CUESTIONARIO DE TRABAJO DEL TEMA 3° EL TRANSISTOR BIPOLAR (BJT) 1. Describe y comenta brevemente la estructura física típica de un BJT PNP enfatizando las diferencias entre los terminales de colector y emisor y las consecuencias que tiene esto en la zona de operación activa e inversa del transistor.
El transistor bipolar es un dispositivo formado por tres regiones semiconductoras, entre las cuales se forman unas uniones (uniones PN). En la figura, observamos el aspecto util para analisis de un transistor bipolar. Siempre se ha de cumplir que el dopaje de las regiones sea alterno, es decir, si el emisor es tipo P, entonces la base sera tipo N y el colector tipo P. Esta estructura da lugar a un transistor bipolar tipo PNP. Si el emisor es tipo N, entonces la base sera P y el colector N, dando luga a un transistor bipolar tipo NPN. 2. Describe en forma resumida las zonas de operación del BJT y sus principales características. En el transistor BJT se reconocen 3 regiones de operación : Activa: Esta región de operación se considera de corriente constante, se cumple aproximadamente la relación: Ic = hFE . Ib
(En la cual hFE es la ganancia de corriente continua y depende de la construcción del transistor.) Aunque en la práctica Ic varía levemente para diferentes valores de Vce, para esta región se puede pensar que: la corriente Ic es una versión amplificada de la corriente Ib. [Zona Lineal] Saturación: Si Vce es demasiado pequeño, Ic ya no es proporcional a Ib, es decir, aunque Ib aumente, Ic no sigue ese crecimiento Ic < hFE . Ib La tensión Vce permanece prácticamente constante en un valor llamado Vsat, para esta región se puede pensar que: entre colector y emisor, el transistor trabaja “como una llave cerrada”. [Zona No lineal]
Corte: Cuando Ib es muy pequeña o nula, implicará además Ic = 0. Lo que equivale a decir que no hay conducción entre colector y emisor. En esta región se puede pensar que: entre colector y emisor, el transistor trabaja “como una llave abierta”. [Zona No lineal] 3. Dibuja un esquema con las corrientes que circulan por un BJT PNP polarizado en zona activa y describe la naturaleza de cada uno de los componentes de las intensidades del emisor, base, colector.
El transistor PNP es complemento del NPN de forma que todos los voltajes y corrientes son opuestos a los del transistor N PN . Para encontrar el circuito PNP complementario: 1. Se sustituye el transistor N PN por un PN P . 2. Se invierten todos los voltajes y corrientes.
4. Considerando un BJT PNP operando en el extremo de la zona de saturación (I c > 0), (VEB>VCB), repite el ejercicio anterior.
5. Repite el ejercicio anterior para un BJT PNP operando en la zona de corte.
6. Explica por que en un BJT PNP la corriente I BC0 no tiene componente apreciable de corriente de huecos de la base hacia el colector.
7. Describe lo que se conoce como “efecto transistor” de forma detallada, basándote en las corrientes circulantes por un BJT PNP polarizado en zona activa.
Supongamos que polarizamos directamente el diodo base-emisor e inversamente el diodo base-colector. Por el diodo b-e pasará corriente, y como conduce, su voltaje se mantendrá alrededor de 0.7v (como los diodos tienen una resistencia muy baja, en el momento empiezan a conducir, se comportan como si fueran pilas, por lo que su voltaje no cambia mucho de 0.7 a pesar de que su intensidad pueda cambiar mucho). En el colector, puede haber un voltaje cualquiera siempre que polarice en inversa la unión base-colector. (en el caso del NPN, el colector tiene que ser más positivo que "base-0.7V"). Ahora bien. supongamos que entra un electrón por la base y sale por el emisor (el diodo base-emisor se encuentra polarizado en continua y permite que pase ese electrón). Los electrones que se encuentran en la barrera de base-colector no pueden pasar hacia la base, porque dicha unión no se lo permite al estar polarizada en inversa. Sin embargo, como la región de base es tan delgada, "varios electrones del colector consiguen saltar al emisor, animados por el electrón que pasaba por la base". Es como si el electrón de base fuera un barquero que pudiera llevar a varios electrones desde el colector al emisor, y cuando llegaran a él, todos abandonaran el barco. Supongamos que un electrón que pasa de la base al emisor anima a 10 electrones del colector que pasen al emisor. Así, tenemos una relación 10 a uno. Si pasaran 100 electrones por la base, pasarían 1000 por el colector. Si "cada segundo" pasaran 100 electrones por la base, cada segundo pasarían 1000 electrones por el colector. Por el emisor pasarán todos juntos para salir del transistor, por lo que en el último caso, cada segundo pasarán 1100 electrones por el emisor, 1000 que vienen del colector y 100 de la base. Pero qué son esos electrónes por segundo? si dijéramos una docena de electrones por segundo? y si dijéramos un culombio de electrones por segundo? (un culombio es una cantidad, como una docena de cosas, pero con un número muy grande). Pues un culombio de electrones por segundo es la definición de corriente, y es igual a un amperio. Por lo que si decimos que por la base pasa 1mA (miliamperio), significa que pasa cada segundo la milésima parte de un culombio de electrones.
8. Define los coeficientes “factor de transporte de la base” (α T) y “eficiencia de inyección” (γ) de un BJT polarizado en zona activa, indicando los parámetros físicos del transistor de los que dependen y cuales son sus valores máximo y mínimo.
El factor de transporte de la base se define como la relación entre la corriente de huecos que se difunde atraves de la unión de colector y la corriente huecos inyectada atraves de la unión de emisor, esto es:
La eficienci del emisor, γ, se define como la proporción de la corriente de huecos inyectada en la unión de emisor en relación a la corriente total de emisor:
17
-3
15
-3
9. Consideremos un BJT PNP en equilibrio térmico con NE = 5*10 cm , NB =10 cm y 14 -3 10 -3 NC = 10 cm . (ni = 10 cm ; kT =0.026 eV) a) Traza el diagrama de bandas de energía e indica las posiciones de los niveles de E C y EV con respecto a EF en cada región (en unidades kT) b) Representa las densidades de carga y calcula los campos eléctricos máximos. c) Dibuja la curva de potencial considerando que este es nulo en la región de emisor. d) Calcula la diferencia de potencial interno entre el emisor y el colector. 10. Consideremos el transistor del problema anterior con una polarización de V EB = 0.5 V y VCB = -2 V. a) Representa el diagrama de bandas de energía con respecto al diagrama de equilibrio térmico. b) ¿ Cual es la barrera de potencial para la difusión de huecos desde el colector hacia la base?. c) ¿ Cual es la barrera de potencial para la difusión de huecos desde el emisor hacia la base? 11. Para un BJT PNP con I Ep= 1mA, IEn= 0.01 mA, I Cp= 0.98 mA e I Cn= 0.1 μA, calcula: a) El factor de transporte de la base. b) La eficiencia de inyección de emisor. c) ΑCC y βCC y el valor de I B d) IBC0 e IEC0 e) Si ICp= 0.99 mA, calcula β CC e IB f) Si IEn= 0.005 mA, calcula β CC e IB g) ¿Cómo cambiaria βCC si aumenta IEn?
12. Si el transistor del ejercicio 9 tiene una longitud de la base metalúrgica de W BB = 2μm: a) ¿Cuál es la longitud W de la zona casi neutra de la base? b) ¿Cuál es la tensión inversa máxima que puede aplicarse a la unión basecolector? (Suponiendo VBE= 0V)
13. Un BJT PNP tiene una longitud de base W mucho menor que la longitud de difusión de sus portadores minoritarios. Deduce una ecuación que calcule la eficiencia de inyección de emisor para VCB = 0 y suponiendo que todas las uniones son abruptas y que los dopados de las tres regiones son uniformes. ¿Cómo afecta a βcc una disminución de la longitud de la base?
14. Indica la relación que debe existir entre VEB y VCB para que en un B.J.T. que opera en zona de saturación se verifique: a) IE = 0 b) IC = 0 15. Comenta brevemente el modelo de circuito de Ebers-Moll del BJT PNP resaltando las diferencias entre el BJT y dos diodos en serie con el cátodo común. ¿ Cuál de los dos parámetros, αF o αR, es mayor ?. Razónalo en base a sus expresiones algebraicas.
El transistor se fundamenta en:
Se puede expresar su funcionamiento mediante el siguiente modelo equivalente:
VBE' = Es la tensión entre los extremos de la zona de deplexión de la unión BE. Cuando esta tensión es mayor que aproximadamente 0,7 V, el emisor inyecta un gran número de electrones en la base. = La corriente del diodo de emisor controla la corriente de colector. P or esta razón la fuente de corriente de colector obliga a que fluya una corriente cc·IE en el circuito de colector. cc
Luego se podrían hacer aproximaciones:
= 1 lo que implica que IC = IE r b' = 0 un cortocircuito etc... cc
Donde αF es mayor que αR . Ya que αF es un valor muy cercano a 1, siendo este el valor mas grande. 16. Calcula IBC0 en función de los coeficientes de Ebers-Moll.
17. Calcula IEC0 en función de los coeficientes de Ebers-Moll. Obtén la relación entre IBC0, IEC0 y βcc. 18. Explica por qué la corriente IEC0 es mayor que IBC0.
19. Considérese un BJT ideal con los siguientes parámetros: nE0 = 2,56·10 2 cm-3 pB0 = 6,39·103 cm-3 nC0 = 4,92·105 cm-3 LE = 22,8·10-4cm LB = 46,9·10-4 cm LC = 39,5·10-4 cm DE = 5,18 cm2s-1 DB = 22 cm2s-1 DC = 15,6 cm2s-1 W = 4 µm a) Calcula IEn, IEp, IE, ICn, ICp e IC b) Calcula IB1 e IB3. ¿ Qué porcentaje de IB total es IB3 ? c) Calcula γ, αcc y βcc. 3 20. Si en el problema anterior se reduce la longitud de la base a la mitad, 2 µm: a) Calcula los nuevos valores de αcc y βcc. b) Calcula el nuevo valor de IEp y compáralo con su valor original. c) ¿ Cómo afectó este cambio a la eficiencia de inyección de emisor ?
21. Para el transistor del ejercicio 18, calcula sus coeficientes de Ebers-Moll y analiza la característica I-V de salida en emisor común desde la región activa hasta la de saturación profunda, con IB = 2 µA, representando IC en función de VEC para los siguientes valores de VCB: a) VCB = -1 V b) VCB = 0 V c) VCB = + 0,45 V ¿ Qué se puede decir sobre el valor de polarización directa en VCB necesaria para reducir significativamente IC desde su valor en la región activa ?. 22. Considera un transistor ideal en el que se ha reducido drásticamente la longitud (WE) del emisor, de forma que WE << LE. Teniendo en cuenta que, debido al contacto metálico de emisor, el incremento de portadores minoritarios en su extremo es nulo (∆n (x”= WE) = 0) y considerando que el transistor está en zona activa, calcula: a) La componente IEn de la corriente de emisor y la corriente total de emisor. b) La eficiencia de inyección. c) El valor de βcc. ¿ Es mayor o menor que la de un transistor con espesor de emisor grande ?. d) Si se añade una capa de polisilicio entre el emisor y el contacto metálico con un grosor mucho mayor que LE, se verifica que ∆n (x”= WE) = K. Calcula para este nuevo dispositivo IEn, IE y βcc. ¿ Cómo varía el valor de este último parámetro en comparación con el del transistor descrito anteriormente ?. 23. Consideremos un BJT PNP con recombinación en la base, cuya longitud es W. Si W es mucho mayor que LB: a) Describe cómo se comportaría el dispositivo. b) Qué ecuaciones de IE, IC e IB describirían el comportamiento del dispositivo ?. 24. Consideremos un BJT PNP con ∆pB (0) = 7,883·1014 cm-3 y ∆pB (W) = -6,39·103cm3. Representa en una misma gráfica ∆pB (x) para el dispositivo ideal y para el caso en que se considere la recombinación en la base. Como ejemplo, tomar W = 25,4 µm y LB= 46,9 µm. ¿ Qué se puede decir sobre la pendiente de ∆pB en x = 0 y x = W en comparación con el caso ideal ?. ¿ Qué representa el área entre los dos diagramas ?. 25. Considerando los datos del ejercicio 19 y considerando el modelo “casi ideal”: a) Calcula IB2 y compárala con IB1 e IB3 b) ¿ Es significativa la recombinación en la base ?. c) Calcula αcc y βcc considerando el dispositivo “casi ideal”. 26. Un BJT PNP ideal en la región activa tiene IE = 961,3 mA, VEB = 0,65 V y W = 3 µm. 4 a) Si se incluyen los efectos de modulación de la longitud de la base, ¿ cuál es la variación de IE con respecto a W ?. b) Si W queda únicamente determinado por WB – xn, donde xn ≈ K (-VCB)1/2, ¿ cuál es la variación de IE respecto a VCB ?. c) Para VEB fijo, determinar la ecuación que proporcione la variación de IB respecto a VEC si el transistor es casi ideal.
27. La variación de IC frente a VEC de un BJT PNP en su zona activa con IB constante es consecuencia de la modulación de la longitud de la base. Deduce una expresión de dicha variación suponiendo una unión B-C abrupta y que | VCB | >> Vbi. 28. Explica cómo afecta la recombinación en la base a ICE0 del dispositivo casi ideal respecto al ideal.
29. Dos transistores PNP, BJT1 y BJT2 son idénticos, con excepción de la anchura de sus bases, que cumplen que WB1 > WB2. Bajo idénticas condiciones de polarización, explica cuál de ellos tendrá mayor: a) Eficiencia de inyección. b) factor de transporte de base. c) βdc d) sensibilidad a la modulación de la anchura de la base. e) tensión de perforación VCB.
