EAP Ingeniería Electrónica-UNMSM Dispositivos Electrónicos

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

Facultad de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones

Apellidos y Nombres: Nº de Matrícula:

Suica Huillca Juan 1 1 1 9 0 0 2 2

Paucar Gallegos Yesenia 1 1 1 9 0 1 0 5

Diaz Machuca Daniel 1 0 1 9 0 0 1 7

Saavedra Tarazona Edinson 1 1 1 9 0 0 1 8

Curso: Tema:

LABORATORIO DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

EL TRANSISTOR BIPOLAR NPN. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS.

Informe: Fechas: Nota:

Final Realización: Entrega:

Número:

06 de Julio 13 de Julio07

Grupo: Profesor:

Número: Horario:

Ing. Luis Paretto Quispe07

viernes4:00-6:00pm

EL TRANSISTOR BIPOLAR NPN. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS

I. OBJETIVOS

1. Verificar las condiciones de un transistor bipolar NPN.

2. Comprobar las características del funcionamiento de un transistor bipolar NPN.

II. CUESTIONARIO PREVIO

1. De los manuales obtenemos las especificaciones del funcionamiento del transistor bipolar 2N3904.

2. Determinar el punto de operación del circuito del experimento.

III. MATERIAL Y EQUIPO UTILIZADO

1. Un Multímetro.

2. Un miliamperímetro.

3. Un micro amperímetro.

4. Un voltímetro de c.c.

5. Un transistor BF494B

6. Un osciloscopio.

7. Resistores: Re = 330 , Rc = 1K , R1 = 56K , R2 = 22KΩ Ω Ω Ω

8. Condensadores: Cb = 0.1µF, Cc = 0.1µF, Ce = 3.3µF

9. Una fuente de c.c. variable.

10. Cables conectores ( 3 coaxiales ORC )

11. Un potenciómetro de 1MΩ

12. Una placa de zócalo de 3 terminales.

13. Dos placas con zócalo de 2 terminales.

IV. MARCO TEÓRICO

Un transistor de unión bipolar consiste en tres regiones semiconductoras dopadas: la región del emisor, la región de la base y la región del colector. Estas regiones son, respectivamente, tipo P, tipo N y tipo P en un PNP, y tipo N, tipo P, y tipo N en un transistor NPN. Cada región del semiconductor está conectada a un terminal, denominado emisor (E), base (B) o colector (C), según corresponda.

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.

La base está físicamente localizada entre el emisor y el colector y está compuesta de material semiconductor ligeramente dopado y de alta resistividad. El colector rodea la región del emisor, haciendo casi imposible para los electrones inyectados en la región de la base escapar de ser colectados, lo que hace que el valor resultante de se acerque mucho αhacia la unidad, y por eso, otorgarle al transistor un gran .β

El transistor de unión bipolar, a diferencia de otros transistores, no es usualmente un dispositivo simétrico. Esto significa que intercambiando el colector y el emisor hacen que el transistor deje de funcionar en modo activo y comience a funcionar en modo inverso. Debido a que la estructura interna del transistor está usualmente optimizada para funcionar en modo activo, intercambiar el colector con el emisor hacen que los valores de y enα β modo inverso sean mucho más pequeños que los que se podrían obtener en modo activo; muchas veces el valor de α en modo inverso es menor a 0.5. La falta de simetría es principalmente debido a las tasas de dopaje entre el emisor y el colector. El emisor está altamente dopado, mientras que el colector está ligeramente dopado, permitiendo que pueda ser aplicada una gran tensión de reversa en la unión colector-base antes de que esta colapse. La unión colector-base está polarizada en inversa durante la operación normal. La razón por la cual el emisor está altamente dopado es para aumentar la eficiencia de inyección de portadores del emisor: la tasa de portadores inyectados por el emisor en relación con aquellos inyectados por la base. Para una gran ganancia de corriente, la mayoría de los portadores inyectados en la unión base-emisor deben provenir del emisor.

El bajo desempeño de los transistores bipolares laterales muchas veces utilizados en procesos CMOS es debido a que son diseñados simétricamente, lo que significa que no hay diferencia alguna entre la operación en modo activo y modo inverso.

Pequeños cambios en la tensión aplicada entre los terminales base-emisor genera que la corriente que circula entre el emisor y el colector cambie significativamente. Este efecto puede ser utilizado para amplificar la tensión o corriente de entrada. Los BJT pueden ser pensados como fuentes de corriente controladas por tensión, pero son caracterizados más simplemente como fuentes de corriente controladas por corriente, o por amplificadores de corriente, debido a la baja impedancia de la base.

Los primeros transistores fueron fabricados de germanio, pero la mayoría de los BJT modernos están compuestos de silicio. Actualmente, una pequeña parte de éstos (los transistores bipolares de heterojuntura) están hechos de arseniuro de galio, especialmente utilizados en aplicaciones de alta velocidad.

Funcionamiento

Característica idealizada de un transistor bipolar.

En una configuración normal, la unión emisor-base se polariza en directa y la unión base-colector en inversa. Debido a la agitación térmica los portadores de carga del emisor pueden atravesar la barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez, prácticamente todos los portadores que llegaron son impulsados por el campo eléctrico que existe entre la base y el colector.

Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región del ánodo compartida. En una operación típica, la unión base-emisor está polarizada en directa y la unión base-colector está polarizada en inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando una tensión positiva es aplicada en la unión base-emisor, el equilibrio entre los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la región agotada se des balancea, permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse en la región de la base. Estos electrones "vagan" a través de la base, desde la región de alta concentración cercana al emisor hasta la región de baja concentración cercana al colector. Estos electrones en la base son llamados portadores minoritarios debido a que la base está dopada con material P, los cuales generan "huecos" como portadores mayoritarios en la base.

La región de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para que los portadores puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vida útil del portador minoritario del semiconductor, para minimizar el porcentaje de portadores que se

re combinan antes de alcanzar la unión base-colector. El espesor de la base debe ser menor al ancho de difusión de los electrones.

Control de tensión, carga y corriente

La corriente colector-emisor puede ser vista como controlada por la corriente base-emisor (control de corriente), o por la tensión base-emisor (control de voltaje). Esto es debido a la relación tensión-corriente de la unión base-emisor, la cual es la curva tensión-corriente exponencial usual de una unión PN (es decir, un diodo).

En el diseño de circuitos analógicos, el control de corriente es utilizado debido a que es aproximadamente lineal. Esto significa que la corriente de colector es aproximadamente βveces la corriente de la base. Algunos circuitos pueden ser diseñados asumiendo que la tensión base-emisor es aproximadamente constante, y que la corriente de colector es βveces la corriente de la base. No obstante, para diseñar circuitos utilizando BJT con precisión y confiabilidad, se requiere el uso de modelos matemáticos del transistor como el modelo Ebers-Moll.

El Alfa y Beta del transistor

Una forma de medir la eficiencia del BJT es a través de la proporción de electrones capaces de cruzar la base y alcanzar el colector. El alto dopaje de la región del emisor y el bajo dopaje de la región de la base pueden causar que muchos más electrones sean inyectados desde el emisor hacia la base que huecos desde la base hacia el emisor. La ganancia de

corriente emisor común está representada por o por hfe. Esto es aproximadamente la tasa de corriente continua de colector a la corriente continua de la base en la región activa directa y es típicamente mayor a 100. Otro parámetro importante es la ganancia de corriente base común, . La ganancia de corriente base común es aproximadamente la ganancia de corriente desde emisor a colector en la región activa directa. Esta tasa usualmente tiene un valor cercano a la unidad; que oscila entre 0.98 y 0.998. El Alfa y Beta están más precisamente determinados por las siguientes relaciones (para un transistor NPN):

Tipos de Transistor de Unión Bipolar

NPN

El símbolo de un transistor NPN.

NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.

Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector.

La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

Regiones operativas del transistor

Los transistores bipolares de juntura tienen diferentes regiones operativas, definidas principalmente por la forma en que son polarizados:

· Región activa:

Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de (ganancia de corriente, es un datoβ del fabricante) y de las resistencias que se encuentren conectadas en el colector y emisor. Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador de señal.

· Región inversa:

Al invertir las condiciones de polaridad del funcionamiento en modo activo, el transistor bipolar entra en funcionamiento en modo inverso. En este modo, las regiones del colector y emisor intercambian roles. Debido a que la mayoría de los TBJ son diseñados para maximizar la ganancia de corriente en modo activo, el parámetro beta en modo inverso es drásticamente menor al presente en modo activo.

· Región de corte: Un transistor esta en corte cuando:

Corriente de colector = corriente de emisor = 0,(Ic= Ie= 0)

En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (Como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0

(Ib =0).

· Región de saturación: Un transistor está saturado cuando:

Corriente de colector = corriente de emisor = 0,(Ic= Ie= 0)

En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (Como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0).

· Región de saturación: Un transistor está saturado cuando:

Corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima,(Ic= Ie= Imáxima)

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, ver ley de Ohm. Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente grande como para inducir una corriente de colector β veces más grande. (Recordar que Ic = * Ib).β

V. PROCEDIMIENTO:

1. Verificar el estado operativo del transistor, usando el ohmímetro. Llenar la tabla

2. Armar el siguiente circuito:

a) Medir las corrientes que circulan por el colector (Ic) y la base (Ib).Obtener el (Usar P1=0 Ω).β

b) Medir los voltajes entre colector-emisor (Vce), y entre emisor-tierra (Ve) .

c) Colocar los datos obtenidos en la tabla 2.

d) Cambiar R1 a 68KΩ, repetir los pasos (a) y (b), y anotar los dato en la tabla 3 (Por ajuste de P1).

e) Aumentar la resistencia de P1 a 100KΩ y 1MΩ.Observar lo que sucede con las corrientes Ic, Ib y con el voltaje Vce .Llenar la tabla 5.

3. Ajustar el generador de señales a 50mv.pp , 1KHz, onda senoidal .Observar la salida Vo con el osciloscopio .anotar en la tabla 4

Desarrollo:

a) Medir las corrientes que circulan por el colector (Ic) y la base (Ib). Obtener el (Usar βP1= 0 )Ω

En el análisis con corriente continua, los condensadores se comportan como circuito abierto. Se tiene el siguiente circuito:

Aplicando Thevenin

Por dato ya que el transistor 2N3904 está hecho de silicio su VBE = 0.6 V

Se tiene =Iβ C/IB

RBB = 22k (56k)/(22 + 56)k 200(IB) = IC

RBB = 15.794kΩ

VBB = 22kx12/(22+56)k

VBB = 3.384 V

Ahora

-3.384 + 15.794k (IB) + VBE + 220(IC) = 0

15.794k (IB) + 0.6 + 220(200IB) = 3.384

IB= (3.384 – 0.6)/(15.794k + 220x200)

IB= 46.56µA

9.312mA = IC

Entonces

VE = 220(9.312mA)

VE = 2.019 V

-12 + 1k(IC) + VCE + 220(IC) = 0

VCE = 12 – 9.312x10-3x(1000+220)

VCE = 0.639V

Hallando Icmax( VCE = 0)

Icmax = 12/(1000 + 220)

Icmax = 9.836mA

b) Medir los voltajes entre colector – emisor (VCE), entre base – emisor (VBE) y entre emisor – tierra (VE).

VE = 0.010 V

VBE = 0.6 V

VCE = 0.639 V

c) Colocar los datos obtenidos en la tabla 2

Valores(R1 = 56K )Ω

Ic(mA) IB(µA) β VCE(V) VBE (V) VE(V)

Teóricos 9.312 46.56 200 0.639 0.6 2.049Medidos 6.6 47 140.4 3.42 0.712 1.448

d) Cambiar R1 a 68K , repetir los pasos (a) y (b) y anotar los datos en la tabla 3 Ω(por ajuste de P1)

Aplicando Thevenin

RBB = 68k (22k)/ (68 + 22) kRBB = 16.622kΩ

VBB = 22k (12)/ (22 + 68)kVBB = 2.933 V

Ahora

Se tiene

-2.933 + 16.622k(IB) + VBE + 220(IC) = 0 200IB = IC

16.622k(IB) + 220(200IB) = 2.933 – 0.6 7.696mA = IC

IB = (2.933 – 0.6)/(16.622x1000 + 220x200)IB = 38.48µA

Entonces

-12 + 1k(IC) + VCE + 220(Ic) = 0VCE = 12 – 7.696mA(1000 + 220)VCE = 2.611 V

Icmax= 12/(1000 + 220)Icmax= 9.836 mAVE = 220(7.696mA)VE = 1.69 V

Valores(R1=68KΩ)

IC (mA) IB (µA) β VCE (V) VBE (V) VE (V)

Teóricos 7.696 38.48 200 2.611 0.6 1.69Medidos 5.4 37 149 4.96 0.705 1.187

e) Aumentar la resistencia de P1 a 100K , 250K , 500K Y 1 M . Observar lo que Ω Ω Ω Ωsucede con las corrientes IC, IB y con el voltaje VCE.

Para P1 = 100KΩ

Aplicando Thevenin

RBB = 22k(100 + 56)k/(22 + 100 + 56)kRBB = 19.281kΩ

VBB = 22k(12)/(100 + 56 + 22)kVBB = 1.483 V

Entonces

-1.483 + 19.281k(IB) + VBE + 220IC = 0 200IB = IC

19.281k(IB) + 220(200IB) = 1.483 – 0.6 IC = 2.912mAIB = (1.483 – 0.6)/(19.28x1000 + 220x200)IB = 14.56µA..

-12 + RC(Ic) + VCE + 220IC = 0VCE = 12 – (2.912)mA(1000 + 220)VCE = 8.45 V

Para P1 = 250KΩ

Aplicando Thevenin

RBB = (22k)(56 + 250)k/(22 + 56 + 250)kRBB = 20.524kΩ

VBB = 22k(12)/(250 + 56 + 22)kVBB = 0.804 V

Entonces

-0.804 + 20.524k(IB) + VBE + 220IC = 0 200IB = IC

IB = 3.162µA.. 0.632mA = Ic

-12 + 1k(Ic) + VCE + 220Ic = 0VCE = 11.23 V

Para P1 = 500KΩ

Aplicando Thevenin

RBB = (22k)(500 + 56)k/(22 + 500 + 56)kRBB = 21.162kΩ

VBB = 0.456 V

El transistor no conduce porque la tensión en la base es menor que 0.6V.

Para P1 = 1MΩ

Aplicando Thevenin

RBB = (22k)(1M + 56K)/(22K + 56K +1M)RBB = 21.551KΩ

VBB = 22K(12)/(1M + 56K + 22K)VBB = 0.244 V

El transistor no conduce porque la tensión en la base es menor que 0.6V.

P1 100KΩ 250KΩ 500KΩ 1MΩ

Teóricos Ic ( mA ) 2.912 0.632 0 0

IB (µA) 14.56 3.162 0 0

VCE ( v ) 8.45 11.23 12 12

Medidos Ic ( mA ) 3.6 0.625 0 0

IB (µA) 24.9 4.4 0 0

VCE ( v ) 7.38 11.22 12 12

3. Ajustar el generador de señales a 840mv.pp, 1KHz, onda senoidal .Observar la salida Vo con el osciloscopio .anotar en la tabla 4.

Los gráficos muestran el valor rms de los voltajes.

Tabla Vi (mV.pp) Vo (V.pp) Av Vo (sin Ce) Av (sin Ce)3 (Q2) 840 9.00 -10.71 3.8 -4.52

VI. Cuestionario

3. ¿En qué regiones de trabajo se encuentran los puntos de las tablas 2 y 3?

Para ambos casos, la tabla 2 y 3, los puntos de trabajo se ubican en la zona activa, debido a ello funcionan como amplificadores.Esto se puede comprobar también si analizamos lo valores. Si estuviera en la zona de corte, la corriente de colector sería muy pequeña y el voltaje Vce sería igual al valor de la fuente Vcc.Si estuviera en la zona de saturación el voltaje Vce sería cero.

4. ¿Qué sucedería con el punto de operación si cambiamos R1 a 150K ? Explicar lo Ωocurrido e indicar sus valores teóricos.

Si cambiamos el valor de R1 el punto de trabajo se desplazara como cuando se varía el valor de P1.Si tomamos el valor R1=150K para la tabla 2, los valores teóricos son:Ω

Vemos q el valor de las corrientes de colector y de base dependen del valor de R1, si cambia su valor, el valor de las corrientes también lo hará.

5. Indicar las diferencias más importantes entre el circuito de este experimento con respecto al anterior.

La mayor diferencia radica en el tipo de transistor.En el anterior experimento el transistor usado fue uno de tipo PNP, por ello el colector era polarizado negativamente. Para este caso el transistor era de tipo NPN y el colector se polarizo positivamente.Otra diferencia es que el transistor PNP del experimento anterior tenía una ganancia de 300, mientras que el transistor NPN tiene una ganancia alrededor de 150.

A pesar de que el resto del circuito era el mismo para ambos experimentos, los puntos de trabajo son distintos debido a la gran diferencia que ay entre las ganancias.

Valores(R1 = 150K )Ω

Ic(mA) IB(µA) β VCE(V) VBE (V) VE(V)

Teóricos 2.96 14.798 200 8.389 0.6 0.651

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Internamente está formado por un cristal que contiene una región P entre dos N (transistor NPN)

O una región N entre dos regiones P, (transistor PNP )

La diferencia que hay entre un transistor NPN y otro PNP radica en la polaridad de sus electrodos

Existen 3 zonas en las que un transistor puede operar, las cuales son: Corte, saturación y activa.

VII. BIBLIOGRAFIA

Guía de laboratorio

Fundamentos de circuitos eléctricos – Sadiku