El Transistor de Juntura Bipolar (BJT)

J,I. Huircán, R.A. CarrilloUniversidad de La Frontera

December 9, 2011

Abstract

El Transistor de Juntura Bipolar (BJT) es un dispositivo activo detres terminales, Base, Colector y Emisor, cuya corriente se debe a la com-binación de portadores e y h+. El dispositivo es básicamente una fuentede corriente controlada por corriente. Para su funcionamiento requiere uncircuito de polarización externo. Tiene tres zonas de trabajo, activa, cortey saturación.

1 Introduction

Desde su invención a nes de los 40, el transistor como elemento activo delos sistemas electrónicos siempre ha estado presente, primero como elementodiscreto y luego como parte de un circuito integrado (IC). Es un dispositivoampliamente utilizado en control electrónico, amplicación y en prácticamentetoda las aplicaciones de la electrónica. El objetivo de este documento es revisarlos aspectos básicos, sin adentrarse más que lo suciente en la física de lossemiconductores, con el n de establecer las relaciones de corriente y voltaje enel dispositivo.

2 El transistor de juntura bipolar (BJT)

2.1 Características generales

El BJT es de naturaleza bipolar, pues la corriente producida es debido al aportede los portadores negativos (e, electrones) y positivos (h+, hoyos). Consiste endos junturas p-n y posee tres terminales los que son llamados Emisor (E), Base(B) y Colector (C). El BJT puede ser tipo npn o pnp, su estructura y símbolose muestra en la Fig. 1, la echa indica la dirección normal de la corriente ydene la polaridad de la tensión base-emisor. No es un dispositivo simétrico,pues intercambiando el emisor por el colector se obtienen resultados distintos.

1

E C

B

p ppE C

B

n n n

Base

Emisor Colector

Base

Emisor Colector

(a) (b)

Figure 1: Símbolos del transistor. (a) npn. (b) pnp.

2.2 Funcionamiento

Sea el BJT npn de la Fig. 1a, éste considera una región n de volumen inter-medio de alto dopamiento (gran cantidad de e), una región p muy delgada depequeño volumen de bajo dopamiento (poca cantidad h+), y una región n degran volumen de dopamiento intermedio.Para establecer su funcionamiento primero se polariza sólo la juntura BE,

dejando el colector abierto. La juntura está polarizada directa, luego se produceun ujo de e desde el emisor a la base, pero también uirán h+ en menorcantidad desde la base al emisor.

BE

IC

n np

+

VCB

IB

e-

h+

E C

B

IC

n np

(a) (b)

n np

+

V

IB

e-

h+E C

B

n npIE

Figure 2: (a) Colector abierto. (b) Emisor abierto.

La corriente IE se produce por la suma de los e mayoritarios y h+ mayori-tarios inyectados por el emisor y la base respectivamente. La corriente entre labase y el emisor será IE . Dado que la base es muy delgada, no soporta grandescorrientes.Polarizando solamente la juntura CB, dejando el emisor abierto, la juntura

2

pn está polarizada inversa, luego sólo existe movimiento de portadores h+ ninori-tarios del colector y los e minoritarios de la base, produciendo una corrienteinversa de saturación llamada ICBO, entre C y B.

I nE

I pB

InEα

I (1- )nE αICB0

n np

+

VBE

e-

E C

B

h+

n np

+

VCB

e -n np

+

VBE

e-

h+E C

B

n np

+

VCB

h+

e-IE

IB

IC

(a) (b)

Figure 3: (a) Polarización completa. (b) Corrientes

Al polarizar de acuerdo a la Fig. 3a, los e mayoritarios inyectados por elemisor atraviesan la base llegando al colector, un pequeño porcentaje se recom-bina en la base con los h+ mayoritarios aportados por ésta. Así, la corriente porel emisor debido a los e mayoritarios será InE , pero la corriente en el colectordebido a estos portadores será InE ; donde es un número menor que 1, dadoque parte de los e se recombinan en la base.Así, la corriente del emisor IE , será función de la corriente producida por los

portadores mayoritarios e y la corriente debida a los portadores mayoritariosh+ inyectados por la base.

IE = IpB + InE (1)

La corriente que se desvía a la base será (1)InE = InR; luego la corrienteen la base será la corriente de los portadores mayoritarios h+ de la base mas lacorriente InR menos la corriente ICBO como se muestra en la Fig. 3b.

IB = IpB + InR ICBO (2)

Finalmente, la corriente por el colector IC será la proveniente del emisor másla corriente de saturación inversa ICBO.

IC = InE + ICBO (3)

Considerando despreciable el efecto de ICBO, se tiene

IB = IpB + (1 )InE (4)

IC = InE (5)

3

Luego (1) se reemplaza IpB en (4) obteniéndose la clásica ecuación

IB = IE IC (6)

Por otro lado dado que IC = InE ; reemplazando (1)

IC = InE = (IE IpB)Considerando que la corriente IpB debido a h+ generada por la base es mucho

menor que InE ; entonces se llega a

IC = IE (7)

Donde es la ganancia de corriente en base común.

2.3 Modos de Trabajo

Dependiendo de la condición de polarización (directa o inversa) de cada unade las junturas, se tienen distintos modos de operación. En el modo activo, elBJT opera como amplicador. Los modos corte y saturación permiten usar eltransistor como interruptor.

Table 1: Zonas de trabajo del BJT.

pnp npnModo JEB JCB JBE JBCCorte Inv Inv Inv InvActivo Dir Inv Dir InvSaturación Dir Dir Dir Dir

Para el trabajo en zona activa, la alimentación debe ser de acuerdo a laFig. 4. La juntura base-emisor debe encontrarse polarizada en sentido directo;en cambio la juntura base-colector debe polarizarse en forma inversa. Cuandose cumplen simultáneamente ambas condiciones, el BJT se encuentra en zonaactiva. Así para un transistor npn, VBE > 0; luego VEB > 0 para un transistorpnp.En zona activa, la corriente del colector está dada por

ic = IsevBEVT (8)

Donde Is es la corriente de saturación inversa. Luego, la corriente de basese expresa como

iB =iC

(9)

Donde es una constante propia del transistor, la cual varía entre 100 y 200para algunos casos, pero puede llegar a valores muy elevados (o bajos 40 y 50),

4

(a) (b)

VBE

VCB

+

+ VBC

VEB

+

+

Figure 4: Polarización del Transistor. (a) npn. (b) pnp.

y recibe el nombre de ganancia de corriente de emisor común. De acuerdo a(6), se tiene

iE = iC + iB

Luego iE =+1 iC ; lo que se puede expresar como iC = iE . Donde es

llamada la ganancia corriente en base común y su valor es muy cercano a 1(0.99 para = 100).

2.4 Representación gráca de las características del BJT

Como iC varía de acuerdo a (8), se construye la curva de entrada iB vBE ,o la curva iC vBE , pues sólo diere en una constante de acuerdo a (9). Lacaracterística de salida se expresa a través de una curva iC vCE . Dicha curvamuestra como varía la corriente de colector para distintos valores de la corrientede base. Cada curva indicada es debido a un valor de iB en particular.

v

iC

IB3I =B2IB1

CE

[mA]

[V]vBE

iB

VBE

(a) (b)

IBQIBQ

[uA]

ICQ

[V]

Figure 5: (a) Característica de entrada iB vBE . (b) Característica de salidaiC vCE :

De acuerdo a la Fig.5, cuando el transistor está operando, se establece unvoltaje en la juntura BE llamado VBE(ON), éste permite establecer una corrienteen la base llamada IBQ: Debido a la caracteristica de amplicación, la corrientede colector será ICQ = IBQ. El voltaje vCE en la zona activa será mayor quecero pero menor que la fuente de alimentación que se use para tal efecto.

5

v

iC

IB3

CE

[mA]

[V]VCE (Sat)

Región de Saturación

Región de Corte

IB2IB1

IB4

IB5

Zona de P máximaD

Figure 6: Zonas de funcionamiento del BJT.

En la Fig. 6 se pueden identicar las tres zonas de funcionamiento, luegose tiene la zona de corte, para la cual se cumple que iB = 0, esto implica unacorriente de colector iC = 0, dicha zona se encuentra en la parte inferior delcuadrante. En la zona de saturación, donde en el BJT npn, la juntura BE estápolarizada directa y la juntura BC también, esto produce un incremento de lacorriente, lo que lleva a una disminución del voltaje colector emisor, ésta serála zona a la izquierda en el primer cuadrante. En términos ideales vCE 0; sinembargo, en terminos prácticos es establece que el transistor estará en saturaciónpara un valor del voltaje colector emisor menor a VCE(Sat), donde este valor seestablece en 0.2[V ].En la zona derecha se tiene la curva de máxima disipación de potencia del

dispositivo, si el transistor traspasa la zona de máxima disipación, éste se de-struye. El punto de operación deberá ubicarse entre las zonas indicadas.

2.5 Conguraciones básicas con el BJT

Dado que el BJT es un dispositivo de 3 terminales, existen tres posibilidadesdiferentes para referirse al común (referencia común de los potenciales) del cir-cuito, base común, emisor común y colector comun.

vCEvBE

+

_

+

_

(b)

i

(c)

E iC

vCBvBE+_

+ _

(a)

iB

iE

vCEvBC +_

+

_B

iCi

Figure 7: Conguraciones del BJT. (a) Emisor común. (b) Colector común. (c)Base común.

Cada una de las conguraciones básicas tendrá distintas curvas de salida.

6

2.6 Características principales del BJT

La iE , será siempre mayor a la iC :

Por medio de una pequeña tensión directa en JBE, se logran controlargrandes por el colector.

iB es bastante pequeña (A) en cambio, iE y iC son del orden de los mA.

iE desfasa a iC en 180o.

3 Polarización Básica

Sea el circuito de la Fig. 8a. Se analiza para tres valores distintos de RB , loque permite establecer sus zonas de trabajo. Para el ejemplo se plantean la enla base del transistor y luego una malla que pasa por el colector, de esta formase tiene las siguientes ecuaciones.

(b)(a)

iC

10[V]

vCEvBE

+

_

+

_Bi

RB

470

10[K ]

RB

++

10[V] 10[V]Bi

iCvBE

+

_

470

vCE

+

_

RC

10[K ]

Ω

ΩΩ

Ω

Figure 8: Polarización del BJT.

10 [V ] = iB10 [K] + vBE (10)

10 [V ] = iC470 [] + vCE (11)

Considerando que VBE(ON) = 0:7 [V ] y = 100; se tiene que

iB =10 [V ] 0:7 [V ]

10 [K]= 930 [A]

Luego, como iC = 100iB = 93 [mA] ;

vCE = 10 [V ] 93 [mA] 470 [] = 33 [V ]

De lo que se concluye que el transistor está en zona de saturación.

Cambiando el RB por 680 [K], se tiene

7

iB =10 [V ] 0:7 [V ]680 [K]

= 13:67 [A]

iC = 100iB = 1:367 [mA]

vCE = 10 [V ] 1:367 [mA] 470 [] = 9:36[V ]

Casi se encuentra en corte, pues iB 0:

Finalmente, para un valor de RB = 100 [K], es factible tener el transistoren zona activa.

iB =10 [V ] 0:7 [V ]100 [K]

= 93 [A]

iC = 100iB = 9:3 [mA]

vCE = 10 [V ] 9:3 [mA] 470 [] = 5:63[V ]

4 Conclusiones

El BJT puede ser tipo npn y pnp, se comporta como una fuente de corrientecontrolada por corriente. Tiene tres zonas de trabajo, zona activa donde secumple que iC = iB y el transistor amplica; corte, en la cual iC = 0 eiB = 0, el transistor está "desconectado" y nalmente la zona de saturación,donde el transistor tiene un vCE VCE(sat) o vCE 0, considerado como un"cortocircuito" entre los terminales de salida. El análisis inicial consistirá enestablecer el punto de operación del transistor, para lo cual se requiere contarcon un circuito externo de polarización.

References

[1] Savant, C, Roden, M., Carpenter, G. 1992, Diseño Electrónico.Circuitos ySistemas. Addison-Wesley Iberoamericana.

[2] Schilling, D., Belove, . 1993. Circuitos Electrónicos Discretos e Integrados.Mc Graw- Hill

[3] Sedra, A. Smith, K, 1998. Microelectronics Circuits. Oxford Press.

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