Tecnolgico de Estudios Superiores De Chalco

Asignatura: Electrnica Analgica

Practicas Propuestas (EL TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIN)

Profesor: Luis Manuel Aguilar Guerrero Alumnos/Matriculas: Medrano Garcs Alejandro De Jess (201322140)

Semestre: Cuarto

Grupo: 2401

Ciclo escolar: 2015-1

Turno: Matutino

PRACTICA 10: EL TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIN Y SUS TCNICAS DE POLARIZACIN OBJETIVO:Comprobar las caractersticas elctricas mximas de un BJT utilizando el trazador de curvas. Disear una polarizacin fija y otra con retroalimentacin por emisor que tenga el mismo punto de operacin y comparar la estabilidad de dicho punto cuando la temperatura cambia en ambas.

El transistor que inventaron en 1947 Bardden, Brattain y Schockley

El Transistor Bipolar de UninLa patente del primer transistor, la obtuvo el canadiense Julius Edgar Lilienfeld en el ao de 1925, en esta describe un dispositivo similar a un transistor de efecto de campo, sin embargo, desafortunadamente no public ningn artculo de investigacin acerca del mismo, ni los inventores de los transistores posteriores hacen cita alguna de su patente. Hacia 1934 el inventor alemn Oskar Heil patent un dispositivo similar sin resultados exitosos, posteriormente en 1942 el fsico alemn Herbert Matar trabaj con los entonces conocidos como duodiodos mientras trabajaba en un detector para un radar por efecto Doppler. Dichos duodiodos construidos por el mismo tenan dos contactos metlicos separados por un sustrato de semiconductor, descubriendo efectos que no podan ser explicados por el funcionamiento de dos diodos operando independientemente, de manera que de esto surgi la idea del posterior transistor de puntos de contacto. En 1947 John Bardeen y Walter Brattain trabajando para AT&T Bell Labs observaron que cuando un juego de contactos elctricos eran aplicados a un cristal de germanio, la potencia de salida era mayor que la de entrada al excitar el componente, William Shockley, quien era el lder del grupo de fsica de estado slido comprendi el potencial visualizo la trascendencia del descubrimiento y en los siguientes meses trabajo intensamente para ampliar el conocimiento de los semiconductores. Segn el fsico historiador Robert Arns, existen documentos legales de la patente de los Laboratorios Bell que muestran que W. Shockley y Gerald Pearson haban construido versiones operacionales de las patentes de Lilienfeld y que ellos nunca referenciaron el trabajo de ste en sus artculos de investigacin posteriores ni en artculos histricos. El trmino de transistor fue acuado en 1949 por John R. Pierce en los Laboratorios Bell utilizando el acrnimo de las palabras transfer- resistor, puesto que este dispositivo funciona en la prctica como una transresistencia, cabe mencionar que gracias a la capacidad creativa de Pierce se debe la puesta en funcionamiento del primer satlite estadounidense Telstar. En el ao 1956 J. Bardeen, W. Brattain y W.Shockley fueron reconocidos con el premio Nobel en Fsica por el descubrimiento del transistor que se considera como quizs el ms importante descubrimiento del siglo XX. El primer transistor de silicio fue desarrollado por Gordon Teal en Texas Instruments en 1954 y en 1960 Kahng y Atalla construyeron en los Laboratorios Bell el primer transistor de efecto de campo o MOSFET.El transistor ms utilizado en las dcadas de 1960 y 1970 fue el transistor bipolar de unin, puesto que con l se podan resolver prcticamente todas las necesidades electrnicas de esos tiempos, el otro tipo de transistor conocido como MOSFET tena los inconvenientes de tener una velocidad conmutacin lenta, baja capacidad de manejo de corriente y de ser sensible a la esttica, por lo cual el Transistor Bipolar de Unin domin el campo de la electrnica tanto analgica como digital en esas pocas. Como se acaba de mencionar los transistores se puede clasificar en dos grandes grupos: Los Transistores Bipolares de Unin (Bipolar Junction Transistor)BJT Transistores de Efecto de Campo (Field Effect Transistor) FETLos transistores bipolares de unin y los de efecto de campo se pueden clasificar a su vez de muchas formas, por ejemplo: En funcin de su capacidad de manejo de potencia Transistores de baja potencia para seales pequeas (Small Signal Transistors) Transistores de Potencia (Power Transistors)

En funcin de capacidad para manejar seales de diferente frecuencia Transistores de propsito general Transistores para radiofrecuencia y para microondasSin embargo, la clasificacin que se basa en el tipo de semiconductor con que estn fabricados los divide en: Transistores NPN Transistores PNPEstructura y Principio de funcionamiento del transistor Los Transistores Bipolares de Unin estn compuestos de 3 regiones de semiconductor extrnseco alternadas en forma de emparedado de donde deriva su tipo NPN o PNP. El nombre de estas regiones son emisor, base y colector, se les considera bipolares porque conducen corriente simultneamente con ambos tipos de portador, tanto electrn como hueco, aunque son los portadores mayoritarios del emisor los que proporcionan prcticamente la totalidad de la carga que se desplaza como corriente en el interior del dispositivo. Se les consideran de unin porque por el hecho de que las regiones internas de semiconductor forman un par de uniones, una entre la base y el emisor y otra entre la base y el colector. Para entender de una manera grfica lo anteriormente mencionado, la Figura 3.1 nos muestra su estructura con una seccin de corte, la representacin equivalente con diodos y el smbolo de ambos tipos de transistor bipolar.

Fig.3.1 Estructura, smbolo y circuito equivalente con diodos de los BJT tipo NPN y PNPLa Figura 3.2 corresponde a la vista superior de un transistor bipolar de unin tpico en el que se observan, el semiconductor conocido como isla de sustrato cuyo propsito es aislar al transistor, los contactos metlicos (en negro), sobre los cuales se sueldan las terminales del dispositivo y los semiconductores de cada regin en diferentes niveles de gris, distinguindose la regin n+ del emisor cuyo signo significa que tiene un alto ndice de contaminacin representado por un gris ms intenso.

Fig.3.2 Vista superior de un transistor bipolar de unin tipo NPN

La mayora de los transistores bipolares de unin son fabricados mediante la tcnica de crecimiento epitaxial (por capas) y se les considera planares porque sus terminales de aluminio que estn en contacto con las diversas regiones de semiconductor se encuentran en un mismo plano, Las caractersticas de las regiones de semiconductor se describen en la Tabla 3.1, estas nos permiten entender posteriormente el funcionamiento del dispositivo. Reginndice de contaminacinDimensiones FsicasFuncin

EmisorMuy altoReducidoProporcionar una elevada emisin de portadores mayoritarios hacia la base

Base Intermedio entre ndice de dopado del emisor y el del colectorPequea y extremadamente delgada del orden de algunas milsimas de pulgada Permitir la recombinacin de algunos de los portadores mayoritarios emitidos por el emisor y permitir por ser tan delgada, ser atravesada por dichos portadores hacia el colector

ColectorBajoEs el de mayor tamao, volumen y superficie con el objeto de poder disipar el calor que se produce en l.Al estar polarizado con un voltaje elevado se forma un gran campo elctrico que atrae a la mayora de los portadores mayoritarios que proporcion el emisor

Tabla 3.1 Caractersticas de las regiones internas del BJT

Para determinar el tipo y las terminales de un BJT se utiliza un multmetro digital que tenga la funcin para probar diodos, recurriendo al modelo equivalente de diodos del BJT, se deben ensayar mediciones entre sus terminales hasta encontrar una de ellas que entregue lecturas con las dos restantes similares al voltaje de conduccin de un diodo de silicio, esta terminal ser la base porque el semiconductor de sta es diferente al de las otras dos regiones. Si el cable conectado a la terminal comn o base es rojo, el BJT es NPN, si es negro es PNP. Aquella terminal con la que la base entregue una lectura de menor voltaje de conduccin, es el colector ya que su bajo ndice de contaminacin y amplia superficie de unin con la base dan lugar a ello. A continuacin en la Figura 3.3 se ilustra como determinar el tipo y las terminales de un BJT.

Fig. 3.3 Determinacin del tipo y de las terminales del transistor Principio de funcionamiento del BJTEl BJT conocido como transistor bipolar o de unin es un dispositivo que funciona como fuente de corriente dependiente de corriente cuando se le polarizan apropiadamente sus uniones, sus principales aplicaciones son las de trabajar como interruptor o como amplificador lineal. Para que el BJT pueda amplificar corriente, voltaje o ambos, es necesario que la unin base-emisor se polarice en directo para forzar a los portadores mayoritarios del emisor a difundirse en la base, simultneamente la unin colector-emisor se debe polarizar en inverso para crear un campo elctrico que obligue a la mayor parte de los portadores mayoritarios proporcionados por el emisor a que atraviesen la base, puesto que sta es muy delgada (del orden de milsimas de pulgada) y dispone de una cantidad reducida de portadores con los cuales se puedan difundir los mayoritarios procedentes del emisor, por tal motivo la corriente electrnica del emisor se convierte casi en su totalidad en corriente de colector dejando slo una pequea fraccin como corriente de base, la cantidad que determina a la corriente de colector en funcin de la corriente de emisor se le conoce como ganancia de corriente directa de base comn en modo directo (Forward) 1. El transistor bipolar de unin NPN en base comn con sus caractersticas esenciales de elemento activo, se presenta en la Figura 3.4 donde la fuente VEE en combinacin con RE polarizan en directo la unin base-emisor y la unin colector-base se polariza en inverso mediante la fuente VCC y el resistor RC .

Fig.3.4 Representacin de Corrientes electrnicas en el interior de un BJT en base comn representacin y su modelo equivalenteSimultneamente a su funcionamiento de modo directo, el BJT conduce corrientes en modo inverso (Reverse), con el cual los portadores minoritarios de sus regiones producen pequeas corrientes de fuga, por ejemplo, en un transistor NPN, el colector est obligado por el VCC a realizar la funcin de emisor de los huecos minoritarios de esta regin que se difunden en la base con los electrones minoritarios de sta dando lugar a una corriente de fuga inversa ICBO cuya magnitud se duplica cada 10oC de aumento en la temperatura de la unin, asimismo la fuente -VEE atrae algunos de estos huecos que cruzan la base hacia el emisor que acta como colector. Al aplicar la superposicin de las corrientes de ambos modos de funcionamiento stas se suman, porque en el modo directo se desplazan electrones del emisor hacia el colector, mientras que en el modo inverso se desplazan huecos del colector hacia el emisor y al ser ambas cargas de signo contrario circulando en sentido opuesto, las corrientes se suman. Estas propiedades se pueden observar a continuacin en la Figura 3.5.

Fig.3.5 Representacin de Corrientes electrnicas en el interior de un BJT dependiente de la temperatura en base comn y su modelo equivalenteEl modelo de Ebers Moll representa el comportamiento no lineal del BJT, trabajando simultneamente en ambos modos, mediante ste modelo se obtienen ecuaciones que relacionan a la corriente de colector con el voltaje colector-emisor, en funcin de las ganancias inversa y directa del transistor. Es evidente que el modo directo predomina sobre el inverso puesto que en el directo los flujos de carga se producen con portadores mayoritarios cuya densidad es excesivamente mayor que la de los minoritarios con que opera el modo inverso, esto da lugar a los modelos elctricos simplificados del BJT en base comn que se muestran en la Figura 3.6a y 3.6b. En el primero de ellos se toma en cuenta la contribucin de la corriente de fuga ICBO para determinar a la corriente de colector, siendo ste modelo particularmente importante cuando el transistor trabaja a temperaturas elevadas. El segundo es un modelo an ms simplificado en el que se considera que los transistores de silicio tienen una corriente de fuga extremadamente pequea a temperatura ambiente por lo que se cumple , donde . Fig.3.6 Modelos elctricos equivalentes del BJT en base comn: a) Aproximado dependiente de la temperatura b) Simplificado e independiente de la temperatura

En la Figura 3.7 se muestran las curvas caractersticas de salida del BJT en base comn, como se mencion anteriormente, la unin colector-base debe estar polarizada en inverso por lo que VCB > 0.7 V para que el transistor trabaje en la regin activa de amplificacin lineal. La razn por la cual las curvas de respuesta inician en un voltaje negativo con respecto a las del BJT en emisor comn, tiene su explicacin al aplicar la ley de voltajes de Kirchoff a las terminales del BJT como sigue:

Despejando

Fig.3.7 Curvas Caractersticas de salida del BJT en base comn.

Hasta ahora se ha estudiado al BJT en la configuracin base comn con la finalidad de explicar su funcionamiento pero independientemente de la forma en que se le conecte, ste puede trabajar en diferentes modos de operacin de acuerdo a la polaridad del voltaje que reciban sus uniones como muestra en la siguiente tabla:

MODOPOLARIZACION DE LA UNION

Emisor - BaseColector Base

Activo - DirectoDirectoInversa

Umbral (Corte)InversaInversa

SaturacinDirectoDirecto

Activo - InversoInversaDirecto

En el modo Activo- Directo el BJT se comporta como una fuente controlada (el control de la corriente de salida IC). Esta es la accin de una fuente de corriente controlada ya que los cambios del nivel de polarizacin emisor-base ajustan el valor de IE y por lo tanto de IC. Con las caractersticas de fuente controlada obtenibles, el BJT puede emplearse como amplificador prevaleciendo el modo activo directo en circuitos analgicos. En el modo Umbral (Corte) ambas uniones estn polarizadas inversamente: tanto IE como IC son del orden de las corrientes de saturacin inversas de un diodo, observadas anteriormente en el captulo 2. La situacin es la de corriente casi nula con tensin inversa (grande) en la unin (VCB>>VT) y funciona aproximadamente como un interruptor abierto. En el modo de Saturacin, las dos uniones estn polarizadas directamente, la corriente de colector puede ser apreciable pero la tensin a travs de la unin del colector ser pequea. Esta situacin es aproximadamente la de un interruptor cerrado. El funcionamiento del BJT entre corte y saturacin equivale al de un interruptor (En niveles lgicos, esto equivaldra a un 1 o 0 lgico). En el modo Activo- Inversa es semejante al directo pero con una diferencia significativa. Aun cuando el funcionamiento en la regin activo inversa es el de una fuente controlada la pequea ganancia de corriente frente a hace que esta modalidad no sea adecuada en general para la amplificacin. Sin embargo, tiene aplicacin en circuitos digitales y en algunos circuitos de conmutacin analgicos.

Lo anterior se ilustra en la Figura 3.8, donde con imgenes obtenidas de un trazador de curvas real, utilizando un transistor NPN, se muestran los modos de operacin de est:

ACTIVIDADES A REALIZAR1.- Conseguir 4 BJT NPN y 4 PNP y reportar en una tabla la siguiente informacin:Tipo de BJTMatrculaEncapsulado

NPN2N2222

NPN2N3904

NPNH528

NPNBC548C

PNPTIP120

PNPBC557C

PNP2N3906

2.- Imprimir las curvas de respuesta que determinan las caractersticas elctricas mximas del BJT NPN 2N2222 ( .

Nota: Los voltajes obtngalos utilizando nicamente las dos terminales requeridas del transistor, configurando al trazador con una resistencia de carga de 10 K y una potencia de disipacin de 0.1 W para evitar daarlo.

3.- Calcular y construir en circuito impreso una polarizacin fija y una con retroalimentacin por emisor comn que tengan el mismo punto de operacin en ( utilizando . En el caso del ejercicio terico realizar los clculos con valores nominales y con la medida con un multmetro.

Frmulas para calcular una polarizacin fija:

Frmulas para calcular una auto polarizacin con retroalimentacin por emisor:

Aplicando criterio de estabilidad: 4.- Construir las curvas de respuesta del BJT en las que aparezca el punto de operacin aproximado en la parte central del cuadrante y sobre stas dibujar la recta de carga de corriente directa.

5.- Reportar en el formato de las siguientes tablas los resultados que se le solicitan. En el caso prctico utilizar las condiciones del punto de operacin que ofrece el trazador de curvas. Realizar las mediciones en dos temperaturas, la ambiente y a 75 C. El reporte de los resultados realcelos conforme a lo solicitado en la tabla 1.

Tipo de polarizacin a Temp. AmbienteIBICVCEVBEVCB

Fija (Terica)

Fija (Simulada)

Fija (Prctica)

Retroalimentacin por emisor (Terica)

Retroalimentacin por emisor (Simulada)

Retroalimentacin por emisor (Prctica)

Tipo de polarizacin a T= 75 CIBICVCEVBEVCB

Fija (Terica)

Fija (Simulada)

Fija (Prctica)

Retroalimentacin por emisor (Terica)

Retroalimentacin por emisor (Simulada)

Retroalimentacin por emisor (Prctica)

CUESTIONARIO1. Mencione las tres regiones de funcionamiento en las que trabaja el BJT2. Qu terminal entrega lecturas de cada de voltaje de diodo respecto a las dos restantes en un BJT?3. En qu regin se trabaja al BJT como interruptor abierto?4. Qu especificacin elctrica mxima no se debe exceder para evitar daar al BJT cuando trabaja como interruptor abierto?5. Qu valor mximo tiene el voltaje colector emisor cuando el BJT trabaja con su corriente de colector mxima? 6. Nombre las tres tcnicas de polarizacin que usualmente se utilizan con el BJT7. Qu condicin nos permite compensar las variaciones de la beta en un transistor?8. Para trabajar al BJT como interruptor, Qu tcnica de polarizacin se utiliza?9. Tpicamente, Cul es la relacin en funcin de para que el BJT funcione en la regin de saturacin como interruptor cerrado?10. Para ambas tcnicas de polarizacin explique, Porque la corriente de colector se incrementa cuando aumenta la temperatura?

BIBLIOGRAFIAhttp://com/proyectos_electronicos/polarizacion_transistor.htmhttp://www.electronicafacil.net/tutoriales/El-transistor.phpCONCLUSIONES

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