TRANSISTOR BIPOLAR
OBJETIVOS 1. Conocer en este laboratorio la teoria, como se usa y sus apicaciones del transistores bipolares. 2. Comprobar mediante el aboratorio el reconocimiento reconocimiento de losmtransistores. losmtransistores.
Marco Teórico
¿Qué es un transistor? Un transistor es un dispositivo electrónico que funciona a base de un dispositivo semiconductor que cuenta con tres terminales, los que son utilizados como amplificador e interruptor, oscilador, conmutador o rectificador. Una pequeña corriente eléctrica, que es aplicada a uno de los terminales, logra controlar la corriente entre los dos terminales. Los transistores se comportan como parte fundamental de los aparatos electrónicos, análogos y digitales. Específicamente, en los aparatos electrónicos digitales, un transistor se utiliza como interruptor, pero también se les da otros usos que guardan relación con memorias RAM y puerta lógicas. Por otra parte, en cuanto a los aparatos análogos, se utilizan, por lo general, como amplificadores. Como ya se mencionó, un transistor está conformado por tres partes. Una de ellas es la que se encarga de emitir electrones, por lo tanto, es el emisor. Una segunda parte es la que los recibe, el denominado colector, y por último, una tercera parte que opera como un modulador del paso de los electrones. Existen varios tipos de transistores, entre los que encontramos los transistores bipolares y los transistores de efecto de campo.
TRANSISTOR BIPOLAR.-
Simbología. Convenio de tensiones y corrientes El transistor bipolar es un dispositivo de tres terminales -emisor, colector y base-, que, atendiendo a su fabricación, puede ser de dos tipos: NPN y PNP. En la figura 1 se encuentran los símbolos de circuito y nomenclatura de sus terminales.
Colector B
Base Emisor
La forma de distinguir un transistor de tipo NPN de un PNP es observando la flecha del terminal de emisor. En un NPN esta flecha apunta hacia fuera del transistor; en un PNP la flecha apunta hacia dentro. Además, en funcionamiento normal, dicha flecha indica el sentido de la corriente que circula por el emisor del transistor.
C
Transistor tipo NPN
E
Transistor tipo PNP
Estructura física El transistor bipolar es un dispositivo formado por tres regiones semiconductoras, entre las cuales se forman unas uniones (uniones PN). En la figura 4 observamos el aspecto útil para análisis 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 será 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 será P y el colector N, dando lugar a un transistor bipolar tipo NPN.
Base (tipo P)
Substrato de Silicio
Figura 4. Estructura de un TRT bipolar
El transistor se fabrica sobre un substrato de silicio, en el Colector cual se difunden impurezas 1, de forma que se obtengan las tres regiones antes mencionadas. En la figura 5 vemos el aspecto típico de un transistor bipolar real, de los que se encuentran en cualquier circuito integrado. Sobre una base n (substrato que actúa como colector), se difunden regiones p y n+, en las que se ponen los contactos de emisor y base. Es de señalar que las dimensiones reales del dispositivo son muy importantes para el correcto funcionamiento del mismo.
Colector (tipo N)
Emisor (tipo N)
Emisor
Base
n+ p n
Figura 5. Estructura real de un TRT
FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR El transistor bipolar es un dispositivo de tres terminales gracias al cual es posible controlar un gran potencia a partir de una pequeña. En la figura se puede ver un ejemplo cualitativo del funcionamiento del mismo. Entre los terminales de colector (C) y emisor (E) se aplica la potencia a regular, y en el terminal de base (B) se Alimentación aplica la señal de control gracias a la que controlamos la potencia. Con pequeñas variaciones de corriente a través del Gran señal de salida terminal de base, se consiguen grandes variaciones a través de los terminales de colector y emisor. Si se coloca una resistencia se puede convertir esta Pequeña señal variación de corriente en variaciones de de entrada tensión según sea necesario. Alimentación Figura 8. Ejemplo de funcionamiento
Fundamentos físicos del efecto transistor
El transistor bipolar basa su funcionamiento en el control de la corriente que circula entre el emisor y el colector del mismo, mediante la corriente de base. En esencia un transistor se puede considerar como un diodo en directa (unión emisor-base) por el que circula una corriente elevada, y un diodo en inversa (unión base-colector), por el que, en principio, no debería circular corriente, pero que actúa como una estructura que recoge gran parte de la corriente que circula por emisor base. En la figura 9 se puede ver lo que sucede. Se dispone de A dos diodos, uno polarizado en directa (diodo A) y otro en IA I base inversa (diodo B). Mientras que la corriente por A es I elevada (IA), la corriente por B es muy pequeña (I B). Si se unen ambos diodos, y se consigue que la zona de unión (lo IB B que llamaremos base del transistor) sea muy estrecha, entonces toda esa corriente que circulaba por A (I A), va a Figura 9. Efecto transistor quedar absorbida por el campo existente en el diodo B. De esta forma entre el emisor y el colector circula una gran corriente, mientras que por la base una corriente muy pequeña. El control se produce mediante este terminal de base porque, si se corta la corriente por la base ya no existe polarización de un diodo en inversa y otro en directa, y por tanto no circula corriente.
Corrientes y tensiones Para el análisis de las distintas corrientes que aparecen en un transistor vamos a considerar un transistor de tipo PNP, que polarizamos tal y como aparece en la figura 10. Este tipo de polarización será el usado cuando el transistor trabaje en región activa, como se verá en los siguientes apartados. La unión emisor-base queda polarizada como una unión en directa, y la unión colector-base como una unión en inversa. En la figura 11 se muestran las principales corrientes (de electrones y huecos) que aparecen en el transistor tras aplicar la polarización indicada en la figura 10. Se puede observar lo siguiente:
Emisor (tipo P)
Base (tipo N)
Emisor Base Colector
Emisor (tipo P)
N
Colector (tipo P)
Figura 10. Polarización
Colector (tipo P)
IEp ICp
IE
IEn
IC
IBr
ICn
IB Figura 11. Corrientes en un TRT
„
„
„
„
Entre el emisor y la base aparece una corriente (IEp + IEn) debido a que la unión está en directa El efecto transistor provoca que la mayor parte de la corriente anterior NO circule por la base, sino que siga hacia el emisor (ICp) Entre el colector y la base circula una corriente mínima por estar polarizada en inversa (I Cn más una parte ínfima de ICp) Por la base realmente circula una pequeña corriente del emisor, más otra de colector, más la corriente de recombinación de base (IEn+ICn+IBr )
A partir de lo anterior podemos obtener algunas ecuaciones bás icas como son las siguientes: I E
+ I B + IC =
0
( I )
Esta ecuación viene impuesta por la propia estructura del circuito, es decir, el transistor es un nodo con tres entradas o salidas, por tanto la suma de las corrientes que entran o salen al mismo ha de ser cero. Cada una de las corrientes del transistor se puede poner en función de sus componentes de la siguiente forma: I E I C I B
= I
E n
+ I
E p
= IC + IC n p
= I E + IC + I B n n r
Relaciones más importantes. Parámetros αy β En un transistor bipolar uno de los aspectos más interesantes para su análisis y uso es el conocer las relaciones existentes entre sus tres corrientes (IE, IB e IC). En la ecuación I tenemos una primera relación. Otras relaciones se pueden obtener definiendo una serie de parámetros dependientes de la estructura del propio transistor. Definimos los parámetros α y β (de continua) como la relación existente entre la corriente de colector y la de emisor, o la de emisor y la de base, es decir: I C I C ( II ) β= α = I E I B Operando podemos relacionar ambos parámetros de la siguiente forma: α I c I C I C β= = = = I B I E − IC I E (1 − IC I E ) 1 − α
En general el parámetro α será muy próximo a la unidad 1 (la corriente de emisor será similar a la de colector) y el parámetro β tendrá un valor elevado (normalmente > 100). A partir de las ecuaciones anteriores se puede obtener una más que es útil cuando se trabaja con pequeñas corrientes de polarización, en las que el efecto de la corriente inversa que circula entre colector y base puede no ser despreciable: I C = β I B + ( β + 1) I C 0 ( III ) En esta ecuación se ha denominado I C0 a la corriente inversa de saturación de la unión colector base, la cual, en general se puede aproximar por ICn, y corresponde a la corriente que circularía por dicha unión polarizada en inversa si se deja al aire el terminal de emisor.
Funcionamiento cualitativo del transistor En función de las tensiones que se apliquen a cada uno de los tres terminales del transistor bipolar podemos conseguir que éste entre en una región u otra de funcionamiento. Por regiones de funcionamiento entendemos valores de corrientes y tensiones en el transistor, que cumplen unas relaciones determinadas dependiendo de la región en la que se encuentre.
Regiones de funcionamiento
Corte
Cuando el transistor se encuentra en corte no circula corriente por sus terminales . Concretamente, y a efectos de cálculo, decimos que el transistor se encuentra en corte cuando se cumple la condición: IE = 0 ó IE < 0 (Esta última condición indica que la corriente por el emisor lleva sentido contrario al que llevaría en funcionamiento normal). Para polarizar el transistor en corte basta con no polarizar en directa la unión base-emisor del mismo, es decir, basta con que V BE=0. Activa
La región activa es la normal de funcionamiento del transistor. Existen corrientes en todos sus terminales y se cumple que la unión base-emisor se encuentra polarizada en directa y la colector base en inversa.
En general, y a efectos de cálculo, se considera que se verifica lo siguiente: V BE = V γ I C
=
β ⋅ I B
donde Vγ es la tensión de conducción de la unión base-emisor (en general 0,6 voltios).
Saturación
En la región de saturación se verifica que tanto la unión base-emisor como la base-colector se encuentran en directa. Se dejan de cumplir las relaciones de activa, y se verifica sólo lo siguiente: V BE = V BE sat V CE = V CE sat donde las tensiones base-emisor y colector-emisor de saturación suelen tener valores determinados (0,8 y 0,2 voltios habitualmente). Es de señalar especialmente que cuando el transistor se encuentra en saturación circula también corriente por sus tres terminales, pero ya no se cumple la relación: I C = β ⋅ I B
Otros aspectos del funcionamiento del BJT Efecto Early Una vez polarizado el transistor en su zona de funcionamiento se pueden producir variaciones no deseadas de las corrientes en el mismo debidas a variaciones en la tensión colector-base. Estas variaciones de corriente son consecuencia de la modulación de la anchura de la base , también conocida como Efecto Early. En un transistor bipolar, un incremento en la tensión colector-base lleva asociado un incremento en la anchura de la zona de carga espacial de dicha unión. Este aumento provoca una disminución de la anchura efectiva de la base, tal y como se observa en la figura 12 (la anchura efectiva de la base pasa de W B a W’B). Debido a esto, la corriente de colector aumenta, pues existe menos camino para
la recombinación en base. La pendiente positiva de las curvas características del transistor en zona activa es debida a este efecto. Base VCB ↑↑ Emisor
Colector
WB
W’B
Figura 12 . Descripción de la modulación de la anchura de base con la tensión
Fenómenos de avalancha y perforación El transistor bipolar, como cualquier dispositivo en cuya estructura existan uniones PN polarizadas, tiene unas limitaciones físicas de funcionamiento debidas a los fenómenos de avalancha que se pueden producir al aplicar tensiones elevadas a las uniones. Concretamente en un transistor bipolar se puede producir la destrucción del dispositivo mediante dos mecanismos de ruptura dif erentes: „
„
Ruptura por entrar en avalancha alguna de las uniones. Si se aplica tensión inversa elevada a las uniones PN del transistor puede ocurrir que alguna entre en avalancha. La unión base-emisor es especialmente sensible a la aplicación de tensiones elevadas debido a su alto dopaje. Ruptura por perforación de base. En el apartado anterior se ha hablado de la disminución de la anchura de la base debido a la tensión inversa aplicada a la unión colector-base. Puede ocurrir que las tensiones aplicadas sean tan grandes que Base desaparezca completamente la anchura de la base del transistor (es decir, que WB = 0). Este caso se denomina perforación de la base, y se produce la destrucción del transistor al circular una corriente muy elevada entre emisor y colector. En la figura 13 observamos el fenómeno de perforación de base. WB Figura 13. Perforación de base
Consideraciones sobre potencia Otro motivo por el que se puede destruir un transistor bipolar es la potencia máxima que es capaz de disipar. En general se puede hablar de potencia en régimen continuo y potencia en régimen alterno. En este cuaderno sólo se considerará el régimen continuo, o de polarización del transistor bipolar. La potencia disipada por cualquier componente viene dada por la ecuación: P
=
V ⋅ I
en el caso particular de un transistor bipolar, consideramos que la potencia que disipa viene dada por la corriente de colector multiplicada por la tensión que colector-emisor, es decir: P
=
V CE ⋅ I C
El producto de la corriente de colector por la tensión colector-emisor indica la potencia disipada por el dispositivo. En función del tipo de transistor (de su fabricación, características y encapsulado), de las condiciones ambientales y del uso de disipadores, la potencia que puede soportar un transistor varía. La potencia máxima que puede disipar un transistor se puede representar en unos ejes de coordenadas, obteniendo la hipérbola de máxima disipación del dispositivo. En el apartado de curvas características se muestra un ejemplo.
MATERIALES:
-
Fuente de voltaje.
- Resistencias
-
Voltímetro.
-
-
Cables.
Transistores
TABLAS Y SIMULACIÓN A) Implemente el siguiente circuito y encuentre el punto de operación:
VBB(V) 0.7 0.8 0.9 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.3 2.4 2.5
VCE(V)
IC(mA)
IB(uA)
VRB(V)
VRC(V)
VBE(V)
B
9.94 9.88 9.83 9.77 9.65 9.53 9.41 9.30 9.18 9.06 9.00 8.94 8.89
0.06 0.12 0.17 0.23 0.35 0.47 0.59 0.70 0.82 0.94 1.00 1.06 1.11
0.22 0.39 0.59 0.78 1.19 1.60 2.01 2.43 2.85 3.27 3.48 3.69 3.90
0.10 0.19 0.28 0.37 0.56 0.75 0.94 1.14 1.34 1.53 1.63 1.73 1.83
0.06 0.12 0.17 0.23 0.35 0.47 0.59 0.70 0.82 0.94 1.00 1.06 1.11
0.60 0.61 0.62 0.63 0.64 0.65 0.66 0.66 0.66 0.67 0.67 0.67 0.67
272 307 288 294 294 293 293 288 287 287 287 287 284
B) Implemente el siguiente circuito y encuentre el punto de operación:
VBB(V) S/F 0.7 0.8 0.9 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.3 2.4 2.5
VCE(V)
IC(mA)
IE(mA)
IB(uA)
VR1(v)
VR2(v)
VRC(v)
VRE(v)
VX(v)
B
10.9 11.8 11.5 11.3 11.1 10.6 10.1 9.66 9.18 8.69 8.20 7.95 7.71 7.46
0.36 0.08 0.15 0.22 0.30 0.46 0.62 0.78 0.94 1.10 1.27 1.35 1.43 1.51
0.36 0.08 0.15 0.23 0.30 0.46 0.62 0.78 0.94 1.11 1.27 1.35 1.43 1.52
1.21 0.26 0.49 0.74 1.00 1.54 2.10 2.67 3.27 3.87 4.50 4.82 5.14 5.46
10.9 11.3 11.2 11.1 11.0 10.8 10.6 10.4 10.2 10.0 9.80 9.70 9.60 9.50
1.08 0.70 0.80 0.90 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.30 2.40 2.50
0.65 0.15 0.27 0.40 0.54 0.82 1.11 1.40 1.69 1.98 2.28 2.42 2.57 2.72
0.44 0.09 0.18 0.27 0.36 0.55 0.74 0.94 1.13 1.33 1.52 1.62 1.72 1.82
11.34 11.85 11.72 11.59 11.45 11.17 10.88 10.59 10.30 10.01 9.72 9.57 9.42 9.28
297 307 306 297 300 298 295 292 287 284 282 280 278 276
Preguntas
¿Qué es un transistor bipolar, y cuál es la función básica del transistor?
Un transistor bipolar es un dispositivo formado por tres capas de material semiconductor organizadas en forma de sándwich. Puede ser material tipo N entre dos materiales tipo P o viceversa. De acuerdo a la forma como se alternen estas tres capas, se pueden obtener dos tipos: el NPN y el PNP. La FUNCION BASICA y más importante de un transistor es la amplificación de corriente.
¿Cuáles son las fallas más comunes de los transistores?
Que entre a corte y saturación sin que el diseño así lo provee, que nunca se polarice, que la ganancia en dc se modifique por sobre calentamiento, que este en corto, que este abierto, en general un transistor es muy sensible y si no tienes una buena precisión a la hora de hacer el diseño junto con escoger las resistencias de polarización al polarizar puede que falle y no funcione como esperábamos.
¿Cuáles son las diferencias entre los transistores NPN y PNP?
Es básicamente en su estructura interna, sea de mayor región n o p ademásen el transistor NPN sale la corriente por el emisor, y en el PNP ingresa lacorriente por esta misma
Algunas aplicaciones de los transistores
Los transistores tienen multitud de aplicaciones, entre las que se encuentran: 1. Amplificación de todo tipo (radio, televisión, instrumentación) 2. Generación de señal (osciladores, generadores de ondas, emisión de radiofrecuencia) 3. Conmutación, actuando de interruptores (control de relés, fuentes de alimentación conmutadas, control de lámparas, modulación por anchura de impulsos PWM) 4. Detección de radiación luminosa (fototransistores)
¿Cuales son los tipos de transistores que hay? Transistor de contacto puntual
Consta de una base de germanio, semiconductor para entonces mejor conocido que la combinacióncobre-óxido de cobre, sobre la que se apoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector. La corriente de base es capaz de modular la resistencia que se «ve» en el colector, de ahí el nombre de transfer resistor . Se basa en efectos de superficie, poco conocidos en su día. Transistor de unión bipolar
El transistor de unión bipolar (o BJT, por sus siglas del inglés bipolar junction transistor ) tienen cualidades de semiconductores, estado intermedio entre conductores como los metalesy los aislantes como el diamante. La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P de aceptadores o «huecos» (cargas positivas). Normalmente se utilizan como elementos aceptadores P al Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga) y donantes N al Arsénico (As) o Fósforo(P). La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la característica de la base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen diferente contaminación entre ellas (por lo general, el emisor está mucho más contaminado que el colector).
Transistor de efecto de campo
En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otro drenador. Aplicando tensiónpositiva entre el drenador y el surtidor y conectando la puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.
Fototransistor
Los fototransistores son sensibles a la radiación electromagnética en frecuencias cercanas a la de la luz visible; debido a esto su flujo de corriente puede ser regulado por medio de la luz incidente. Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, sólo que puede trabajar de 2 maneras diferentes: 1. Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común); 2. Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación).
