Transistor BJT
Introducción
Transistor bipolar de unión (BJT = Bipolar Junction Transistor)
 Dispositivo semiconductor formado por 3 regiones dopadas alternativamente:
npn (o pnp)
 Acción transistor: Captación de portadores mayoritarios procedentes de una unión
p-n polarizada en directa que los emite por otra unión p-n inversamente polarizada y
muy cercana a la anterior
 Dos tipos:
BJT npn
BJT pnp
Transistor BJT
Introducción
 Tres terminales: E = Emisor, B = Base, C = Colector
 No es simétrico: la concentración de portadores en E es generalmente
bastante mayor que en C
 La región central (B) es estrecha
 Sólo 2 tensiones y 2 corrientes independientes (leyes de Kirchhoff)
N D ~ 10
17
N A ~ 10
16
N D ~ 10
1 ~ 5 μm
5 ~ 10 μm
~ 0 . 1μm
15
Transistor BJT
Introducción
 4 modos de operación en función de la polarización de las 2 uniones p-n
BJT npn
SATURACIÓN
DIRECTA
ZAD
CORTE
CORTE
ZAI
SATURACIÓN
INVERSA
Transistor BJT
Ecuaciones I-V
IS
IB 
βF
IC  
e
V BE / U T
e
IS
βR
V BC / U T

1 
βR
e
V BC / U T
1
βR


βF
V BE / U T
1

V BE / U T
e
V BC / U T

IS e
V BE
e
1



IS
V BC / U T
IC
V BC
IB 
Modelo circuital
genérico
e
1  IS e

IS
IS


IE
V BE / U T
e
V BC / U T

Transistor BJT
Modos de operación
Modelos circuitales simplificados
ZAD: VBE > 0, VBC < 0

IS
βR
e
V BC / U T
1

V BC
IB 
IC
βF
V BE / U T
βF IB

IS e
V BE / U T
e
X
V BC / U T
 IS

β
 F




βF
e
V BE / U T
I E  ( β F  1) I B

IE
X
1


IS
IC  β F I B
V BE
V BE
e
V BC
IB 
X
IC
IB 


IS

IC
IE
V BC
IB 
βF IB

V BE , ZAD
V BE , ZAD

IE
Transistor BJT
Modos de operación
ZAI: VBE < 0, VBC > 0

IS
βR
e
V BC / U T
 IS

β
 R
IC

βF
e
V BE / U T
1

βRIB
V BE

IS e

IS
IB 

V BC
IB 
V BE




V BC
IB 
X
1
IC

Modelos circuitales simplificados
X
X
V BE / U T
e
V BC / U T
βR
e
V BC / U T
I E  β R I B
I C   (β R  1) I B


IE


IS
IC
IE
V BC , ZAI

IB
V BC , ZAI
βRIB

V BE
V BC , ZAI  V BE , ZAD
β R  β F

IE
Transistor BJT
Modos de operación
Modelos circuitales simplificados

IS
Saturación: VBE > 0, VBC > 0

IS
βR
e
V BC / U T
IC
X
1

IS e
V BE
βF
V BE / U T
V BC


IS e
V BE / U T
e
V BC / U T
V BE

e
IB
V BC / U T

V BC
IB 
IS
βR
e
IC
V BE / U T
e
V BC / U T

IS
βF
e
V BE / U T

IE
X
1


IC
IE
V BC
IB 
V CE, sat

V CE , sat 
V BE , sat
V BE , sat  V BE , ZAD

IE

Transistor BJT
Modos de operación
Modelos circuitales simplificados
Corte: VBE < 0, VBC < 0

IS
βR
e
X
V BC / U T
1

IB

IS e

V BE
βF
e
X
V BE / U T
1


IC

IE
IC
V BC
IB 
IS

IE
X X
V BE / U T
e
V BC / U T
V BC


V BE
Transistor BJT
Modos de operación
 4 modos de operación en función de la polarización de las 2 uniones p-n
SATURACIÓN
DIRECTA
ZAD
CORTE
CORTE
ZAI
SATURACIÓN
INVERSA
Activa directa: El BJT actúa como amplificador de intensidad:
IC = bFIB con bF ~ 100.
Fluyen corrientes por la unión BE y casi todos los e- emitidos por E son colectados en C.
Activa inversa: El BJT actúa como amplificador de intensidad:
IE = -bRIB con bR ~ 1.
Fluyen corrientes por la unión BC y casi todos los e- emitidos por C son colectados en E,
pero son menos que en ZAD.
Saturación: La ganancia en intensidad decae notablemente y la tensión entre C y E es
baja (~corto).
Corte: Corrientes muy bajas en los tres terminales (~abiertos).
Transistor BJT
Características I-V
Característica de entrada
IB
V CE  0
V CE
V BE
Característica de salida
SATURACIÓN
DIRECTA
ZAD
CORTE
CORTE
ZAI
SATURACIÓN
INVERSA
Transistor BJT
Comportamiento en gran señal
Equivalentes circuitales en ZAD
Movimiento alrededor del punto de operación
Gran señal

Punto de
operación
V BCQ
I BQ
I C (t )

I CQ

ISe

V BEQ / U T
V BEQ
I B (t )
IS
V BC (t )

ISe

V BE ( t ) / U T
V BE (t )
IS
βF
e
V BEQ / U T

Pequeña señal
V BE ( t ) / U T

I E (t )
I B (t )  I B Q   iB (t )
V BE ( t )  V BE Q   v BE ( t )
I C ( t )  I C Q   iC ( t )
V BC ( t )  V BC Q   v BC ( t )
con
+
βF
e
 i B ( t ) ,  iC ( t ) ,  v BE ( t ) ,  v BC ( t ) 
I EQ

 iC (t )
 v BC (t )
 i B (t )

g m   v BE (t )

 v BE (t )
rπ

 i E (t )
Transistor BJT
Comportamiento en gran señal

Punto de operación
I CQ
V BEQ  V BE , ZAD
I BQ 
IS
βF
I CQ  I S e
e
V BCQ
I BQ
V BEQ / U T

ISe

V BEQ
V BEQ / U T
IS
 β F I BQ
βF
e
V BEQ / U T

Pequeña señal
gm 
 v BE ( t )
 iC ( t )
 v BE ( t )

dI B
d V BE


Q
dI C
d V BE

Q
IS e
βF
V BEQ / U T

UT
ISe
UT
V BEQ / U T
UT
I BQ

I CQ
UT
 iC (t )
 v BC (t )
 iC ( t )  g m   v BE ( t )  β F  i B ( t )
 iB (t )
I EQ

 v BE ( t )  rπ   i B ( t )
gπ 
V BEQ / U T
 i B (t )
Conductancia
de entrada
Transconductancia
del BJT

g m   v BE (t )

 v BE (t )
rπ

 i E (t )
Transistor BJT
Ejemplo de amplificador
RC
V CC
(1) Punto de operación:
I C (t )
I BQ
RB
RB
I B (t ) V BE (t )

V CE (t )
IS
βF
V BB
Recta de carga:
I BQ 
V BB  V BEQ
RB
ISe
V BEQ
V BB
v i (t )
V CC
I CQ
RC
e
V BEQ / U T
V BEQ / U T

Asumiendo ZAD:
I BQ 
IS
βF
I CQ  I S e
e
V BEQ / U T
V BEQ / U T
Recta de carga:
 β F I BQ
I CQ 
V CC  V CEQ
RC
Transistor BJT
Ejemplo de amplificador
V CC
I C (t )
RC
(1) Punto de operación:
I BQ
RB
RB
I B (t ) V BE (t )
V BB
V CE (t )
ISe

V BEQ
V BB
v i (t )
V CC
I CQ
RC
IS
βF
e
V BEQ / U T

Q
V BEQ / U T
Transistor BJT
Ejemplo de amplificador (cont.)
RC
V CC
(2) Pequeña señal:
I C (t )
 iC (t )
RC
RB
 i B (t )
RB
v i (t )
v i (t )
I B (t ) V BE (t )
V CE (t )
g m   v BE (t )

 v BE (t )
g π  I BQ U T
rπ
V BB
g m  I CQ U T

 iB (t ) 
v i ( t )   v BE ( t )
RB
 v BE ( t )  rπ   i B ( t )
 iC ( t )  g m   v BE ( t )
 v CE ( t )   R C   iC ( t )   R C  g m   v BE ( t )   g m R C 
 iC ( t )  
rπ
R B  rπ
 v CE ( t )
RC
 vi (t )
Factor de amplificación
(Ganancia en pequeña señal)
Transistor BJT
Ejemplo de amplificador (cont.)
Transistor MOS
Introducción
MOSFET = Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
Transistor de efecto campo metal-óxido-semiconductor:
 Terminales: D = Drenador, G = Puerta, S = Fuente
 Dos tipos: MOS de canal n (nMOS) y MOS de canal p (pMOS)
 Bilateral: D y S son eléctricamente indistinguibles
 Resistencia de entrada infinita: IG = 0 (G aislada por construcción)
nMOS
Transistor MOS
Introducción
 Terminales: D = Drenador, G = Puerta, S = Fuente
 Bilateral: D y S son eléctricamente indistinguibles (VD > VS en nMOS)
 Resistencia de entrada infinita: IG = 0 (G aislada por construcción)
 Sólo 1 corriente y 2 tensiones independientes (leyes de Kirchhoff)
D
V GD 
 IG
G

ID
D

V DS
V GS
IS

S


G

V GD 
ID

V DS
V GS


S
nMOS
I D  I S  I DS
V DS  V GS  V GD
Transistor MOS
Introducción
 3 modos básicos de operación
nMOS
D

V DS
G

V GS
ID
ID
V DS  V GS  VT
ÓHMICA
o LINEAL
SATURACIÓN
 V GS


S
V GS  VT
CORTE
V DS
Cuando la tensión de puerta (G) supera un cierto umbral VT se induce un canal
conductivo entre drenador (D) y fuente (S).
Si se aplica una tensión VDS hay flujo de portadores (e-) desde S a D  intensidad ID
circulando desde D a S  Si VDS  ID.
Si VDS es suficientemente alta, el canal se estrangula e ID se satura.
La conductividad del canal está modulada por la tensión de puerta:
Si VG > VT y VG  ID
Si VG < VT, no hay canal  Transistor en corte (ID = 0, corte)
Transistor MOS
0
ID 
Ecuaciones I-V
, V GS  VT
Corte
1 2 

K ohm  (V GS  V T )V DS  V DS 
2


K sat (V GS  V T )
2
, V GS  V T , V DS  V GS  V T
, V GS  V T , V DS  V GS  V T
Óhmica
Saturación
D
Modelo circuital
genérico
D
ID

V DS  V GS  VT

V DS
G

ID
V GS
V DS
G
SATURACIÓN
 V GS
V GS  VT
CORTE
V DS


S
ÓHMICA
o LINEAL
I D  f V GS , V DS

V GS

S
ID

Transistor MOS
Comportamiento en gran señal
Equivalentes circuitales en SATURACIÓN
Movimiento alrededor del punto de operación
I DQ
Punto de
operación
I D (t )
Gran señal
K sat V GSQ  V T


2
V GSQ
K sat V GS ( t )  V T

2

+
V GS (t )
 i D (t )

Pequeña
señal
I D (t )  I D Q   iD (t )
V GS ( t )  V GS Q   v GS ( t )
con
 i D ( t ) ,  v GS ( t ) 
g m   v GS (t )

 v GS (t )

gm 
 2 K sat V GSQ  V T
dI D
d V GS
Q

Transistor MOS
Ejemplo de amplificador
I D (t )
RD

K sat V GSQ  V T
V GSQ
V GG
Recta de carga:
V GG  V GSQ
(2) Pequeña señal:

2

V DS (t )
V GS (t )
V DD
I DQ
V GG
v i (t )
RD
(1) Punto de operación:
V DD
Recta de carga:
Asumiendo SAT:
I DQ  K sat V GSQ  V T

2
I DQ 
V DD  V DSQ
RD
RD
v i ( t )   v GS ( t )
 i D (t )
v i (t )
 i D ( t )  g m   v GS ( t )

g m   v GS (t )
 v GS (t )

g m  2 K sat V GSQ  V T
 iD (t )  

 v DS ( t )
RD
 v DS ( t )   g m R D  v i ( t )
Factor de amplificación
(Ganancia en peq. señal)
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