BJT
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1
El transistor bipolar de unión (BJT)
Introducción
1948-1949: Willian Shockley, John Bardeen y Walter H. Brattain “descubren” este dispositivo y modelan su principio de funcionamiento.Es el transistor más utilizado en circuitos discretos.Presenta mayores velocidad de respuesta y potencia disipada que el MOS.Estructura:
E B C
n+
n+ (capa enterrada)
n (capa epitaxial)
p+p n+
p p
p
2
Diagrama de bandas en equilibrio
n+ p n
E B C
ECEFEi
EV
BJT npn BJT pnp
p+ n p
E B C
EC
EFEi
EV
Zona activa directa (npn)
Diagrama de bandas y distribución de minoritarios
ECEFCEi
EV
qVBE
qVBCEF0
EFE
E B C
pnE0 npB0 pnC0
Zonade
saturación
VVBEBE
VVBCBC
ZonaZonaactivaactivadirectadirecta
Zonade
corte
Zonaactiva
inversa
3
Zona activa directa (npn)
Corrientes
InE InC
IrBIpCIpE
Acción de transistor es la captación de portadores minoritarios que realiza una unión pn inversmente polarizada cuando son emitidospor otra unión pn directamente polarizada situada muy próxima a la anterior.
IB
IE IC
IE=InE+ IpE
IC=InC+ IpC
IB=IpE+IrB- IpC
Zona de saturación (npn)
Diagrama de bandas y distribución de minoritarios
ECEFCEi
EV
qVBE
qVBC
EF0
EFE
E B C
pnE0 npB0 pnC0
ZonaZonadede
saturacisaturacióónn
VVBEBE
VVBCBC
Zonaactivadirecta
Zonade
corte
Zonaactiva
inversa
4
Zona de saturación (npn)
Corrientes
0dxdn
<
Existen dos posibles regiones de saturación:1.- saturación directa (es la representada):2.- saturación inversa:
InE InC
IrBIpCIpE
0dxdnpB >
0dxdnpB <
IB
IE IC
IE=InE+ IpE
IC=InC- IpC
IB=IpE+IrB+ IpC
Zona de corte (npn)
Diagrama de bandas y distribución de minoritarios
ECEFCEi
EV
qVBE qVBCEF0
EFE
E B C
pnE0
npB0pnC0Zona
desaturación
VVBEBE
VVBCBC
Zonaactivadirecta
ZonaZonadede
cortecorte
Zonaactiva
inversa
5
Zona de corte (npn)
Corrientes
InE InC
IpCIpE
Todas las corrientes corresponden a corrientes de saturación de una unión (son, por ello, muy pequeñas).
Pueden ser apreciables otras debidas a generación en las zonas de vaciamiento.
IB
IE IC
IE=-InE- IpE
IC=InC+ IpC
IB=IE- IC
El BJT integrado (npn)
Aspectos de modelado
Se distinguefuncionamiento intrínseco (A)funcionamiento extrínseco
distribuidoaislamientos (B)
(A)(B)
(B)
(B)
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Cálculo de las corrientes (npn)
Es necesario establecer un conjunto de hipótesis simplificadoras de partida (son idénticas a las del modelo del diodo de unión pn ideal).La distribución de los portadores minoritarios se obtiene resolviendo la ecuación de continuidad en las tres regiones neutras con las condiciones de contorno apropiadas. Se desprecia la recombinación en la región de base (base estrecha).Las corrientes en los terminales se calculan evaluando la densidad de corriente de difusión de los minoritarios en las distintas regiones neutras (como para el modelo del diodo ideal).Condiciones de contorno:
E B C
0 0 0WB WCWE
0)(W∆p)D(Vp(0)∆p
EnE
BEnE0nE
=⋅=
)D(Vn)(W∆n
)D(Vn(0)∆n
BCpB0BpB
BEpB0pB
⋅=
⋅=
0)(W∆p)D(Vp(0)∆p
CnC
BCnC0nC
=⋅=
Emisor
Base
Colector
1eD(V) tVV
−=
Cálculo de las corrientes (npn)
Distribución de portadores
+=→<<→ )D(VWx))D(V
Wx-(1n(x)∆nLW BC
BBE
BpB0pBnBB
pELx-
BEnE0nEpEE )eD(Vp(x)pLW =∆→>>→
pCLx-
BCnC0nCpCC )eD(Vp(x)pLW =∆→>>→* Se desprecia la recombinación en la base.
*E
B
C
[ ]
[ ]
)D(VL
pDqAI
)D(V-)D(VWnDqA
I
)D(VL
pDqAI
)D(V-)D(VWnDqA
I
BCpC
nC0pCEpC
BCBEB
pB0nBEnC
BEpE
nE0pEEpE
BCBEB
pB0nBEnE
=
=
=
=
El área del transistor prototipo es la de la región de emisor.
Corrientes de minoritarios
7
Cálculo de las corrientes (npn)
Corrientes en los terminales
[ ] )D(VL
pDqA)D(V-)D(V
WnDqA
I BEpE
nE0pEEBCBE
B
pB0nBEE +=
IE=InE+ IpE
IC=-InC- IpC
IB=IE- IC
[ ])D(V-)D(VWnDqA
)D(VL
pDqAI BEBC
B
pB0nBEBC
pC
nC0pCEC −−=
WE
E B C
0 0 0WB WC
InE InC
IpCIpEIE IC
Modelo de Ebers y Moll (npn)
)D(VIα-)D(VIIαII BCSCRBESEDCRDEE =−=
IE IC
E B C
CE B
VBE VBC
αRIDC αFIDE
IDE IDC
)D(VI-)D(VIαIIαI BCSCBESEFDCDEFC =−=
Las fuentes controladas modelan los fenómenos de inyección entre ambas uniones (emisor y colector).
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Modelo de Ebers y Moll (npn)
+=
+=
=−
=→+
=
=−
=→+
=
pC
nC0pC
B
pB0nBESC
pE
nE0pE
B
pB0nBESE
BnC0pC
pCpB0nB
R
RR
BnC0pCpCpB0nB
pCpB0nBR
BnE0pE
pEpB0nB
F
FF
BnE0pEpEpB0nB
pEpB0nBF
LpD
WnD
qAILpD
WnD
qAI
WpDLnD
α1αβ
WpDLnDLnD
α
WpDLnD
α1αβ
WpDLnDLnD
α
Parámetros[ ] )D(V
LpDqA
)D(V-)D(VWnDqA
I BEpE
nE0pEEBCBE
B
pB0nBEE +=
[ ])D(V-)D(VWnDqA
)D(VL
pDqAI BEBC
B
pB0nBEBC
pC
nC0pCEC −−=
)D(VIα-)D(VII BCSCRBESEE =
)D(VI-)D(VIαI BCSCBESEFC =
Se verifica, además, el postulado de reciprocidad SSCRSEF IIαIα ==
Parámetros del BJT (npn en ZAD)
Definiciones InE InC
IrBIpCIpE
◘ Eficiencia de emisorpEnE
nE
IIIγ+
=→
◘ Relación de inyecciónpE
nEe I
Iγ =→
◘ Factor de transporte en la basenE
nCT I
Iα =→
◘ Ganancia en corriente (base común)C
E
pCnC
pEnEF I
IIIII
α =+
+=→
◘ Ganancia en corriente (emisor común)B
CF I
Iβ =→
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Características I-V(npn en emisor común)
Característica de entradaManipulando las ecuaciones de Ebers y Moll:
+−
+=
−
RFS
VV
VV
RFSB β
1β1Iee
β1
β1II t
BE
t
CE
IB
VBE
VCE=0 V VCE=0.2 V
Características I-V(npn en emisor común)
Característica de salida
[ ]
t
CE
t
CE
VV
SCRSEF
VV
SCSEFSCRSEFB
SEFSCC
e)Iα(1)Iα(1
eIIα)Iα(1)Iα(1I
IαII−
−
−+−
−−+−+
+−=
IC
VCE
IB2>IB1
IB1>IB0
IB0 La conductancia de salida en ZAD es nula
10
Fenómenos de segundo orden(npn)
Recombinación en la base
[ ] t
BE
BB
VV
nB
BpB0EBCBE
nB
BpB0E
W
0 nB
pBE
W
0nBEBnEnErB
e2τ
WnqA)D(V)D(V
2τWnqA
dxτ(x)∆n
qAdxUqA)(WI(0)II
≅+=
===−= ∫∫
La expresión de la corriente InC queda:
( ) ( )[ ])D(Vδ2-)D(Vδ-22W
nDqAIII BC
2BE
2
B
pB0nBErB
idealnCnC +=−=
donde nBnB2nB
nB
B DτL;LWδ ==→
Fenómenos de segundo orden(npn)
Efecto Early (efectos)
t
BE
t
BEVV
SEFSCVV
SEFC eIαIeIαI ≈+=
La conductancia de salida en ZAD es nula para la configura-ción en emisor común (modelo ideal: IC no depende de VCE).
Los BJTs reales presentan cierta pendiente no nula en la carac-terística de salida que se modela con el parámetro VA: tensiónde Early IC
VCE-VA
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Fenómenos de segundo orden(npn)
Efecto Early (causas)
EB
C
VCB1>VCB00 WB1
Si VCB crece WB disminuye y la pendiente de npB(x) crece (IC↑)
EB
C
VCB00 WB0
Este efecto se debe a la modulación de la longitud de la región neutra de base: la unión de colector está polarizada en inversa y su tamaño varía.
WB10 WB0
Si WB disminuye→recombinación↓ (IC ↑)
Fenómenos de segundo orden(npn)
Efecto Early (modelado)
BC
B
B
idealC
BC
BVV
2B
pB0nBE
VBC
C
CE
C
VW
W1I
VWe
W
nDqAVI
VI
m t
BE
BE∂∂
=∂∂
+=∂∂
−=∂∂
=
+=+=+=
A
CEidealCCE
idealCC
idealCC V
V1ImVI∆III
VCE
IC
idealCI
CEV
CI∆CI
A-V
CE
C
CE
C
A
idealC
VI
V∆I
VI
m∂∂
===
t
BEVV
BCB
pB0nBEidealC e
)(VWnDqA
I ≈→Corriente de colector en ZAD (ideal):
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Fenómenos de segundo orden(npn)
Efecto Early (modelado)
BCnC
nCnEneutraB
BCB
BA Vx
x-x-WVW
WV∂∂
−=∂∂
=
nCnEneutraBB x-x-WW =
xnE xnC
neutraBW
B( )BEbi
ABDE
ABDES
ABDE
DE
EABDE
DEnE
VVNNNN
q2ε
NNN
WNN
Nx
−++
=
=+
=
( )BCbiABDC
ABDCS
ABDC
DCnC VV
NNNN
q2ε
NNN
x −++
=
Fenómenos de segundo orden(npn)
Dependencia de βF con la polarización
En ZAD: [ ]t
BESEFB
t
BESEFC V
V)Iα-(1log)log(I;VV)Ilog(α)log(I +=+=→
log(IB)log(IC)
VBE
IC se ajusta aceptablemente. IB no lo hace tan bien bajo polarizaciones débiles debido a la recombinación. Esto hace que la ganancia βF disminuya en esa región.
βF
ICB
CF I
Iβ =
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Fenómenos de segundo orden(npn)
Efectos de la alta inyecciónCuando la inyección es de alto nivel la corriente de colector sepuede modelar por:
t
BE2VV
B
inBEC e
WnDqAI ≈
Esta dependencia con la tensión de emisor es más débil que la estimada con el modelo ideal. Esto da cuenta de las desviaciones observadas en βF para las polarizaciones altas.
βF
IC
Fenómenos de segundo orden(npn)
Resistencia de baseLa base es una región estrecha. Por ello la resistencia lateralasociada puede ser grande. Se modela por
t
BBBEVRIV
SC eII−
= siendoABpBL
B
L
BSB NµqA
LALρR ≈=
BAL