA ACTIVA

Como acabamos de ver un transistor está trabajando en la zona activa cuando la unión de emisor se polariza en directa y la unión de colector en inversa. En el caso de un transistor pnp, para polarizar la unión de emisor en directa habrá que aplicar una tensión positiva del lado del emisor, negativa del lado de la base, o lo que es lo mismo una tensión VBE positiva. De igual manera, para polarizar la unión de colector en inversa hay que aplicar una tensión VCB negativa.

Vamos a comenzar el estudio suponiendo que la unión de emisor está polarizada en directa y que la unión de colector está sin polarizar (figura 4.4a). En este caso estamos ante una unión pn (la formada por el emisor y la base) idéntica a la que analizamos en el capítulo 2 al abordar la polarización de la unión pn. En este caso, aparece un campo eléctrico que tiende a arrastrar a los huecos del emisor hacia la base y a los electrones de la base hacia el emisor. Lo que origina una corriente neta en el sentido de la zona p hacia la zona n, es decir, de emisor hacia la base. Dado que el emisor es mucho más ancho que la base y además su nivel de dopado es muy superior, la cantidad de huecos en el emisor será muy superior a la de los electrones en la base, con lo que el término de corriente predominante será el debido a los huecos. Es decir, la corriente tendrá dos términos, uno debido a los electrones y otro debido a los huecos, siendo predominante el segundo sobre el primero.

Polarización (por separado) de la unione de emisor y colector en un BJT.

Polarización de la unión de emisor Polarización de la unión de colector

A continuación vamos

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