bjt

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)


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)


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)

6

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

−=


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


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).

8

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 =→

9

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 ==→


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

11


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 ↑)


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):

12


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 −++

=


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 =

13


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


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

bjt

Documents