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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESIME ZACATENCO ZACATENCO
INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA DISPOSITIVOS PRACTICA 05 TRANSISTOR TRANSISTOR BIPOLAR MONROY MARÍN ADRIÁN Grupo 5CV3
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Pr!"#!$ No% 5 “Transistor Bipolar” Objetivos: 1. Identificar las terminales del transistor. 2. Medir la corriente de fuga ICBO y su variación con la temperatura. . O!tener y medir el volta"e de ruptura de la unión !ase # emisor y de colector # !ase de un transistor de silicio. $. O!tener la curva caracter%stica de entrada del transistor !ipolar en configuración de emisor& com'n o!servar su variación con el volta"e de colector emisor. (. O!tener las curvas caracter%sticas de salida en configuración de emisor com'n. O!servar su variación con la temperatura. Identificar las regiones de operación corte) saturación y activa directa. Desarrollo Experimental: Conceptos B*sicos+
Tr$&'#'"or B#po($r%
,l transistor es un dispositivo electrónico semiconductor -ue cumple funciones de amplificados) oscilador) conmutador o rectificador. ,l trmino “transistor” es la contracción en ingles de transfer resistor /resistencia de transferencia0. os transistores son componentes esenciales para nuestra civiliación por-ue toda la electrónica moderna los utilia) ya sea en forma individual /discreta0 como tam!in formando parte de circuitos integrados) analógicos o digitales) de todo tipo+ microprocesadores) controladores de motores elctricos) procesador de se3al) reguladores de volta"e) etc. 4ctualmente se los encuentra pr*cticamente en todos los enseres domsticos de uso diario+ radios) televisores) gra!adores) reproductores de audio y video) 5ornos de microondas) lavarropas autom*ticas) automóviles) e-uipo de refrigeración) alarmas) relo"es de cuaro) computadoras) calculadores) impresoras) l*mparas fluorescentes) e-uipo de rayos 6) tomógrafos) ecógrafos) etc.
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7ustituto de la v*lvula termoiónica de tres electrodos o tr%odo) el transistor !ipolar fue inventado en losla!oratorios Bell de ,,88 en diciem!re de 19$2 por :o5n Bardeen) ;alter
o!el de ?%sica en 19(@. 7us inventores lo llamaron as% por la propiedad -ue tiene el transistor de cam!iar su resistencia al paso de la corriente elctrica -ue lo atraviesa entrando por uno de los terminales /el “emisor”0 y saliendo por otro /el “colector”0 en función de la mayor o menor corriente elctrica -ue) para eAcitarlo) se inyecte en el tercero /la “!ase”0. ,l transistor !ipolar consta de un sustrato y tres partes contaminadas artificialmente -ue forman dos uniones !ipolares) el emisor -ue emite portadores) el colector -ue los reci!e o recolecta y la tercera) -ue est* intercalada entre las dos primeras) modula el paso de dic5os portadores/!ase0. 4 diferencia de las v*lvulas el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del -ue se o!tiene corriente amplificada. ,n el dise3o de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo) a diferencia de los resistores) capacitores e inductores -ue son elementos pasivos. 7u funcionamiento solo puede eAplicarse mediante mec*nica cu*ntica) luego en realidad el transistor es un dispositivo cu*ntico. ,l transistor !ipolar es el m*s com'n de los transistores y como los diodos) puede ser de germanio o silicio. ,Aisten dos tipos de transistores+ el >> y el > y la dirección del flu"o de la corriente en cada caso) lo indica la flec5a -ue se ve en el gr*fico de cada tipo de transistor. ,l transistor es un dispositivo de patillas con los siguientes nom!res+ !ase /B0) colector /C0 y emisor /,0) coincidiendo siempre) el emisor) con la patilla -ue tiene la flec5a en el gr*fico de transistor.
,l transistor es un amplificador de corriente) esto -uiere decir -ue si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas /!ase0) el entregara por otra /emisor0) una cantidad mayor a esta) en una factor -ue se ll ama amplificación. ,ste factor se llama /!eta0 y es un dato propio de cada transistor. ,ntonces+
IC /corriente -ue pasa por la patilla colector0 es igual a /factor de amplificación0 por IB /corriente -ue pasa por la patilla !ase0. IC D EIB IB /corriente -ue pasa por la patilla emisor0 es del mismo valor -ue I C) sólo -ue la corriente en un caso entra al transistor y en el otro casa sale de l o viceversa.
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7eg'n la formula anterior las corrientes no dependen del volta"e -ue alimenta el circuito /Fcc0) pero en la realidad si lo 5ace y la corriente I B cam!ia ligeramente cuando se cam!ia Fcc. Fer figura.
,n el gr*fico las corrientes de !ase /I B0 son e"emplos para poder entender -ue a m*s corriente la curva es m*s alta. Material:
Osciloscopio de do!le trao Generador de se3ales Mult%metro analógico yHo digital 8na pina de punta 8na pina de corte @ ca!les caim*n # caim*n de (cm. @ ca!les caim*n # !anana de (cm. @ ca!les !anana # !anana de (cm. $ ca!les coaAiales -ue tengan en un eAtremo terminación B>C y en el otro caimanes Ta!lilla de coneAiones /proto!oard0 ?uente de volta"e CJ /varia!le0 ?uente de corriente CJ /varia!le0 1 transistor de germanio >> 4C12K $ transistor de silicio >> BC($K $ resistor de 1=L a Natt 1 resistor de 1=L a Natt 1 encendedor
Experimentos: 1. ,s re-uisito -ue para antes de realiar la pr*ctica el alumno presente por escrito y en forma concisa y !reve los siguientes puntos so!re el transistor !ipolar+ a) 7%m!olo b) Construcción interna c) Jiagrama t%pico de uniones d0 Modelo matem*tico e0 Comportamiento gr*fico de entrada y salida f) ar*metros principales y su definición g0 Circuitos e-uivalentes
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50 ar*metro “5” i) olariación t%pica ,l profesor de!er* revisar -ue el alumno cumpla con este punto antes de entrar a la!oratorio) as% como -ue se presente con los circuitos correspondientes de!idamente armados) de >O satisfacer estas indicaciones el alumno >O tendr* derec5o a -uedarse en el la!oratorio y se le considerara como falta al mismo. 2.
Identificar las terminales del transistor !ipolar.
,Aisten diversas formas -ue nos permiten identificar las terminales de un transistor !ipolar y si este es >> o >) sin em!argo se recomienda -ue siempre se consulten las 5o"as de especificaciones -ue proporciona el fa!ricante y -ue nos indican cómo est*n u!icadas las terminales de emisor colector y !ase. ,n el la!oratorio es conveniente compro!ar -ue esta u!icación es correcta y -ue el dispositivo este en !uen estado. ,n el caso -ue no se cuete con la información suficiente) mediante algunas mediciones realiadas en el la!oratorio) es posi!le identificar las terminales de los transistores !ipolares y el tipo de transistor >> o > de -ue se trate. 2.1.
8sar el mult%metro en su función de ó5metro y aplicar la prue!a conocida como “prue!a de amplificador” e identificar las terminales del transistor.
a0 8se un mult%metro analógico en su función de ó5metro. Mida el efecto rectificante entre las uniones emisor & !ase y colector # !ase /para el caso de un transistor >>) cuando se coloca el positivo de la fuente interna del ó5metro en la !ase /0 y el negativo en cual-uiera de las otras dos terminales de!er* medirse !a"a resistencia) al invertir la polaridad) la resistencia medida de!er* de ser alta /use la misma escala del mult%metro para la realiación de estas prue!as0. ,ntre las terminales de colector # emisor se o!servar* alta resistencia sin importar como se colo-ue la polaridad de las terminales de las uniones certificantes en el transistor !ipolar y el tipo de transistor >> o >. ara distinguir la terminal del colector de la terminal de emisor ser* necesario aplicar la “prue!a del amplificador”. !0 > o > la prue!a del amplificador consiste en lo siguiente+ ara el caso del >>) conectar el positivo del ó5metro a la terminal -ue supuestamente es el colector y el negativo al emisor) la lectura -ue de!e de aparecer en el ó5metro es de alta resistencia) en seguida 5acer contacto con el dedo entre colector y la !ase /esto es e-uivalente a colocar entre estas terminales una resistencia de orden de M o5ms0 y o!servar la disminución de la resistencia medida entre colector # emisor) cuando la terminal -ue se elige como colector es la correcta esta disminución en el valor de la resistencia es considera!le) si la terminal elegida como colector no es tal) sino la de emisor al efectuar dic5a prue!a la disminución de la resistencia no ser* tan importante. ara estar seguro de cual es cual) de!er* realiarse am!os casos y comparar las resistencias medidas. 2.2.
Otra forma -ue permite identificar las terminales de este dispositivo es mediante el uso de un mult%metro digital -ue nos permite medir la “!eta” de transistor. ,sto es -ue elegimos en el mult%metro digital la función de medición de la !eta colocamos las terminales del transistor como creamos -ue est*n correctas y medimos la !eta) cuando el dispositivo est* correctamente colocando la !eta medida) generalmente es grande
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/en la mayor%a de los casos mayor a (0) cuando no est* !ien colocados la !eta -ue se mide es pe-ue3a /en la mayor%a de los casos menores a 2 y en algunos cosos indica circuito a!ierto.
2.3.
Jespus de identificar las terminales de sus transistores !ipolares. Ji!'"elos en isomtrico en la figura 1) indicando donde est* el colector) el emisor y la !ase.
BC($K
4C12K
)#*ur$ +% Ji!u"o isomtrico del Transistor Bipolar indicando la !ase) el emisor y el colector en un >> y en un >.
)#*ur$ ,% 7%m!olo del transistor. .
Medir la corriente de fuga ICBO y su variación con la temperatura.
4l igual -ue en los diodos /uniones rectificante0 se tuvo le presencia de corrientes de fuga /generadas por los portadores minoritarios0 en los transistores !ipolares tam!in se presentan de tal forma si polariamos inversamente en cual-uier per de terminales del transistor se podr*n medir estas corrientes. 7eg'n el par de terminales -ue eli"a) la corriente tendr* valores diferentes aun-ue del mismo orden de magnitud) es importante recordar -ue estas corrientes son muy pe-ue3as comparadas con las corrientes de operación del dispositivo y -ue adem*s para el caso del silicio son muc5os menores -ue para el germanio. ,n la eApresión matem*tica -ue se usa para la corriente de saturación inversa colector # !ase con el emisor a!ierto en la figura se propone un circuito para medir esta corriente y o!servar como varia con la temperatura. ara esta medición usaremos el transistor de germanio 4C12K.
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)#*ur$ 3% Circuito propuesto para medir la corriente I CBO y su variación con la temperatura usando el transistor de germanio.
ICBO D ICOD $.@( m4 a temperatura am!iente. ICBO1 D ICO1D $. m4 a temperatura mayor -ue la am!iente. ara aumentar la temperatura acer-ue un cerillo encendido por cinco segundos. $. O!servar y medir el volta"e de ruptura de la unión !ase # emisor y de la unión colector # !ase de un transistor !ipolar con tecnolog%a planar. 4ctualmente la gran mayor%a de los transistores !ipolares est*n construidos con tecnolog%a planar) en ellos las regiones del emisor) !ase y colector presentan diferentes concentraciones de impureas y tama3os de!ido a las caracter%sticas de construcción -ue se tienen en las uniones emisor # !ase y colector & !ase) el volta"e de ruptura -ue se presenta en la unión emisor # !ase es menor -ue el -ue se presenta en la unión colector # !ase) lleg*ndose en la pr*ctica a generaliar diciendoP -ue launión emisor # !ase de un transistor !ipolar de silicio se comporta como un diodo ener. 4rme el circuito de la figura $ y o!tenga la curva del diodo emisor # !ase posteriormente desconecte en emisor) conecte el colector y o!tenga la curva del diodo colector # !ase) use una se3al senoidal con volta"e pico entre 1 y 12F a una frecuencia entre @< y 1Q<.
?igura $.a. Circuito propuesto para o!tener la curva del diodo emisor !ase y colector !ase de un transistor !ipolar.
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?igura$.!. Curva del diodo emisor&!ase. Reporte el volta"e al cual rompe la unión emisor # !ase F ,B D 9 F.
?igura $.c. Curva del diodo colector # !ase.
)#*ur$ (.
O!tener las curvas caracter%sticas de entrada del transistor !ipolar en configuración emisor com'n. O!servar su variación con el volta"e de colector # emisor.
4rmar el circuito de la figura ( /o!servar -ue este circuito es seme"ante al de la figura $) solo 5aga los cam!ios necesarios0) el cual permite o!tener el comportamiento de la unión emisor # !ase del transistor !ipolar y o!servar su variación con el volta"e de colector # emisor.
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?igura (.a Circuito propuesto para o!tener el comportamiento del diodo emisor # !ase en un transistor !ipolar y su variación con el volta"e colector # emisor.
?igura (.!. Curvas caracter%sticas de entrada del transistor !ipolar.
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)#*ur$ 5
Reporte en la ta!la 1 los valores medidos de corriente en la !ase para los diferentes volta"es de !ase # emisor.
IB ./A 12#$ 'o4r2 VBE .V 12#o 'o4r2 ($ !ur$ 2( #oo ($ !ur$ 2( #oo 21#'or 6 4$'2 21#'or 6 4$'2 !u$&o VCE70V .K ,0 .K +00 .K +50 T$4($ +%
VBE .V 12#o 'o4r2 ($ !ur$ 2( #oo 21#'or 6 4$'2 !u$&o VCE70%5V
VBE .V 12#o 'o4r2 ($ !ur$ 2( #oo 21#'or 6 4$'2 !u$&o VCE75V
. .1 .K
.K@ .1 .K(
@. O!tener las curvas caracter%sticas de salida del transistor !ipolar en configuración de emisor com'n. O!servar y reportar su variación con la temperatura. 4rmar el cuito de la figura @ y o!tener una a una las curvas caracter%sticas de salida del transistor !ipolar emisor # com'n) para diferentes corrientes en la !ase.
?igura @.a circuito propuesto para o!tener las curvas caracter%sticas de salida del transistor !ipolar.
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?igura @.!. Curvas caracter%sticas de salida del transistor !ipolar u!icando las regiones de corte) saturación y activa directa
?igura @.c. Curvas caracter%sticas del transistor !ipolar.
)#*ur$ 8 Reporte los valores medidos de corriente de colector para los valores de volta"e colector # emisor solicitado en la ta!la 2) eli"a los valores adecuados para la corriente de !ase) tal -ue la IB) 5aga -ue el transistor !ipolar tra!a"e en la región de corte) los valores de I B2 y I B lo 5agan tra!a"ar en la región activa directa /de amplificación0 y la corriente I B$ lo lleve a la región de saturación.
Corr#2&"2 4$'2
2&
IB+ Cor"2 IB, A!"#$ IB3 A!"#$ IB-S$"ur$!#9& T$4($ ,
($ M2#r (o' $(or2' 2 !orr#2&"2 2 !o(2!"or IC .1A p$r$ !$$ u&o 2 (o' $(or2'% FC, F .1 .1 .$
D
FC, 2F .2 .K . .9
D
FC, $F . .9 .9 .9
D
FC, @F .$ .$ .9 .9
D
FC, F .@ .1 .11 .9
D
FC, 1F .1 .11 .1 .1
D
FC, 12F .1 .1 .11 .91
D
?i"e la corriente de !ase en el valor de I B /región 4ctiva0) acer-ue un cerillo encendido al transistor !ipolar por (seg. S o!serve -ue le pasa a la corriente de colector. Jigas si aumento o disminuye la corriente. De 4.23 mA a Temperatura ambiente pasa a 4.83 mA con una temperatura ambiente mayor por lo tanto aumenta . Reporte en la gr*fica de a!a"o la curva caracter%stica de salida del transistor !ipolar para la IB a temperatura am!iente y a mayor temperatura. Ilustre so!re la misma grafica el cam!io con diferentes colores de tinta.
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)#*ur$ :% Curva caracter%stica de salida en configuración de emisor com'n para el transistor !ipolar a dos diferentes temperaturas y considerando la corriente en la !ase constante. uestionario 1.- Dibuje el diagrama de bandas de un transistor bipolar en el cual la unión emisor – base este polarizada directamente y la unión colector – base presente polarización cero.
8nión ,misor # Base.
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8nión Colector # Base. 2.- Determinar el valor de la alfa (α para las lecturas !ue se realizaron en el circuito de la figura 2 .
R+
".- #scriba la e$presión matem%tica !ue se usa para determinar el aumento de la corriente de fuga en una unión rectificante cuando aumenta la temperatura& '%galo tanto para el caso del silicio como para el germanio.
ara el silicio
ara el germanio
.- Defina !ue otras corrientes de fuga pueden obtenerse entre las terminales de un transistor bipolar e indi!ue con !ue literales se conocen. a corriente de fuga con la terminal de emisor a!ierta I C.
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).- *roponga un circuito !ue permita obtener la corriente de fuga de la unión emisor – base con el colector corto – circuitado.
+.- ,De !u orden es el voltaje de ruptura colector – emisor en el transistor de silicio /)0 ,s de segundo orden. 0.- partir de la tabla 2 obtenga las curvas caracter3sticas de salida del transistor bipolar en emisor com4n.
5.-*roponga el circuito e!uivalente de par%metros 6'7 para el transistor bipolar en emisor – com4n y defina cada uno de los par%metros 6'7.
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5ieD a impedancia de entrada del transistor /correspondiente a la resistencia del emisor re0. 5re D Representa la dependencia de la curva I B # FB, del transistor en el valor de F C,. ,s usualmente un valor muy pe-ue3o y es generalmente despreciado /se considera cero0. 5fe D a ganancia de corriente del transistor. ,ste par*metro es generalmente referido como 5 fe o como la ganancia de corriente continua /0 en las 5o"as de datos. 5oe D a impedancia de salida del transistor. ,ste trmino es usualmente especificado como una admitancia) de!iendo ser invertido para convertirlo a impedancia.
18.- partir de las curvas caracter3sticas de la pregunta 0 obtenga los par%metros 'fe& 'oe& para la gr%fica !ue obtuvo con la corriente de 9 " y un : /# ; : respectivamente.
11.- /uando la corriente en la base es cero& ,/u%nto debe de valer la corriente de colector ,s cero ya -ue
12.-
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1".- Determine los par%metros '3bridos ' fe& 're& usando las gr%ficas de la pregunta anterior para una corriente de base de 8=
1.- note sus conclusiones. ,n esta pr*ctica pudimos o!servar la configuraciones de un transistor !ipolar adem*s de su funcionamiento el cual pude emplearse en cual-uier *m!ito de la electrónica digital y la electrónica analógica as% mismo pudimos o!servar la corriente fuga y su variación con la temperatura con la cual se pudo o!tener las curvas caracter%sticas de entrada y salida del transistor !ipolar lo cual nos l levó a ver las regiones de corte) saturación y activa directa.
