eman ta zabal zazu
Universidad del País Vasco
Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores
upv
ehu
TRANSISTORES
•
•
•
•
PED 2002-03
Símbolo. Características
Clasificación de los transistores
Transistores bipolares
Transistores unipolares
4.1
Características. Símbolo
•
•
•
•
Elemento triterminal: Terminal de control
Magnitud control: tensión o corriente
Funcionamiento específico: dos uniones PN
Funcionamiento en régimen permanente:
componentes de los circuitos digitales
terminal de
control i
T.C.
+
vT.C.
–
i
i
A
+
vAB
–
B
IQ 3
IQ 2
IQ 1
PED 2002-03
VQ
v
4.2
Clasificación de los transistores
Transistores bipolares: BJT
• Corriente: movimiento de electrones y huecos.
• Magnitud de control: corriente
• Dos tipos: NPN y PNP
Transistores unipolares o de efecto de campo: FET
• Campo eléctrico influye en el comportamiento
• Corriente: movimiento sólo de electrones o huecos, según el tipo
de transistor
• Magnitud de control: diferencia de potencial
• JFET
• FETMOS: de canal N (electrones); de canal P (huecos)
Transistores uniunión: UJT
• Muy especiales. No los veremos
PED 2002-03
4.3
TRANSISTORES BIPOLARES
•
•
•
•
Magnitud de control: corriente
Terminal central: corriente de control. Terminal base: B
Terminal izquierda: emisor, E
Terminal derecha: colector, C
A
i T.C.
PED 2002-03
+
vAB
B
P
i
N
–
P
i  f ( v AB , iT .C . )
N
P
N
4.4
Tipos de transistores bipolares
transistor bipolar NPN
transistor bipolar PNP
C
C
colector
colector
B
B
base
emisor
E
base
emisor
E
• Sentido flecha: de P hacia N
PED 2002-03
4.5
Magnitudes en los transistores bipolares
• Seis magnitudes a relacionar
• Corriente en cada terminal: IC, IB , IE
• Diferencias potencial entre terminales: VBE, VBC , VCE
• Dos ecuaciones de comportamiento
• Convenio para el sentido de las corrientes y signo de las tensiones
NPN
VBC
IB
B
–C
+
+
VBE
IC
+
VCE
–
–
E
IE
PED 2002-03
PNP
–
IB
B
VCB
+
C
–
VEC
–
VEB
IC
+
E
+
IE
4.6
Ecuaciones de comportamiento de los t. bipolares
IC
RC
VBC
+
RB
VBB
PED 2002-03
+
–
–
+
IB
IB
VBE –
IC
IC
+
+
–
VCE
VCC
–
IE
IC
4.7
Ecuaciones de comportamiento de los t. bipolares
I E  I B  IC
V BB  R B I B  V BE
IC  f ( V CE , I B )
V BC  V BE  V CE
V CC  R C IC  V CE
I B  g( V BE , V CE )
• Ecuaciones comportamiento: análisis experimental
• Simplificando: punto operación del transistor Q(IB, IC,
PED 2002-03
VBE, VCE)
4.8
Curvas características: dos
I B  g( V BE , V CE )
• VCE poca influencia. Se simplifica.
IB
IB
VBE
PED 2002-03
IB  g(VBE )
VBE
4.9
IC  f ( V CE , I B )
IC
mA
IB 100 mA
12
IB  80 mA
10
IB  60 mA
8
6
IB  40 mA
4
IB  20 mA
2
0
PED 2002-03
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
V
VCE
4.10
Zonas de funcionamiento del transistor bipolar
• Un transistor tiene dos uniones PN, 4 posibles polarizaciones:
unión BE
unión BC
IP
IP
IP
DP
DP
IP
DP
DP
• Distinguir entre E y C?
•
•
•
•
•
•
•
Polarización relativa determina quién funciona como E y quién como C
E y C no son exactamente iguales a nivel físico
Funcionamiento directo o normal (NPN): VBE> VBC
Funcionamiento inverso (NPN): VBE< VBC
Habitualmente: funcionamiento directo
Posible con tres de las cuatro opciones
Tres zonas de funcionamiento
– Corte
– Región Activa Normal (R.A.N.)
– Saturación
PED 2002-03
4.11
1. Corte
• BE y BC en I.P.
• Por tanto VBE ≤ 0,7 V y VBC ≤ 0,7 V (se suele comprobar sólo VBE ≤ 0,7 V)
• En I.P. no circula corriente, por tanto: IC = 0 A IB = 0 A (por tanto IE = 0 A)
• Ya tenemos las dos ecuaciones que nos faltaban
• Resumiendo:
condición
VBE ≤ 0,7 V
PED 2002-03
ecuación

IC = 0 , IB = 0
4.12
2. Región Activa Normal (R.A.N.)
• BE en D.P., BC en I.P
• Sólo una unión en D.P. pero corriente en ambas. Aún así IB << IC
• BE en D.P., por tanto, VBE = 0,7 V (una ecuación más)
• Otra ecuación: analizando las curvas características del transistor
• Conclusión análisis: IC/IB = ß ( nueva ecuación, ß “ganancia de corriente”)
• Varía según el tipo de transistor. Consideraremos 100
• Verificación de esta zona implica comprobar unión BC en I.P: comprobar
VBC ≤ 0,5 V (no 0,7 como en una unión aislada). Equivalente: VCE  0,2 V
condición
VCE  0,2 V
PED 2002-03

ecuación
IC
VBE = 0,7 V ,  
IB
4.13
3. Saturación
• BE y BC en D.P.
• Corriente en las dos uniones, IB mayor que antes
• Ambas uniones en D.P.: VBE = 0,7 V y VCE = 0,2 V
• No relación constante anterior
• Verificación de esta zona implica comprobar IC/IB ≤ ß
condición
IC
IB
PED 2002-03

ecuación

VBE = 0,7 V
VCE = 0,2 V
4.14
Zonas de funcionamiento en la curva característica
mA IC
IB  100 mA
12
8
6
IB  80 mA
Saturación
10
IB  60 mA
R.A.N.
IB  40 mA
4
IB  20 mA
2
0
PED 2002-03
Corte
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
VCE V
4.15
Aproximación realizada
IC
IB4
IB3
IB2
IB1
0,2 V
PED 2002-03
VCE
4.16
Resolución gráfica de circuitos con transistores
• Conocemos curvas (IB ,VBE) y (IC ,VCE) del transistor
• Circuito de entrada
IB
V BB
B
RB
+
V BE
"carga" del
circuito de
en trada
–
E
V BB  R B I B  V BE
IB 
PED 2002-03
V BB
RB

1
RB
V BE
RECTA DE CARGA de entrada
4.17
• Dibujando esa recta sobre el mismo plano que la curva (IB ,VBE)
IB
VBE
• Obtenemos punto de operación de entrada: (IBQ ,VBEQ)
PED 2002-03
4.18
• Circuito de salida
V CC
IC
RC
C
"carga" del
circuito de
salida
E
+
V CE
–
V CC  R C IC  V CE
IC 
PED 2002-03
V CC
RC

1
RC
 V CE
RECTA DE CARGA de salida
4.19
• Dibujando esa recta sobre el mismo plano que la curva (IC ,VCE)
IC
IB5
IB4
IB3
IB2 =IBQ
IB1
VCE
• Obtenemos punto de operación de salida
• Con ambos puntos, tenemos el punto de operación del transistor
PED 2002-03
4.20
TRANSISTORES UNIPOLARES O DE EFECTO DE CAMPO
•
•
•
•
•
Campo eléctrico influye en el comportamiento
Corriente: movimiento sólo de electrones o huecos, según tipo
Magnitud de control: diferencia de potencial
JFET
FETMOS: de canal N (electrones); de canal P (huecos)
A
i
+
T.C.
v AB
+
–
v T.C.
–
PED 2002-03
i  f ( v AB , v T.C . )
B
4.21
JFET, transistores de efecto de campo de unión
tran sisto r JFET d e canal N
tran sisto r JFET d e canal P
D drenado r
D drenado r
G
G
puerta
S fuente
puerta
S fuente
• Otros símbolos
transistor JFET de canal N
PED 2002-03
tran sisto r JFET d e canal P
4.22
Magnitudes de los JFET
•
•
•
•
•
Tres magnitudes para analizar comportamiento: ID, VDS y VGS (t. control)
Funcionamiento adecuado: dos uniones PN en I.P
Canal N: VGS < 0. Canal P: VGS > 0
Portadores de carga de fuente hacia drenador, generan ID
Corriente IG =0. Por tanto: IS= ID
canal P
canal N
IG  0
D
ID +
G
VDS
+
VGS
(< 0)
PED 2002-03
–
S
–
(> 0)
IG  0
+
VGS –
+
S
VSD
G
D
ID
–
4.23
Curvas de transferencia en los JFET
• Punto de operación: Q( IDQ, VDSQ, VGSQ)
• Corriente ID depende de las dos tensiones: ID = f(VGS,VDS)
• Circuito para analizar el funcionamiento
ID
IG  0
VGG +–
(variable)
PED 2002-03
D
G
VDS
+
VGS
+
–S
–
RD
+
–
VDD
(variable)
4.24
• Dos curvas
* Curva 1: manteniendo VDS, ID sat= f(VGS)
ID
I DS S
I Ds at
V GS off
(< 0 s iem pre)
V GS Q

V GS
I Dsat  I DSS  1 
 V GSoff



2
V GS
IDSS  corriente de saturación (VGS=0)
VGSoff  tensión de estrangulamiento (canal desaparece, ID = 0)
PED 2002-03
4.25
* Curva 2: para distintos valores de VGS, ID = f(VDS)
IDSS
ID
V GS  0 V
Saturación
V GS  1 V
V GS  2 V
IDsat
Vgs=-2
Corte
VDSsatVDSS
V GS  VGSoff ( < 0 )
V DS
Vgs=-2
IDSS  corriente de saturación (VGS=0)
VGSoff  tensión de estrangulamiento (canal desaparece, ID = 0)
PED 2002-03
4.26
Tres zonas de funcionamiento:
condición
ecuación
CORTE:
VGSQ VGSoff
ID = 0
ZONA OHMICA:
VGSoff  VGSQ  0
VDSQ VDSsat
ID = VDSS / RDS
RDS = VDSS / IDSS
SATURACIÓN:
VGSoff  VGSQ  0
VDSQ  VDSsat
ID = K IDSS
2

V GS Q 
K  1 

V

GS off 
VDSS  tensión para estrangular el canal : |VGSoff|
VDSsat  frontera entre zona óhmica y saturación (no constante)
2
V DS sat
PED 2002-03

V GS Q 
 1 
 V GS off
V

GS off 
4.27
MOS, transistores metal-óxido-semiconductor
NMOS de enriq uecimiento
PMOS de en riquecimiento
D
D
drenado r
drenador
B
G
puerta
su strato
S
B
G
puerta
PMOS de empobrecimiento
D
D
drenador
drenador
B
G
su strato
puerta
S
fuente
PED 2002-03
S
fuente
fuente
NMOS de empobrecimiento
su strato
B
G
sustrato
puerta
S
fuente
4.28
• Otros símbolos
transistores de enriquecimiento
PMOS
NMOS
tran sisto res d e emp obrecimien to
NMOS
PMOS
• Enriquecimiento: D y S físicamente separadas
• Empobrecimiento: entre D y S siempre hay canal
• B, sustrato (bulk). No es un terminal, sino la base física sobre la que se
ha construido el MOS. Normalmente se conecta a S
PED 2002-03
4.29
Magnitudes de los MOS
• Tres magnitudes para analizar comportamiento: ID, VDS y VGS (t. control)
• Corriente IG =0 siempre, no dependiendo de la polarización
• Polarización adecuada para crear canal entre S y D (enriquecimiento) o
para estrechar el canal existente (empobrecimiento)
PMOS de enriquecimiento
(< 0)
NMOS de enriquecimiento
IG  0
G
+V
+
VDS
GS
(> 0)
PED 2002-03
ID
D
–
S
–
IG  0
+
VGS –
S
+
VSD
G
D
ID
–
4.30
Curvas de transferencia en los MOS
• Punto de operación: Q( IDQ, VDSQ, VGSQ)
• Corriente ID depende de las dos tensiones: ID = f(VGS,VDS)
• Obtenemos esa curva experimentalmente, al igual que antes, con un
circuito similar
* Curva 1: manteniendo VDS, ID = f(VGS) (transistor en saturación)
NMOS de enriquecimiento
ID
2
I Do n
I D  I Do n
VT
PED 2002-03
V GS on
 V GS  V T 
 

 V GS on  V T 
V GS
4.31
* Curva 2: para distintos valores de VGS, ID = f(VDS)
ID
NMOS de enriquecimiento
V GS Q
I Ds at
V GS  10 V
S aturaci ón
Z on
a óh
m ic
a
V GS  15 V
V GS  5 V
V GS  V T
V DS sat
PED 2002-03
Corte
V DS
4.32
MOS enriquecimiento, tres zonas de funcionamiento:
condición
ecuación
CORTE:
VGSQ VT
ID = 0
ZONA OHMICA:
VGSQ  VT
VDSQ VDSsat
ID = VDSS / RDS
SATURACIÓN:
VGSQ  VT
VDSQ  VDSsat
ID = K IDon
PED 2002-03
2
 V GS  V T 
K  

V

V
 GS on
T 
4.33
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