ESTUDIO DEL TRANSISTOR Y SU POLARIZACION

I. INTRODUCCION:

TRANSISTOR DE UNION BIPOLAR

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 o BICMOS.

Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:

Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga.

Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector. Colector, de extensión mucho mayor.

La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, que por ser muy angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de operación: estado de corte, estado de saturación y estado de actividad.

Estructura

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 α se acerque mucho hacia 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 α y β en 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 desbalancea, 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 recombinan 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 β veces 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 β veces 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 βF 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, αF. 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

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.

PNP

El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.

Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.

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

Funcionamiento del BJT en las distintas zonas

Representación del punto de trabajo con la recta en carga estática

En la figura 1.8.b se muestra la representación gráfica del punto de trabajo Q del transistor, especificado a través de tres parámetros: ICQ, IBQ y la VCEQ.

Este punto se encuentra localizado dentro de una recta denominada recta de carga estática: si Q se encuentra en el límite superior de la recta el transistor estará saturado, en el límite inferior en corte y en los puntos intermedios en la región lineal.

Esta recta se obtiene a través de la ecuación del circuito que relaciona la IC con la VCE que, representada en las curvas características del transistor de la figura 1.8.b, corresponde a una recta.

La tercera ecuación de (1.17) define la recta de carga obtenida al aplicar KVL al circuito de polarización, de forma que

Para dibujar esta recta de una manera sencilla en el plano (VCE, IC) del transistor se selecciona dos puntos: a) VCE=0, entonces IC=VCC/RC; b) IC=0, entonces VCE=VCC. Estos puntos se pueden identificar en la figura1.8.b y representan los cortes de la recta de carga estática con los ejes de coordenadas.

Una de las primeras decisiones relacionadas con la polarización de un transistor es seleccionar la situación del punto Q. La selección más práctica es situarle en la mitad de la recta de carga estática para que la corriente de colector sea la mitad de su valor máximo, condición conocida como excursión máxima simétrica.

Evidentemente esta es una condición de diseño que asegurará el máximo margen del punto Q a incrementos de cualquier signo de la intensidad de colector. Sin embargo, hay muchas otras condiciones de operación del transistor que exige un desplazamiento de Q en uno u otro sentido. En estos casos la situación del punto Q estará definida por las diferentes restricciones.

Punto de trabajo

El transistor bipolar que opera en la región lineal tiene unas características eléctricas lineales que son utilizadas para amplificación.

En estos circuitos, las señales de entrada son amplificadas a la salida y, por consiguiente, hay un aporte de energía realizado a través de fuentes de tensión externas denominadas fuentes de alimentación o fuentes de polarización.

Las fuentes de alimentación cubren dos objetivos: proporcionar las corrientes y tensiones en continua necesarias para que el transistor opere en la región lineal y suministrar energía al transistor de la que parte de ella va a ser convertida en potencia (amplificación).

Los valores de corrientes y tensiones en continua en los terminales de un transistor se denomina punto de trabajo y se suele expresar por la letra Q (Quiescent operating point).

En transistor del circuito de la figura 1.8.a está polarizado con dos resistencias y una fuente de tensión en continua VCC. En este circuito se verifica que

Si suponemos que el transistor se encuentra en la región directa lineal, entonces se puede relacionar las intensidades de base y colector a través de la hFE y asignar una tensión base-emisor típica de 0.7 V.

El cálculo de las tensiones e intensidades del transistor proporciona su punto de trabajo Q. Para este circuito, Q viene definido por las siguientes ecuaciones:

II. OBJETIVOS:

- Identificar los terminales de la base, emisor y colector.

- Identificar el tipo de transistor NPN ó PNP

- Mostrar y medir los efectos de la corriente de base en las características de salida del transistor.

III. INSTRUMENTOS Y MATERIALES

- 1 Fuente Regulada. - 1 Potenciómetro: 100KΩ

- 1Multimetro Digital - 1 Tablero de conexión.

- 1 Transistor 2N3906 - 1 Alicate

- 1 Diodo 1NM4148 - 1 Transistor NPN (parte B)

- 3 Resistencias (1/4 W): 200Ω, 8.2KΩ, 3.6KΩ

IV. PROCEDIMIENTO

PARTE A: Identificación de los terminales de un transistor

1. Considere un transistor de pequeña señal disponible en el Laboratorio (considérelo aunque se haya borrado su nomenclatura).

2. Sobre el dibujo del transistor escogido enumere los tres terminales de este.

3. Seleccione la escala de resistencia del DMM, Coger la punta de color negro (PN) y tomar uno de los terminales del transistor y con la otra punta haga contacto con otro terminal, luego se debe variar hasta realizar todas las medidas posibles, anotar las medidas obtenidas en el siguiente cuadro.

1 2 3

Terminales Del

Transistor

P.N. P.R. Valor medido(Ω)

1 2 5.64MΩ

1 3 0

2 1 0

2 3 0

3 1 0

3 2 5,23 MΩ

4. Los pares de terminales cuyas mediciones de resistencias sean bajas respecto a los otros terminales contendrá a la BASE. En el par de mediciones en las que el terminales del transistor este presente en ambas mediciones será realmente la BASE del transistor.

P.N. P.R. Valor medido(Ω)

1 2 5.64MΩ

3 2 5,23 MΩ

El terminal 2 es la BASE porque esta presente en las 2 mediciones.

5. Ahora de las mediciones realizadas en la 3. la medición con menor resistencia corresponde al Colector y la de mayor resistencia corresponde al emisor.

P.N. P.R. Valor medido(Ω)

1 2 5.64MΩ

3 2 5,23 MΩ

El terminal 1 es el EMISOR y el terminal 3 es el COLECTOR

6. Así mismo por las mediciones realizadas con las puntas de prueba del DMM y los terminales del transistor, nos indican que se trata de un transistor NPN ya que las puntas de prueba roja estuvo conectada a la base.

7. Realizar un grafico del transistor los terminales corrector y el tipo utilizado (NPN ó PNP).

PARTE B: Comprobacion del estado de un transistor.

1. Tomar un transistor de baja señal y realice las pruebas correspondientes al paso 3. De la parte A.

Terminales Del

Transistor

P.N. P.R. Valor medido(Ω)

B E 5.4MΩ

B C 5.16MΩ

E C 0

E B 0

C B 0

C E 0

2. Deduzca el estado en que se encuentra las junturas del transistor bajo prueba.

- El transistor se encuentra en buen estado, es del tipo PNP.

1Emisor

2Base

3Colector

2N3914NPN

PARTE C: Curvas características del transistor bipolar.

1. Implemente el circuito de la Figura 4-2, Fijar el valor de la R B a su valor máximo (100KΩ). Coloque el osciloscopio en el modo X-Y.

2. Regule y fije la fuente VBB a 1 voltio y ajuste la salida del generador para una salida de 5 Vpp

sinodal, a una frecuencia de 1KHz.

3. Conecte la alimentación al circuito y tome 5 valores diferentes de Rb, , indique los valores medidos de la corriente de base (Ib), corriente de colector (Ic) y voltaje colector emisor(Vce).

RB (KΩ) IB (µA) IC (mA) VCE (V)

15 36,76 11,03 0,129

20 35,46 10,76 0,348

30 26,17 7,64 0,972

50 17,18 4,29 1,642

100 9,24 2,98 1,904

4. Evalúe con los valores de las mediciones del paso 3, la ganancia (Beta) del transistor.

RB (KΩ) IB (µA) IC (mA) β

15 36,76 11,03 300

20 35,46 10,76 303

30 26,17 7,64 291

50 17,18 4,29 250

100 9,24 2,98 322

β ≈ 293.2

5. Grafique las curvas características mostradas en la pantalla del osciloscopio correspondiente al paso 2. Dibuje la recta de carga y punto de operación, indicando los valores medidos de Ic, Ib, Vce; correspondiente a cada una de ellas.

V. CUESTIONARIO

1. ¿Cuales son las polarizaciones (efectuadas a través de las puntas de pruebas del óhmetro del DMM) el tipo (PNP y NPN), que nos han permitido (paso 3 y 4 de la parte A) evaluar el transistor? Grafique y explique cada caso.

Dependiendo del tipo de transistor, NPN o PNP, al realizar las mediciones notaremos que cuando se coloca el ohmímetro en los terminales de la base-colector o del base-emisor, si esta polarizado directamente no marcara baja resistencia, pero si esta polarizado inversamente nos marcara alta resistencia, esto depende del transistor según el diagrama indicado

De esta forma si la punta de prueba que media la base es de color rojo, entonces el transistor es un NPN y en caso contrario seria un PNP.

2. ¿Qué nos indica la lectura en ohmios, de la polarización directa aplicada a una unión PN a través de los terminales del DMM al transistor observado (paso 3)?

En ese caso tenemos la medición del hie o hib, ambas son resistencias dinámicas propias del transistor que dependes de la corriente de carga y del hfe, estas resistencias se determinan de la siguiente manera

hie=(25mV )hfe

ICQ

hib=(25mV )ICQ

3. ¿Un transistor en buen estado medirá alta resistencia entre Base-Emisor, cuando la base es mas positiva que el emisor? Explicar porque.

Cuando realizamos mediciones con el ohmímetro y nos marca alta resistencia entre base y emisor cuando la base es mas positiva que el emisor, es porque el transistor es un transistor del tipo NPN, ya que estaría polarizado directamente y mediría el hib del transistor, esto se puede notar en el siguiente grafico de las mediciones.

4. ¿Para que fluya corriente del colector en un transistor NPN, la base y el colector deben ser mas positivos que el emisor?¿Por que?

Si, para que pueda fluir la corriente debe haber una diferencia de potencial, ya que la corriente del colector es positiva, la corriente de base también debe ser positiva, ambas al ser mayores que la corriente del emisor entonces se produce una diferencia de potencial por lo que permite que la corriente fluya por el colector.

En caso contrario la carga no podrá fluir la corriente, por lo tanto el transistor no podrá trabajar.

5. ¿La corriente de base (Ib) en un transistor NPN, en buenas condiciones de operación es igual a la corriente del colector? Explique

No, porque la corriente del colector es mucho mayor que la corriente de base, esto es debido a la relación entre las corrientes del emisor, base y del colector.

IE=IB+ IC

Pero también sabemos que

IC=hfe . I B ,−→IC≫ IB y IC ≅ I E

6. ¿A que conclusiones le ha llevado las mediciones de las junturas o uniones del transistor evaluado en la parte B? Indique cada caso.

Podemos verificar que las junturas del colector y el emisor con la base respectivamente, nos muestran mediciones de resistencia en valores muy altos, dependiendo de la polaridad del transistor esta medición puede ser de baja resistencia. Pero siempre es en un solo sentido, de esta forma solo existen 2 mediciones con valores de resistencia.

Entre estas mediciones se encuentra la base del transistor, de esta manera notamos que se cumple la equivalencia en diodos al momento de realizar la medición, si la resistencia aumenta el punto de trabajo se aproxima al lado izquierdo de la grafica.

Ejemplo:

PARA 56K

PARA 68K

0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.0000.000

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

0.0001.569

12.000f(x) = − 1.22077807512759 x + 11.9986380060563

Vce(V)

Ic(m

A)

0 2 4 6 8 10 1202468

101214

0

2.587

12f(x) = − 1.22058001942154 x + 11.9978441268717

Vce(V)

Ic(m

A)

7. ¿Que nos ha permitido el procedimiento de la parte C, acerca de que las características de entrada y salida del transistor evaluado? Explique.

Observamos que mientras hacemos variar la resistencia en el potenciómetro, el punto de trabajo del transistor se desplaza a lo largo de la recta de carga de transistor, esto quiere decir que varía la corriente de carga y el voltaje de carga esto se debe a que disminuimos o aumentamos la corriente de base del transistor, es por eso que el transistor altera su punto de carga.

8. Anote sus conclusiones y observaciones del experimento.

Conclusiones

- El transistor es un dispositivo bipolar que trabaja en función a la corriente de base.

- Dependiendo de donde se encuentra el punto de trabajo, se sabe si el transistor esta trabajando o no.

- El transistor puede trabajar con valores positivos de voltaje o negativos dependiendo del tipo de juntura.

- Si realizamos variaciones en la resistencia de la base podremos mover el punto de trabajo del transistor y de esta manera lograr que se adecue a la corriente voltaje que necesitemos.

- Podemos realizar la medición de un transistor sin conocer cual es su base, emisor o su colector.

Observaciones

- Se debe de apuntar cual es la polaridad de la punta de prueba de la base al momento de la medición para determinar si es NPN o PNP.

- Mantener siempre la posición inicial de referencia para determinar cuales son los bornes del transistor.

- Se debe ajustar el osciloscopio antes de realizar la medición.

- Las corrientes del transistor se deben de medir con micro amperímetros.

- El Vbb debe estar en el valor establecido de 1V y no se debe se mover.

- Podemos notar como varia la grafica del transistor conforme variamos la resistencia del potenciómetro.