PED 2002-03 4.1 TRANSISTORES Símbolo. Características Clasificación de los transistores Transistores bipolares Transistores unipolares Universidad del.

PED 2002-03 4.1

TRANSISTORES

• Símbolo. Características

• Clasificación de los transistores

• Transistores bipolares

• Transistores unipolares

Universidad del País Vasco Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadoresehuupv

eman ta zabal zazu

PED 2002-03 4.2

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

A

B

+

–

terminal decontrol

+

–

i

v

iT.C. vAB

T.C.

v

i

VQ

IQ1

IQ2

IQ3

PED 2002-03 4.3

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)

Clasificación de los transistores

Transistores uniunión: UJT• Muy especiales. No los veremos

PED 2002-03 4.4

• Magnitud de control: corriente• Terminal central: corriente de control. Terminal base: B• Terminal izquierda: emisor, E• Terminal derecha: colector, C

TRANSISTORES BIPOLARES

A

B

+

–

vAB

i

iT.C.

),( ..CTAB ivfi

P PN N NP

PED 2002-03 4.5

• Sentido flecha: de P hacia N

Tipos de transistores bipolares

B

C

E

transistor bipolar NPN

colector

emisorbase

transistor bipolar PNP

C colector

E emisor

B base

PED 2002-03 4.6

• 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

Magnitudes en los transistores bipolares

E

B

C

+

+

+

PNP

IB

IC

IE

––

–V

EB

VEC

VCB

B

C

E

+

+

+

NPN

––

–

VBE

VCE

VBC

IB

IC

IE

PED 2002-03 4.7

Ecuaciones de comportamiento de los t. bipolares

++

+

+–

+–

–

–

–VBB

VCC

RC

RB

IB

IC

IE

IB

IC I

C

IC

VBE

VCE

VBC

PED 2002-03 4.8

Ecuaciones de comportamiento de los t. bipolares

IC f ( V CE , I B ) I B g ( V BE , V CE )

I E I B IC V BC V BE V CE

V BB R B I B V BE V CC R C IC V CE

• Ecuaciones comportamiento: análisis experimental

• Simplificando: punto operación del transistor Q(IB, IC, VBE, VCE)

PED 2002-03 4.9

Curvas características: dos

I B g ( V BE , V CE )

• VCE poca influencia. Se simplifica.

IB

VBE

IB

VBE

IB g(VBE)

PED 2002-03 4.10

IC f ( V CE , I B )

0

2

4

6

8

10

12

mA

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 V

IB

100 A

IB

80 A

IB

60 A

IB

40 A

IB

20 A

IC

VCE

PED 2002-03 4.11

Zonas de funcionamiento del transistor bipolar

• Un transistor tiene dos uniones PN, 4 posibles polarizaciones:

unión BE IP IP DP DP

unión BC IP DP IP 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 4.12

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 ecuación

VBE ≤ 0,7 V IC = 0 , IB = 0

PED 2002-03 4.13

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


VCE 0,2 V VBE = 0,7 V ,IC

IB

PED 2002-03 4.14

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


VBE = 0,7 V

VCE = 0,2 V

IC

IB

PED 2002-03 4.15

Zonas de funcionamiento en la curva característica

0

2

4

6

8

10

12mA

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10V

IB 100 A

IB 80 A

IB 60 A

IB 40 A

IB 20 A

IC

VCE

R.A.N.

Corte

Sat

urac

ión

PED 2002-03 4.16

Aproximación realizada

0,2 V

IC

IB1

IB2

IB3

IB4

VCE

PED 2002-03 4.17

Resolución gráfica de circuitos con transistores

• Conocemos curvas (IB ,VBE) y (IC ,VCE) del transistor

• Circuito de entrada

RECTA DE CARGA de entrada

+B

E

"carga" del circuito de

entrada

–

IB

VBB RB

VBE

VBB RBIB VBE

IB VBB

RB

1

RB

VBE

PED 2002-03 4.18

• Dibujando esa recta sobre el mismo plano que la curva (IB ,VBE)

• Obtenemos punto de operación de entrada: (IBQ ,VBEQ)

IB

VBE

PED 2002-03 4.19

• Circuito de salida

RECTA DE CARGA de salida

+C

E

"carga" del circuito de

salida–

IC

VCC

RC

VCE

VCC RC IC VCE

IC VCC

RC

1

RC

VCE

PED 2002-03 4.20

• Dibujando esa recta sobre el mismo plano que la curva ( IC ,VCE)

• Obtenemos punto de operación de salida

• Con ambos puntos, tenemos el punto de operación del transistor

IB5

IB4

IB3

IB2

IB1

IC

VCE

=IBQ

PED 2002-03 4.21

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

B

+

–+

–

T.C. vAB

i

vT.C.

i f (vAB, vT.C. )

PED 2002-03 4.22

JFET, transistores de efecto de campo de unión

transistor JFET de canal N

G

D

S

drenador

fuentepuerta

G

D

S

drenador

fuentepuerta

transistor JFET de canal P

transistor JFET de canal N transistor JFET de canal P

• Otros símbolos

PED 2002-03 4.23

• 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

Magnitudes de los JFET

+

+

canal N

G

D

S(< 0)

– –

ID

VDS

VGS

IG

0 ++

canal P

G

D

S(> 0)

–

–IG

0V

GS

VSD

ID

PED 2002-03 4.24

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

+

+

+

+

(variable)

(variable)S

D

G

––VGS

VDS

IDRD

––

VGG

VDD

IG 0

PED 2002-03 4.25

(< 0 siempre) VGS

IDIDSS

VGSoff VGSQ

IDsat

2

1

GSoff

GSDSSDsat V

VII

• Dos curvas

* Curva 1: manteniendo VDS, ID sat= f(VGS)

IDSS corriente de saturación (VGS=0)

VGSoff tensión de estrangulamiento (canal desaparece, ID = 0)

PED 2002-03 4.26

Saturación

zona

óhm

ica

Corte

IDI

DSS

VDS

IDsat

Vgs=-2

VGS

2 V

VGS

1 V

VGS

0 V

VGS

VGSoff

(0)

VDSSV

DSsatVgs=-2

IDSS corriente de saturación (VGS=0)

VGSoff tensión de estrangulamiento (canal desaparece, ID = 0)

* Curva 2: para distintos valores de VGS, ID = f(VDS)

PED 2002-03 4.27

Tres zonas de funcionamiento:


CORTE: VGSQ VGSoff ID = 0

ZONA OHMICA: VGSoff VGSQ 0 ID = VDSS / RDS

VDSQ VDSsat RDS = VDSS / IDSS

SATURACIÓN: VGSoff VGSQ 0 ID = K IDSS

VDSQ VDSsat

VDSS tensión para estrangular el canal : |VGSoff|

VDSsat frontera entre zona óhmica y saturación (no constante)

K 1 VGSQ

VGSoff

2

VDSsat 1 VGSQ

VGSoff

2

VGSoff

PED 2002-03 4.28

MOS, transistores metal-óxido-semiconductor

NMOS de enriquecimiento

G

D

S

drenador

fuente

puerta

Bsustrato

PMOS de enriquecimiento

G

D

S

B

drenador

fuente

puertasustrato

NMOS de empobrecimiento

G

D

S

B

drenador

fuente

puertasustrato G

D

S

B

PMOS de empobrecimiento

drenador

fuente

puertasustrato

PED 2002-03 4.29

• Otros símbolos

transistores de enriquecimiento NMOS PMOS NMOS PMOS

transistores de empobrecimiento

• 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 4.30

• 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)

Magnitudes de los MOS


G

S

D

+(> 0)

+

––V

GS

VDS

ID

IG

0

PMOS de enriquecimiento

G

S

D

+

(< 0)+

–V

SD

ID

IG

0V

GS–

PED 2002-03 4.31

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)


VGS

ID

IDon

VGSonVT

ID IDon VGS VT

VGSon VT

2

PED 2002-03 4.32

* Curva 2: para distintos valores de VGS, ID = f(VDS)

Saturación

Corte

NMOS de enriquecimiento ID

IDsat

VGS 5 V

VGS 10 V

VGS 15 V

VGS VT

VDSVDSsat

VGSQ

Zon

a óh

mic

a

PED 2002-03 4.33

MOS enriquecimiento, tres zonas de funcionamiento:


CORTE: VGSQ VT ID = 0

ZONA OHMICA: VGSQ VT ID = VDSS / RDS

VDSQ VDSsat

SATURACIÓN: VGSQ VT ID = K IDon

VDSQ VDSsat K VGS VT

VGSon VT

2

PED 2002-03 4.1 TRANSISTORES Símbolo. Características Clasificación de los transistores Transistores bipolares Transistores unipolares Universidad del.

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