TBJ DISPOSITIVO ELECTRONICOS 2016 - Sitios de las ...
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TBJ DISPOSITIVO ELECTRONICOS 2016
Transistor Bipolar
Tipos de Transistores
BIPOLARES
DE
JUNTURA
NPN
PNP
EFECTO DE
CAMPO
FET
UNIΓN
METAL-OXIDO-
SEMICONDUCTOR
MOS
CANAL N (JFET-N)
CANAL P (JFET-P)
CANAL N (MOSFET-N)
CANAL P (MOSFET-P)
TRANSISTORES
* FET : Field Effect Transistor
DefiniciΓ³n Cualitativa
β’ Dispositivo Semiconductor de 3 terminales
β’ FunciΓ³n en el circuito:
Amplificar Corriente
Fuente de Corriente
Llave ElectrΓ³nica
β’ Tipos de Transistores:
NPN
PNP
β’ SΓmbolos que lo representan en el Circuito
El transistor es un dispositivo de 3 terminales con los siguientes nombres:
Base (B), Colector (C) y Emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con el
terminal que tiene la flecha en el grΓ‘fico de transistor.
El transistor es un Amplificador de Corriente, esto quiere decir que si le
introducimos una corriente por el terminal de Base (IB), entregarΓ‘ por el
terminal de Colector (IC), una corriente mayor en un factor que se llama
ganancia de corriente en emisor comΓΊn (b) - IC = b IB
El factor Ξ² (Beta) es un parΓ‘metro del transistor.
DefiniciΓ³n
Convenciones V-I
β’Corrientes positivas cuando entran al dispositivo
β’Tensiones indicadas por subΓndices
IC
IB
IE
VBE
VCB
VCE
+
+
+_
_
_
Emisor
Base
Colector
Emisor
Base
Colector
P
N
N
Emisor
Base
Colector
Estructura FΓsica
Estructura FΓsica
Emisor Base Colector
P NN+ NDCNABNDE
WCWE WB
E
B
C
ConcentraciΓ³n de portadores
B
E C
nn0E β NDE pp0 β NABnn0C β NDC
π©π§π¨π βπ§π’
π
πππ
π§π©π¨ βπ§π’
π
πππ
π©π§π¨π βπ§π’
π
πππ
Zonas de OperaciΓ³n
Juntura B-E Juntura B-C Zona de OperaciΓ³n
Directa Inversa Activa Directa
Directa Directa SaturaciΓ³n
Inversa Inversa Corte
Inversa Directa Activa Inversa
VBC
VBE
SaturaciΓ³n
Activa Directa
Activa Inversa
Corte
Emisor
Base
Colector
+
-
VBE
IB
IB = f(VBE, VCE) CaracterΓstica de entrada
Transistor NPN
Entre base y emisor el transistor se comporta como un diodo.
CaracterΓsticas V-I de Base
ππ΅πΈ
πΌπ
Zona de
saturaciΓ³nZona de corte
IC=bΒ·IB
VCE (V)
IC (mA) VBE
+
-
+
-
VCE
VBE
IB
IC
CaracterΓsticas V-I de ColectorTransistor NPN
Modelo para Zona Activa Directa
ParΓ‘metros Is y b
IC = IS e
VBEUTIB =
ICΞ²
Modelo de Eber & Moll
B
C
E
CaracterΓsticas del Modelo de Eber & Moll
ParΓ‘metros
IS
bF
bR
Determinados por la
fabricaciΓ³n
Validez del modelo
Todos los modos de operaciΓ³n
Funcionamiento del modelo
Generador de corriente entre
Colector β Emisor controlado por
VBC y VBE
MODELO UTILIZADO POR LOS SIMULADORES
Limitaciones del Modelo
β’ No contempla MΓ‘ximas Tensiones, Corrientes y Potencia(Zona de OperaciΓ³n Segura SOAR)
IC-MAX Corriente mΓ‘xima de colector
VCE-MAX TensiΓ³n mΓ‘xima CE
PMAX Potencia mΓ‘xima
ICMAX
PMAX
VCE-MAX
SOAR
Γrea de operaciΓ³n segura
(Safety Operation Area)
IC
VCE
B
C
E
β’No representa la variaciΓ³n de la corriente
IC con la tensiΓ³n VCE
(ModulaciΓ³n del ancho de la base)
VCE (V)
IC (mA)
VBE
IC
VCE
VBE
β’ No representa la dependencia del valor de b con la corriente IC.
β’ No contempla la dependencia de b con la temperatura
β’ No contempla los Efectos Capacitivos de las junturas que afecta al funcionamiento en altas frecuencias
β’ Capacidades de juntura CJC (Colector βBase) CjE (Emisor β Base)
β’ Capacidades de difusiΓ³n CDC (Colector β Base) CDE (Emisor β Base)
rB
rC
rE
β’ La tecnologΓa de fabricaciΓ³n de los TBJ introduce Resistencias ParΓ‘sitas en serie con los terminales
β’ Base (rB),
β’ Colector (rC)
β’ Emisor ( rE).
Emisor
Base
Colector
P
N
N
Corte Transversal de un TBJ NPN
P
N+
N
BaseColector Emisor
Elementos parΓ‘sitos
P
N+
N
BaseColector Emisor
P
N+
N
BaseColector Emisor
N
Principio de Funcionamiento del Transistor Bipolar
P N N P
Si la zona central es muy ancha el comportamiento es el de dos diodos en
serie: el funcionamiento de la primera uniΓ³n no afecta al de la segunda
N PP
Principio de Funcionamiento del Transistor Bipolar
N PP
Principio de Funcionamiento del Transistor Bipolar
N PP
Principio de Funcionamiento del Transistor Bipolar
N PP
El terminal de base actΓΊa como terminal de control manejando una fracciΓ³n
de la corriente mucho menor a la de emisor y el colector.
Emisor
Base
Colector
Transistor PNP
Principio de Funcionamiento del Transistor Bipolar
P NN
Transistor NPN
Principio de Funcionamiento del Transistor Bipolar
VBE VCB
WB
E
B
C
VCBVBE
0 x
P NN+
IEn
IEpIrB
πΌπΈ = πΌπΈπ + πΌπΈπ πΌπΆ = πΌπΈπ β πΌππ΅πΌπ΅ = πΌπΈπ + πΌππ΅
IEIC
IB
π½ =πΌπΆπΌπ΅
π½ =πΌπΈπ β πΌππ΅
πΌπΈπ + πΌππ΅
πΌ =πΌπΆπΌπΈ
πΌ =πΌπΈπ β πΌππ΅
πΌπΈπ + πΌπΈππΌ =
πΌπΈπ
πΌπΈπ + πΌπΈπ
πΌπΈπ β πΌππ΅
πΌπΈπ
Desplazamiento de portadores en Zona Activa Directa
πΌ =πΌπΈπ
πΌπΈπ + πΌπΈπ
πΌπΈπ β πΌππ΅
πΌπΈπ
πΆπππππππ‘π ππ πππππ‘πππππ ππ ππ ππ’ππ‘π’ππ π΅ β πΈ
πΆπππππππ‘π π‘ππ‘ππ ππ ππ ππ’ππ‘π’ππ π΅ β πΈ
πΆπππππππ‘π ππ πππππ‘πππππ ππ’π πππππ π ππ ππ’ππ‘π’ππ π΅ β πΆ
πΆπππππππ‘π ππ πππππ‘πππππ ππ’π πππ π πππ ππ ππ’ππ‘π’ππ π΅ β πΈ
Ξ³E β Eficiencia de
inyecciΓ³n
Ξ±T β Factor de transporte
de base
πΌ = πΎπΈπΌπ
π½ =πΌ
1 β πΌ
πΌ =π½
1 + π½
Ξ² alto β€ Ξ± β 1
Ξ± β 1
πΎπΈ β 1
πΌπ β 1
πππΈ 0
ππ0πΈ
ππ0πΆ
ππ 0
ππ 0 = ππ0πππ΅πΈπππππΈ 0 = ππ0πΈπ
ππ΅πΈππ
ππ ππ΅ = ππ0πππ΅πΆππ ππ ππ΅ β 0
ππ π₯
πππΈ π₯
Concentraciones de portadores en Zona Activa Directa
ππ΅πΆ < 0
WE WB
E
B
C
VCBVBE
0 x
P NN+
ππ0πΈ
πΌπΈπ = ππ΄πΈπ·π πππ π₯
ππ₯π₯=0
πΌπΈπ = βππ΄πΈπ·π ππππΈ π₯
ππ₯π₯=0
πππ π₯
ππ₯π₯=0
= βππ 0
ππ΅
ππππΈ π₯
ππ₯π₯=0
=πππΈ 0
ππΈ
πΌπΈπ = βππ΄πΈπ·π
ππ 0
ππ΅
πΌπΈπ = βππ΄πΈπ·π
πππΈ 0
ππΈ
Corrientes en Zona Activa Directa
WE
πππΈ 0ππ0πΆ
ππ 0
WB
E
B
C
VCBVBE
0 x
P NN+
πΌππ΅ =ππ΅
ππ
ππ΅ β Carga almacenada en base
ππ β Tiempo de vida medio de electrones en base
ππ΅ =1
2ππ΄πΈππ΅ππ 0
πΌππ΅ = β1
2
ππ΄πΈππ΅
ππππ 0
WB
E
B
C
VCBVBE
0 x
πππΈ 0
ππ0πΈ
ππ0πΆ
ππ 0
WE
P NN+
RELACION IC vs VBE
πΌπΆ = πΌπΈπ β πΌππ΅
WB
E
B
C
VCBVBE
0 x
P NN+
IEn
IEpIrBIE
IC
IB
si IrB βͺ IEn πΌπΆ β βπΌπΈπ
πΌπΈπ = βππ΄πΈπ·π
ππ 0
ππ΅
ππ 0 = ππ0πππ΅πΈππ πΌπΆ =
ππ΄πΈπ·πππ0
ππ΅π
ππ΅πΈππ
πΌπΆ = πΌππππ΅πΈππ πΌπ =
ππ΄πΈπ·πππ0
ππ΅
π½ =πΌ
1 β πΌπ½ =
1
1πΌ
β 1
πΌ =πΌπΈπ
πΌπΈπ + πΌπΈπ
πΌπΈπ β πΌππ΅
πΌπΈπ
πΌ =1
πΌπΈπ
πΌπΈπ+ 1
1 βπΌππ΅
πΌπΈπ
πΎπΈ =1
πΌπΈπ
πΌπΈπ+ 1
πΌπ = 1 βπΌππ΅
πΌπΈπ
πΌ = πΎπΈπΌπ
πΌπΈπ = βππ΄πΈπ·π
ππ 0
ππ΅
πΌπΈπ = βππ΄πΈπ·π
πππΈ 0
ππΈπΌπΈπ
πΌπΈπ=
π·πππ0πΈππ΅
π·πππ0ππΈ
πΌππ΅
πΌπΈπ=
ππ΅2
2 π·ππππΌππ΅ =
1
2
ππ΄πΈππ΅
ππππ 0
Ganancia de Corriente Ξ²
Si πΌπ β 1
πΌ β πΎπΈ π½ β1
1πΎπΈ
β 1
1
πΎπΈ= 1 +
πΌπΈπ
πΌπΈπ
1
πΎπΈβ 1 =
πΌπΈπ
πΌπΈπ
π½ βπΌπΈπ
πΌπΈπ
πΌπΈπ
πΌπΈπ=
π·πππ0ππΈ
π·πππ0πΈππ΅
π½ βπ·πππΈππ0
π·πππ΅ππ0πΈ
ππ0 =ππ
2
ππ΄π΅
ππ0πΈ =ππ
2
ππ·πΈ
π½ βπ·πππ·πΈππΈ
π·πππ΄π΅ππ΅
πΌ = πΎπΈπΌππΎπΈ =
1
πΌπΈπ
πΌπΈπ+ 1
0 WB
np(0)
np(x)
E
B
C
VBE VCB
NPN NDCNDE NA
pnE(0)
WEW1B
ModulaciΓ³n del ancho de la base
(Efecto EARLY)
IC = (1+VCE/VA) IS exp (VBE/UT)
37
b vs IC
IC(Q1)
1.0uA 10uA 100uA 1.0mA 10mA 100mA 1.0A
IC(Q1)/ IB(Q1)
50
100
150
200
250
ZONA IIIZONA IIZONA I
BETA
b =πΌπΆ
πΌπ΅
IC ~ InE
IB = IpE + IrB
β’ La corriente IrB es del orden de IpE por lo que no puede despreciarse
π½ =πΌππΈ
πΌππΈ + πΌππ΅
Zona I
IpE InE
Zona II
β’ La corriente IrB puede despreciarse
Zona III
β’ Inyeccion de alto nivel IC(Q1)
1.0uA 10uA 100uA 1.0mA 10mA 100mA 1.0A
IC(Q1)/ IB(Q1)
50
100
150
200
250
ZONA IIIZONA IIZONA I
BETA
IrB IpE InE b
1 mA 1 mA 100 mA 50
1 mA 10 mA 1000 mA 90
1 mA 100 mA 10000 uA 99
TensiΓ³n de ruptura VCB
VCB
IC
IE=0
VCB0
VCB
ICIE
IE3
IE2
IE1
n
CBO
CB
V
VM
)(1
1
EC IMI ** Cuando llega a la ruptura Ξ±M >1
M: Factor de MultiplicaciΓ³n
VCBO: ParΓ‘metro del TBJ
TensiΓ³n de ruptura VCE
VCE
IC
πΌπΆ = π½πΌπ΅ π½ =πΌ
1 β πΌπΌπΆ =
πΌπ
1 β πΌππΌπ΅
πΆπ’ππππ πΌπ = 1 πΌπΆ β β
πΌπ =πΌ
1 βππΆπ΅ππΆπ΅0
π = 1 πΌ = 1 βππΆπ΅
ππΆπ΅0
π
ππΆπ΅
ππΆπ΅0=
π1 β πΌ ππΆπ΅ = ππΆπ΅0
π1 β πΌ ππΆπ΅ β ππΆπΈ ππΆπΈ = ππΆπ΅0
π1 β πΌ
ππ’ππ‘ππππππ π¦ πππ£πππ πππ πππ’πππ πππππππ πππ πΆ
ππΆπΈ = ππΆπ΅0
π 1 β πΌ
πΌ
ππΆπΈ =ππΆπ΅0
π π½
πΆ β π
Cuanto mΓ‘s grande sea el valor de b menor es la
ruptura VCEO
Colector
Base
Emisor
P
N
N+
VCE
Pn
Pn
n
TensiΓ³n de ruptura VCE
MΓ‘ximos Absolutos
42Dispositivos ElectrΓ³nicos-FACET- 2011
43Dispositivos ElectrΓ³nicos-FACET- 2011
44
45
46
47
IREFIC2 = I0
IC1
IB1 + IB2
IB2IB1
Fuente Espejo
Q1 Q2
IREF I01I03I02
QREF
Q1Q2 Q3
Fuente Espejo
IS1 = ISREF I01 = IREF
IS2 = 2 ISREF I02 = 2 IREF
IS3 = 4 ISREF I03 = 4 IREF
Fuente Espejo de 3 Transistores
IREF
IB1 IB2
IC2 = I0
Q1 Q2
Q3
V+
IB1+IB2
IB1 + IB2
Ξ²
IC1
IREF = IC1 +IB1 + IB2
Ξ²
IB1 = IB2 =IC1
Ξ²
IREF = IC1 +2πΌπΆ1
Ξ²2
IREF = πΌπΆ1 1 +2
Ξ²2
IC1 = IC2 = I0
IREF = πΌ0 1 +2
Ξ²2
ππ =ππππ
π +πππ
Fuente Espejo Desequilibrada
πΌπΆ2 = πΌπ2πππ΅πΈ2ππ
πΌπΆ1
πΌπΆ2=
πΌπ1
πΌπ2π
ππ΅πΈ1βππ΅πΈ2ππ
π1 β‘ π2
πΌπ1 β‘ πΌπ2
πΌπΆ1
πΌπΆ2= π
ππ΅πΈ1βππ΅πΈ2ππ
ππ΅πΈ1 β ππ΅πΈ2 = πΌπΆ2 Γ π Despreciando las corrientes
de base πΌπ πΈπΉ β πΌπΆ1
πΌπ πΈπΉ
πΌπΆ2= π
πΌπΆ2Γπ ππ
R
IREF RC
VCC
+
VBE1
_
+VBE2
_+VR
_
IC2
π°πΉπ¬π = π°πͺπππ°πͺπΓπΉ
πΌπ»
πΌπΆ1 = πΌπ1πππ΅πΈ1ππ
El Transistor como Amplificador
πΌπ = πΌπΆπ + ππ
πΌπ = πΌπ΅π + ππ
πππ = ππ΅πΈπ + π£π
πΌππΌπ
Circuito de PolarizaciΓ³n
πΌπΆ = 1 +ππΆπΈ
ππ΄πΌππ
ππ΅πΈπ
ππ
πΈ
π΅ πΆπΌπ
Cuando Vi es pequeΓ±o puedo linealizar la exponencial
El diodo puedo reemplazarlo por un resistor (rΟ)
El valor del resistor se calcula como ππ = πππ΅πΈ
ππΌπ΅Calculado en Q
ππ΅πΈ
πΌπ
ππ΅πΈπ
πΌπ΅π
Q
IC
VCE
ICp
VCEp
VBEp
Cuando Vi es pequeΓ±o puedo linealizar la relaciΓ³n entre Ic y VBE
ππΆ = πΌππππππ ππ = πππ£π ππ =
ππΌπΆπππ΅πΈ
πΆππππ’ππππ ππ π
Modelo de PequeΓ±a SeΓ±al configuraciΓ³n Emisor ComΓΊn
BEp
Cp ,
CEp
V I , ,
V CBOAS VVI b
+VCE
-
Ic=IC+ic
Ib=IB+ib
+vi
-VBE
bm O
BC
CE
B
CE
T
BE
A
S
CE
C
T
BE
A
CESC
Cp
A
C
CEO
rdI
dIc
dI
dV
dI
dVr
U
V
V
I
dV
dI
U
V
V
VII
I
V
dI
dVr
*
)exp(
)exp()1(
)exp(
)exp(
)exp(
T
BE
T
S
BE
B
T
BEsB
CP
T
VBEB
BE
T
CP
T
BE
T
S
VBEBE
Cm
U
V
U
I
dV
dI
U
VII
I
U
dI
dVr
U
I
U
V
U
I
dV
dIg
b
b
b
πΌππΌπ
Validez del Modelo
πΌπ = πΌππππ΅πΈπ+π£π
ππ
πΌπ = πΌππππ΅πΈπ
ππ β ππ£πππ
πΌπ = πΌπΆπ β ππ£πππ
Si π£π
ππ< 1 π
π£πππ = 1 +
π£π
ππ+
1
2
π£π
ππ
2
+1
3
π£π
ππ
3
+ β― β―
Si π£π
ππβͺ 1
ππ£πππ ~1 +
π£π
ππ
πΌπ = πΌπΆπ β 1 +π£π
πππΌπ β πΌπΆπ = ππ
ππ = πΌπΆπ
π£π
ππ
πππ£π
=πΌπΆπ
ππ
ππ =πΌπΆπ
ππ
ππ = 26ππ β π£π~2.6 ππ
πΌπ = πΌπΆπ + ππ
πππ = ππ΅πΈπ + π£π
Capacitancias del Modelo
)exp()0( 0
Ut
Vnn
BEpp
cc iI
Ic
ConcentraciΓ³n de Portadores
)exp()0( 0
Ut
viVnn
BEpp
hEiBE QQvV
TrΓ‘nsitodeTiempoD
W
I
Q
v
qCCapacidadqv
QQvV
n
B
FC
E
i
hbhi
hEiBE
2
dNeutralida Corriente
2
*
*
mFb
mF
i
h
cFh
F
C
h
C
E
hE
gC
gv
q
iq
I
Q
I
Q
QQSi
Capacitancias del Modelo
CΟ = CjBE + Cb
Capacidad de Juntura Base-Emisor
Capacidad de DifusiΓ³n Base-Emisor
CjBE =CjBE0
1βVBE
Vj0BE
Cb = ΟF Γ gm
CΞΌ = CjBC
Capacidad de Juntura Base-Colector
CjBC =CjBC0
1βVBC
Vj0BC
Capacitancias del Modelo
Elementos parΓ‘sitos
P
N+
N
BaseColector Emisor
P
N+
N
BaseColector Emisor
Resistencias y Capacitancias ParΓ‘sitas
Modelo considerando efectos parasitos
Respuesta en Frecuencia del Transistor
Diagrama de alterna para la mediciΓ³n de
f T Frecuencia de TransiciΓ³n
Circuito Equivalente de pequeΓ±a seΓ±al
π ππ βͺ π ππ’ β ππ’πππ πππ πππππππ π ππ’ π0 = ππ Γ π1
ππ
π1 = ππ Γππ
1 + ππππ πΆπ + πΆπ
π0 = ππ ΓππΓππ
1 + ππππ πΆπ + πΆπ
π½ π =ππΓππ
1 + ππππ πΆπ + πΆππ½ π =
π0 π
ππ π
π½ π =ππΓππ
1 + ππππ πΆπ + πΆπ
Para altas frecuencias πππ πΆπ + πΆπ β« 1
π½ π =ππ
π πΆπ + πΆπ
Definimos la frecuencia de ganancia unidad ππ
A la frecuencia π que π½ = 1
ππ =1
2π
ππ
πΆπ + πΆπ
ππ =ππ
πΆπ + πΆπ
ππ =ππ
πΆπ + πΆπ
ππ =ππ
πΆπ + πΆππ΅πΈ + πΆπ
ππ =1
ππ
ππ =πΆπ
ππ+
πΆππ΅πΈ
ππ+
πΆπ
πππΆπ = ππ Γ ππΉ
ππ = ππΉ +πΆππ΅πΈ
ππ+
πΆπ
ππππΉ =
ππ2
2π·π
ππ =ππ
2
2π·π+
πΆππ΅πΈ
ππ+
πΆπ
ππ
Curva TΓpica fT en funciΓ³n de Ic para un transistor npn de circuito integrado con un Γ‘rea de 6 ΞΌ2 en un proceso de alta velocidad.
71
Frecuencia de Ganancia Unidad
72
π½ π =ππ
π πΆπ + πΆπ
π½ ππ½ =ππ
ππ½ πΆπ + πΆπ
= π½0
ππ
π½0 πΆπ + πΆπ
= ππ½
ππ
π½0= ππ½
ππ = ππ₯ Γ π½ πππ₯